Введение

Механический инструмент для приложения силы

Гидравлический цилиндр (также называемый линейным гидравлическим двигателем) – это механический исполнительный механизм, используемый для создания однонаправленной силы посредством однонаправленного хода. Он находит широкое применение, в частности, в строительной технике (инженерных транспортных средствах), производственном оборудовании, лифтах и в гражданском строительстве. Гидравлический цилиндр – это гидравлический привод, обеспечивающий линейное движение при преобразовании гидравлической энергии в механическое. Его можно сравнить с мышцей: при активации гидравлической системы машины цилиндр отвечает за обеспечение движения.

Операция

Гидравлические цилиндры получают энергию от гидравлической жидкости под давлением, которая не сжимается. Обычно в качестве гидравлической жидкости используется масло. Гидравлический цилиндр состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого поршень, соединенный с поршневым штоком, движется вперед и назад. Корпус закрыт с одного конца дном цилиндра (также называемым крышкой), а с другого – головкой цилиндра (также называемой сальником), через которую выходит поршневой шток. Поршень оснащен уплотнительными кольцами и сальниками. Поршень разделяет внутреннее пространство цилиндра на две камеры: нижнюю камеру (со стороны крышки) и камеру со стороны штока (со стороны головки/штока). Фланцы, цапфы, проушины и уши – распространенные варианты крепления цилиндров. На поршневом штоке также имеются монтажные элементы для соединения цилиндра с объектом или компонентом машины, который он толкает или тянет. Гидравлический цилиндр является исполнительным механизмом или "двигателем" в этой системе. "Генератором" гидравлической системы является 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 выдвижного хода, а давление масла со стороны штока/головки примерно равно нулю, то сила F на поршневой шток равна давлению P в цилиндре, умноженному на площадь поршня A.

Приложения

Гидравлические цилиндры в основном используются в землеройной технике, такой как экскаваторы, погрузчики-экскаваторы и тракторы, для подъема или опускания стрелы, рукояти или ковша. Эти цилиндры также применяются в гидравлических прессах для гибки, машинах для резки листового металла, а также в горячих прессах для производства ДСП или фанеры.

Цепочка цилиндра

Основная функция корпуса цилиндра – выдерживать давление внутри цилиндра. Ствол цилиндра в основном изготавливается из расточенных труб. Расточенные трубы производятся из холоднотянутых бесшовных стальных труб, пригодных для расточки (CDS-труб), или труб, вытянутых на оправке (DOM-труб). Расточенная труба готова к использованию в гидравлических цилиндрах без дополнительной обработки внутренней поверхности. Шероховатость внутренней поверхности ствола цилиндра обычно составляет от 4 до 16 микродюймов. Процесс расточки и процесс скивинга с роликовым финишированием (SRB) – два основных метода изготовления труб для цилиндров. Поршень совершает возвратно-поступательные движения внутри цилиндра. Ствол цилиндра характеризуется гладкой внутренней поверхностью, высокой точностью размеров, долговечностью и т.д.

Основание цилиндра или крышка

Основная функция крышки – герметичное закрытие камеры давления с одного конца. Крышка соединяется с корпусом посредством сварки, резьбы, болтов или шпилек. Крышки также служат элементами крепления цилиндра [фланец крышки, цапфа крышки, ушко крышки]. Расчет прочности крышки на опрокидывание выполняется на основе напряжений при изгибе. Между крышкой и корпусом используется статическое уплотнение / уплотнительное кольцо (за исключением сварной конструкции).

Голова цилиндра

Главная функция головки – герметично закрыть камеру давления с противоположной стороны. Головка содержит встроенную систему уплотнения штока или предусмотрена возможность установки сальниковой камеры. Головка соединяется с корпусом посредством резьбы, болтов или шпилек. Между головкой и корпусом используется статическое уплотнение / уплотнительное кольцо.

