Гидравлические цилиндры. Принцип работы гидравлического цилиндра

Цилиндр гидравлический (сокр. гидроцилиндр) – это гидравлический двигатель объемного типа, работа которого основана на возвратно-поступательном движении выходного звена. Структурно гидроцилиндры представляют собой емкость, внутри которой находится поршень со штоком. Движение поршня происходит при увеличении давления рабочей жидкости, за счет увеличения ее количества.

Областью применения гидроцилиндров являются механизмы гидравлических машин, где они выступают в роли исполнительного механизма. Гидроцилиндры обладают различными типами конструкции и принципом действия и классифицируются согласно ГОСТ 17752-81.

Существует разделение гидроцилиндров по направлению действия рабочей жидкости: односторонние и двухсторонние. В первом случае жидкость оказывает давление на рабочий орган гидроцилиндра только с одной стороны. По схеме а,г,д.

В цилиндрах такого типа жидкость двигает поршень в одну сторону, при введении ее в рабочую полость, а обратное движение обеспечивается пружиной (рис.1, а) либо грузом, масса которого обеспечивает движение поршня при вертикальном его расположении (рис.1 .д). Во втором случае рабочий орган гидроцилиндра перемещается в одном из направлений также жидкостью, однако она закачивается в левую полость для движения вправо и в правую, для движения влево (рис.1 б,в).

Существует также деление гидроцилиндров по конструкции рабочего органа. Наиболее распространенными являются плунжерные или поршневые гидроцилиндры. Поршневые могут выполняться с односторонним (рис.1 а,б) или двухсторонним (рис.1 в) штоком. Плунжерные гидроцилиндры выполняются только с односторонним штоком (рис. 1 г) и работают только по одностороннему воздействию.

Для гидроцилиндров имеет значение и ход выходного звена, поэтому существует разделение на одноступенчатые (рис.1 а-г) и многоступенчатые (телескопические) (рис.1д)гидравлические цилиндры. Многоступенчатые гидроцилиндры получили название телескопических, благодаря последовательному движению цилиндров друг за другом по мере работы. Телескопические гидроцилиндры могут быть как одностороннего, так и двухстороннего хода.

В зависимости от подключения поршневых гидроцилиндров, говорят о последовательном (стандартном) или же кольцевом (дифференциальном) подключении. Если в первом случае соотношение скорости движения и усилия хода в любом направлении обратно пропорциональны (большая скорость требует меньше усилий), то дифференциальное подключение обеспечивает прямую зависимость между усилиями хода и скоростью, что невозможно реализовать при использовании только гидроцилиндров с односторонним штоком без дополнительных элементов.

Которые у нас продаются.

Гидроцилиндры представляют собой объемные гидродвигатели, предназначенные для трансформирования энергии движения рабочей жидкости в энергию исполнительного механизма.

Работа гидроцилиндров осуществляется при высоких давлениях, достигающих 32 Мпа, выделяют гидроцилиндры, имеющие поступательный характер действия: плунжерные, поршневые, поворотного действия (так называемый моментный гидроцилиндр), телескопические.

Также различают гидроцилиндры двустороннего и одностороннего действия, поршневые с двусторонним или односторонним штоком и телескопические. Подвижное (выходное) звено может быть представлено как штоком, так и корпусом (гильзой) гидроцилиндра.

Кроме того, гидроцилиндры масштабно используются в землеройных, подъемно-транспортных и строительно-дорожных машинах, в технологическом оборудовании - кузнечно-прессовых машинах, металлорежущих станках. Движение штока и поршня гидроцилиндра осуществляется при помощи гидрораспределителя.

Конструкция гидроцилиндра показана на рис.1.

Принцип работы гидроцилиндров

Гидроцилиндр одностороннего действия

Шток выдвигается за счёт создания в поршневой полости давления рабочей жидкости, а возврат в исходное положение осуществляется от усилия пружины.

