Гідроциліндр поршневий однобічної дії. Гідроциліндри. Що ж таке гідроциліндр

Загальні відомості. Гідроциліндром називають об'ємний гідродвигун з обмеженим зворотно-поступальним рухом вихідної ланки.

Залежно від конструкції робочої камери гідроциліндри поділяють на мембранні, сильфонні, поршневі, плунжерні, телескопічні. Найбільше застосування в об'ємних гідроприводах отримали поршневі циліндри завдяки простій конструкції і високої надійності.

Механізми з гнучкими роздільниками _________________________ (Рис.4.1, а) застосовують в основному при невеликих переміщеннях і невеликих тисках (до 1 МПа). Мембранний виконавчий механізм являє собою защемлення по периферії корпусу еластичне кільце 1. При збільшенні тиску в підводить камері 2 еластичне кільце притискається до верхньої частини корпусу 3, і шток 4, пов'язаний з еластичним кільцем висувається. Зворотний хід штока забезпечує пружина 5.

Рис.4.1. Схеми мембран:

а - плоска з еластичним кільцем; б - гофрована металева

У Гідропневмоавтоматика поширені також гофровані металеві мембрани (рис.4.1, б). Деформація таких мембран відбувається за рахунок різниці тисків Δ P \u003d P 1 - P 2 і зовнішнього навантаження R.

__________________________________________________ (Рис.4.2) допускають значні переміщення вихідної ланки - штока. При переміщенні поршня 1 в напрямку дії тиску рідини (рис.4.2, а) мембрана 3 перегинається, перекочуючись зі стінок поршня 1 на стінки циліндра 2, до яких вона щільно підтискається тиском рідини (рис.4.2, б). Зворотний хід поршня відбувається за рахунок пружини.

Рис.4.2. Схеми роботи мембранного гідроциліндра

Рис.4.3. Схема металевого сільфонаа - сильфон; б - цільна стінка; в - зварна стінка

Сильфони (рис.4.3, а) призначені для роботи при невеликих тисках (до 3 МПа). Їх виготовляють з металів і неметалічних матеріалів (гуми або пластику). Металеві сильфони бувають одно- і багатошарові (до п'яти шарів). Застосування сильфонів виправдано в умовах високих і низьких температур, значення яких лімітується матеріалом, з якого виготовлений сильфон. Сильфони можуть бути цільні або зварені. Цілісні виготовляють розвальцюванням тонкостінної безшовної труби.

поршневі гідроциліндри

Гідроциліндри є об'ємними гидромашинами. Призначені для перетворення енергії потоку робочої рідини механічну енергію вихідної ланки.

Гідроциліндри працюють при високому тиску (До 32 МПа), їх виготовляють однобічного і двостороннього дії, з одностороннім і двостороннім штоком і телескопічні.

Поршневим називають гідроциліндр, в якому робітники камери утворені робочими поверхнями корпусу і поршня зі штоком (рис. 4.4). У циліндричної расточке корпусу 1 (Рис. 4.4, а)знаходиться поршень 2, жорстко з'єднаний зі штоком 4. Циліндр має дві порожнини: поршневу А- частина робочої камери, обмежену робочими поверхнями корпусу і поршня, і штокову Б- частина робочої камери, обмежену робочими поверхнями корпусу, поршня і штока. Для герметизації рухливих з'єднань в циліндрі встановлені ущільнювальні кільця 3 і 5.

Малюнок 4.4 - Схеми поршневих гідроциліндрів:

а, в, г - двосторонньої дії; б- односторонньої дії

Поршневі циліндри поділяють за такими ознаками: у напрямку дії робочої рідини - на циліндри односторонньої і двосторонньої дії; по числу штоків - на циліндри з одностороннім і двостороннім штоком; по виду вихідної ланки - на циліндри з рухомим штоком і рухомим корпусом.

Для циліндрів встановлені наступні основні параметри і розміри: номінальний тиск p ном (MПa); діаметр поршня D (Мм) - головний параметр, за яким створюються типорозміри циліндрів; діаметр штока d (Мм); хід поршня L (Мм) і маса т(Кг) циліндра. Ряди нормальних діаметрів поршнів і штоків гідроциліндрів встановлює ГОСТ 6540-68.