Стержень

Основная функция поршня — разделять зоны давления внутри цилиндра. На поршне выполнены канавки для установки эластомерных или металлических уплотнений и опорных элементов. Эти уплотнения могут быть одностороннего или двустороннего действия. Разница давления между двумя сторонами поршня вызывает выдвижение и втягивание цилиндра. Поршень крепится к поршневому штоку с помощью резьбы, болтов или гаек для передачи линейного движения.

Пистональная стержня

Пистонный стержень обычно изготавливается из холоднокатаной стали с твердым хромированным покрытием и соединяет поршень с деталью, выполняющей работу, через головку штока. В цилиндрах с двусторонним штоком привод имеет шток, выступающий с обеих сторон поршня и из обоих концов корпуса. Пистонный стержень соединяет гидравлический привод с рабочим компонентом машины. Это соединение может быть выполнено в виде машинной резьбы или монтажного соединения. Стержень подвергается высокоточной шлифовке и полировке для обеспечения надежного уплотнения и предотвращения утечек.

Глянда тюленя

Голова цилиндра снабжена уплотнениями для предотвращения утечки масла под давлением в зазоре между штоком и головкой. Эта область называется сальником. Преимущество сальниковой конструкции заключается в простоте снятия и замены уплотнений. Сальник содержит основное уплотнение, вторичное уплотнение/буферное уплотнение, направляющие элементы, грязесъемник/скребок и статическое уплотнение. В некоторых случаях, особенно в небольших гидравлических цилиндрах, сальник штока и направляющие элементы изготавливаются из единой цельной детали, обработанной на станке.

Печати

Уплотнения разрабатываются/предназначены для работы при максимальном рабочем давлении цилиндра, скорости движения цилиндра, рабочей температуре, рабочей среде и области применения. Поршневые уплотнения являются динамическими уплотнениями и могут быть одностороннего или двустороннего действия. Как правило, эластомерные уплотнения из нитрилкаучука, полиуретана или других материалов наиболее эффективны в условиях низких температур, в то время как уплотнения из фторуглерода (Витон) лучше подходят для высоких температур. Также доступны металлические уплотнения, в которых обычно используется чугун в качестве материала уплотнения. Уплотнения штока являются динамическими уплотнениями и обычно одностороннего действия. Материалы для уплотнений штока – нитрилкаучук, полиуретан или фторуглерод (Витон). Скребки/удалители используются для удаления загрязнений, таких как влага, грязь и пыль, которые могут привести к серьезным повреждениям стенок цилиндра, штока, уплотнений и других компонентов. Наиболее распространенным материалом для скребков является полиуретан. Металлические скребки применяются при отрицательных температурах и в условиях, когда на шток могут попадать посторонние частицы. Подшипниковые элементы/полосы износостойкости используются для предотвращения контакта металла о металл. Полосы износостойкости предназначены для выдерживания максимальных радиальных нагрузок. Основными материалами для полос износостойкости являются наполненный ПТФЭ, полиэфирная смола, армированная тканой основой, и бронза.

Одно действие против двойного действия

Односторонние цилиндры экономичны и имеют самую простую конструкцию. Гидравлическая жидкость поступает через отверстие с одного конца цилиндра, что выдвигает шток за счет разницы площадей. Возврат штока осуществляется внешней силой, внутренней возвратной пружиной или силой тяжести. Двухсторонние цилиндры имеют порты на каждом конце или с каждой стороны поршня, которые обеспечиваются гидравлической жидкостью как для выдвижения, так и для втягивания.

Конструкции

В промышленности в основном используются два основных типа конструкции гидравлических цилиндров: цилиндры со штангами и цилиндры со сварным корпусом.

Цилиндр с привязкой

Гидравлические цилиндры с привязными стержнями используют высокопрочные резьбовые стальные стержни для крепления двух крышек к цилиндру. Они наиболее часто используются в промышленных условиях на заводах. Цилиндры малого диаметра обычно имеют 4 привязных стержня, а цилиндры большого диаметра могут требовать до 16 или 20 стержней для удержания крышек под воздействием огромных сил. Цилиндры с привязными стержнями могут быть полностью разобраны для обслуживания и ремонта, однако они не всегда подлежат индивидуальной настройке. Национальная ассоциация гидропневматики (NFPA) стандартизировала размеры гидравлических цилиндров с привязными стержнями. Это обеспечивает взаимозаменяемость цилиндров разных производителей при использовании одинаковых монтажных элементов.

