Гидравлический цилиндр ( также называемый линейным гидравлическим двигателем ) — это механический привод , который используется для создания однонаправленной силы посредством однонаправленного хода. [1] Он имеет множество применений, в частности, в строительном оборудовании ( инженерные машины ), производственных машинах , 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, поскольку при активации гидравлической системы машины цилиндр отвечает за обеспечение движения. [2]
Гидравлические цилиндры получают свою мощность от гидравлической жидкости под давлением , которая несжимаема. [3] Обычно в качестве гидравлической жидкости используется масло . Гидравлический цилиндр состоит из цилиндрической гильзы , в которой поршень, соединенный со штоком поршня, движется вперед и назад. Цилиндр закрыт с одного конца днищем цилиндра (также называемым крышкой), а с другого конца 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/головной конец).
Фланцы , цапфы , скобы и проушины являются распространенными вариантами крепления цилиндра. Шток поршня также имеет монтажные приспособления для соединения цилиндра с объектом или компонентом машины, который он толкает или тянет.
Гидравлический цилиндр — это привод или «моторная» сторона этой системы. «Генераторная» сторона гидравлической системы — это гидравлический насос , который подает фиксированный или регулируемый поток масла в гидравлический цилиндр для перемещения поршня. Широко используются три типа насосов: гидравлический ручной 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 в штоковой/головной части приблизительно равно нулю, то сила F на штоке поршня равна давлению P в цилиндре, умноженному на площадь поршня A :
Для цилиндров двойного действия с одним штоком, когда входное и выходное давления меняются местами, возникает разница сил между двумя сторонами поршня из-за того, что одна сторона поршня покрыта штоком, прикрепленным к нему. Шток цилиндра уменьшает площадь поверхности поршня и уменьшает силу, которая может быть приложена для обратного хода. [4]
Во время хода втягивания, если масло закачивается в головку (или сальник) на конце штока, а масло из конца крышки течет обратно в резервуар без давления, давление жидкости на конце штока составляет (сила тяги) / (площадь поршня - площадь штока поршня):
где P — давление жидкости, F p — тяговое усилие, Ap — площадь поверхности поршня, Ar — площадь поперечного сечения штока.
Для цилиндров двойного действия с двойным штоком, когда площадь поверхности поршня одинаково покрыта штоком одинакового размера с обеих сторон головки, разницы в силе нет. Такие цилиндры обычно имеют корпус цилиндра, прикрепленный к неподвижному креплению.
Гидравлические цилиндры могут использоваться в любой машине, где требуются большие усилия, одной из самых известных является землеройное оборудование , такое как экскаваторы, обратные лопаты и тракторы, для подъема или опускания стрелы, рукояти или ковша. [5] Производство является еще одним популярным применением, где их можно найти в гидравлических гибочных станках, ножницах для резки листового металла, горячем прессе для изготовления древесностружечных плит или фанеры .
Гидравлический цилиндр состоит из следующих частей:
Основная функция корпуса цилиндра — удерживать давление цилиндра. Ствол цилиндра в основном изготавливается из хонингованных труб. [6] Хонингованные трубы производятся из пригодных для хонингования стальных холоднотянутых бесшовных труб (трубы CDS) или труб, вытянутых на оправке (DOM). Хонингованные трубы готовы к использованию для гидравлических цилиндров без дальнейшей обработки внутреннего диаметра. Чистота поверхности ствола цилиндра обычно составляет от 4 до 16 микродюймов. Процесс хонингования и процесс Skiving & Roller полировки (SRB) являются двумя основными типами процессов для изготовления труб цилиндра. [7] Поршень совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре. Ствол цилиндра имеет такие характеристики, как гладкая внутренняя поверхность, высокая точность допуска, долговечность в использовании и т. д.
Основная функция колпачка — закрывать камеру давления с одного конца. Колпачок соединяется с корпусом с помощью сварки, резьбы, болтов или стяжных шпилек. Колпачки также выполняют функции компонентов крепления цилиндра [фланец колпачка, цапфа колпачка, скоба колпачка]. Опрокидывание определяется на основе изгибающего напряжения. Между колпачком и стволом используется статическое уплотнение / уплотнительное кольцо (за исключением сварной конструкции).
Основная функция головки — закрыть камеру давления с другого конца. Головка содержит встроенное уплотнение штока или возможность установки сальника. Головка соединена с корпусом с помощью резьбы, болтов или стяжных шпилек. Между головкой и стволом используется статическое уплотнение/кольцевое уплотнение .
