Гидроцилиндры устройство принцип действия

Гидравлический цилиндр позволяет преобразовать гидравлическую энергию потока жидкости в механическую — выходного звена, которым может являться шток, плунжер, поршень.

Типы гидроцилиндров

В зависимости от конструкции различают несколько видов гидравлических цилиндров.

По числу положений штока
• Двухпозиционные
• Многопозиционные

По характеру хода
• Одноступенчатые
• Телескопические

По направлению действия рабочей жидкости
• Одностороннего действия
• Двухстороннего действия

По возможности торможения
• С торможением
• Без торможения

По виду рабочего звена
• Плунжерные
• Мембранные
• Сильфонные
• Поршневые

• С односторонним штоком
• С двухсторонним штоком

Устройство гидроцилиндра двухстороннего действия

Гидравлические цилиндры двухстороннего действия имеют две разделенные герметичные рабочие полости, в которые по разным трубопроводам подводится жидкость. Гидроцилиндры двухстороннего действия могут передавать развиваемое усилие как в прямом, так и в обратном направлениях.

Устройство гидроцилиндра двухстороннего действия рассмотрим на примере самой распространенной конструкции с односторонним штоком.

Гидроцилиндр с односторонним штоком

Основные элементы конструкции двухстороннего гидроцилиндра с односторонним штоком показаны на рисунке.

1. шток
2. передняя крышка
3. гильза
4. поршень
5. гайка
6. задняя крышка
7. грязесъемник
8. манжета штоковая
9. кольцо направляющее штоковое
10. манжета поршневая
11. кольцо резиновое
12. кольцо направляющее поршневое

Принцип работы гидроцилиндра

Рабочая жидкость от насоса, через распределитель направляется в одну из полостей (поршневую или штоковую), противоположная полость соединятся со сливом.

При поступлении жидкости в поршневую полость шток гидроцилиндра выдвигается, при необходимости преодолевая усилие нагрузки. При поступлении рабочей жидкости в штоковую полость шток гидроцилиндра втягивается.

Выдвинуть шток

Нейтральное положение

Втянуть шток

При поступлении жидкости в поршневую полость усилие, развиваемое гидроцилиндром можно вычислить по формуле:

При поступлении жидкости в штоковую полость эффективная площадь изменится, из площади поршня необходимо вычесть площадь штока.

Герметичность рабочих камер обеспечивается манжетными уплотнениями, не позволяющими перетекать жидкости из поршневой полости в штоковую. В крышке гидроцилиндра также устанавливают манжету для уплотнения штока, и грязесъемник для предотвращения попадания частиц загрязнения в полость цилиндра.

Гидроцилиндр с двухсторонним штоком

Усилие и скорость перемещения поршня со штоком при прямом и обратном ходе будут различными. Если необходимы одинаковые усилия или одинаковы скорости перемещения выходных звеньев, то используют гидроцилиндры с двухсторонним штоком.

В гидравлических цилиндрах этого типа один поршень связан с двумя штоками.

Для вычисления скорости и усилия гидроцилиндра с двусторонним штоком, можно применять формулы:

В современной технике применяются конструкции гидроцилиндров с двухсторонним штоком с закрепленным цилиндром и с закрепленным штоком.

Устройство гидроцилиндров одностороннего действия

Гидроцилиндры одностороннего действия способны развивать усилие лишь в одном направлении. Обратный ход таких цилиндров осуществляется под действием пружины, силы тяжести, или внешнего воздействия на шток.

Плунжерный гидроцилиндр

В гидроцилиндрах этого типа жидкость воздействует на плунжер, расположенный в рабочей камере. Обратный ход осуществляется за счет внешних сил или силы тяжести.

Плунжер способен передавать только усилие сжатия, величину усилия можно вычислить используя зависимость:

Скорость перемещения плунжера будет зависеть от диаметра плунжера и расхода рабочей жидкости.

Гидравлический цилиндр с пружинным возвратом

Гидроцилиндр с пружинным возвратом показан на рисунке.

При поступлении рабочей жидкости в поршневую полость осуществляется рабочий ход, пружина, расположенная в штоковой полости сжимается — шток выдвигается.

