3.4 Гідродвигуни

Гідродвигуни гідравлічну енергію, що створює насос чи гідроакумулятор, перетворюють на механічну енергію. До них належать гідромотори, гідроциліндри, гідродвигуни із зворотно-поступальним рухом та поворотні гідродвигуни.

3.4.1 Гідроциліндри

Гідравлічним циліндром називають об’ємний гідродвигун з об­меженим зворотно-поступальним рухом вихідної ланки.

Залежно від конструкції робочої камери гідроциліндри поділя­ють на поршневі, плунжерні, телескопічні, тандем-циліндри, мем­бранні, сильфоні та ін.

Поршневим гідроциліндром називають циліндр, в якому ро­бочі камери утворені поверхнями корпусу 1 (рис. 3.11, а) і поршня 3 зі штоком 4. Гідроциліндр має дві порожнини: поршневу А – обме­жена робочими поверхнями корпусу і поршня, штокову Б – обме­жена поверхнями корпусу, поршня і штока.

Поршневі гідроциліндри поділяють за такими ознаками: за на­прямком дії робочої рідини – однобічної (рис. 3.11, б) та двобіч­ної (рис. 3.11 а) дії; за кількістю штоків – одноштокові (рис. 3.11, а) і двоштокові (рис. 3.11, в); за типом вихідної лан­ки – з рухомим штоком (рис. 3.11, а, б і в) і з рухомим корпусом (рис. 3.11, г).

У гідроциліндрах однобічної дії рух вихідної ланки під дією по­току здійснюється тільки в одному напрямку. Рух у зворотному на­прямку відбувається під дією зовнішніх сил, наприклад сил тяжін­ня виконавчого органу, пружини тощо.

У гідроциліндрах двобічної дії рух вихідної ланки в обох напря­мках здійснюється під дією потоку робочої рідини.

Гідроциліндри з двома штоками застосовують тоді, коли необхід­но мати однакові зусилля і швидкість штока в обох напрямках.

Гідроциліндри з рухомим корпусом застосовують здебільшого у варіаторах молотильних апаратів зернозбиральних комбайнів.

У всіх поршневих гідроциліндрів для герметизації рухомих з’єднань встановлено ущільнювальні кільця.

Принцип дії. При сполученні поршневої порожнини А (рис. 3.11, а) з напірною лінією гідроприводу поршень 3 разом зі штоком 4 під дією тиску рідини переміщується вправо. При цьому одночасно відбувається витіснення робочої рідини із штокової поро­жнини Б у зливну лінію гідроприводу. При підведенні робочої ріди­ни під тиском у порожнину Б поршень зі штоком переміщується у зворотному напрямку.

а – двобічної дії; б – однобічної дії; в – двоштокові; г – з рухомим корпусом 1 – корпус; 2, 5 – ущільнення; 3 – поршень; 4 – шток; 6 – пружина; А і Б – порожнин

Рисунок 3.11 – Конструктивні схеми і умо­вні позначення поршневих гідроциліндрів

У гідроприводах сільськогосподарських машин і тракторів пере­важно застосовують поршневі гідроциліндри двобічної дії. Загальну будову таких гідроциліндрів показано на рис. 3.12.

Гідроциліндр керування вивантажувальним шнеком, механіз­мами відключення жатки і зворотної прокрутки молотильного бара­бана (рис. 3.12, а) – це гільза 9 з привареними до неї штуце­рами 15, що пазами сполучені з порожнинами циліндрів. Гільза з одного боку закрита глухою головкою 14, а з другого – знімною го­ловкою 6, буртик якої шестигранний. Всередині гільзи розміщено поршень 10, який прикріплено до штока 4. З другого боку штока прикріплено вушко 1. З боку різьби під вушком зроблено лиску під ключ для утримання штока від провертання під час загвинчування корончастої гайки, контргайки 3 і самого вушка. Для ущільнення поршня, штока і головки в кільцевих проточках цих деталей вста­новлено гумові кільця 7, 8, 11 і 12.

а – гідроциліндр керування вивантажувальним шнеком; б – гідроциліндр моста керованих коліс; 1 – вушко; 2 – втулка; 3 – контргайка; 4 – шток; 5 – манжета; 6, 14 – головки; 7, 8, 11, 12 – ущільнювальні кільця; 9 – корпус (гільза); 10 – поршень; 13 – корончаста гайка; 15 – штуцерн; 16 – наконеч­ник; 17 – денце гідроциліндра

Рисунок 3.12 – Поршневі гідроциліндри гідроприводів комбайна «Енисей-1200»

Щоб розвантажити шток від згинаючого моменту і спрямувати зусилля вздовж його осі, отвори в головці 14 і вушку 1 виконано сферичними, в них вставлено втулки 2. Для монтажу втулок 2 в го­ловці і вушку передбачено пази, що відповідають ширині втулок. Через них вводять втулки в отвори і, коли їх сфери співпадають зі сферами головки та вушка, втулки повертають на 90°. Для збіль­шення площі контакту в сферичній парі вісь пазів спрямовано пер­пендикулярно напрямку дії зусилля. Манжета 5 запобігає потрап­лянню пилу і бруду в порожнину циліндра.