Рис.4.5. Гідроциліндр: 1 - грязес'емнік; 2 - гільза; 3 - шток; 4 - стопорне кільце; 5 - манжета; 6 - поршень; 7 - вушко; 8 - грундбукса

Для приводу робочих органів мобільних машин найбільш широко застосовують поршневі гідроциліндри двосторонньої дії з одностороннім штоком (рис.4.5).

У нормалізованих циліндрів, діаметр штока становить в середньому 0,5 D, Хід поршня не перевищує 10 D. При більшій величині ходу і тисках, що перевищують 20 МПа, шток слід перевіряти на стійкість від дії поздовжньої сили.

Для зменшення втрат тиску діаметри прохідних отворів в кришках циліндра для підведення робочої рідини призначають з розрахунку, щоб швидкість рідини становила в середньому 5 м / с, але не вище 8 м / с.

Рис.4.5. Принципові схеми демпферів: а - пружинний демпфер; б - демпфер з помилковим штоком; в - демпфер регульований з отвором; г - гідравлічний демпфер

Хід поршня обмежується кришками циліндра. У деяких випадках вона досягає 0,5 м / с. Жорсткий удар поршня об кришку в гідроциліндрах будівельних машин запобігають демпфери (гальмівні пристрої) . Принцип з дії більшості з них заснований на замиканні невеликого об'єму рідини і перетворення енергії рухомих мас в механічну енергію рідини. Із замкненого обсягу рідина витісняється через канали малого перетину.

розрахункова схема

.розрахунок основних параметрів . робочі площі S п (м 2) поршнів циліндрів визначають за формулами:

- з боку поршневий порожнини для циліндрів з одностороннім штоком

________________ ;

- з боку штоковой порожнини для циліндрів про одностороннім і двостороннім штоками за умови рівності діаметрів правого і лівого штоків

___________________________ .

Теоретичне зусилля (Н) на штоку без урахування сил тертя та інерції

__________________________________ ,

де Δ p – перепад тисків в робочих порожнинах, Па.

При роботі циліндра на штоку розвивається сила F факт, що долає статичну (теоретичну) навантаження F ст , силу тертя в конструктивних елементах F тр і силу інерції R ін:

___________________________ .

Сила тертя залежить від виду ущільнення. Для циліндра з гумовими ущільнювачами

_________________________ ,

де f - коефіцієнт тертя ковзання ( f = 0,1 ... 0,2); b – ширина контактного паска ущільнення; σ до - контактне напруження; z - число кілець.

Сила інерції рухомих частин виникає при прискоренні і уповільненні руху штока. У загальному випадку

_________________ ,

де т- маса рухомих частин, приведена до штоку, включаючи масу робочої рідини; а- прискорення.

При рівномірному русі штока циліндра сила інерції дорівнює нулю.

Фактичне зусилля на штоку циліндра

_____________________ ,

де F - теоретичне зусилля;  хутро - механічний ККД (  хутро \u003d 0,85 ... 0,95).

розрахункову швидкість V (М / с) штока без урахування витоків робочої рідини визначають за формулою

_____________________________ ,

де Q – витрата робочої рідини, м 3 / с.

У циліндрі двосторонньої дії з одностороннім штоком швидкості руху при прямому (індекс 1) і зворотному (індекс 2) ходах при сталості витрат різні:

_______________________________ ; _____________________________.

Цілком очевидно нерівність V 2 > V 1 .

Ставлення швидкості руху при зворотному ході до швидкості руху при прямому ході називають коефіцієнтом збільшення швидкості при зворотному ході:

______________________.

Теоретична потужність (Вт) циліндра

_______________________ ,

де V - швидкість штока (корпусу), м / с.

Втрати потужності на подолання сил тертя

______________________ ,

Номінальна потужність гідроциліндра

_______________________ ,

__________________________________.

Розрахунки на міцність . Розрахунками міцності визначають товщину стінок циліндра, товщину кришок (головок) циліндра, діаметр штока, діаметр шпильок або болтів для кріплення кришок.

Залежно від співвідношення зовнішнього D Н і внутрішнього D діаметрів циліндри підрозділяють на товстостінні і тонкостінні. Товстостінними називають циліндри, у яких D Н / D\u003e 1,2, а тонкостінними - циліндри, у яких D Н / D 1,2.