Гидроцилиндр двустороннего действия

Усилие на штоке гидроцилиндра при прямом и обратном ходе поршня возникает за счёт образования давления рабочей жидкости, следовательно, в штоковой и поршневой полости.

Необходимо принимать во внимание, что усилие на штоке при прямом ходе поршня в несколько раз больше, при этом скорость движения штока в несколько раз меньше, по сравнению с обратным ходом - посредством разницы в площадях, к которой прикладывается сила давления жидкости. Данные гидроцилиндры выполняют, к примеру, подъём-опускание отвала большинства бульдозеров.

Телескопические гидроцилиндры

Свое применение телескопические гидроцилиндры находят в технике, где требуются небольшие размеры гидроцилиндра вместе со значительным ходом. Телескопический гидроцилиндр в сложенном состоянии обладает длиной, не превышающей 20-40% длины в разложенном состоянии.

Телескопические гидроцилиндры одностороннего действия

Выдвижение данных цилиндров осуществляется под влиянием давления, а возврат в исходное состояние происходит под действием гравитации или при внешней нагрузке. К примеру, телескопические цилиндры применяются на самосвалах, где секции цилиндра под влиянием давления масла постепенно выдвигаются и складываются при прекращении подачи давления под влиянием тяжести его кузова секции. Тем самым, телескопические цилиндры одностороннего действия находят свое использование в опрокидывающем устройстве автомобилей, самосвалов, полуприцепов и прицепов тракторов.

Телескопические гидроцилиндры двустороннего действия

Выдвижение цилиндра двустороннего действия является аналогичным выдвижению телескопического цилиндра одностороннего действия. Секции данного гидроцилиндра втягиваются за счет следующего механизма. При попадании масла между внешним диаметром меньшей секции и внутренним диаметром большей секции, образуется давление, заставляющее втягиваться меньшую секцию. До изначального положения происходит втягивание и остальных секций.

Такие телескопические гидроцилиндры используются в сельскохозяйственной технике. Также в качестве наглядного примера их использования выступает кузов мусоровоза, где при помощи телескопического гидроцилиндра, установленного горизонтально, происходит сжатие мусора под влиянием плиты в кузове, при этом плита снова отодвигается при втягивании штока.

Выбирая телескопический гидроцилиндр двустороннего действия следует обращать внимание на степень номинального давления, размер в выдвинутом состоянии, а также его диаметр.

Основные причины выхода из строя гидроцилиндров

В подавляющем большинстве случаев в качестве причины поломки телескопических гидроцилиндров выступает человеческий фактор.

Вот наиболее распространенные причины неисправностей в гидроцилиндрах:

• Несоблюдение правил использования техники (повреждения механического рода, превышение уровня грузоподъёмности и т. п.);
• Нарушение периодичности обслуживания гидросистем;
• Несоблюдение параметров установки в агрегатах и узлах, то есть при изгибе штока гидроцилиндра;
• Применение гидравлических масел низкого сорта (например, смеси различных масел);
• Присутствие в маслах механических примесей, в результате чего осуществляется засорение жиклеров и фильтров, зависание клапанов и золотников, деформация уплотнительных элементов (грязесъемников, колец, манжет) гидроцилиндров, что приводит в конечном итоге к нарушению нормальной работы всей гидросистемы машины.

В результате данных нарушений возможно возникновение следующих последствий:

• нарушение необходимого уровня герметичности системы, вследствие износа уплотнений;
• возникновение механических повреждений гильз, штоков, поршней: сколы, задиры, изгиб, излом;
• износ посадочных мест втулок, подшипников в проушинах;
• деформация целостности элементов опорно-уплотнительной системы.

В качестве главного способа оценки функционального состояния гидросистемы выступает ее тестирование. Но при работе в полевых условиях тестирование гидросистемы является невозможным. В данном случае специалистами рекомендовано определять утечки масла следующим образом: произвести выдвижение штока на максимально возможную длину рабочего хода и ожидать в течение 3 минут при работающей гидросистеме. В случае, если шток подвинется на расстояние больше чем 0,5 дюймов (приблизительно 15 мм), то это означает, что присутствует внутренняя утечка через элементы поршня, являющиеся уплотнительными.