Основная функция поршня — разделение зон давления внутри ствола. Поршень обработан с канавками для установки эластомерных или металлических уплотнений и элементов подшипника. Эти уплотнения могут быть одностороннего или двустороннего действия. Разница в давлении между двумя сторонами поршня заставляет цилиндр выдвигаться и втягиваться. Поршень крепится к штоку поршня с помощью резьбы, болтов или гаек для передачи линейного движения.
Шток поршня обычно представляет собой твердый хромированный кусок холоднокатаной стали, который крепится к поршню и выступает из цилиндра через головку штока. В цилиндрах с двойным штоком привод имеет шток, выступающий с обеих сторон поршня и из обоих концов ствола. Шток поршня соединяет гидравлический привод с компонентом машины, выполняющим работу. Это соединение может быть в виде машинной резьбы или монтажного крепления. Шток поршня тщательно отшлифован и отполирован, чтобы обеспечить надежное уплотнение и предотвратить утечку.
Головка цилиндра оснащена уплотнениями, чтобы предотвратить утечку масла под давлением через интерфейс между штоком и головкой. Эта область называется сальником уплотнения. Преимуществом сальника уплотнения является простота снятия и замены уплотнения. Уплотнительный сальник содержит первичное уплотнение, вторичное уплотнение/буферное уплотнение, элементы подшипника, грязесъемник/скребок и статическое уплотнение. В некоторых случаях, особенно в небольших гидравлических цилиндрах, сальник штока и элементы подшипника изготавливаются из одной цельной обработанной детали.
Уплотнения считаются/разработаны для выдерживания максимального рабочего давления цилиндра, скорости цилиндра, рабочей температуры , рабочей среды и применения. Поршневые уплотнения являются динамическими уплотнениями и могут быть одностороннего или двустороннего действия. [8] Вообще говоря, эластомерные уплотнения, изготовленные из нитрилового каучука , полиуретана или других материалов, лучше всего подходят для более низких температур, в то время как уплотнения, изготовленные из фторуглеродного витона , лучше подходят для более высоких температур. Также доступны металлические уплотнения, и в качестве материала уплотнения обычно используется чугун. Уплотнения штока являются динамическими уплотнениями и, как правило, являются односторонними. Составы уплотнений штока — нитриловый каучук , полиуретан или фторуглеродный витон . Грязесъемники/скребки используются для устранения загрязняющих веществ, таких как влага, грязь и пыль, которые могут нанести значительный ущерб стенкам цилиндра, штокам, уплотнениям и другим компонентам. Обычным составом для грязесъемников является полиуретан. Металлические скребки используются для применений при отрицательных температурах и в случаях, когда на штоке могут осаждаться посторонние материалы. Элементы подшипника/износные ленты используются для устранения контакта металла с металлом. Износные ленты разработаны для выдерживания максимальных боковых нагрузок. Основные соединения, используемые для изнашиваемых лент, это заполненный ПТФЭ , армированная тканью полиэфирная смола и бронза
Внутренняя часть гидравлического цилиндра состоит из множества составных частей. Все эти части объединяются, чтобы создать полностью функционирующий компонент. [9]
В отрасли в основном используются два основных типа конструкций гидроцилиндров: цилиндры со стяжными шпильками и цилиндры со сварным корпусом.
Гидравлические цилиндры типа стяжных стержней используют высокопрочные стальные стержни с резьбой для крепления двух торцевых крышек к корпусу цилиндра. Чаще всего их можно увидеть в промышленных заводских применениях. Цилиндры с малым диаметром обычно имеют 4 стяжных стержня, а цилиндры с большим диаметром могут потребовать до 16 или 20 стяжных стержней для удержания торцевых крышек под воздействием огромных сил. Цилиндры типа стяжных стержней можно полностью разобрать для обслуживания и ремонта, и они не всегда настраиваемы. [11]
Национальная ассоциация по гидроприводу (NFPA) стандартизировала размеры гидравлических цилиндров с рулевой тягой. Это позволяет взаимозаменяемым цилиндрам разных производителей в одних и тех же креплениях.
Цилиндры со сварным корпусом не имеют стяжных тяг. Ствол приварен непосредственно к торцевым крышкам. Отверстия приварены к стволу. Передний сальник штока обычно ввинчивается или прикручивается болтами к стволу цилиндра. Это позволяет снимать узел штока поршня и уплотнения штока для обслуживания.
