Гидравлический цилиндр (также называемый линейным гидравлическим двигателем ) представляет собой механический привод , который используется для создания однонаправленной силы посредством однонаправленного хода. [1] Он имеет множество применений, особенно в строительном оборудовании ( инженерных транспортных средствах ), производственном оборудовании , лифтах и гражданском строительстве. Гидравлический цилиндр — это гидравлический привод, который обеспечивает линейное движение , когда гидравлическая энергия преобразуется в механическое движение. Его можно сравнить с мышцей: при активации гидравлической системы машины за движение отвечает цилиндр. [2]
Гидравлические цилиндры получают энергию от гидравлической жидкости под давлением , которая является несжимаемой. [3] Обычно в качестве гидравлической жидкости используется масло . Гидроцилиндр состоит из цилиндра цилиндра , в котором поршень, соединенный со штоком поршня, движется вперед и назад. Цилиндр закрыт с одного конца дном цилиндра (также называемым крышкой), а другой конец - головкой цилиндра (также называемой сальником), где шток поршня выходит из цилиндра. Поршень имеет скользящие кольца и уплотнения. Поршень делит внутреннюю часть цилиндра на две камеры: нижнюю камеру (конец крышки) и боковую камеру штока поршня (конец штока/головку).
Фланцы , цапфы , скобы и проушины являются распространенными вариантами крепления цилиндров. Шток поршня также имеет монтажные приспособления для соединения цилиндра с объектом или компонентом машины, который он толкает или тянет.
Гидравлический цилиндр — это сторона привода или «двигателя» этой системы. «Генераторная» сторона гидравлической системы представляет собой гидравлический насос , который подает фиксированный или регулируемый поток масла в гидравлический цилиндр для перемещения поршня. Широко используются три типа насосов: ручной гидравлический насос, гидравлический воздушный насос и гидравлический электрический насос. Поршень выталкивает масло из другой камеры обратно в резервуар. Если предположить, что масло поступает со стороны крышки во время хода выдвижения, а давление масла на штоковом/головном конце примерно равно нулю, то сила F на штоке поршня равна давлению P в цилиндре, умноженному на площадь поршня A. :
Для одноштоковых цилиндров двойного действия, когда входное и выходное давление меняются местами, между двумя сторонами поршня возникает разница сил из-за того, что одна сторона поршня закрыта прикрепленным к нему штоком. Шток цилиндра уменьшает площадь поверхности поршня и уменьшает силу, которую можно приложить для хода втягивания. [4]
Если во время хода втягивания масло закачивается в головку (или сальник) на конце штока и масло из конца крышки течет обратно в резервуар без давления, давление жидкости в конце штока равно (Сила тяги) / ( площадь поршня - площадь штока поршня):
где P — давление жидкости, F p — тяговая сила, A p — площадь торцевой поверхности поршня и A r — площадь поперечного сечения штока.
Для цилиндров двойного действия с двойным штоком, когда площадь поверхности поршня одинаково покрыта штоком одинакового размера с обеих сторон головки, разница сил отсутствует. Корпус таких цилиндров обычно прикреплен к стационарному креплению.
Гидравлические цилиндры в основном используются в землеройном оборудовании, таком как экскаваторы, обратные мотыги и тракторы, для подъема или опускания стрелы, рукояти или ковша. [5] Эти цилиндры также используются в гидравлических гибочных машинах, машинах для резки листового металла, производстве древесностружечных плит или фанеры горячим прессом .
Гидроцилиндр состоит из следующих частей:
Основная функция корпуса цилиндра — удерживать давление в цилиндре. Ствол цилиндра в основном изготавливается из хонингованных трубок. [6] Хонингованные трубы производятся из холоднотянутых бесшовных труб (CDS) или труб, вытянутых на оправке (DOM), пригодных для хонингования стали. Хонингованные трубки готовы к использованию в гидравлических цилиндрах без дальнейшей обработки внутреннего диаметра. Шероховатость поверхности цилиндра обычно составляет от 4 до 16 микродюймов. Процесс хонингования и процесс зачистки и роликового полирования (SRB) являются двумя основными типами процессов изготовления трубок цилиндров. [7] Поршень совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре. Цилиндрический цилиндр имеет гладкую внутреннюю поверхность, высокую точность, долговечность в использовании и т. д.
Основная функция крышки — закрывать камеру давления с одного конца. Крышка соединяется с корпусом посредством сварки, резьбы, болтов или тяг. Колпаки также служат компонентами крепления цилиндра [фланец колпака, цапфа колпака, вилка колпака]. Опрокидывание определяется на основе напряжения изгиба. Между крышкой и корпусом используется статическое уплотнение/уплотнительное кольцо (кроме сварной конструкции ) .