Гідроциліндр моста керованих коліс (рис. 3.12, б) має анало­гічну будову.

Поршневі гідроциліндри такого типу, наприклад гідроциліндр рульового керування комбайна КСК-100, маркують так 50х28-160, де (в мм) 50 – діаметр циліндра; 28 – діаметр штока; 160 – хід поршня.

Гідроциліндр рульового керування зернозбирального комбайна КЗС-9-1 «Славутич» маркують ГЦ63/25.ПП540.33-200, де (в мм) 63 – діаметр циліндра; 25 – діаметр штока; 200 – хід поршня.

В гідроприводах навісних систем тракторів, а також для керу­вання положенням робочих органів різних сільськогосподарських машин застосовують ще поршневі гідроциліндри, які випускали в трьох виконаннях (ГОСТ 8755-80). Виконання позначають цифра­ми 2, 3 і 4 для номінальних тисків 14, 20 і 25 МПа. До групи вико­нання 2 входять циліндри діаметрами 55, 75, 90, 100 і 110 мм; ви­конання 3 – діаметрами 50, 60, 63, 80, 100 і 125 мм; виконання 4 – діаметрами 63, 80 і 100 мм. Буква Ц означає циліндр, а цифри – внутрішній діаметр циліндра та хід поршня в міліметрах.

Наприклад, гідроциліндр з внутрішнім діаметром 80 мм з ходом поршня 200 мм виконання 4 позначають так: Ц80х200-4 (ГОСТ 8755-80).

В деяких поршневих гідроциліндрах встановлено гідромехані­чний клапан для регулювання ходу штока (поршня) при втягуванні в циліндр, тобто, щоб зупиняти навісний пристрій з навісною машиною в будь-якому положенні і обмежувати заглиблення робочих органів навісних і гідрофікованих машин. Частково його вико­ристовують і тоді, коли переїжджають на великі відстані з навісною машиною, піднятою в транспортне положення. Будову гідромехані­чного клапана показано на рис. 3.13.

Принцип дії. Під час втягування штока 1 (рис. 1.13, А) робоча рідина із поршневої порожнини циліндра надходить по тру­бопроводу 8 та каналу а через отвір сідла 6 в передній кришці ци­ліндра і далі по каналах 6 та в на злив. Як тільки пересувний упор 2, закріплений на необхідній довжині штока за допомогою гайки-баранчика, натисне на стрижень 3 запірного елемента клапана, останній перекриє отвір сідла і цим самим закриє вихід рідини із поршневої порожнини гідроциліндра.

Внаслідок перекриття отвору сідла над запірним елементом клапана тиск рідини різко підвищується. Під тиском рідини запірний елемент клапана повністю сідає у своє сідло і втягування штока поршня, а отже і опускання машини призупиняється. Між пересув­ним упором і стержнем запірного елемента клапана утвориться за­зор 6-12 мм.

А – клапан закритий; Б – клапан відкритий; 1 – шток поршня; 2 – пересув­ний упор; 3 – стрижень запірного елемента клапана; 4 – корпус клапана; 5 – сідло в корпусі клапана; 6 – сідло в передній кришці циліндра; 7 – передня кришка; 8 – трубопровід; 9 – штокова порожнина циліндра; 10 – циліндр; а, б і в – канали поршневої порожнини; г – канал штокової порожнини

Рисунок 3.13 – Схема роботи гідромеханічного клапана обмеження ходу штока гідроциліндра

Під час піднімання машини робоча рідина, що надходить від гідророзподільника під тиском по каналах в і б (рис. 1.13, Б) під запір­ний елемент клапана, виштовхує його із сідла, запірний елемент сідає в сідло 5 і робоча рідина під тиском надходить в поршневу по­рожнину гідроциліндра, а з штокової через канал г – на злив.

Якщо перед підніманням машини зазор між стрижнем запірного елемента клапана 3 і упором 2 буде менший, ніж 10 мм, гідромеха­нічний клапан не відкриється, оскільки стрижень 3 впиратиметься в упор 2. Робоча рідина в поршневу порожнину не надходитиме і піднімання навісної машини не відбувається.

При переїзді на далекі відстані після підняття навісної машини в транспортне положення необхідно запірний елемент клапана по­садити у сідло передньої кришки, натиснувши на його стрижень 3 пальцем або дерев’яним предметом.