На сегодняшний день, можно смело утверждать, что гидроцилиндры применяются, в практически любой промышленной сфере деятельности. Они применяются на технике любого вида: тракторы, комбайны, экскаваторы, бульдозеры, лесоуборочная техника, грузовые самосвалы - все они имеют в своей конструкции гидроцилиндры . Также они применяются на станках и промышленном оборудовании.

Что же такое гидроцилиндр?

Гидроцилиндр - это гидродвигатель где функцию подвижного узла выполняет шток, плунжер или корпус самого гидроцилиндра.

Гидроцилиндр состоит:

• из гильзы (корпус цилиндра)
• штока
• поршень (деталь, которая обычно накручивается на шток, тем самым при движении штока, выдавливает рабочую жидкость из гильзы гидроцилиндра)
• крепления гильзы (проушины, вилки, цапфы и т.д)
• резино-технические изделия и уплотнительные материалы

Гидроцилиндры бывают различных видов. Здесь мы перечисли, самые распространенные и востребованные из них:

• Гидроцилиндры одностороннего действия
• Гидроцилиндры двустороннего действия
• Гидроцилиндры телескопические

Итак, подробнее.

Гидроцилиндр одностороннего действия - в данном типе гидроцилиндров, выдвижение штока осуществляется за счет создания давления в полости гильзы цилиндра, а возврат в начальную позицию штока за счет пружины.

Гидроцилиндр двустороннего действия - здесь все также как и в предыдущем подпункте, но отсутствует пружина, все оперцаии осуществляюстся за счет давления рабочей жидкости.

Телескопические гидроцилиндры - свое название они получили, из-за сходства с телескопом, по сути данный тип гидроцилиндров представляет собой несколько цилиднров вставленных в друг друга. Это сочетание позволяет при малых размерах самого гидроцилиднра, выполнить большой ход за счет своих штоков. Эти гидроцилиндры широко применяются на самосвалах и прицепов для подъема платформы кузова. Подразделяются на маятники (шар крепления с одной стороны

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

Для того чтобы вам легче было найти и купить гидроцилиндр, который будет устраивать вас по всем параметрам, рассмотрим класификацию гидроцилиндров по праметрам.

1. Сначала нужно определить диаметр гильзы (наружный и внутренний в мм)
2. Диаметр штока гидроцилиндра, если это телескопический цилиндр, то нужно определить диаметр всех его штоков (звеньев, плунжеров)
3. Диматер проушин или вилок для поршневого гидроцилиндра, диаметр шаров, цапф и бугелей для телескопического гидроцилиндра.
4. Расстояние по центрам проушин (осям) гидроцилиндра в сложенном состоянии в мм
5. Расстояние по центрам проушин (осям) гидроцилиндра в разложенном (выдвинутом штоке или штоках в мм)
6. Благодаря вычету двух длин, можно определить ход штока гидроцилиндра.

Знание этих параметров существенно облегчит вам задачу по поиску необходимого гидроцилиндра. Также, если такого гидроцилиндра вы не найдете, и вам потребуется, чтобы его изготовили. то без этих данных вам никак не обойтись.

Сейчас приведем пример серийных гидроцилиндров:

• Гидроцилиндры к экскаваторам: гидроцилиндры рукояти, ковша, стрелы, опор, поворота стрелы
• Гидроцилиндры тракторов: цилиндры подъема навески и цилиндры поворота колес
• Гидроцилиндры бульдозеров: цилиндры отвала и навески
• Гидроцилиндры автгрейдеров
• Гидроцилиндры погрузчиков
• Телескопические гидроцилиндры подъема кузова самосвалов КАМАЗ, МАЗ, ЗИЛ, ГАЗ, САЗ и их прицепов.