Основная функция головки – ограждать напорную камеру с другого конца. Головка содержит встроенное уплотнительное устройство штока или возможность установки уплотнительной втулки. Головка соединяется с корпусом посредством резьбы, болтов или тяг. Между головкой и стволом используется статическое уплотнение/уплотнительное кольцо .
Основная функция поршня – разделение зон давления внутри ствола. Поршень имеет канавки для установки эластомерных или металлических уплотнений и элементов подшипника. Эти уплотнения могут быть одностороннего или двойного действия. Разница в давлении между двумя сторонами поршня заставляет цилиндр выдвигаться и втягиваться. Поршень прикреплен к штоку поршня с помощью резьбы, болтов или гаек для передачи линейного движения.
Шток поршня обычно представляет собой твердохромированный кусок холоднокатаной стали, который прикрепляется к поршню и проходит из цилиндра через головку штока. В цилиндрах с двойными штоковыми концами привод имеет шток, выступающий с обеих сторон поршня и наружу с обоих концов цилиндра. Шток поршня соединяет гидравлический привод с компонентом машины, выполняющим работу. Это соединение может быть в виде машинной резьбы или монтажного приспособления. Шток поршня тщательно отшлифован и отполирован, чтобы обеспечить надежное уплотнение и предотвратить утечку.
Головка блока цилиндров оснащена уплотнениями, предотвращающими утечку масла под давлением через границу между штоком и головкой. Эта область называется уплотнительной железой. Преимуществом сальника является простота снятия и замены уплотнения. Сальник уплотнения содержит первичное уплотнение, вторичное уплотнение/буферное уплотнение, несущие элементы, грязесъемник/скребок и статическое уплотнение. В некоторых случаях, особенно в небольших гидроцилиндрах, сальник штока и несущие элементы изготавливают из единой обработанной детали.
Уплотнения рассчитаны/спроектированы так, чтобы выдерживать максимальное рабочее давление цилиндра, скорость вращения цилиндра, рабочую температуру , рабочую среду и область применения. Поршневые уплотнения являются динамическими уплотнениями и могут быть одностороннего или двустороннего действия. [8] Вообще говоря, эластомерные уплотнения, изготовленные из нитрильного каучука , полиуретана или других материалов, лучше всего подходят для условий с более низкой температурой, тогда как уплотнения из фторуглеродного витона лучше подходят для более высоких температур. Также доступны металлические уплотнения, в качестве материала уплотнений обычно используется чугун. Штоковые уплотнения являются динамическими уплотнениями и обычно имеют одностороннее действие. В состав уплотнений штока входят нитриловый каучук , полиуретан или фторуглеродный витон . Стеклоочистители/скребки используются для удаления таких загрязнений, как влага, грязь и пыль, которые могут привести к серьезному повреждению стенок цилиндров, штоков, уплотнений и других компонентов. Обычным составом дворников является полиуретан. Металлические скребки используются при минусовых температурах и в тех случаях, когда на стержне могут откладываться посторонние материалы. Несущие элементы/износные ленты используются для устранения контакта металла с металлом. Износостойкие ленты рассчитаны на максимальные боковые нагрузки. Основными соединениями, используемыми для износостойких лент, являются наполненный ПТФЭ , армированная тканью полиэфирная смола и бронза.
Внутреннюю часть гидравлического цилиндра составляют множество составных частей. Все эти части объединяются, чтобы создать полностью функционирующий компонент. [9]
В промышленности используются в основном два основных типа конструкции гидроцилиндров: цилиндры с рулевой тягой и цилиндры со сварным корпусом.
В гидравлических цилиндрах с рулевой тягой используются высокопрочные стальные стержни с резьбой, которые удерживают две торцевые крышки на цилиндре цилиндра. Чаще всего их можно увидеть на промышленных предприятиях. Цилиндры малого диаметра обычно имеют 4 рулевых тяги, а для цилиндров большого диаметра может потребоваться до 16 или 20 рулевых тяг, чтобы удерживать торцевые крышки под действием огромных сил. Цилиндры с рулевой тягой можно полностью разобрать для обслуживания и ремонта, и их не всегда можно настроить. [11]
Национальная ассоциация гидроэнергетики (NFPA) стандартизировала размеры цилиндров гидравлических рулевых тяг. Это позволяет менять местами цилиндры разных производителей в рамках одних и тех же креплений.
Цилиндры со сварным корпусом не имеют рулевых тяг. Ствол приварен непосредственно к торцевым крышкам. Порты приварены к стволу. Передний сальник штока обычно ввинчивается в цилиндр цилиндра или прикручивается к нему болтами. Это позволяет снять узел штока поршня и уплотнения штока для обслуживания.