Товщину стінки одношарового товстостінного циліндра визначають за формулою:

_________________________________

де P у - умовне тиск, рівний (1,2 ... 1,3) P ; [Σ] - допустиме напруження на розтяг, Па (для чавуну 2,5 10 7, для високоміцного чавуну 4 10 7, для сталевого лиття (8 ... 10) 10 7, для легованої сталі (15 ... 18) 10 7, для бронзи 4,2 10 7); μ - коефіцієнт поперечної деформації (коефіцієнт Пуассона), рівний для чавуну 0, для сталі 0,29; для алюмінієвих сплавів 0,26 ... 0,33; для латуні 0,35.

Товщину стінки тонкостінного циліндра визначають за формулою: (див раніше)

___________________________________

До визначеної за формулами товщині стінки циліндра додається припуск на обробку матеріалу. для D \u003d 30 ... 180 мм припуск приймають рівним 0,5 ... 1 мм.

Товщину кришки циліндра визначають за формулою:

___________________

де d до - діаметр кришки.

Діаметр штока, що працює на розтягування і стиснення відповідно

___________________ _________________

де [σ р] і [σ с] - допускалися напруги на розтягування і стиснення штока;

Штоки, довжина яких більше 10 діаметрів ( "довгі" штоки), що працюють на стиск, розраховують на поздовжній вигин за формулою Ейлера

Рис.4.6 - Схеми гідроциліндрів: а -плунжерного; б- телескопічного

_______________________

де σ кр - критичне напруження при поздовжньому згині; f - площа поперечного перерізу штока;

Діаметр болтів для кріплення кришок циліндрів

__________________________

де n - число болтів.

Плунжерні і телескопічні циліндри. плунжерним на викликають циліндр з робочою камерою, утвореної робочими по поверхні корпусу і плунжера. Це циліндри односторонньої дії.

Швидкість переміщення плунжера

__________________________________,

де Q - витрата рідини, м 3 / с; D – діаметр плунжера, м.

Зусилля на плунжері без урахування сил тертя та інерції

__________________________ .

Плунжерні циліндри відрізняються простотою конструкції. Недоліком їх є малий хід і нестійкість плунжера внаслідок наявності тільки однієї опори плунжера в циліндрі.

телескопічнимназивають циліндр з робочою камерою, утвореної робочими поверхнями корпусу і декількох концентрично розташованих поршнів, що переміщаються один щодо одного. Сума ходів поршнів повинна бути більше довжини корпусу (рис. 4.6, б). Послідовність висунення поршнів може бути від більшого до меншого.

До гидроцилиндрам висувають такі вимоги:

поршні і плунжери під статичним зусиллям повинні плавно (рівномірно) переміщатися по всій довжині ходу;

не допускаються бічні навантаження на штоках; ці навантаження можуть привести до швидкого зношування ущільнень, поршнів і робочої поверхні циліндра;

зовнішні витоку робочої рідини через нерухомі ущільнення не допускаються; на рухомих поверхнях допускається наявність масляної плівки без краплеутворення;

внутрішні перетікання рідини з однієї порожнини циліндра в іншу повинні бути мінімальними і не повинні перевищувати норму, встановлену в технічних умовах;

робочі поверхні деталей циліндра повинні бути зносостійкими, корозійностійким або мати захисні покриття;

для запобігання потрапляння бруду і пилу в порожнині циліндрів необхідно застосовувати грязес'емнікі.

Корпуси (гільзи) циліндрів виготовляють зазвичай із сталевих безшовних гарячекатаних труб по ГОСТ 8732-78 *, сталей 35 і 45 або легованих сталей ЗОХГСА і 12Х18Н9Т, алюмінієвого сплаву Д16Т. Внутрішні поверхні корпусів обробляють по полю допусків Н8. Параметр шорсткості поверхні Rа \u003d0,10 мкм виходить хонингованием або розкочуванням кульками або роликами. Штоки циліндрів виготовляють зі сталі 40Х або ЗОХГСА. Зовнішню поверхню штока обробляють по полю допуску е8. Параметр шорсткості поверхонь штока Ra \u003d 0,05 мкм. Поршні циліндрів виготовляють з сталей 35 і 45. Зовнішню поверхню поршня обробляють по полю допуску е8. Параметр шорсткості поверхні поршня Ra \u003d 0,80 ... 0,40 мкм.

завдання. Визначити основні робочі параметри поршневого гідроциліндра з одностороннім штоком при статичному навантаженні F CT \u003d 90 000 Н, максимальних швидкостях прямого і зворотного ходів відповідноV 1 = 0,2 м / с іV 2 \u003d 0,5 м / с, часу розгону при прямому ходіt = 0,2 с, максимальному тиску в напірної лініїр m ах \u003d 16 МПа, загалом ККД циліндра \u003d 0,97. Робоча рідина - мінеральне масло.

