книги из ГПНТБ / Башта, Т. М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем учебник

ГЛАВА XIII

ГИДРОДВИГАТЕЛИ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО

ИПОВОРОТНОГО ДВИЖ ЕНИЯ

§127. Гидроцилиндры

75. Схемы работы

Гидроцилиндр — объемный гидродвигатель с прямолинейным возвратно-поступательным движением выходного звена относи­ тельно корпуса. Объемный гидропривод, где гидродвигателем является гидроцилиндр, называют поступательным гидроприво­ дом. Гидроцилиндром часто также называют гидродвигатель с воз­ вратно-поворотным движением (см. стр. 528).

Гидроцилиндр имеет корпус 1 (рис. 207, а), в котором на­ ходится поршень 3; шток 5 поршня выходит наружу и соединяется с нагрузкой. Для устранения наружных утечек рабочей жид­ кости по неподвижным и ■подвижным разъемам (соединениям), а также внутренних перетечек жидкости из одной рабочей по­ лости в другую, указанные разъемы герметизируются при помощи уплотнительных колец 2 и 4 или иных уплотнительных устройств (см. стр. 550). Жидкость, поступающая в цилиндр под некоторым давлением, действуя на его поршень, развивает усилие, преодоле­ вающее трение и внешнюю нагрузку, приложенную к штоку 5.

Различают гидроцилиндры с односторонним и двусторонним штоком, понимая под первыми поршневой гидроцилиндр со што­ ком с одной стороны поршня (рис. 207, а) и под вторым — гидро­ цилиндр со штоком, расположенным по обе стороны поршня (рис. 207, б). Часть рабочей камеры а (рис. 207, а) гидроцилиндра, ограниченная корпусом, поршнем и крышкой, называется порш­ невой полостью, а часть рабочей камеры b гидроцилиндра, огра­ ниченная рабочими поверхностями корпуса, поршня, штока и крышкой, называется штоковой полостью.

Помимо приведенного, различают гидроцилиндры односторон­ него (рис. 207, в) и двустороннего действия (рис. 207, а и б): у пер­ вого -— движение выходного звена в одну сторону происходит за счет давления рабочей среды, а в противоположную — за счет иных каких-либо сил (пружины, веса приводимого узла и пр.), у второго движение выходного звена в обе стороны происходит за счет давления рабочей среды.

Поршневой гидроцилиндр с заданным соотношением площадей поршня 3 и штока 5 называют дифференциальным гидроцилин-

490

Дром (рис. 207, а), а гидроцилиндр с рабочей камерой, образован­ ной рабочими поверхностями корпуса и плунжером, — плунжер­ ным гидроцилиндром (рис. 207, в). Последние отличаются про­ стотой изготовления, поскольку отработке с точностью, требую­

щейся для обеспечения герметичности, подлежат лишь поверх­ ности d штока и буксы под шток и отпадает необходимость в обра­ ботке внутренней поверхности цилиндра.

76.Движущее усилие, скорость поршня

исхемы включения гидроцилиндра

Расчетное движущее усилие Р на штоке, развиваемое давле­ нием жидкости на поршень (трением поршня и штока, а также противодавлением в нерабочей полости и силой инерции прене­ брегаем), упрощенно подсчитывается по выражению

где р — давление жидкости;

F — рабочая (эффективная) площадь поршня.

Если давление жидкости выражено в кгс/см2 и площадь поршня — в см2, усилие будет иметь размерность в кгс.

Рабочая площадь F поршня вычисляется по выражениям: для цилиндра, представленного на рис. 207, а, при подаче

жидкости в поршневую полость

сяD2

для цилиндра, представленного на рис 207,. а, при подаче жидкости в штоковую полость и для цилиндра, представленного

491

на рис. 207, б (при условии равенства диаметров правого и левого штоков)

Для цилиндра одностороннего действия (рис. 207, в) рабочей площадью является площадь сечения штока (скалки) FmT = .

Расчетную скорость поршня v (без учета утечек жидкости) определим, приравняв объем, описываемый поршнем в единицу времени, объему Q жидкости, поступающей в цилиндр (рис. 207, а). Поскольку объем, описываемый поршнем,

Q = vF,

скорость поршня

(136)

Если объем жидкости Q выражен в см3/с и рабочая площадь поршня F в см2, скорость поршня будет иметь размерность в см/с.