Цилиндры со сварным корпусом имеют ряд преимуществ перед цилиндрами с рулевой тягой. Сварные цилиндры имеют более узкий корпус и зачастую меньшую общую длину, что позволяет им лучше вписываться в тесные рамки машин. Сварные цилиндры не выходят из строя из-за растяжения рулевой тяги при высоких давлениях и длинных ходах. [12] Сварная конструкция также допускает индивидуализацию. К корпусу цилиндра легко добавляются специальные элементы, в том числе специальные порты, специальные крепления, клапанные коллекторы и т. д. [11]
Гладкий внешний корпус сварных цилиндров также позволяет создавать многоступенчатые телескопические цилиндры.
Гидравлические цилиндры со сварным корпусом доминируют на рынке мобильного гидравлического оборудования, такого как строительная техника ( экскаваторы , бульдозеры и автогрейдеры) и погрузочно-разгрузочная техника (вилочные погрузчики, телескопические погрузчики и подъемные ворота). Они также используются в тяжелой промышленности в кранах, нефтяных вышках и больших внедорожниках для наземных горных работ.
Шток поршня гидроцилиндра работает как внутри, так и снаружи цилиндра, и, следовательно, как внутри, так и снаружи гидравлической жидкости и окружающей атмосферы.
На наружном диаметре штока поршня желательно иметь износостойкие и коррозионностойкие поверхности. На поверхности часто наносятся такие методы покрытия, как хромирование (никель), дуплекс Lunac 2+, лазерная наплавка, сварка PTA и термическое напыление. Эти покрытия можно довести до желаемой шероховатости поверхности (Ra, Rz), при которой уплотнения обеспечивают оптимальные характеристики. Все эти методы нанесения покрытий имеют свои преимущества и недостатки. Именно по этой причине эксперты по покрытиям играют решающую роль в выборе оптимальной процедуры обработки поверхности для защиты гидравлических цилиндров.
Цилиндры используются в различных условиях эксплуатации, поэтому найти правильное решение для покрытия непросто. При дноуглубительных работах могут возникнуть удары камней или других частей, в условиях соленой воды возникают сильные коррозионные воздействия, в морских баллонах происходит изгиб и удары в сочетании с соленой водой, а в сталелитейной промышленности возникают высокие температуры и т. д. Не существует единого решения для покрытия, которое успешно борется со всеми специфическими условиями эксплуатационного износа. Каждая техника имеет свои преимущества и недостатки.
Поршневые штоки обычно доступны такой длины, которая подходит для конкретного применения. Поскольку обычные стержни имеют сердечник из мягкой или низкоуглеродистой стали, их концы можно приваривать или подвергать механической обработке для получения винтовой резьбы .
Усилия, действующие на поверхность поршня и фиксатор головки поршня, различаются в зависимости от того, какая система фиксации головки поршня используется.
Если используется стопорное кольцо (или любая система без предварительного натяга), сила, действующая на разделение головки поршня и заплечика вала цилиндра, равна приложенному давлению, умноженному на площадь головки поршня. Головка поршня и заплечик вала разделятся, и нагрузка полностью воспринимается фиксатором головки поршня.
Если используется система с предварительным натягом, сила между валом цилиндра и головкой поршня изначально равна значению предварительного натяга фиксатора головки поршня. Как только давление будет применено, эта сила уменьшится. Головка поршня и заплечик вала цилиндра будут оставаться в контакте, пока приложенное давление, умноженное на площадь головки поршня, не превысит предварительную нагрузку.