Обратный ход осуществляется за счет усилия пружины, поршневая полость при этом соединяется со сливом. Пружина может устанавливаться как в поршневой, так и в штоковой полости.

Гидроцилиндры специального исполнения

Рассмотрим несколько особых конструкций гидроцилиндров.

Телескопические гидроцилиндры

В телескопических гидроцилиндрах один шток размещен в полости другого штока. Это позволяет получить большую величину перемещения выходного звена при неизменных габаритах, так как в телескопических цилиндрах ход может превышать длину гильзы.

Телескопический гидроцилиндр одностороннего действия

Рабочая жидкость подводится в полость цилиндра через заднюю крышку. Секции выдвигаются последовательно — в первую очередь движение начнет секция с наибольшей эффективной площадью, затем с меньшей. Скорость при выдвижении каждой последующей секции будет увеличиваться, а усилие падать, в связи уменьшением эффективной площади. По этой причине расчетным должно быть усилие на секции с минимальной эффективной площадью.

Обратный ход осуществляется под действием внешних сил, рабочая полость при этом соединяется со сливом.

Телескопический гидроцилиндр двухстороннего действия

Подвод рабочей жидкости в представленной на рисунке конструкции осуществляется через шток.

Выдвижение секций, осуществляется в том же порядке, что и в телескопических гидроцилиндрах одностороннего действия.

Обратный ход обеспечивается подводом рабочей жидкости в штоковую полость, поршневая полость при этом соединяется со сливом.

Комбинированные гидроцилиндры

Для увеличения усилия на штоке гидроцилиндра, при отсутствии возможности увеличения наружного диаметра, используют тандемные или последовательно установленные гидроцилиндры. Схема сдвоенного гидроцилиндра показана на рисунке.

В данном случае увеличение усилия достигается за счет добавления второй рабочей камеры и дополнительного поршня, что позволяет увеличить эффективную площадь гидроцилиндра.

Характеристики гидроцилиндров

Основные параметры гидроцилиндров можно разделить на несколько групп.

Геометрические параметры

• Диаметр поршня (гильзы), иногда его называют диаметром гидроцилиндра, наиболее распространненными являются диаметры: 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 620, 800 миллиметров.
• Диаметр штока, стандартизированы следующие диаметры штоков гидравлических цилиндров: 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800 миллиметров.
• Ход — величина максимально возможного перемещания поршня со штоком или плунжера гидроцилиндра

Гидравлические параметры

• Номинальное рабочее давление — давление, при котором гидроцилиндр будет работать в номинальном, расчетном режиме, при этом сохраняя параметры работы и надежности, гарантированные произодителем. Величина давления в гидроцилнре опредяляется значением нагрузки, при этом она может быть ограничена настройки предохранительного или редукционного клапана. При отсутвии нагрузки давление в цилиндре обуславливается только потерями на трение.
• Расход жидкости, поступающий в гидроцилинлдр.

Механические параметры

• Усилие развиваемое гидроцилиндром — пропорционально давдлению и эффективной площади, на которую воздействует жидкость.
• Скорость перемещения штока — определяется величиной расхода жидкости, поступающей в гидроцилиндр и его эффективным диаметром.

Расчет гидроцилиндра

Попробуем разабраться как характеристики гидроцилиндра связаны между собой, и как на них влияют параметры работы гидопривода.

При поступлении жидкости в поршневую полость жидкость воздействует на поршень, усилие развиваемое гидроцилиндром в этом случае будет пропорционально давлению и площади поршня:

Скорость перемещения поршня со штоком будет зависеть от диаметра поршня и расхода жидкости:

При подаче жидкости в штоковую полость гидроцилиндра, давление будет воздействовать на кольцевую поверхность, образованную наружными диаметрами поршня и штока. Усилие в этом случае можно вычислить, используя зависимость:

Скорость перемещения поршня при подводе жидкости в штоковую полость будет зависеть не только от диаметра поршня и расхода, но и от диаметра штока:

Типовые конструкции гидроцилиндров

Несмотря на огромное разнообразие конструкций гидравлических цилиндров существуют, типовые решения, применяемые при проектировании гидроцилиндров, рассмотрим некоторые из них.

Гидроцилиндр на шпильках

Передняя и задняя крышка гидроцилиндров этой конструкции связаны шпильками (анкерами), гильза зажата между крышками цилиндра. Уплотнение поршня обеспечивается двумя манжетами.

Круглый гидроцилиндр

В представленной конструкции крышки крепятся к круглым фланцам, закрепленным с помощью сварки или резьбы на гильзе. Показанный на рисунке тип уплотнения поршня обеспечивает уплотнение в обоих направлениях.

Сварной гидроцилиндр

Крышки приварены к гильзе, конструкция неразборная, неремонтопригодная. В цилиндре установлены компактные поршневые уплотнения.

Чертеж гидроцилиндра

Конструкторская документация на гидроцилиндр должна включать в себя:

• сборочный чертеж гидроцилиндра,
• спецификацию,
• рабочие чертежи деталей.

В качестве примера конструкции гидравлического цилиндра предлагаем вам ознакомиться со сборочным чертежом одноштокового гидроцилиндра двухстороннего действия. Передняя крышка данного цилиндра имеет резьбовое соединение с гильзой, задняя крышка с проушиной приварена к гильзе. Поршень зафиксирован на штоке с помощью резьбовых втулок, зафиксированных от поворота с помощью штифта.

Для того, чтобы скачать чертеж гидроцилиндра в формате pdf щелкните по изображению.

Вы также можете скачать чертеж гидроцилиндра в формате dwg.

Различают гидроцилиндры поступательного действия: поршневые, плунжерные, телескопические и поворотного действия (моментный). Моментный — это объемный гидродвигатель возвратно-поворотным относительно корпуса движением силового органа, которым часто является пластина, заделанная в вал.

Устройство поворотного действия крайне редко применяется в гидроприводах самоходных машин, поэтому рассмотрим лишь гидроцилиндры поступательного действия.

В зависимости от рабочего цикла, скоростей и усилий, которые должны развивать исполнительные механизмы на строительных, дорожных, коммунальных и других самоходных машинах, применяют изделия различных типов с различными способами их включения в объемную гидропередачу.

Гидроцилиндры классифицируются следующим образом:

Условное обозначение или схема

Одностороннего действия

Движение выходного вала под действием рабочей жидкости возможно только в одном направлении

а) гидроцилиндр без указания способа возврата штока

б) с возвратом штока пружиной

в) плунжерный

г) телескопический

Двустороннего действия

Движение выходного вала под действием рабочей жидкости возможно в двух противоположных направлениях

а) с односторонним штоком

б) с двусторонним штоком

в) телескопический

С торможением

Снабжен демпфирующим устройством, обеспечивающим уменьшение скорости перемещения выходного звена в конце хода

а) с постоянным торможением в конце хода с одной стороны

б) с постоянным торможением в конце хода с двух сторон

в) с регулируемым торможением в конце хода с одной стороны

г) с регулируемым торможением в конце хода с двух сторон

Гидроцилиндры могут быть одностороннего и двустороннего действия, поршневые с односторонним или двусторонним штоком и телескопические (рис. 1).

В изделиях одностороннего действия обратный ход совершается под действием внешней нагрузки, а двустороннего действия — под действием рабочей среды (как и прямой ход).

Рис.1. Схемы поршневых гидроцилиндров с односторонним (а), двусторонним (б) штоком и телескопического (в)

Для привода рабочих органов самоходных машин наиболее широко применяют поршневые гидроцилиндры двустороннего действия с односторонним штоком. Усилие на штоке, и его перемещение могут быть направлены в обе стороны в зависимости от того, в какую из полостей нагнетается рабочая жидкость. Обычно противоположная полость при этом соединяется со сливной линией.

Модели с двусторонним штоком применяют в основном для поворота рабочего оборудования навесных экскаваторов, причем подвижным звеном является корпус гидроцилиндра.

Для получения больших ходов применяют телескопические модели, состоящие из двух и более гидроцилиндров. Под телескопическим силовым гидроцилиндром в общем случае понимают силовой гидроцилиндр, общий ход штоков которого превышает длину его корпуса.