Из приведенного следует, что при одинаковой подаче жид­ кости в обе полости цилиндра (рис. 207, а) скорость штока при поступлении жидкости в-штоковую полость будет больше скорости при подаче в поршневую полость в отношении

D3

D2— d2

492

Ё соответствии с приведенным диаметр поршня (внутренний диаметр цилиндра) рассчитывают без учета потерь трения и про­ тиводавления по выражению

4Р_

п р 9

где Я — ход поршня.

Следовательно, при использовании гидроцилиндра, схема ко­ торого приведена на рис. 207, а (см. также рис. 208, а) представ­ ляется возможным путем выбора размеров D u d иметь большие усилия при ходе штока в одном направлении (при подаче жид­ кости в левую полость цилиндра) и большие скорости при обратном ходе (при подаче жидкости в правую полость цилиндра). Скорость поршня этого гидроцилиндра при подаче жидкости в левую (ил)

Из приведенных выражений следует, что если площадь сече­

ния штока ( —f - ) будет равна половине площади сечения гидро-

цилиндра ( —j - j , скорость поршня при движении в левую сто­

рону будет в 2 раза больше, а развиваемое усилие — в 2 раза меньше, чем при движении поршня в правую сторону. Этому ус­

при движении в левую сторону при том же расходе жидкости Q будет превышать его скорость при движении в правую сторону более, чем в 2 раза. В соответствии с этим развиваемое усилие при ходе в левую сторону будет при том жё давлении вдвое меньше усилия при ходе в правую сторону.

77.Расчет движущего усилия

сучетом сил инерции и трения

На поршень гидроцилиндра действуют силы нагрузки: статическая (расчетная) сила Рст = pF, развиваемая давле­

нием р жидкости на эффективную площадь поршня F\ сила трения R TP поршня и штока в буксе;

493

сила инерции R WHдвижущихся частей в переходных режимах (при ускорении и замедлении);

противодействующая сила К, равная произведению давления рсл в сливной полости на эффективную площадь Fcn поршня этой полости:

КРсл^сл’

Всоответствии с этим эффективная сила на поршневом штоке

ввиду повышения в современных машинах быстродействия гидро­ систем. Так, число ходов гидравлического 10-тонного пресса с гидродвигателем прямолинейного движения достигает 400 в ми­ нуту. Число же реверсирований гидроприводов прямолинейного движения с относительно небольшой массой и ходом достигает 1000 в минуту. В этом случае гидропривод сравним лишь с пнев­ матическим инструментом ударного действия, допускающим до 1500—1700 реверсов в минуту.

В соответствии с приведенным вводят понятие пускового к. п. д.,

494

или

Д’тр -f- Яи к

I Лпуск-

При равномерном движении сила инерции /?ин = 0, в соот­ ветствии с чем

Язф= Рст — (Ртр + Ю-

Противодействующая сила в рабочем цилиндре двустороннего действия различна для противоположных сторон поршня. Для цилиндров с односторонним штоком (см. рис. 207, а) сила К имеет при одинаковом противодавлении на противоположных сторонах поршня различную величину в зависимости от направления дви­ жения. Это обусловлено разницей в эффективных площадях поршня. При втягивании (ходе влево) штока

4

линдра). При выдвижении (ходе вправо) штока

K = pcnF2 = p

я (D2 — d2)

4

где F2 = -j- (D2 — (Р) — площадь штоковой полости цилиндра;

рсл — противодавление (давление в сливной полости).

Следовательно, эффективная сила:

при равномерном выдвижении штока (RUH= 0)

Р, Ф= />ст — ЯТР — К = Л л — pG — F2pcn;

при втягивании штока

Р аф F ъР 1 pG FiPcn,

где pi — рабочее давление.

Вследствие различия эффективных площадей поршня различ­ ными будут, в зависимости от направления движения, и объемы вытесняемой жидкости.

В рабочем цилиндре одностороннего действия (плунжерном цилиндре; см. рис. 207, в) вытесняемый объем жидкости равен

и к. п. д. цилиндра при равномерном движении определится как

495

При пуске двигателя противодействующую силу К можно считать равной нулю, в соответствии с чем усилие при пуске

78. Прочие схемы включения гидроцилиндра

Широко используются схемы, в которых ускоренное переме­ щение поршня требуется лишь на части прямого хода Для обес­ печения такого движения поршня дополнительно используется жидкость, вытесняемая из штоковой полости. Подобная схема представлена на рис. 208. В этой схеме штоковая полость по­ стоянно соединена с напорной магистралью и поршневая — попеременно с нагнетательной и сливной. Для перемещения поршня 1 влево жидкость подается через распределитель 3 в пра­ вую полость цилиндра 2, а левая полость соединяется с баком (рис. 208, а). Движущее усилие Р 2 и скорость v перемещения поршня в этом случае определяются из выражений