Цилиндры со сварным корпусом имеют ряд преимуществ по сравнению с цилиндрами со стяжными стержнями. Сварные цилиндры имеют более узкий корпус и часто более короткую общую длину, что позволяет им лучше вписываться в тесные рамки машин. Сварные цилиндры не страдают от поломок из-за растяжения стяжных стержней при высоких давлениях и длинных ходах. [12] Сварная конструкция также поддается настройке. Специальные функции легко добавляются к корпусу цилиндра, включая специальные порты, специальные крепления, клапанные коллекторы и т. д. [11]
Гладкий внешний корпус сварных цилиндров также позволяет проектировать многоступенчатые телескопические цилиндры.
Гидроцилиндры со сварным корпусом доминируют на рынке мобильного гидравлического оборудования, такого как строительное оборудование ( экскаваторы , бульдозеры и дорожные грейдеры) и оборудование для обработки материалов (вилочные погрузчики, телескопические погрузчики и подъемные ворота). Они также используются в тяжелой промышленности в кранах, нефтяных вышках и больших внедорожных транспортных средствах для надземных горных работ.
Шток поршня гидравлического цилиндра работает как внутри, так и снаружи цилиндра, а следовательно, как внутри, так и вне гидравлической жидкости и окружающей атмосферы.
На наружном диаметре штока поршня желательно иметь износостойкие и коррозионно-стойкие поверхности. Поверхности часто наносятся с использованием таких методов покрытия, как хромирование (никелирование), Lunac 2+ duplex, лазерная наплавка, сварка PTA и термическое напыление. Эти покрытия можно наносить до желаемой шероховатости поверхности (Ra, Rz), при которой уплотнения обеспечивают оптимальную производительность. Все эти методы покрытия имеют свои определенные преимущества и недостатки. Именно по этой причине специалисты по покрытиям играют решающую роль в выборе оптимальной процедуры обработки поверхности для защиты гидравлических цилиндров.
Цилиндры используются в различных условиях эксплуатации, и это делает поиск правильного решения для покрытия сложной задачей. При дноуглубительных работах могут быть удары камней или других деталей, в соленой воде возможны экстремальные коррозионные воздействия, в морских цилиндрах возможны изгибы и удары в сочетании с соленой водой, а в сталелитейной промышленности возможны высокие температуры и т. д. Не существует единого решения для покрытия, которое успешно справлялось бы со всеми конкретными условиями износа при эксплуатации. У каждой технологии есть свои преимущества и недостатки.
Поршневые штоки обычно доступны в длинах, которые обрезаются в соответствии с применением. Поскольку обычные штоки имеют мягкий или малоуглеродистый стальной сердечник, их концы могут быть сварены или обработаны для винтовой резьбы .
Силы, действующие на поверхность поршня и фиксатор головки поршня, различаются в зависимости от используемой системы фиксации головки поршня.
Если используется стопорное кольцо (или любая непреднагруженная система), сила, действующая для разделения головки поршня и заплечика вала цилиндра, равна приложенному давлению, умноженному на площадь головки поршня. Головка поршня и заплечик вала разделятся, и нагрузка полностью будет реагировать на фиксатор головки поршня.
Если используется система с предварительным натягом, то сила между валом цилиндра и головкой поршня изначально равна значению предварительной нагрузки фиксатора головки поршня. После приложения давления эта сила уменьшится. Головка поршня и плечо вала цилиндра останутся в контакте, если только приложенное давление, умноженное на площадь головки поршня, не превысит предварительную нагрузку.
Максимальная сила, которую будет испытывать фиксатор головки поршня, равна наибольшей из предварительной нагрузки и приложенного давления, умноженного на полную площадь головки поршня. Нагрузка на фиксатор головки поршня больше внешней нагрузки, что обусловлено уменьшенным размером вала, проходящего через головку поршня. Увеличение этой части вала уменьшает нагрузку на фиксатор. [13]
Боковая нагрузка — это неравномерное давление, которое не центрировано на штоке цилиндра. Эта нецентральная деформация может привести к изгибу штока в экстремальных случаях, но чаще всего вызывает утечку из-за деформации круглых уплотнений в овальную форму. Она также может повредить и расширить отверстие вокруг штока и внутреннюю стенку цилиндра вокруг головки поршня, если шток достаточно сильно нажат вбок, чтобы полностью сжать и деформировать уплотнения, чтобы создать скребковый контакт металла по металлу. [14]
Напряжение боковой нагрузки может быть напрямую уменьшено с помощью внутренних стопорных трубок, которые уменьшают максимальную длину выдвижения, оставляя некоторое расстояние между поршнем и уплотнением отверстия и увеличивая рычаг для сопротивления деформации уплотнений. Двойные поршни также распределяют силы боковой нагрузки, одновременно уменьшая длину хода. В качестве альтернативы внешние направляющие скольжения и шарниры могут поддерживать нагрузку и уменьшать силы боковой нагрузки, приложенные непосредственно к цилиндру. [15]
Методы крепления также играют важную роль в производительности цилиндра. Как правило, фиксированные крепления на центральной линии цилиндра являются лучшими для передачи силы по прямой и избегания износа. Распространенные типы крепления включают:
Фланцевые крепления — очень прочные и жесткие, но имеют небольшой допуск на несоосность. Эксперты рекомендуют крепления на конце крышки для осевых нагрузок и крепления на конце штока, где основная нагрузка приводит к растяжению штока поршня. Три типа — это прямоугольный фланец головки, квадратный фланец головки или прямоугольная головка. Фланцевые крепления функционируют оптимально, когда монтажная поверхность крепится к опорному элементу машины. [16]
Боковые цилиндры — просты в установке и обслуживании, но крепления создают вращающий момент, поскольку цилиндр прикладывает силу к нагрузке, что увеличивает износ. Чтобы избежать этого, укажите ход, по крайней мере, такой же длинный, как размер отверстия для боковых цилиндров (большая нагрузка, как правило, делает короткий ход, цилиндры с большим отверстием нестабильными). Боковые крепления должны быть хорошо выровнены, а нагрузка должна поддерживаться и направляться.