Вот собственно говоря и все, что вам небходимо знать о гидроцилиндрах.

Гидроцилиндрами называют объемные гидродвигатели с возвратно-поступательным движением выходного звена. Их самым широким образом используют в виде исполнительных механизмов в различных машинах.

Первый телескопический гидроцилиндр изобрел и запатентовал еще в 19 веке Джозеф Брама, а в настоящее время работающие на этом принципе автомобильные домкраты знает практически каждый водитель.

Гидроцилиндр входит в состав силовых гидросистем различного оборудования: станков, тракторов, экскаваторов, кранов, всевозможной спецтехники.
Гидроцилиндры классифицируются по способу действия на механизмы поступательного и поворотного действия (последние используются редко, в основном в гидроприводах самоходов).

По способу устройства конструкции гидроцилиндры поступательного действия можно разделить на:

• Поршневой
• Плунжерный
• Телескопический
• Специальный

Применение Гидроцилиндров

Устанавливаются на оборудование с рычажным механизмом, используются для перемещения рабочих грузов, а также функционирования механизмов во время движения. Еще одна область применения – установка рабочих грузов и всей машины в целом. Основными параметрами гидроцилиндров являются его диаметр, номинальное давление, диаметр и ход штока.
Гидроцилиндр – сложный механизм, отвечающий за безопасное производство, поэтому осуществлять их ремонт могут специалисты на специализированном оборудовании.

Ремонт гидроцилиндров.

Среди причин поломок гидроцилиндра можно выделить следующие:
перегрузки гидроцилиндра;
использование некачественного масла, вследствие чего выходят из строя внутренние детали, сальники, манжеты гидроцилиндра;
внешние механические повреждения;
простой механизма, в результате чего резиновые изделия растрескиваются, что приводит к утечке масла, а шток подвергается коррозии.

Таким образом, основными неисправностями гидроцилиндра являются протечки вследствие износа манжет и уплотнений, замену штоков, гильз; иногда специалисты производят доработку конструкции.

Гидроцилиндры являются объемными гидродвигателями, предназначенными для преобразования энергии потока рабочей жидкости в механическую мощность испол-нительного механизма. Различают гидроцилиндры поступательного и поворотного действия.

Корнюшенко С.И.,

д.т.н., профессор РАЕН

Все гидроцилиндры поступательного действия содержат цилиндрический корпус, поршень, шток, переднюю и заднюю крышки, статические и динамические уплотнения поршня и штока, устройства крепления. Конструкция типового гидроцилиндра поступательного действия представлена на рис. 1.

1 - корпус; 2 - поршень; 3 - шток; 4 - проушина штока; 5 - проушина корпуса; 6 - передняя крышка; 7 - задняя крышка; 8 - порт штоковой полости; 9 - порт поршневой полости; 10 - динамические уплотнения поршня; 11 - динамические уплотнения штока; 12 - ста-тические уплотнения.

Рис. 1. Поршневой одноштоковый гидроцилиндр

Гидроцилиндры с возвратно-поворотным (относительно корпуса) движением содержат силовую пластину, заделанную в вал. Такие гидроцилиндры крайне редко применяются в гидроприводах самоходных машин, поэтому данная статья будет посвящена описанию гидроцилиндров поступательного действия. Наиболее часто применяемые в мобильной гидравлической технике и оборудовании гидроцилиндры поступательного действия с различными устройствами крепления корпуса и штока показаны на рис. 2.

Типы креплений: 1 - с двумя лапами на корпусе и проушиной на штоке; 2 - задним фланцем на корпусе и проушиной на штоке; 3 - передним фланцем на корпусе и проушиной на штоке; 4 - проушина-ми на корпусе и штоке; 5 - вилочными про-ушинами на корпусе и штоке; 6 - цапфами на корпусе и проушиной на штоке.