Сила інерції під час розгону

Н.

фактичне зусилля

F факт \u003d F ст + F ін \u003d 90000 + 9180 \u003d 99180 Н.

Розрахункове зусилля

F = F факт /  \u003d 99180 / 0,97 \u003d 102000 Н.

Діаметр поршня

см.

Діаметр штока

Товщину стінки циліндра зі сталі визначимо за формулою Ляме

де [σ] - допустиме напруження розтягу матеріалу циліндра, Па; [Σ] \u003d 200 Па.

Товщина плоского дна циліндра

см,

де р= 1,2 p max - розрахунковий тиск, Па.

Необхідна витрата рідини

см 3 / с \u003d 1,275 дм 3 / с.

Потужність гідроциліндра при статичному навантаженні

N = F ст V 1 = 900000,210 -3 \u003d 18 кВт.

В якості виконавчих механізмів (гідродвигунів) застосовуються силові циліндри, службовці для здійснення зворотно-поступальних прямолінійних і поворотних переміщень виконавчих механізмів. Гідроциліндри підрозділяються на поршневі, плунжерні мембранні і сильфонні.

1. Механізми з гнучкими роздільниками

До механізмів з гнучкими роздільниками відносяться мембрани, мембранні гідроциліндри і сильфони.

Мембрани (рис.1, а) застосовують в основному при невеликих переміщеннях і невеликих тисках (до 1 МПа). Мембранний виконавчий механізм являє собою защемлення по периферії корпусу еластичне кільце 1. При збільшенні тиску в підводить камері 2 еластичне кільце притискається до верхньої частини корпусу 3, і шток 4, пов'язаний з еластичним кільцем висувається. Зворотний хід штока забезпечує пружина 5.

Рис.1. Схеми мембран:
а - плоска з еластичним кільцем; б - гофрована металева

У Гідропневмоавтоматика поширені також гофровані металеві мембрани (рис.1, б). Деформація таких мембран відбувається за рахунок різниці тисків ΔP \u003d P1 - P2 і зовнішнього навантаження R.

Мембранні гідроциліндри (рис.2) допускають значні переміщення вихідної ланки - штока. При переміщенні поршня 1 в напрямку дії тиску рідини (рис.2, а) мембрана 3 перегинається, перекочуючись зі стінок поршня 1 на стінки циліндра 2, до яких вона щільно підтискається тиском рідини (рис.2, б). Зворотний хід поршня відбувається за рахунок пружини.

Рис.2. Схеми роботи мембранного гідроциліндра

Сильфони (рис.3, а) призначені для роботи при невеликих тисках (до 3 МПа). Їх виготовляють з металів і неметалічних матеріалів (гуми або пластику). Металеві сильфони бувають одно- і багатошарові (до п'яти шарів). Застосування сильфонів виправдано в умовах високих і низьких температур, значення яких лімітується матеріалом, з якого виготовлений сильфон. Сильфони можуть бути цільні або зварені. Цілісні виготовляють розвальцюванням тонкостінної безшовної труби.

Рис.3. Схема металевого сильфона
а - сильфон; б - цільна стінка; в - зварна стінка

Гідроциліндри є об'ємними гидромашинами і призначені для перетворення енергії потоку робочої рідини механічну енергію вихідної ланки. Гідроциліндри працюють при високому тиску (до 32 МПа), їх виготовляють однобічного і двостороннього дії, з одностороннім і двостороннім штоком і телескопічні.
Таблиця 1

3. Гідроциліндри прямолінійного дії

Для приводу робочих органів мобільних машин найбільш широко застосовують поршневі гідроциліндри двосторонньої дії з одностороннім штоком (рис.4).

Основою конструкції є гільза 2, що представляє собою трубу з ретельно обробленою внутрішньою поверхнею. Усередині гільзи переміщається поршень 6, що має гумові манжетні ущільнення 5, які запобігають перетікання рідини з порожнин циліндра, розділених поршнем. Зусилля від поршня передає шток 3, який має поліровану поверхню. Для його напрямку служить грундбукса 8. З двох сторін гільзи укріплені кришки з отворами для підведення і відведення робочої рідини. Ущільнення між штоком і кришкою складається з двох манжет, одна з яких запобігає витоку рідини з циліндра, а інша служить грязес'емнік 1. Отвір 7 служить для рухомого закріплення гідроциліндра. На нарізану частину штока кріпиться вушко або деталь, що з'єднує гідроциліндр з рухомим механізмом.

