5.5 Гидроцилиндры

Общие сведения. Гидроцилиндром называют объемный гидродвигатель с ограниченным возвратно-поступательным движением выходного звена. В зависимости от конструкции рабочей камеры гидроцилиндры разделяют на поршневые, плунжерные, телескопические, мембранные и сильфонные. Наибольшее применение в объемных гидроприводах получили поршневые цилиндры благодаря простой конструкции и высокой надежности.

Поршневым называют гидроцилиндр, в котором рабочие камеры образованы рабочими поверхностями корпуса и поршня со штоком (рис. 5.11). В цилиндрической расточке корпуса 1 (рис. 5.11, а) находится поршень 2, жестко соединенный со штоком 4. Цилиндр имеет две полости: поршневую А – часть рабочей камеры, ограниченную рабочими поверхностями корпуса и поршня, и штоковую Б – часть рабочей камеры, ограниченную рабочими поверхностями корпуса, поршня и штока. Для герметизации подвижных соединений в цилиндре установлены уплотнительные кольца 3 и 5.

Рисунок 5.11 – Схемы поршневых гидроцилиндров:

а, в, г – двустороннего действия; б – одностороннего действия

Принцип работы поршневого гидроцилиндра следующий. При соединении поршневой полости А с напорной линией поршень 2 со штоком 4 под действием силы давления рабочей жидкости перемещается вправо. При этом одновременно происходит вытеснение рабочей жидкости из штоковой полости Б. При подводе рабочей жидкости под давлением в полость Б поршень со штоком под действием силы давления перемещается в противоположном направлении.

Поршневые цилиндры разделяют по следующим признакам: по направлению действия рабочей жидкости – на цилиндры одностороннего и двустороннего действия; по числу штоков – на цилиндры с односторонним и двусторонним штоком; по виду выходного звена – на цилиндры с подвижным штоком и подвижным корпусом.

В цилиндре одностороннего действия (рис. 5.11, б) шток расположен с одной стороны поршня. Имеется лишь одна поршневая полость А, и движение штока под действием давления рабочей жидкости возможно только в одном направлении. В обратном направлении поршень со штоком перемещается под действием внешних сил, например, силы пружины 6, силы тяжести (веса) и т.д. В цилиндрах двустороннего действия (рис. 5.11, а, в, г) имеются две рабочие полости поршневая А и штоковая Б. Движение штока под действием давления рабочей жидкости возможно в двух направлениях, штоки расположены по обе стороны поршня. Обычно выходным звеном цилиндра является шток (рис. 5.11, а, б и в), редко – корпус (рис. 5.11, г). В последнем случае шток цилиндра жестко прикрепляют к объекту, а подвод и отвод рабочей жидкости производится либо через полые штоки, либо при помощи рукавов.

Для цилиндров установлены следующие основные параметры и размеры: номинальное давление p_ном (MПa); диаметр поршня D (мм) – главный параметр, по которому создаются типоразмеры цилиндров; диаметр штока d (мм); ход поршня L (мм) и масса т (кг) цилиндра. Ряды нормальных диаметров поршней и штоков гидроцилиндров устанавливает ГОСТ 6540-68.

Расчет основных параметров. Рабочие площади S_п (м²) поршней цилиндров определяют по формулам:

– со стороны поршневой полости для цилиндров с односторонним штоком (см. рис. 5.11, а и б)

S_П = D² / 4; (5.22)

– со стороны штоковой полости для цилиндров о односторонним (см. рис. 5.11, а) и двусторонним (см. рис. 5.11, в и г) штоками при условии равенства диаметров правого и левого штоков

S_П = (D² – d²) / 4. (5.23)

Теоретическое усилие (Н) на штоке без учета сил трения и инерции

F = ΔpS_П, (5.24)

где Δp – перепад давлений в рабочих полостях, Па.

При работе цилиндра на штоке развивается сила F_факт, которая преодолевает статическую (теоретическую) нагрузку F_ст, силу трения в конструктивных элементах F_тр и силу инерции R_ин:

F_факт = F_ст + F_тр + R_ин. (5.25)

Сила трения зависит от вида уплотнения. Для цилиндра с резиновыми уплотнениями

F_тр = fDbσ_кz, (5.26)

где f – коэффициент трения скольжения (f = 0,1 ... 0,2); b – ширина контактного пояска уплотнения; σ_к – контактное напряжение; z – число колец.

Сила инерции движущихся частей возникает при ускорении и замедлении движения штока. В общем случае

R_ин = та, (5.27)

где т – масса движущихся частей, приведенная к штоку, включая массу рабочей жидкости; а – ускорение.

При равномерном движении штока цилиндра сила инерции равна нулю.

Фактическое усилие на штоке цилиндра

F_факт = F_мех, (5.28)

где F – теоретическое усилие; _мех – механический КПД (_мех = 0,85 ... 0,95).

Расчетную скорость V (м/с) штока без учета утечек рабочей жидкости определяют по формуле

V= Q/S_П = 4Q/(D²), (5.29)

где Q – расход рабочей жидкости, м³/с.