Рис. 2. Типовые гидроцилиндры поступательного дей-ствия

Выходным (подвижным) звеном гидроцилиндра является его шток, но в некоторых конструкциях шток закреплен, а перемещение осуществляет корпус. Гидроцилиндры поступательного действия разделяются на поршневые, плунжерные и телескопические. Они могут быть одностороннего и двустороннего действия, с автома-тическим торможением в конце хода поршня.

Принцип работы всех гидроцилиндров оди-наков. Как только жидкость поступает в рабочую полость, она воздействует на подвижный эле-мент (плунжер, поршень) и перемещает его. Чем больше величина потока (расход), посту-пающего в гидроцилиндр, тем выше скорость перемещения штока. При действии на подвиж-ный элемент внешней нагрузки в рабочей по-лости растет давление жидкости, следовательно, усилие, развиваемое штоком, увеличивается. Как только величина давления достигнет значения полного открытия предохранительного клапана гидросистемы, движение штока остановится, и вся жидкость через клапан начнет поступать на слив. Если поршень упрется в крышку ци-линдра, давление возрастет до значения настройки предохранительного клапана, он откроется, и рабочая жидкость на-правится в гидробак.

Из описания работы гидроцилиндра видно, что при движении поршня он неизбежно ударяется о крышку - переднюю или заднюю в зависимости от на-правления движения. Если заданная ско-рость поршня относительно небольшая, то такие удары не очень страшны. Если же скорость высокая, то оператору слож-но «поймать» конец хода поршня, чтобы остановить движение до удара. В этом случае в конструкциях гидроцилиндров используют устройства автоматического торможения поршня (демпферы). На рис. 3 показана принципиальная схема такого устройства.

Рис. 3. Схема демпферного устройства

На конце поршня выполняется ци-линдрический хвостовик, а на дне крыш-ки - глубокое осевое отверстие, соединенное с каналом порта гидроцилиндра. Диаметр отверстия превышает диаметр хвостовика на очень небольшую величи-ну. На внешней поверхности хвостовика поршня прорезается осевой треугольный паз с переменной площадью сечения. При движении поршня в сторону крышки рабочая жидкость через осевое отверстие и канал порта поступает на слив. Как только хвостовик входит в осе-вое отверстие крышки, поток жидкости начинает дросселироваться в треуголь-ном пазу (площадь проходного сечения паза изменяется в сторону уменьшения). Движение поршня замедляется, и в самом конце хода он плавно останавливается. Демпфирующие устройства гидроци-линдров имеют различные конструкции, но все они обеспечивают автоматическое торможение поршня в конце его хода. На рис. 3 показана схема нерегулируе-мого демпфера, который обеспечивает постоянное торможение. Но существуют устройства, позволяющие регулировать процесс торможения поршня гидроцилиндра.

К обработке внутренней цилиндриче-ской поверхности корпуса предъявляют-ся определенные технические требова-ния. По международному стандарту ISO овальность должна соответствовать квалитету Н7, а шероховатость 0,4 мкм. Эти параметры обеспечивают отличное скольжение динамических уплотнений поршня по металлической поверхности корпуса. Выполнение цилиндра, напри-мер, по квалитету Н12 с шероховатостью 2-3 мкм может негативно повлиять на эффективность привода, т.е. его КПД.

Потеря эффективности гидроцилинд-ров колеблется от 10 до 20%, т.е. их КПД составляет 0,9-0,8. Эффективность зависит от типа применяемых динами-ческих уплотнений и диаметра поршня. Чем больше диаметр - тем выше КПД гидроцилиндра. Максимальная скорость штока гидроци-линдра не должна превышать 0,5 м/с. Если технологический процесс машины требует больших скоростей, то в таких гидроци-линдрах следует использовать специальные типы динамических уплотнений. Основными параметрами гидроцилиндров являются: номинальное давле-ние (р), диаметр поршня (D), диаметр штока (d) и ход штока (l). Диаметры поршня и штока определяют рабочие площади и, следовательно, усилия, раз-виваемые гидроцилиндром.