Рис.4. Гідроциліндр:
1 - грязес'емнік; 2 - гільза; 3 - шток; 4 - стопорне кільце; 5 - манжета;
6 - поршень; 7 - вушко; 8 - грундбукса

У нормалізованих циліндрів, що застосовуються в будівельних машинах, діаметр штока становить в середньому 0,5 D, хід поршня не перевищує 10D. При більшій величині ходу і тисках, що перевищують 20 МПа, шток слід перевіряти на стійкість від дії поздовжньої сили.

Для зменшення втрат тиску діаметри прохідних отворів в кришках циліндра для підведення робочої рідини призначають з розрахунку, щоб швидкість рідини становила в середньому 5 м / с, але не вище 8 м / с.

Хід поршня обмежується кришками циліндра. У деяких випадках вона досягає 0,5 м / с. Жорсткий удар поршня об кришку в гідроциліндрах будівельних машин запобігають демпфери (гальмівні пристрої). Принцип з дії більшості з них заснований на замиканні невеликого об'єму рідини і перетворення енергії рухомих мас в механічну енергію рідини. Із замкненого обсягу рідина витісняється через канали малого перетину.

На рис.5. представлені типові схеми демпферних пристроїв. Пружинний демпфер (рис.5, а) являє собою пружину 1, встановлену на внутрішній стороні кришки циліндра 2, що гальмує поршень 3 в кінці ходу.

Демпфер з помилковим штоком (рис.5, б) являє собою короткий помилковий шток 1 і виточку 2 в кришці циліндра. Помилковий шток може мати конічну або циліндричну форму. В кінці ходу поршня рідина замикається помилковим штоком в виточенні кришки циліндра і витісняється звідти через вузьку кільцеву щілину. Якщо помилковий шток виконаний у вигляді конуса, то ця щілина зменшується в міру досягнення поршнем кінця свого ходу. При цьому опір руху рідини зростає, а інерція, прискорення і швидкість руху поршня зменшуються.

Регульований демпфер з отвором (рис.5, в) за принципом дії аналогічний демпфера з помилковим штоком. Конструктивна відмінність полягає в тому, що замикає в виточенні кришки циліндра рідина витісняється через канал 1 малого перетину, в якому встановлена \u200b\u200bголка 2 для регулювання прохідного перетину отвору.

Гідравлічний демпфер (рис.5, г) застосовується в тому випадку, коли конструкцією гідроциліндра не може бути передбачено пристрій виточки. У гідравлічному демпфері в кінці ходу поршня стакан 1 впирається в кришку циліндра, а рідина витісняється з порожнини 2 через кільцевої зазор між склянкою 1 і поршнем 3. Пружина 4 повертає стакан в початкове положення при холостому ході поршня.

Рис.5. Принципові схеми демпферів:
а - пружинний демпфер; б - демпфер з помилковим штоком;
в - демпфер регульований з отвором; г - гідравлічний демпфер

4. Розрахунок гідроциліндрів

Основними параметрами поршневого гідроциліндра є: діаметри поршня D і штока d, робочий тиск P, і хід поршня S.

Розглянемо поршневий гідроциліндр з одностороннім штоком (рис.6). За основними параметрами можна визначити наступні залежності:

площа поршня в поршневий порожнини 1 і в штоковой порожнини 2 відповідно

зусилля, що розвивається штоком гідроциліндра при його висунення і втягуванні відповідно

де k тр \u003d 0,9 ... 0,98 - коефіцієнт, що враховує втрати на тертя;

швидкості переміщення поршня

Рис.4.6. Основні та розрахункові параметри гідроциліндра

Розрахунки на міцність. Розрахунками міцності визначають товщину стінок циліндра, товщину кришок (головок) циліндра, діаметр штока, діаметр шпильок або болтів для кріплення кришок.

Залежно від співвідношення зовнішнього DН і внутрішнього D діаметрів циліндри підрозділяють на товстостінні і тонкостінні. Товстостінними називають циліндри, у яких D Н / D\u003e 1,2, а тонкостінними - циліндри, у яких D Н / D 1,2.

Товщину стінки одношарового товстостінного циліндра визначають за формулою: