4.6 Насоси і гідродвигуни, що використовуються в гідроприводах
У гідроприводах застосовують такі основні види насосів; поршневі, плунжерні, мембранні, шестеренчасті, пластинчасті, гвинтові і роторно-поршневі. Так як перераховані насоси розглянуті вище, зупинимося коротко на застосовуваних в гідроприводах гідродвигунів.
Гідродвигуном називають гідромашину, яка призначена для перетворення гідравлічної енергії потоку робочої рідини в механічну енергію руху вихідної ланки (веденого вала, штока, плунжера або корпусу гідроциліндра).
По виду руху вихідної ланки розрізняють три класи об’ємних гідродвигунів, застосовуваних в гідроприводі:
- гідроциліндри, які мають поступальний рух вихідної ланки; розрізняють поршневі, плунжерні, телескопічні та мембранні гідроциліндри однобічної й двосторонньої дії;
- гідромотори, мають необмежену обертальний рух вихідної ланки;
- поворотні гідродвигуни з обмеженим кутом повороту вихідного ланки (α<360°), до яких відносять пластинчасті, поршневі, мембранні поворотні гідродвигуни.
4.6.1 Гідроциліндри
Це найпростіші гідродвигуни, в яких вихідна ланка здійснює прямолінійний зворотно-поступальний рух.
Вихідним ланкою в гідроциліндрах може бути шток поршня, плунжер або корпус циліндра, для випадку, коли поршень зі штоком при роботі гідродвигуна перебувають у нерухомому стані.
По конструкції гідроциліндри поділяють на поршневі, плунжерні, телескопічні та мембранні.
Поршневі гідроциліндри можуть бути з одностороннім (рис. 4.5, а) або з двостороннім штоком (рис. 4.5, б).
Поршневий гідроциліндр має циліндр 1, поршень 2 і шток 3 поршня. Так як у поршневого гідроциліндра з одностороннім штоком корисні обсяги штокової і безштокової порожнин циліндра не рівні між собою, швидкість руху поршня в одному і іншому напрямках буде різною. Для забезпечень постійних швидкостей необхідно встановлювати скидні гідроклапани. Поршневі гідродвигуни з двостороннім штоком мають однакову швидкість руху поршня в обох напрямках, але вони більш складні і громіздкі.
Для забезпечення постійних швидкостей прямого і зворотного ходу силового органу верстата застосовують так звані диференціальні поршневі гідроциліндри. Поршень диференціального гідроциліндра має однакову швидкість руху в обох напрямках, так як його площа поперечного перерізу дорівнює двом площам поперечного перерізу штока.
Плунжерний гідроциліндр (рис. 4.5, в) має циліндр 1, плунжер 2 і сальник 3 з ущільнювачами.
Плунжерні гідроциліндри можуть мати плунжер суцільного або трубчастого перетину.
Рисунок 4.5 – Поршневий та плунжерний гідроциліндр
Перевага плунжерних гідроциліндрів перед поршневими гідроциліндрами полягає в тому, що вони не вимагають відшліфованою внутрішньої поверхні, так як герметичність забезпечується сальниками і ущільнювальними пристроями. Однак плунжерні гідроциліндри більш громіздкі в порівнянні з поршневими.
Телескопічним гідроциліндром називають такий об’ємний гідродвигун, в якому вихідним ланкою є кілька концентрично розташованих поршнів або плунжерів, що переміщаються щодо один одного, причому сума їх ходів дорівнює ходу вихідної ланки.
На рис. 4.5, г представлений телескопічний гідроциліндр одно-сторонньої дії, який має чотири гідроциліндра.
Зовнішній гідроциліндр 1 приварений до основи 2, яке закріплене на осі 3. Підведення і відведення рідини здійснюється через штуцер 4. До кришки 5 гідроциліндра приварена кульова п’ята 6, призначена для шарнірного з’єднання з силовим органом машини.
На рис. 4.5, д, е показаний телескопічний гідроциліндр двосторонньої дії в зрушеному і розсунутому положеннях. Працює телескопічний гідроциліндр таким чином. При подачі рідини під тиском через шток по каналу 1 в поршневу порожнину 2, циліндр 3 починає висуватися вправо, виштовхуючи при цьому рідина з штокової порожнини 4 (через отвори 5, 6, 16 і канал 7). Як тільки циліндр 3, рухаючись вправо, дійде до буртика 5, почне висуватися вправо циліндр 9, витісняючи при цьому рідина з штокової порожнини 10 (через отвори 6 , 16 і канал 7 ) і т. д.
Для того щоб зрушити всі циліндри 3 , 9 , 12 , 14 з буртиками 5 , 11 , 15, необхідно подавати рідина під тиском в канал 7 і відводити рідина по каналах 4, 10, 13, 1.
Таким чином, коли рідина під тиском підводиться в поршневу порожнину, циліндри послідовно розсуваються від більшого до меншого діаметру, а при підводі рідини в штокову порожнину циліндри послідовно втягуються від меншого до більшого діаметру.
Визначення деяких робочих параметрів гідроциліндрів наводимо нижче.
Для гідроциліндра з одностороннім штоком (рис. 4.5, а) швидкість робочого ходу поршня без урахування втрат дорівнює:
(4.1)
Швидкість при холостому ході:
(4.2)
Гідроциліндр з двостороннім штоком (рис. 4.5, б). Тут швидкість поршня при робочому ході дорівнює швидкості поршня при холостому ході:
(4.3)
де Q – подача насоса, л/с;
D – діаметр поршня, м;
d – діаметрі штока, м.
Час, що потрібний для здійснення одного подвійного ходу поршня:
для гідроциліндра з одностороннім штоком:
(4.4)
для гідроциліндра з двостороннім штоком:
(4.5)
де S – хід поршня, м.
Число подвійних ходів поршня в секунду без урахування часу, витраченого на перемикання, дорівнюватиме для гідроциліндра з одностороннім штоком:
(4.6)
для гідроциліндра з двостороннім штоком:
(4.7)
Швидкість послідовного висунення поршнів або плунжерів телескопічного гідроциліндра двосторонньої дії (рис. 4.5, д, е) дорівнює:
(4.8)
Швидкість послідовного втягування поршнів або плунжерів:
(4.9)
Підйомна сила телескопічного гідроциліндра двосторонньої дії:
(4.10)
де р – тиск рідини, що підводиться в телеціліндр, МПа;
Ртр – сили тертя в ущільненнях, Н.
Мембранні гідроциліндри (рис. 4.5, ж) застосовують головним чином для затискних пристроїв в лісопильної і деревообробної промисловості. Однак вони мають малий хід поршня, що обмежує їх застосування. Перевагою мембранних гідроциліндрів є високий об’ємний ККД, у них відсутні витоку, так як рідина надходить під тиском у порожнину, де забезпечена хороша герметичність.
Мембранний гідроциліндр має корпус 1, гумову мембрану 2, шток 3 і пружину 4. Принцип дії мембранного гідроциліндра полягає в наступному: рідина під тиском через отвір, вказане стрілкою, надходить в корпус 1, від цього мембрана 2 вигинається донизу і приводить в рух шток 3, який стискає пружину 4. Після припинення тиску з боку рідини на мембрану шток під дією пружини робить рух у зворотному напрямку.
Сила на штоку мембранного гідроциліндра:
(4.11)
де k – коефіцієнт активності мембрани, що залежить від розмірів грибка.
(4.12)
де α=d/D – оптимальне значення α=0,67;
d – діаметр грибка, м;
D – активний діаметр мембрани, м.
Хід штока S вибирають залежно від діаметра мембрани в межах:
- для плоских мембран S=0,15D;
- для тарілчастих мембран S=0,2D;
- для гофрованих мембран S=0,25D.