Если в гидроцилиндрах с односторонним штоком отношение между диамет-рами поршня и штока составляет ве-личину т.е. , то можно обеспечить равенство усилий и скоростей при движении в обе сторо-ны. Для этого необходимо при выдви-жении штока рабочую жидкость подавать в обе полости гидроцилиндра, а при обратном - только в штоковую. Такие гид-роцилиндры называют дифференциаль-ными.

В зависимости от характера рабочего цикла, скоростей и усилий, которые должны развивать исполнительные ме-ханизмы строительно-дорожных, ком-мунальных и других самоходных машин и оборудования, применяют гидроци-линдры различных типов. В таблице 1 приведена классификация гидроцилинд-ров поступательного действия.

Таблица 1. Классификация гидроцилиндров поступательного действия

Каждый тип гидроцилиндров может иметь множество конструктивных ис-полнений. Они зависят от технических требований, которые предъявляются разработчикам для установки на разно-образные машины и оборудование, а также творческих способностей про-ектировщиков. На рис. 4 показано устройство некоторых плунжерных, те-лескопических и двухштоковых гидро-цилиндров.

а) б) в)

а) плунжерные; 6) телескопические; в) с двусторонним штоком.

Рис. 4. Конструкции гидроцилиндров

Для привода рабочих органов само-ходных машин наиболее широко при-меняют поршневые гидроцилиндры двустороннего действия с односторонним штоком (рис. 1). 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 слив-ной гидролинией. Плунжерные гидроцилиндры могут быть только одностороннего действия с односторонним штоком. Возврат штока в исходное положение осуществляется от усилия пружины или веса рабочего оборудования. Плунжерные гидроци-линдры часто используются для фиксации рабочих органов самоходных машин. Для привода некоторых исполнительных механизмов они применяются в паре. Когда работает один, другой за счет сил реакции возвращается в исходное по-ложение. Гидроцилиндры с двусторонним што-ком в мобильной технике используются в основном для привода поворота колес. Схема их установки в рулевом механизме машин показана на рис. 5.

Рис. 5. Гидроцилиндры с двусторонним штоком для поворота колес

В стесненных местах мобильной техники часто требуется установить ком-пактный гидроцилиндр, но с большим ходом штока. В таких случаях применяют телескопические гидроцилиндры. Под телескопическим в общем случае пони-мают силовой гидроцилиндр, полный ход штока которого превышает длину корпуса. Его конструкция состоит из несколь-ких концентрически вставленных друг в друга подвижных цилиндрических сек-ций. В исполнении одностороннего действия эти секции представляют собой полые плунжеры. При подаче рабочей жидкости секции выдвигаются последо-вательно: сначала - с большей площадью (периферийная), затем - с меньшими. Центральная секция выдвигается последней. Схема работы телескопического гидроцилиндра показана на рис. 6.

Рис. 6. Схема работы телескопического гидроцилиндра

Втя-гивание секций осуществляется за счет действия внешней нагрузки (массы ра-бочего органа). В исполнении двустороннего действия на внешних поверхностях секций вы-полнены буртики, с помощью которых образуется штоковая полость. Они иг-рают роль поршня. Наличие штоковой полости обеспечивает телескопическому цилиндру двустороннее действие, поз-воляя втягиваться секциям под действием потока рабочей жидкости. Телескопические цилиндры часто при-меняются в автосамосвалах, мусоровозах и другой технике. На рис. 4, б показана конструкция трехсекционного телеско-пического гидроцилиндра для автоса-мосвала на базе шасси КАМАЗ. Количество разнообразных конструк-ций аналогичных гидроцилиндров значи-тельно превосходит все другие гидро-компоненты.

Материал заимствован из международного специализированного журнала
«CТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
№ 1 (109) ФЕВРАЛЬ 2015 г.