§ 3. Гидравлический удар

Под гидравлическим ударом понимают резкое повышение давления в рабочей полости при мгновенной остановке поршня или быстром присоединении гидроцилиндра к источнику давления. В машинах литья под давлением ударное давление превышает давление в аккумуляторе в 1,5…2,0 раза, что вызывает раскрытие пресс-формы и образование заливов у отливки. Значительное повышение давления наблюдается также при закрытии кокилей и пресс-форм. Гидравлический удар нарушает технологию и создает перегрузки и колебания в системе, разрушает отдельные малопрочные элементы. Явление гидравлического удара необходимо учитывать при проектировании гидросистем, а также при расчете их элементов на прочность.

Гидравлический удар возникает при резком торможении поршня. На пути жидкости, движущейся с большой скоростью, появляется неподвижная преграда. За счет инерции жидкости у преграды возникают силы, повышающие давление. Волна давления, возникнув у преграды, начинает отходить от нее со скоростью звука в жидкости. После отхода волны у преграды несколько понижается давление, и возвратившаяся волна вновь, но с меньшей силой повышает давление у преграды, вызывая колебания (см. рис. 160). На рис. 160 видно повышение давления при быстром переходе от высокой скорости на участке t_x к меньшей скорости на участке t_np.

Повышение давления в трубопроводе при мгновенном изменении скорости потока можно определить по формуле

, (200)

где υ₁ , υ₂ – начальная и конечная скорости потока в м/с;

– плотность жидкости в кг/м³;

а – скорость распространения ударной волны в м/с

,

где Е_ж, E – модули упругости соответственно жидкости и материала трубы в Па;

d – диаметр трубы в м;

– толщина стенки трубы в м.

При резкой остановке давление также повышается за счет инерции тормозящихся масс, связанных с поршнем гидроцилиндра,

, (201)

где т – тормозящиеся массы, приведенные к поршню гидроцилиндра;

F – площадь поршня;

t_T – продолжительность торможения от скорости υ₁ до υ₂.

С целью уменьшения силы гидравлического удара увеличивают продолжительность открытия распределителей, применяют плавное торможение в конце хода, устанавливают специальные емкости-гасители или малоинерционные предохранительные клапаны. В машинах литья под давлением уменьшают длину трубопровода от аккумулятора до гидроцилиндра и устанавливают специальные демпферы.

Явление гидравлического удара используют в обрубных машинах при литье по выплавляемым моделям. При свободном пробеге поршень гидроцилиндра с закрепленным ножом быстро набирает скорость. В момент врезания в литник скорость резко падает, а повышающееся ударное давление становится настолько большим, что его достаточно для отрезки литника. За время перемещения до следующего литника система вновь набирает скорость и т. д. Гидроударный механизм позволяет не только повысить экономичность привода, но и использовать наиболее рациональные режимы резки литников.

§ 4. Гидропривод с мультипликатором

Мультипликатор – это гидроусилитель, в котором давление сети повышается в 2…5 раз вследствие разности площадей дифференциального поршня. Жидкость от насоса при давлении р_н поступает в полость большого поршня площадью F и он, перемещаясь, внедряет поршень малой площадью Р_ш в полость высокого давления. В последней создается давление

, (202)

где m – коэффициент мультипликации.

Конструкция простейшего гидравлического мультипликатора приведена на рис. 75, г.

Мультипликаторы применяют, когда требуются кратковременные высокие давления при незначительных расходах жидкости.

Особенностью мультипликаторов является то, что они создают высокое давление только в определенных полостях гидросистемы, точнее в нештоковой полости одного цилиндра. К уплотнениям только этой полости предъявляются повышенные требования. В остальной части гидросистемы давление в несколько раз меньше, что позволяет применять насосы и аппаратуру низкого давления. Это повышает эффективность гидропривода.

Гидропривод с мультипликатором используют в машинах литья под давлением для привода механизмов запирания и прессования, а также в некоторых кокильных и формовочных машинах.

Мультипликатор гидропривода (рис. 163, а) механизма прессования машины литья под давлением должен создать в нештоковой полости прессового цилиндра давление р_м, превышающее давление р_а в аккумуляторе после окончания заполнения полости формы металлом. Это способствует уплотнению металла и ликвидации усадочной пористости во время затвердевания отливки.

Гидропривод механизма прессования состоит из прессового цилиндра 1, мультипликатора 3 и цилиндра 6 управления обратным клапаном 4 поршня 5 мультипликатора.

При подаче жидкости через распределитель 8 в нештоковую полость мультипликатора 3 она свободно проходит через обратный клапан 4 в нештоковую полость цилиндра 1, и поршень 2, двигаясь влево, запрессовывает металл в полость формы. В этот момент штоковая полость цилиндра 1 соединена со сливом, а штоковая полость мультипликатора 3 – со сливом через клапан последовательности 11, вследствие чего в ней создается определенное противодавление. В зависимости от настройки клапана 11 поршень 5 в процессе запрессовки металла может двигаться с малой скоростью или оставаться неподвижным. Скорость поршня2 регулируют дросселем 7.

В конце запрессовки давление в нештоковых полостях цилиндров / и 3 повышается до р_а, и поршень 5 начинает перемещаться, повышая давление в нештоковой полости цилиндра 1. Полость высокого давления отделяется от полостей низкого давления обратным клапаном 4.

Для данной системы максимальная величина давления составляет

.

Регулируя давление в штоковой полости мультипликатора 3 настройкой клапана давления 11, можно изменять коэффициент т. На рис. 163, б приведен график изменения давления р в нештоковой полости прессового цилиндра /. В момент включения мультипликатора давление повышается не сразу, что объясняется инерцией поршня 5 и сжимаемостью жидкости.

При полностью открытом дросселе 9 давление быстро повышается до р_м (кривая 1), а при его перекрытии медленнее (кривая 2).

Таким образом, привод с мультипликатором не только обеспечивает регулировку давления подпрессовки, но и позволяет управлять скоростью ее нарастания.

При переключении распределителя 8 жидкость под давлением поступает в штоковую полость цилиндра 1 и через обратный клапан 10 – в штоковую полость цилиндра 3, возвращая поршни 2 и 5 в исходное положение. Из нештоковой полости цилиндра 1 жидкость сливается через открытый штоком цилиндра 6 обратный клапан 4.

Необходимо учитывать, что за ход мультипликатора поршень прессового механизма площадью F при отсутствии утечек переместится на

. (203)

Уменьшается и скорость поршня

, (204)

где – скорость движения поршня 5 мультипликатора.

При плохом уплотнении полости, в которой повышается давление, вследствие утечек поршень мультипликатора может перемещаться при полной остановке поршня прессового или запирающего механизма. В результате поршень мультипликатора преждевременно доходит до упора и давление в системе снижается до давления в сети. Это явление очень опасно для запирающих механизмов, так как в момент запрессовки может произойти раскрытие формы.