Гидроцилиндры

Общие сведения. Гидроцилиндром называют объемный гидродвигатель с ограниченным возвратно-поступательным движением выходного звена.

В зависимости от конструкции рабочей камеры гидроцилиндры разделяют на мембранные, сильфонные, поршневые, плунжерные, телескопические. Наибольшее применение в объемных гидроприводах получили поршневые цилиндры благодаря простой конструкции и высокой надежности.

Механизмы с гибкими разделителями _________________________(рис.4.1, а) применяют в основном при небольших перемещениях и небольших давлениях (до 1 МПа). Мембранный исполнительный механизм представляет собой защемленное по периферии корпуса эластичное кольцо 1. При увеличении давления в подводящей камере 2 эластичное кольцо прижимается к верхней части корпуса 3, и шток 4, связанный с эластичным кольцом выдвигается. Обратный ход штока обеспечивает пружина 5.

Рис.4.1. Схемы мембран:

а - плоская с эластичным кольцом; б - гофрированная металлическая

В гидропневмоавтоматике распространены также гофрированные металлические мембраны (рис.4.1, б). Деформация таких мембран происходит за счет разности давлений ΔP = P₁ - P₂ и внешней нагрузки R.

__________________________________________________ (рис.4.2) допускают значительны перемещения выходного звена - штока. При перемещении поршня 1 в направлении действия давления жидкости (рис.4.2, а) мембрана 3 перегибается, перекатываясь со стенок поршня 1 на стенки цилиндра 2, к которым она плотно поджимается давлением жидкости (рис.4.2, б). Обратный ход поршня происходит за счет пружины.

Рис.4.2. Схемы работы мембранного гидроцилиндра

Рис.4.3. Схема металлического сильфонаа - сильфон; б - цельная стенка; в - сварная стенка

Сильфоны (рис.4.3, а) предназначены для работы при небольших давлениях (до 3 МПа). Их изготавливают из металлов и неметаллических материалов (резины или пластиков). Металлические сильфоны бывают одно- и многослойные (до пяти слоев). Применение сильфонов оправдано в условиях высоких и низких температур, значение которых лимитируется материалом, из которого изготовлен сильфон. Сильфоны могут быть цельные или сварные. Цельные изготавливают развальцовкой тонкостенной бесшовной трубы.

Поршневые гидроцилиндры

Гидроцилиндры являются объемными гидромашинами. Предназначены для преобразования энергии потока рабочей жидкости механическую энергию выходного звена.

Гидроцилиндры работают при высоких давлениях (до 32 МПа), их изготовляют одностороннего и двухстороннего действия, с односторонним и двухсторонним штоком и телескопические.

Поршневым называют гидроцилиндр, в котором рабочие камеры образованы рабочими поверхностями корпуса и поршня со штоком (рис. 4.4). В цилиндрической расточке корпуса 1 (рис. 4.4, 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 4.4 – Схемы поршневых гидроцилиндров:

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

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.

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.

Рис.4.5. Гидроцилиндр:1 - грязесъемник; 2 - гильза; 3 - шток; 4 - стопорное кольцо; 5 - манжета;6 - поршень; 7 - проушина; 8 - грундбукса

Для привода рабочих органов мобильных машин наиболее широко применяют поршневые гидроцилиндры двухстороннего действия с односторонним штоком (рис.4.5).

У нормализованных цилиндров, диаметр штока составляет в среднем 0,5 D, ход поршня не превосходит 10D. При большей величине хода и давлениях, превышающих 20 МПа, шток следует проверять на устойчивость от действия продольной силы.

Для уменьшения потерь давления диаметры проходных отверстий в крышках цилиндра для подвода рабочей жидкости назначают из расчета, чтобы скорость жидкости составляла в среднем 5 м/с, но не выше 8 м/с.

Рис.4.5. Принципиальные схемы демпферов: а - пружинный демпфер; б - демпфер с ложным штоком; в - демпфер регулируемый с отверстием; г - гидравлический демпфер

Ход поршня ограничивается крышками цилиндра. В некоторых случая она достигает 0,5 м/с. Жесткий удар поршня о крышку в гидроцилиндрах строительных машин предотвращают демпферы (тормозные устройства). Принцип из действия большинства из них основан на запирании небольшого объема жидкости и преобразования энергии движущихся масс в механическую энергию жидкости. Из запертого объема жидкость вытесняется через каналы малого сечения.

Расчетная схема

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

– со стороны поршневой полости для цилиндров с односторонним штоком

________________;

– со стороны штоковой полости для цилиндров о односторонним и двусторонним штоками при условии равенства диаметров правого и левого штоков

___________________________.

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

__________________________________,

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:

___________________________.

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

_________________________,

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

_________________,

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

_____________________,

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

_____________________________,

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:

_______________________________ ; _____________________________.

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

_______________________,

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

Потери мощности на преодоление сил трения

______________________,

Номинальная мощность гидроцилиндра

_______________________,

а КПД

__________________________________.

Расчеты на прочность. Прочностными расчетами определяют толщину стенок цилиндра, толщину крышек (головок) цилиндра, диаметр штока, диаметр шпилек или болтов для крепления крышек.

В зависимости от соотношения наружного D_Н и внутреннего D диаметров цилиндры подразделяют на толстостенные и тонкостенные. Толстостенными называют цилиндры, у которых D_Н / D > 1,2, а тонкостенными - цилиндры, у которых D_Н / D 1,2.

Толщину стенки однослойного толстостенного цилиндра определяют по формуле:

_________________________________

где P_у - условное давление, равное (1,2…1,3)P ; [σ] - допускаемое напряжение на растяжение, Па (для чугуна 2,5 10⁷, для высокопрочного чугуна 4 10⁷, для стального литья (8…10) 10⁷, для легированной стали (15…18) 10⁷, для бронзы 4,2 10 ⁷); μ - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона), равный для чугуна 0, для стали 0,29; для алюминиевых сплавов 0,26…0,33; для латуни 0,35.

Толщину стенки тонкостенного цилиндра определяют по формуле: (см ранее)

___________________________________

К определенной по формулам толщине стенки цилиндра прибавляется припуск на обработку материала. Для D = 30…180 мм припуск принимают равным 0,5…1 мм.

Толщину крышки цилиндра определяют по формуле:

___________________

где d_к - диаметр крышки.

Диаметр штока, работающего на растяжение и сжатие соответственно

___________________ _________________

где [σ_р] и [σ_с] - допускаемы напряжения на растяжение и сжатие штока;

Штоки, длина которых больше 10 диаметров ("длинные" штоки), работающие на сжатие, рассчитывают на продольный изгиб по формуле Эйлера

Рис.4.6 – Схемы гидроцилиндров: а – плунжерного; б – телескопического

_______________________

где σ_кр - критическое напряжение при продольном изгибе; f - площадь поперечного сечения штока;

Диаметр болтов для крепления крышек цилиндров

__________________________

где n - число болтов.

Плунжерные и телескопические цилиндры. Плунжерным называют цилиндр с рабочей камерой, образованной рабочими поверхностями корпуса и плунжера. Это цилиндры одностороннего действия.

Скорость перемещения плунжера

__________________________________,

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

Усилие на плунжере без учета сил трения и инерции

__________________________.

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. 4.6, б). Последовательность выдвижения поршней может быть от большего к меньшему.

К гидроцилиндрам предъявляют следующие требования:

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

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

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

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

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

6. 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.

Задача. 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.