Поршневий гідроциліндр гідроприводу гальм має дещо ін­шу будову і принцип дії порівняно з описаними вище. Будову коліс­ного гідроциліндра показано на рис. 3.14.

Принцип дії. При подачі робочої рідини від насоса (головного циліндра) по трубопроводу в порожнину між поршнями 3 циліндра 4 поршні розходяться в обидва боки і штовхачами 8 діють на колод­ки гальм, розтягуючи їх пружину. При цьому колодки розходяться і гальмують колесо. Якщо відпустити педаль головного циліндра (наcoca), в його порожнині створюється розрідження і під дією пружини колодок поршні колісного гідроциліндра сходяться, витискуючи рі­дину в насос (головний циліндр).

Розрахунок основних параметрів поршневих гідроциліндрів. Для гідроциліндрів встановлено основні пара­метри і розміри: номінальний тиск Р_ном, МПа; діаметр циліндра D мм; діаметр штока d, мм, хід поршня l мм і маса циліндрів m, кг.

Робочі площі поршнів S_n визначають за залежностями:

- з боку поршневої порожнини для циліндрів з однобічним што­ком (рис. 3.11, а і б)

                        (3.60)

- з боку штокової порожнини для циліндрів з однобічним (рис. 3.11, а) і двобічним (рис. 3.11, в і г) штоками за умови, що діаметри правого і лівого штоків однакові

                           (3.61)

1 – гумовий ковпак; 2 – манжета; 8 – поршень; 4 – циліндр; 5 – пружина; 6 – ковпак клапана; 7 – перепускний клапан; 8 – штовхач

Рисунок 3.14 – Колісний поршневий гідроциліндр гальм

Теоретичне зусилля F(Н) на штоку циліндра без урахування сил тертя та інерції визначають за формулою:

                                     (3.62)

де ΔР=Р₁-Р₂ – перепад тисків в порожнинах гідроциліндра, Па;

S_п – площа поршня, м².

При роботі циліндрів на шток поршня діють статичне (теоретич­не) зусилля тиску F_з.т, зусилля тертя в конструктивних елементах R_т і сила інерції R_ін

                           (3.63)

Зусилля тертя залежить від виду ущільнення. Для гідроцилінд­рів із гумовими ущільненнями:

                             (3.64)

де f – коефіцієнт тертя, f=0,1...0,2;

D – діаметр циліндра, м;

B – ши­рина контактного пояска (ущільнення), м;

Рк – контактний тиск, Па;

z – кількість кілець.

Сила інерції елементів гідроциліндра, що рухаються, виникає при прискоренні чи сповільненні руху потоку рідини. В загальному випадку:

                          (3.65)

де m – маса елементів, що рухаються, приведена до штока, вклю­чаючи масу робочої рідини, кг;

а – прискорення вільного падіння, м/с².

При рівномірному русі сила інерції дорівнює нулю.

Фактичне зусилля на штоку гідроциліндра:

                              (3.66)

де F – теоретичне зусилля, Н;

η_м – механічний ККД, η_м=0,85...0,95.

Розрахункову швидкість руху штока (поршня) υ_п без ураху­вання втрат рідини визначають за формулою:

                                (3.67)

де Q – витрата робочої рідини, м³/с;

S_п – робоча площа поршня, м².

В гідроциліндрі двобічної дії з однобічним штоком при прямому і зворотному ході і постійній витраті рідини швидкості поршня різні:

;             (3.68)

Час t повного ходу поршня при нагнітанні рідини у поршне­ву порожнину циліндра визначають за формулою:

                                  (3.69)

де l – хід поршня, м;

υ_1п – швидкість поршня, м/хв;

D – діаметр поршня, м;

Q – витрата рідини, л/хв.

Час t повного ходу поршня при нагнітання рідини у штокову порожнину циліндра визначається за формулою:

                         (3.70)

де l – хід поршня, м;

υ_2п – швидкість поршня, м/хв;

D i d – діаметр відповідно поршня і штока, м;

Q – витрата рідини, л/хв.

Потужність N, що підводиться до гідроциліндра визначається за формулою:

                                (3.71)

де Р₁-Р₂ – різниця тисків у порожнинах гідроциліндра, МПа;

Q – витрата рідини, л/хв;

Η – загальний ККД гідроциліндра.

Теоретична корисна потужність N_т гідроциліндра визначається за формулою:

;                    (3.72)

де Р₁-Р₂ – різниця тисків у порожнинах гідроциліндра Па;

υ_1п, υ_2п – швидкість поршня відповідно при прямому і зворотному русі, м/с;

S_1п, S_2п – робоча площа поршнів з боку відповідно поршневої і штокової порожнин, м².

Плунжерним гідроциліндром називають циліндр з робочою камерою, утвореною робочими поверхнями корпусу і плунжера. Такі циліндри однобічної дії. Будову їх показано на рис. 3.15.