Для обеспечения же движения поршня 1 в правую сторону обе полости цилиндра 2 соединяют через распределитель 3 между собой и с насосом (рис. 208, б). В результате жидкость, вытесняе­ мая из правой полости цилиндра 2, поступает в левую его по­ лость вместе с жидкостью, подаваемой насосом. Усилие P lt раз­ виваемое поршнем, в этом случае определяется как разность уси­ лий, развиваемых давлением р жидкости на левую (Рл) и пра­ вую (Р;ф) эффективные площади поршня:

Следовательно, эффективной площадью поршня в рассмотрен­ ной схеме является площадь сечения / = штока диаметром d.

При определении скорости поршня учитываем, что жидкость, вытесняемая из правой (штоковой) полости цилиндра, поступает в левую полость и заполняет при движении поршня часть осво­ бождаемого им объема. Следовательно, скорость поршня опре­ делится нескомпенсированной площадью поршня, равной раз­ ности эффективных площадей левой и правой полостей цилиндра:

В соответствии с этим скорость поршня

496

будет перемещаться вправо под действием жидкости, вытесняемой из аккумулятора 3.

При питании правой полости цилиндра жидкостью под давле­ нием рн усилие, развиваемое поршнем в конце хода, будет

оборот.

Скорость перемещения поршня цилиндра при питании его насосом с подачей Q определится как

При питании цилиндра от аккумулятора скорость устанавли­ вается регулируемым дросселем 1.

В случаях, когда требуется получить в обычной схеме вклю­ чения цилиндра одинаковые усилия при постоянном давлении или одинаковую скорость при постоянном расходе жидкости при движении в обе стороны, цилиндр снабжают ложным штоком того же диаметра, что и силовой шток (см. рис. 207, б). Однако применение подобных цилиндров увеличивает габариты машины, так как движущийся шток выходит за цилиндр по обе стороны. Нетрудно видеть, что если при цилиндре с односторонним штоком при ходе Н требуется обеспечить для его размещения простран­ ство длиной больше 2Н (рис. 210, а), то при цилиндре с двусторон-

498

Ним штоком эта длина при тех же условиях будет больше Ш (рис. 210, б). Однако, если в схеме с двусторонним штоком по­ движным выполнить цилиндр, а неподвижным — поршень (рис. 210, в и 207, г), то длина этого пространства будет равна длине цилиндра с односторонним штоком.

Цилиндры с двусторонним штоком более сложны в изготовле­ нии, так как необходимо выдерживать строгую концентричность трех поверхностей — внутренних в цилиндре и внешних на поршне и штоках.

§ 128. Регулирование скорости гидроцилиндра

Гидроцилиндры применяются в основном в системах, в ко­ торых скорость выходного звена регулируется с помощью дрос­ сельных устройств и лишь в отдельных случаях (при бо.льших мощностях) — с помощью регулируемого насоса (рис. 211, а; см. также рис. 148). Путем изменения знака и величины регули­ руемого параметра насоса 2 представляется возможным обеспе­ чить требуемое направление и скорость движения поршневого штока цилиндра 1.

79. Дроссельное регулирование

Системы дроссельного регулирования гидроцилиндров можно разделить как и в случае гидромоторов (см. стр. 430) в зависи­ мости от вида источника питания на системы: а) с постоянным

б) с переменным давлением (ри =f= const), которое определяется рабочими условиями. Реже применяются комбинированные си­ стемы.

Наиболее распространенной является система с постоянным давлением источника питания. В этом случае особенные преиму­ щества имеют системы, в которых несколько гидроприводов питаются от одного источника.

Дроссель (регулятор) в системах с рл = const может быть установлен на линии питания (на входе) гидроцилиндра (рис. 211, б) и в сливной магистрали (на выходе) (рис. 211, в). Излишек жидкости, подаваемой насосом, отводится в бак через переливной клапан а.

Схемы с регулятором в сливной магистрали (рис. 211, в) обес­ печивают двустороннюю жесткость гидросистемы и поэтому мо­ гут применяться в системах с знакопеременными нагрузками гидродвигателя. Для этих систем схемы с регулятором, установ­ ленным на линии питания (рис. 211, б), менее пригодны, так как при изменении знака внешней нагрузки двигателя скорость дви­ жения выходного штока может значительно увеличиться, по­ скольку этому не противодействует дроссель. Эти схемы не при­