Основными параметрами являются:

• номинальное давление Р ном.,
• диаметр цилиндра (поршня) D,
• диаметр штока d и ход штока L.

Диаметры D и d определяют усилие, развиваемое при заданном давлении.

Если отношение между диаметром поршня и штока D/ d=v2, то для гидроцилиндров с односторонним штоком можно обеспечить равенство усилий и скоростей при движении в обе стороны. Для этого необходимо при выдвижении штока рабочую жидкость подавать в обе полости, а при обратном — только в штоковую полость. Такой способ включения называют дифференциальным.

Максимальная скорость штока не должна превышать 0,5 м/с. Если технологический процесс машины требует больших скоростей, то следует применять специальные типы систем уплотнений.

Уровень номинального давления — основной параметр при выборе рассмотриваемого нами вида оборудования. Однако, при оценке технического ресурса решающими являются режимы работы при максимальном и пиковом давлениях.

Максимальные давления ограничиваются предохранительными клапанами, а пиковые давления определяются динамической характеристикой предохранительных устройств и жесткостью гидросистемы. В некоторых машинах возникают реактивные давления в гидроцилиндрах, зависящие, от кинематических схем этих машин. Они могут вызвать повреждение уплотнений и, как следствие, нарушение герметичности системы. Поэтому , когда создаются или применяются гидроцилиндры, необходимо учитывать номинальный уровень давления, так как его технический ресурс в конкретной машине будет зависеть от учета влияния этого уровня давления.

По условиям применения можно выделить три основные группы, предназначенных для:

• привода в действие рычажных механизмов рабочего оборудования, совершая повторяющуюся циклически полезную работу (одноковшовые экскаваторы, фронтальные погрузчики, лесопогрузчики и т.п.);
• перемещения рабочих органов, совершая полезную работу в процессе движения (скреперы, автогрейдеры, бульдозеры и другие);
• установки рабочих органов (или всей машины) в определенное положение или выносных опор, обеспечиваю щих устойчивое положение машины.

Следовательно, режим работы, характеризующийся средним уровнем давления за рабочий цикл, скоростью движения штока, максимальным и пиковым давлениями в полостях, а также количеством включений в течение рабочего дня и климатическими условиями, — являются существенными факторами, влияющими на выбор гидроцилиндра и, как следствие, на его эксплуатационные свойства.

Основные требования к гидроцилиндрам изложены в ГОСТ 16514-87.

По способу крепления штока и корпуса к элементам машины различают следующие исполнения:

• на проушинах с шарнирными подшипниками;
• на проушинах с шарнирным подшипником и цапфой на корпусе;
• на проушине с шарнирным подшипником и с подготовкой задней крышки гидроцилиндра под сварку с требуемой деталью;
• с подготовкой наружного конца штока под сварку с требуемой деталью и на проушине с шарнирным подшипни ком;
• с подготовкой наружного конца штока под сварку с требуемой деталью и с креплением;
• с подготовкой под сварку наружного конца штока и задней крышки с требуемыми деталями.

Уплотнения

Уплотнения гидроцилиндров самоходных машин должны быть достаточно герметичными, надежными, удобными для монтажа, создавать минимальный уровень трения, иметь небольшие размеры и совместимость с рабочей жидкостью.

В неподвижных соединениях применяются, как правило, резиновые кольца круглого сечения.

В подвижных соединениях поршня и штока применяют резиновые и резино-тканевые манжеты, которые устанавливаются вместе с защитными кольцами из фторопласта.

Эти кольца препятствуют выдавливанию манжет из посадочных канавок в результате воздействия высокого давления рабочей жидкости.

На передней крышке устанавливают штоковый грязесъемник.

В последнее время широкое распространение получают прогрессивные системы уплотнений.

На рис. 2 приведены системы уплотнения гидравлических цилиндров для средних условий эксплуатации (18 МПа) и тяжелых условий эксплуатации (28 МПа).

Рис. 2. Системы уплотнения гидравлических цилиндров для средних условий эксплуатации (18 МПа) (а) и тяжелых условий эксплуатации (28 МПа) (б)

Поршневое уплотнение двойного действия для средних условий работы (рис. 2а) содержит фигурное резинотканевое кольцо, по бокам которого установлены фасонные кольца противовыдавливания и примыкающие к ним опорно-направляющие кольца из стекло-наполненного полимера.

