Универсальные домкраты

Гидроцилиндры: классификация, выбор, расчет скорости и усилия

Гидравлические цилиндры – объемные двигатели, преобразующие энергию потока и сообщающие выходному (рабочему) звену поступательное движение.

Гидроцилиндр, принципиальная схема: 1 - грязесъемник; 2 - гильза; 3 - шток; 4 - стопорное кольцо; 5 - манжета;  6 - поршень; 7 - проушина; 8 – грундбукса.

В целом гидроцилиндры подразделяют на силовые и моментные. В силовом гидроцилиндре шток с поршнем или плунжер совершает прямолинейные возвратно-поступательные движения относительно корпуса. В моментном рабочее звено (вал) совершает возвратно-поворотные движения с углом меньшим 360°.

Классификация силовых гидроцилиндров

Гидравлические цилиндры двухстороннего действия:

• одноштоковые;
• двухштоковые;
• телескопические;
• комбинированные
  • сдвоенные
  • многоскоростные.

Гидравлические цилиндры одностороннего действия:

• поршневые;
• плунжерные;
• телескопические.

В гидравлических цилиндрах одностороннего действия возврат штока происходит либо за счет действия силы тяжести (шток втягивается под собственным весом), либо за счет действия пружины. В гидроцилиндрах двухстороннего действия возврат осуществляется подачей жидкости в штоковую полость и откачкой ее из поршневой полости.

Выбор гидроцилиндра по параметрам

Параметры, по которым подбирается гидроцилиндр, это:

• главный
  • внутренний диаметр;
• основные
  • диаметр штока;
  • рабочее давление;
  • ход поршня;
• рекомендуемые
  • диаметр условного прохода подводящего отверстия;
  • заделка штока.

Выбор внутреннего диаметра гидроцилиндра

В ГОСТ 8032-84 прописан ряд предпочтительных чисел, по которым и производится выбор по главному параметру. Основная характеристика ряда – величина

Дополнительный ряд прописан в ГОСТ 6540-68.

Выбор диаметра штока гидроцилиндра

Диаметр штока определяет усилие на обратном ходу:

Рекомендуемый ряд также приведен в ГОСТ 6540-68. Отношение скоростей прямого и обратного хода штока определяется отношением площадей поршневой и штоковой полостей ?. Им и нужно руководствоваться при выборе размера штока гидроцилиндра.

Выбор оптимального рабочего давления для гидроцилиндра

Рабочее давление определяет эксплуатационные характеристики гидроцилиндра и является стабильной величиной. КПД цилиндра с повышением давления уменьшается, поскольку растут потери на трение, поэтому выбор рабочего давления также имеет свой предпочтительный ряд – ступени.

Выбор хода штока

Производится по ГОСТ 6636-69 и ГОСТ 6540-68. Верхний предел величины хода штока выбирается исходя из неравенства что обусловлено наличием изгибающего момента при одновременном сжатии под нагрузкой и технологией изготовления.

Выбор диаметра подводящих отверстий

Подбирают в зависимости от максимальной скорости потока в походном отверстии и максимальной скорости хода поршня. Поскольку скорость хода поршня в большинстве случаев не превышает 5 м/мин, а максимальная скорость жидкости в проходном отверстии – 5 м/с, то диаметр проходного отверстия можно вычислить следующим образом:

Заделка штока в цилиндре

Это расстояние, которое измеряется при выдвинутом штоке от середины его направляющей до середины поршня. Поскольку радиальные нагрузки на шток приводят к быстрому выходу из строя уплотнительных элементов и повреждению деталей цилиндра, то крепления гидроцилиндров в гидросистемах следует выполнять так, чтобы свести их к минимуму или к 0. Для этого тщательно выверяют направляющую и увеличивают заделку штока. Величину заделки можно определить так:

 Главный, основные и рекомендуемые параметры силовых гидроцилиндров

Гидроцилиндры с двухсторонним штоком

Существуют две конструкции: с закрепленным поршнем и с закрепленным цилиндром. Во втором варианте шток неподвижен, цилиндр жестко крепится с подвижной частью.

Гидроцилиндр с двухсторонним штоком (с закрепленным штоком). 1 – внутреннее уплотнение на штоке, 2, 3 – внешние уплотнения.