Крепления с проушинами центральной линии — поглощают силы на центральной линии и требуют штифтов для фиксации проушин, чтобы предотвратить перемещение при более высоких давлениях или в условиях удара. Штифты удерживают его на машине при работе под высоким давлением или при ударной нагрузке. [16]
Шарнирные опоры — поглощают силу на центральной линии цилиндра и позволяют цилиндру менять выравнивание в одной плоскости. Распространенные типы включают скобы, цапфовые опоры и сферические подшипники. Поскольку эти опоры позволяют цилиндру поворачиваться, их следует использовать с креплениями на конце штока, которые также поворачиваются. Крепления скобы можно использовать в любой ориентации, и они, как правило, рекомендуются для коротких ходов и цилиндров малого и среднего диаметра. [17]
.svg/1280px-Double_acting_telescopic_cylinder_(symbol,ISO1219).svg.png)
Длина гидравлического цилиндра — это сумма хода, толщины поршня, толщины днища и головки и длины соединений. Часто эта длина не помещается в машине. В этом случае шток поршня также используется как цилиндр поршня, а также используется второй шток поршня. Такие цилиндры называются телескопическими цилиндрами . Если мы называем обычный штоковый цилиндр одноступенчатым, то телескопические цилиндры — это многоступенчатые блоки из двух, трех, четырех, пяти или более ступеней. В целом телескопические цилиндры намного дороже обычных цилиндров. Большинство телескопических цилиндров являются цилиндрами одностороннего действия (толкающими). Телескопические цилиндры двухстороннего действия должны быть специально спроектированы и изготовлены. [18]
Гидравлический цилиндр без поршня или с поршнем без уплотнений называется плунжерным цилиндром. Плунжерный цилиндр может использоваться только как толкающий цилиндр; максимальная сила равна площади штока поршня, умноженной на давление. Это означает, что плунжерный цилиндр в целом имеет относительно толстый шток поршня.
.svg/1280px-Double_acting_cylinder_(symbol,differential,ISO1219).svg.png)
Дифференциальный цилиндр действует как обычный цилиндр при тяге. Однако если цилиндр должен толкать, масло со стороны штока поршня цилиндра не возвращается в резервуар, а идет в нижнюю часть цилиндра. Таким образом, цилиндр движется намного быстрее, но максимальная сила, которую может дать цилиндр, как у плунжерного цилиндра. Дифференциальный цилиндр может быть изготовлен как обычный цилиндр, и добавляется только специальный контроль.
Вышеуказанный дифференциальный цилиндр также называется регенеративным контуром управления цилиндром. Этот термин означает, что цилиндр представляет собой одноштоковый гидравлический цилиндр двойного действия. Контур управления включает клапан и трубопровод, который во время выдвижения поршня проводит масло со стороны штока поршня на другую сторону поршня вместо резервуара насоса. Масло, которое проводится на другую сторону поршня, называется регенеративным маслом.
Гидравлические цилиндры с датчиками положения устраняют необходимость в полом штоке цилиндра. Вместо этого внешний датчик «стержень», использующий технологию эффекта Холла , определяет положение поршня цилиндра. Это достигается путем размещения постоянного магнита внутри поршня. Магнит распространяет магнитное поле через стальную стенку цилиндра, обеспечивая локационный сигнал для датчика.