В цилиндре двустороннего действия с односторонним штоком скорости движения при прямом (индекс 1) и обратном (индекс 2) ходах при постоянстве расходов различны:

. (5.30)

Вполне очевидно неравенство V₂ > V₁.

Отношение скорости движения при обратном ходе к скорости движения при прямом ходе называют коэффициентом увеличения скорости при обратном ходе:

.

Теоретическая мощность (Вт) цилиндра

N_T = ΔpS_ПV, (5.31)

где V – скорость штока (корпуса), м/с.

Потери мощности на преодоление сил трения

N_TР = F_ТРV, (5.32)

Номинальная мощность гидроцилиндра

N = N_T – N_TР, (5.33)

а КПД

 = N / N_T = 1 – F_ТР / F. (5.34)

Плунжерные и телескопические цилиндры. Плунжерным называют цилиндр с рабочей камерой, образованной рабочими поверхностями корпуса и плунжера. Это цилиндры одностороннего действия. Плунжерный цилиндр состоит из корпуса 1 и плунжера 2 (рис. 5.12, а). Принцип его работы следующий. При соединении полости А с напорной линией плунжер движется под действием давления. При соединении полости А со сливной линией гидропривода плунжер под действием внешних сил возвращается в исходное положение.

Скорость перемещения плунжера

V = 4Q/(D²), (5.35)

где Q – расход жидкости, м³/с; D – диаметр плунжера, м.

Усилие на плунжере без учета сил трения и инерции

F = pS_П = pD² / 4. (5.36)

Рисунок 5.12 – Схемы гидроцилиндров: а – плунжерного; б – телескопического

Плунжерные цилиндры отличаются простотой конструкции. Недостатком их являются малый ход и неустойчивость плунжера вследствии наличия только одной опоры плунжера в цилиндре.

Телескопическим называют цилиндр с рабочей камерой, образованной рабочими поверхностями корпуса и нескольких концентрично расположенных поршней, перемещающихся друг относительно друга. Сумма ходов поршней должна быть больше длины корпуса (рис. 5.12, б). Последовательность выдвижения поршней может быть от большего к меньшему.

К гидроцилиндрам предъявляют следующие требования:

– поршни и плунжеры под статическим усилием должны плавно (равномерно) перемещаться по всей длине хода;

– не допускаются боковые нагрузки на штоках; эти нагрузки могут привести к быстрому изнашиванию уплотнений, поршней и рабочей поверхности цилиндра;

– наружные утечки рабочей жидкости через неподвижные уплотнения не допускаются; на подвижных поверхностях допускается наличие масляной пленки без каплеобразования;

– внутренние перетечки жидкости из одной полости цилиндра в другую должны быть минимальными и не должны превышать норму, установленную в технических условиях;

– рабочие поверхности деталей цилиндра должны быть износостойкими, коррозионно-стойкими или иметь защитные покрытия;

– для предотвращения попадания грязи и пыли в полости цилиндров необходимо применять грязесъемники.

Корпуса (гильзы) цилиндров изготовляют обычно из стальных бесшовных горячекатаных труб по ГОСТ 8732-78*, сталей 35 и 45 или легированных сталей ЗОХГСА и 12Х18Н9Т, алюминиевого сплава Д16Т. Внутренние поверхности корпусов обрабатывают по полю допусков Н8. Параметр шероховатости поверхности Rа = 0,10 мкм получается хонингованием или раскаткой шариками или роликами. Штоки цилиндров изготовляют из стали 40Х или ЗОХГСА. Наружную поверхность штока обрабатывают по полю допуска е8. Параметр шероховатости поверхностей штока Ra = 0,05 мкм. Поршни цилиндров изготовляют из сталей 35 и 45. Наружную поверхность поршня обрабатывают по полю допуска е8. Параметр шероховатости поверхности поршня Ra = 0,80 ... 0,40 мкм.

Пример. Определить основные рабочие параметры поршневого гидроцилиндра с односторонним штоком при статической нагрузке F_CT = 90 000 Н, максимальных скоростях прямого и обратного ходов соответственно V₁ = 0,2 м/с и V₂ = 0,5 м/с, времени разгона при прямом ходе t = 0,2 с, максимальном давлении в напорной линии р_mах = 16 МПа, общем КПД цилиндра  = 0,97. Рабочая жидкость – минеральное масло.

Сила инерции во время разгона

Н.

Фактическое усилие

F_факт = F_ст + F_ин = 90000 + 9180 = 99180 Н.

Расчетное усилие

F = F_факт /  =99180 / 0,97 = 102000 Н.

Диаметр поршня

см.

Диаметр штока

см.

Толщину стенки цилиндра из стали определим по формуле Ляме

см,

где [σ] – допустимое напряжение растяжения материала цилиндра, Па; [σ] = 200 Па.

Толщина плоского дна цилиндра

см,

где р= 1,2 p_max – расчетное давление, Па.

Необходимый расход жидкости

см³/с = 1,275 дм³/с.

Мощность гидроцилиндра при статической нагрузке

N = F_стV₁ = 900000,210^-3 = 18 кВт.