Гидроцилиндр с двухсторонним штоком (с закрепленным цилиндром). 1 – внутреннее уплотнение на штоке, 2, 3 – внешние уплотнения.

Скорость перемещения штока прямо пропорциональна количеству подаваемой гидравлической жидкости и обратно пропорциональна разнице квадратов диаметров поршня и штока:

здесь Q – количество жидкости, л/мин;

D – диаметр поршня, см;

D – диаметр штока, см;

S’ – кольцевая площадь поршня, см.

Попеременно подавая одинаковое количество жидкости в разные полости гидроцилиндра, получают одинаковую скорость хода штока в обе стороны.

Гидроцилиндры с односторонним штоком

Гидроцилиндр одностороннего действия : 1 – плунжер, 2 – пружина, 3, 3’ – основной и грязезащитный уплотняющие элементы.

Гидроцилиндр двухстороннего действия: 4 – поршень, 5 – шток, 6, 7 – внутренний и наружный уплотнители, 8 – штоковая полость, 9 – питающая линия.

Как видно из схемы, скорость прямого и обратного хода штока в гидроцилиндре двухстороннего действия при недифференциальном подключении питающей магистрали зависит от величины разности полной S и кольцевой S’ площадей поршня.

Чтобы получить равные скорости применяют подключение по дифференциальной схеме. Питательная линия постоянно подключена к штоковой полости цилиндра.

При совершении холостого хода штока со скоростью v полости цилиндра соединяются между собой, и штоковой полости вытесняется количество рабочей жидкости:

Эта жидкость вместе с жидкостью объемом Q₂ нагнетаемой насосом поступает в поршневую полость. Общий объем жидкости составит:

На прямом ходу

Расчет соотношения площадей (диаметров) поршня и штока

При равных скоростях перемещения поршня получаем

где S и s – площади поршня и штока соответственно.

Гидроцилиндры телескопические

Гидроцилиндр телескопический: 1 – питательная линия с постоянным расходом рабочей жидкости; 2 – поршень 1; 3 – поршень 2; 4 – питательная линия 2; 5 – рукав; 6, 7 – полости цилиндра.

Телескопические цилиндры применяются там, где желаемая величина хода поршня превышает допустимые установочные размеры цилиндра. Скорости выдвижения и втягивания секций определяются из следующих соотношений:

Первым выдвигается меньший, внутренний, поршень с малой скоростью. После его полного выдвижения начинает выдвигаться следующий с большей, чем у первого, скоростью.

Комбинированные гидроцилиндры

В некоторых случаях, например, при применении гидроцилиндров в прессах, необходима высокая скорость и небольшое давление при приближении рабочего инструмента к обрабатываемой детали и малая скорость с одновременной выработкой большого усилия на рабочем ходу.

Трехскоростной гидроцилиндр: 1, 2, 3 – питающие линии; 4 – внутренний цилиндр;5 – штоковая полость; 6 – поршневая полость.

Наименьшая скорость достигается при подаче рабочей жидкости по питательным линиям 1, 2 в полости 5, 6:

Подавая жидкость по питающей линии 1 в полость 4, получаем

Подводя рабочую жидкость по линии 1, и сливе по линиям 2, 3 получаем самую высокую скорость:

Обратный ход выполняется при подаче жидкости по линии 3:

Если необходимо получить большие усилия при наименьшем диаметре цилиндра, используют сдвоенные или строенные гидроцилиндры.

Сдвоенный гидроцилиндр

Такое исполнение увеличивает полезную площадь поршня, следовательно, и усилие на штоке. Скорость хода штока обратно пропорциональна сумме площадей поршней и прямо пропорциональна расходу рабочей жидкости:

Вырабатываемое усилие можно вычислить по формуле:

где р – давление жидкости, кг/см².

Гидроцилиндры – устройства, которые работают в тяжелых условиях. При этом необходимо отметить, что состояние цилиндра зависит от чистоты рабочей жидкости, гладкости внутренней поверхности цилиндра, то есть недопустимо попадание загрязняющих частиц внутрь направляющего цилиндра. Кроме того, шток цилиндра подвергается высоким нагрузкам, иногда ударам при достижении конечных положений.

Для защиты гидроцилиндра от попадания грязи или влаги устанавливают уплотнения и грязесъемники, а иногда – сильфоны, которые закрывают шток при выдвижении. Чтобы защитить шток от ударов о крышку цилиндра в цилиндрах предусматривают тормозные устройства.