Максимальная сила, которую будет воспринимать фиксатор головки поршня, равна большему из преднатяга и приложенного давления, умноженного на полную площадь головки поршня. Нагрузка на фиксатор головки поршня превышает внешнюю нагрузку, что обусловлено уменьшенным размером вала, проходящего через головку поршня. Увеличение этой части вала снижает нагрузку на фиксатор. [13]
Боковая нагрузка – это неравномерное давление, не сосредоточенное на штоке цилиндра. Эта нецентральная деформация в крайних случаях может привести к изгибу стержня, но чаще всего вызывает утечку из-за деформации круглых уплотнений до овальной формы. Это также может привести к повреждению и увеличению отверстия вокруг штока и внутренней стенки цилиндра вокруг головки поршня, если шток достаточно сильно прижат вбок, чтобы полностью сжать и деформировать уплотнения, образуя скребковый контакт металла с металлом. [14]
Напряженность от боковой нагрузки можно напрямую уменьшить за счет использования внутренних стопорных трубок, которые уменьшают максимальную длину выдвижения, оставляя некоторое расстояние между поршнем и уплотнением внутреннего диаметра и увеличивая рычаг для предотвращения деформации уплотнений. Двойные поршни также распределяют силы боковой нагрузки, одновременно уменьшая длину хода. В качестве альтернативы внешние направляющие скольжения и петли могут выдерживать нагрузку и уменьшать боковые нагрузки, действующие непосредственно на цилиндр. [15]
Методы монтажа также играют важную роль в работе цилиндра. Как правило, фиксированные крепления по центральной линии цилиндра лучше всего подходят для прямолинейной передачи усилия и предотвращения износа. К распространенным типам монтажа относятся:
Фланцевые крепления — очень прочные и жесткие, но не допускают перекосов. Эксперты рекомендуют использовать крепления на конце крышки для осевых нагрузок, а также крепления на конце штока, когда большая нагрузка приводит к растяжению штока поршня. Три типа: прямоугольный фланец головки, квадратный фланец головки или прямоугольная головка. Фланцевые крепления работают оптимально, когда монтажная поверхность прикрепляется к опорному элементу машины. [16]
Боковые цилиндры — просты в установке и обслуживании, но крепления создают вращающий момент, когда цилиндр прилагает силу к нагрузке, увеличивая износ. Чтобы избежать этого, укажите длину хода, по меньшей мере, равную размеру отверстия для цилиндров с боковым креплением (большая нагрузка приводит к нестабильности короткоходного цилиндра и цилиндра с большим диаметром цилиндра). Боковые крепления должны быть хорошо выровнены, а груз должен поддерживаться и направляться.
Крепления проушин по центральной линии — поглощают силы, действующие на центральную линию, и для фиксации проушин требуются установочные штифты, чтобы предотвратить перемещение при более высоких давлениях или в условиях ударов. Установочные штифты удерживают его на машине при работе под высоким давлением или при ударной нагрузке. [16]
Поворотные опоры — воспринимают силу, действующую на центральную линию цилиндра, и позволяют цилиндру изменять выравнивание в одной плоскости. Распространенные типы включают вилки, опоры цапфы и сферические подшипники. Поскольку эти крепления позволяют цилиндру поворачиваться, их следует использовать с насадками на конце штока, которые также поворачиваются. Крепления с шарнирной головкой можно использовать в любом положении и обычно рекомендуются для цилиндров с коротким ходом поршня и цилиндров малого и среднего диаметра. [17]
.svg/1280px-Double_acting_telescopic_cylinder_(symbol,ISO1219).svg.png)
Длина гидроцилиндра складывается из суммы хода, толщины поршня, толщины днища и головки и длины соединений. Часто эта длина не помещается в машину. В этом случае шток поршня также используется в качестве цилиндра поршня и используется второй шток поршня. Такие цилиндры называются телескопическими цилиндрами . Если мы называем обычный штоковый цилиндр одноступенчатым, то телескопические цилиндры представляют собой многоступенчатые агрегаты из двух, трех, четырех, пяти или более ступеней. В целом телескопические цилиндры намного дороже обычных. Большинство телескопических цилиндров являются односторонними (нажимными). Телескопические цилиндры двойного действия должны быть специально спроектированы и изготовлены. [18]
Гидроцилиндр без поршня или с поршнем без уплотнений называется плунжерным цилиндром. Плунжерный цилиндр можно использовать только как толкающий цилиндр; максимальная сила равна площади штока поршня, умноженной на давление. Это означает, что плунжерный цилиндр обычно имеет относительно толстый шток поршня.
.svg/1280px-Double_acting_cylinder_(symbol,differential,ISO1219).svg.png)
Дифференциальный цилиндр при тяге действует как обычный цилиндр. Однако если цилиндру приходится толкать, масло со стороны штока поршня цилиндра не возвращается в резервуар, а поступает в нижнюю часть цилиндра. Таким образом, цилиндр движется намного быстрее, но максимальная сила, которую может дать цилиндр, аналогична плунжерному цилиндру. Дифференциальный цилиндр может быть изготовлен как обычный цилиндр, только добавляется специальный элемент управления.
Вышеупомянутый дифференциальный цилиндр также называют схемой управления рекуперативным цилиндром. Этот термин означает, что цилиндр представляет собой одноштоковый гидравлический цилиндр двойного действия. Схема управления включает в себя клапан и трубопроводы, которые во время выдвижения поршня переносят масло со стороны штока поршня на другую сторону поршня, а не в резервуар насоса. Масло, которое подается на другую сторону поршня, называется регенеративным маслом.
Гидравлические цилиндры с датчиками положения устраняют необходимость в полом штоке цилиндра. Вместо этого внешний датчик, использующий технологию эффекта Холла, определяет положение поршня цилиндра. Это достигается за счет размещения постоянного магнита внутри поршня. Магнит распространяет магнитное поле через стальную стенку цилиндра, передавая датчику сигнал локации.