Этот компактный уплотнительный узел устанавливается в простую по геометрии посадочную канавку с нежесткими допусками. Срок службы таких уплотнений составляет 20 лет.

В качестве штокового уплотнения применяется система из опорно-направляющего (компенсационного) кольца, уплотняющего фасонного резино-тканевого кольца совместно с кольцом противовыдавливания и резинового грязесъемника.

Поршневое уплотнение для тяжелых условий работы (рис. 26) содержит опорно-направляющее кольцо из феноло-альдегидного полимера и специального уплотнения, состоящего из фторопластового динамического уплотнительного элемента, усиливающего элемента из специальной резины и двух колец противовыдавливания.

Такие высокоэффективные уплотнения применяются при высоком давлении (до 60 МПа), требуют незначительных размеров посадочных канавок и легко собираются в моноблочном поршне.

Штоковый уплотнительный узел содержит опорно-направляющее буферное, уплотнительное кольца и грязесъемник. Буферное кольцо содержит фасонный круглый элемент из фторопласта и подпорного круглого резинового кольца. Буферное кольцо служит для компенсации скачков давления, возникающих в рабочих полостях гидроцилиндра. Это кольцо существенно увеличивает срок службы штоковых уплотнений и повышает их надежность. Уплотнительное U — образное манжетное кольцо выполнено из полиуретана.

Грязесъемник выполнен из полиуретана с металлическим армированием.

Описанные типы систем уплотнений существенно повышают качество и отвечают современным требованиям эксплуатации.

Гидравлический цилиндр – это объёмный двигатель возвратно-поступательного или возвратно-поворотного движения. Гидроцилиндры широко применяют во всех отраслях техники. Например, в строительно-дорожных, землеройных, подъёмно-транспортных машинах, в авиации и космонавтике, в технологическом оборудовании — металлорежущих станках, кузнечно-прессовых машинах и т.п.

В простейшем случае основой конструкции гидроцилиндра является гильза, представляющая собой трубу с тщательно обработанной внутренней поверхностью. Внутри гильзы перемещается поршень, имеющий резиновые манжетные уплотнения, которые предотвращают перетекание рабочей жидкости из полостей цилиндра, разделенных поршнем. При подаче под давлением рабочей жидкости (специальные минеральные масла) в полость цилиндра поршень начинает перемещаться под действием давления жидкости.

Усилие от поршня передает шток – стержень, имеющий полированную поверхность. Для его направления служит грундбукса. С двух сторон гильзы укреплены крышки с отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости. Уплотнение между штоком и крышкой состоит из двух манжет, одна из которых предотвращает утечку жидкости из цилиндра, а другая служит грязесъемником. На резьбу штока крепится проушина или деталь, соединяющая шток с подвижным механизмом.

Проушина служит для подвижного закрепления корпуса гидроцилиндра. Управление работой гидроцилиндра осуществляется с помощью гидрораспределителя или с помощью средств регулирования гидропривода. Гидроцилиндры работают при высоких давлениях (до 32 Мпа), что налагает целый ряд требований к прочности и надежности всей конструкции системы (механизм, цилиндр, управление). Для того, чтобы вам было легче найти и купить гидроцилиндр, который будет устраивать вас по всем параметрам, рассмотрим их основные виды подробнее.

Гидроцилиндры одностороннего действия

Выдвижение штока осуществляется за счёт создания давления рабочей жидкости в поршневой полости, а возврат в исходное положение — от усилия пружины. Усилие, создаваемое гидроцилиндрами данного типа, при прочих равных условиях меньше усилия, создаваемого гидроцилиндрами двустороннего действия, за счёт того, что при прямом ходе штока необходимо преодолевать силу упругости пружины. Пружина выполняет здесь роль возвратного элемента. В тех случаях, когда возврат производится за счет действия приводимого механизма, другого гидроцилиндра или силы тяжести поднятого груза, гидроцилиндр может не иметь возвратной пружины ввиду отсутствия необходимости. Такой принцип действия применяется в домкратах.