а – піднімання жатної частини комбайнів «Нива», «Енисей»; б – піднімання мотовила і закриття клапана копнувача комбайнів «Нива», «Енисей»; в – умо­вне позначення на принципових схемах; 1 – денце плунжера; 2 – штуцер; 3 – мідна прокладка; 4 – гільза; 5 – плунжер; 6 – головка гільзи; 7, 8 – гумові кільця; 9 – манжета; 10 – головка плунжера; 11 – денце; 12 – упорне кільце

Рисунок 3.15 – Плунжерні гідроциліндри

Принцип дії. При сполученні напірної лінії гідроприводу із штуцером 2 плунжер 5 під дією сили тиску рідини переміщується вправо. Якщо порожнину гідроциліндра сполучити через штуцер 2 зі зливною лінією гідроприводу, плунжер під дією сили тяжіння ро­бочого органу чи інших зовнішніх сил переміщується вліво у вихід­не положення.

Плунжерні гідроциліндри комбайнів, жаток та інших сільського­сподарських машин виконані за однією й тією самою конструктивною схемою.

Виняток становлять лише спеціальні гідроциліндри, наприклад варіатора мотовила, молотильного барабана тощо.

У таких гідроциліндрах рух починається з поршня більшого діаметра. Потім, коли поршень 2 доходить до упору, відносно нього починає рухатись поршень 1.

Кількість циліндрів в подібній (рис. 3.16) «штатній» схемі може бути до шести.

Тандем-циліндри застосовують в такому разі, коли необхідно мати значні зусилля на штоку і не обмежена довжина циліндра, а обмежена можливість застосування циліндрів великих діаметрів.

а – конструктивна схема; б – умовне позна­чення на принципових схемах; 1 і 2 – порш­ні зі штоками

Рисунок 3.16 – Телескопічний гідроциліндр

Схему такого гідроциліндра показано на рис. 3.17.

Зусилля F на штоку тандем-циліндра визначається за формулою:

                                     (3.73)

де Р – тиск рідини, що підводиться до гідроциліндра, Па;

S₁, S₂ – площа відповідно першого і другого поршнів, м².

Швидкість штока поршнів визначається за формулою:

                                     (3.74)

де Q – витрата рідини, л/хв;

S₁, S₂ – площа відповідно першого і другого поршнів, м².

Нині такі гідроциліндри в гідроприводах сільськогосподарської техніки поки що не застосовують. Їх використовують в системах ду­блювання керування літаків та залізничного транспорту.

а – з однобічним штоком; б – з двобічним штоком

Рисунок 3.17 – Схеми тандем-циліндрів

Сильфонні гідроциліндри (рис. 3.18, а) застосовують при не­значних переміщеннях штока 1, переважно у приладах гідроавтоматики.

Сильфони 2 виготовляють із металів, а при незначних тисках рі­дини – із гуми, фторопласту тощо. Зовнішній діаметр сильфона може бути від 5 до 250 мм, робочий тиск 0,20 – 15 МПа.

а – сильфонного; б – мембранного; 1 – сильфон; 2 – шток; 3 – корпус 4 – мембрана

Рисунок 3.18 – Схеми гідроциліндрів

Мембранні гідроциліндри (рис. 3.18, б) також застосовують при незначних переміщеннях штока як виконавчі механізми гідроавтоматики.

Робоча камера в таких циліндрах утворена корпусом 3 і мембраною 4.

Загальні вимоги до гідроциліндрів (основні):

- поршні і плунжери циліндрів під статичним зусиллям мають плавно переміщуватись;

- не допускаються бічні на­вантаження на штоки цилінд­рів;

- зовнішні підтікання робочої рідини через ущільнення не допу­скаються; на рухомих поверхнях допускається наявність оливової плівки;

- внутрішні перетікання рідини із однієї порожнини в іншу ма­ють бути мінімальними;

- робочі поверхні елементів гідроциліндрів мають бути стійкими до зношення і корозії.

Матеріали для поршневих гідроциліндрів. Корпуси (гільзи) циліндрів виготовляють із стальних безшовних гарячекатаних труб зі сталі 35 і 45, легованих сталей 30ХГСА і 12Х18Н9Т і алюмінієвих сплавів Д16Т. Шорсткість внутрішньої поверхні після хонінгування або розкатки кульками чи роликами має бути R_а=0,10 мкм.

Штоки виготовляють із стальних поковок 40Х або 30ХГСА. Перед шліфуванням виконують поверхневе гартування до НRС 38...40. Шорсткість поверхні R_а=0,05 мкм.

Поршні циліндрів виготовляють із сталей 35 і 45. Шорсткість по­верхні після обробки R_а=0,80...0,40 мкм.