Гидроцилиндр с концевым тормозом и защищенным штоком: 1, 2 – гнезда в крышках; 3 – дроссель; 4 – обратные клапаны; 5 – кольцевой объем; 6, 7 – соответствующие гнездам цилиндрические выступы; 8 – сильфон.

Кольцевой объем при приближении хода штока к концу медленно выдавливается через дроссель, сопротивление постепенно тормозит шток. Для быстрейшего заполнения объема цилиндра в начале хода предусмотрены обратные клапаны, заполнение производится в обход дросселя.

Одним из наиболее частых требований к гидроцилиндрам является возможность держать нагрузку без подачи рабочей жидкости при неподвижном штоке. Для реализации такой возможности применяют фиксирующие устройства.

Поршень с фиксирующим устройством: 1 – пружины; 2 – шарики; 3 – коническая поверхность; 4 – уплотняющий элемент; 5 – поршень; 6, 7 – полости цилиндра.

Когда давления в обоих полостях цилиндра равно, пружины смещают шарики, которые заклинивают поршень, смещаясь к конической поверхности. При дальнейшей подаче рабочей жидкости в одну из полостей смещается уплотнительный элемент, он освобождает шарики. Такая схема применяется лишь в цилиндрах, работающих при небольших нагрузках. В иных случаях применяют обратные клапаны.

Эффективность работы гидроцилиндров

Усилие, вырабатываемое гидроцилиндрами

В общем виде формула для расчета вырабатываемого усилия выглядит следующим образом:

В основном КПД гидроцилиндра зависит от трения, то есть от уплотняющих элементов.

Уплотнения штоков (а, б) и поршней (в, г) гидроцилиндров: а) круглое кольцо; б), в) V-образная манжета; г) двухсторонняя манжета. 1 – защитное кольцо; 2 – упорное кольцо; 3 – резиновое кольцо; 4 – гайка; 5 – разделительная манжета; 6 – уплотняющая манжета.

Усилие трения манжетных уплотнений

здесь ? – коэффициент трения манжет о рабочую поверхность штока;

d – уплотняемый диаметр, см;

l – длина уплотнения, см.

По этой же формуле рассчитывается усилие трения манжетных уплотнений поршня.

Сопротивление от вытекания масла:

где р_п – давление подпора, кг/см². Равно гидравлическому сопротивлению сливной магистрали, если слив производится через золотник в бак.

Для нормальной работы цилиндра необходимо, чтобы рабочие поверхности были хорошо отшлифованы, и обязательно наличие смазывающей пленки между трущимися поверхностями, т.е. утечка масла по штоку и поршню. Работа в граничном состоянии или всухую значительно снижает срок службы уплотнений.

Необходимое для работы гидроцилиндра давление вычисляется по формуле:

Если необходимо выстроить систему из гидроцилиндров, их диаметры выбирают исходя из равенства необходимых давлений. В этом случае система будет работать с минимальными тепловыми потерями и максимальным КПД. Если же такой выбор осуществить невозможно, в системе всякий раз будет устанавливаться давление, не равное давлению насосной станции или настройки предохранительного клапана – устанавливается давление, которое соответствует внешним усилиям. Но при регулировании скорости на выходе, давление в гидросистеме до гидроцилиндров будет равно давлению настройки предохранительного клапана, а за гидроцилиндрами – давление подпора, дополняющее внешнее усилие на шток.

КПД гидроцилиндра

Мощность цилиндра индикаторная:

Здесь р – индикаторное давление.

Фактически реализуемая мощность:

где р₁ – давление в цилиндре;

р₀ – давление насоса;

?р – потери давления в магистали.

Мощность, которая затрачивается на преодоление противодавления и трение в гидроцилиндре:

Механический коэффициент полезного действия гидроцилиндра выражается соотношением

Теоретическая скорость хода штока с поршнем

где Q – расход жидкости теоретический, л/мин.

Скорость фактическая:

Здесь ?q – сумма утечек рабочей жидкости через шток и поршень.

Объемный коэффициент полезного действия гидроцилиндра выражается отношением

где q – утечки по поршню и штоку.

где F_Т – сумма сил трения на уплотнениях, Н;

р – разность давления, Па;

S – площадь трущейся поверхности уплотнителей.