Гидроцилиндры двустороннего действия

Как при прямом, так и при обратном ходе поршня усилие на штоке гидроцилиндра создаётся за счёт создания давления рабочей жидкости соответственно в поршневой и штоковой полости цилиндра. Следует иметь в виду, что при прямом ходе поршня усилие на штоке несколько больше, а скорость движения штока меньше, чем при обратном ходе, за счёт разницы в площадях, к которым приложена сила давления рабочей жидкости (эффективной площади поперечного сечения). Такие гидроцилиндры осуществляют, например, подъём-опускание отвала многих бульдозеров.

Телескопические гидроцилиндры

Называются так благодаря конструктивному сходству с телескопом или подзорной трубой. Такие гидроцилиндры применяются в том случае, если при небольших размерах самого гидроцилиндра в исходном, сложенном состоянии, необходимо обеспечить большой ход штока. Конструктивно представляют собой несколько цилиндров, вставленных друг в друга таким образом, что корпус одного цилиндра является штоком другого.

Такие гидроцилиндры имеют исполнение как для одностороннего, так и для двустороннего действия. Они осуществляют, например, подъём-опускание кузовов во многих самосвалах.

Дифференциальные гидроцилиндры

«Обычное» подключение поршневых гидроцилиндров двустороннего действия предусматривает поочередное подключение полостей гидроцилиндра к нагнетательной и сливной магистралям через распределитель, что обеспечивает движение поршня за счет разности давлений. Соотношение скоростей движения, а также усилий при прямом и обратном ходе, различны и пропорциональны соотношению площадей поршня. Между скоростью и усилием устанавливается зависимость: выше скорость — меньше усилие, и наоборот.

При рабочем ходе (выдвижении штока) жидкость от насоса подается в поршневую полость, вытесняемая же жидкость из штоковой полости, за счет кольцевого подключения (распределитель 3/2), направляется не в гидробак, а подается также в поршневую полость. В результате выдвижение штока происходит намного быстрее, чем в обычной схеме подключения (распределитель 4/2 или 4/3). Обратный ход (втягивание штока) происходит при подаче жидкости только в штоковую полость, поршневая соединена с гидробаком.

При использовании гидроцилиндра с соотношением площадей поршня 2:1 (в некоторых источниках именно такие гидроцилиндры называются дифференциальными) такая схема позволяет получить равные скорости и равные усилия прямого и обратного ходов, что для гидроцилиндров с односторонним штоком без регулирования или дополнительных элементов получить невозможно.

Механизмы с гибкими разделителями

К механизмам с гибкими разделителями относятся мембраны, мембранные гидроцилиндры и сильфоны. Мембраны применяют в основном при небольших перемещениях и небольших давлениях (до 1 МПа). Мембранный исполнительный механизм представляет собой защемленное по периферии корпуса эластичное кольцо.

При увеличении давления в подводящей камере эластичное кольцо прижимается к верхней части корпуса, и шток, связанный с эластичным кольцом, выдвигается. Обратный ход штока обеспечивает пружина. Сильфоны 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.

На сегодняшний день самыми распространенными гидроцилиндрами являются поршневые гидроцилиндры двустороннего действия.

Чтобы вам легче было подобрать гидроцилиндр, нужно знать ряд его параметров. Сначала нужно определить диаметр гильзы (наружный и внутренний в мм). Затем — диаметр штока гидроцилиндра. Нужно определить диаметр проушин или вилок для поршневого гидроцилиндра, диаметр шаров, цапф и бугелей для телескопического гидроцилиндра.

Определить расстояние по центрам проушин (осям) гидроцилиндра в сложенном состоянии в мм, расстояние по центрам проушин (осям) гидроцилиндра в разложенном состоянии (выдвинутом штоке или штоках в мм). По разности двух длин можно определить ход штока гидроцилиндра.

Знание этих параметров существенно облегчит вам задачу по поиску необходимого гидроцилиндра. Если нет стандартного гидроцилиндра с требуемыми параметрами, необходимо заказать изготовление цилиндра по вашим требованиям.

Наши инженеры проконсультируют вас по всем вопросам выбора, изготовления, установки и ремонта гидроцилиндров для вашего оборудования.