Заварной корпус цилиндра

В сварных цилиндрах нет шпилек. Ствол приваривается непосредственно к торцевым крышкам. Порты привариваются к стволу. Передняя сальниковая гайка обычно вкручивается в или прикрепляется болтами к корпусу цилиндра. Это позволяет снять узел поршневого штока и сальники штока для обслуживания. Сварные цилиндры имеют ряд преимуществ по сравнению с цилиндрами на шпильках. Сварные цилиндры имеют более узкий корпус и часто меньшую общую длину, что позволяет им лучше помещаться в ограниченном пространстве оборудования. Сварные цилиндры не подвержены поломкам из-за растяжения шпилек при высоком давлении и большом ходе. Сварная конструкция также способствует кастомизации. Специальные элементы легко добавляются к корпусу цилиндра, включая специальные порты, нестандартные крепления, коллекторы клапанов и т.д.

Боковая нагрузка

Боковая нагрузка – это неравномерное давление, не приходящееся в центр цилиндрического штока. Это отклонение от центральной оси может привести к изгибу штока в экстремальных случаях, но чаще вызывает утечки из-за деформации кольцевых уплотнений, приводящей к изменению их формы с круглой на овальную. Также возможно повреждение и увеличение диаметра отверстия вокруг штока и внутренней стенки цилиндра в области головки поршня, если шток достаточно сильно прижат вбок, чтобы полностью сжать и деформировать уплотнения, вызывая контакт металла о металл и их износ. Напряжение от боковой нагрузки можно напрямую снизить, используя внутренние ограничительные трубки, которые уменьшают максимальную длину хода, оставляя зазор между поршнем и уплотнением цилиндра, и увеличивая плечо сопротивления деформации уплотнений. Двойные поршни также распределяют силы боковой нагрузки, одновременно уменьшая длину хода. Альтернативно, внешние скользящие направляющие и шарниры могут поддерживать нагрузку и снижать воздействие боковых сил непосредственно на цилиндр.

Методы монтажа цилиндров

Методы монтажа также играют важную роль в работе цилиндров. Как правило, фиксированные крепления на центральной оси цилиндра обеспечивают наилучшую передачу силы по прямой и предотвращают износ. Наиболее распространенные типы монтажа включают:

Фланцевые крепления — очень прочные и жесткие, но мало терпимы к несоосности. Эксперты рекомендуют использовать крепления на крышке для осевых нагрузок и крепления на штоке, когда основная нагрузка создает растяжение поршневого штока. Существуют три типа: фланцы с прямоугольной головкой, фланцы с квадратной головкой или прямоугольные головки. Фланцевые крепления работают оптимально, когда монтажная поверхность прикреплена к опорному элементу машины. Боковые крепления цилиндров — просты в установке и обслуживании, но крепления создают вращающий момент при приложении цилиндром силы к нагрузке, что увеличивает износ. Чтобы избежать этого, для боковых креплений цилиндров необходимо указать ход, по крайней мере, равный диаметру цилиндра (большие нагрузки, как правило, делают цилиндры с коротким ходом и большим диаметром нестабильными). Боковые крепления должны быть тщательно выровнены, а нагрузка должна быть поддержана и направлена. Крепления на центральной оси — поглощают силы на центральной оси и требуют использования направляющих штифтов для фиксации ушек и предотвращения их смещения при высоком давлении или ударных нагрузках. Направляющие штифты удерживают цилиндр на машине при работе под высоким давлением или при ударных нагрузках.

Телескопический цилиндр

Длина гидравлического цилиндра складывается из длины хода, толщины поршня, толщины дна и крышки, а также длины соединений. Зачастую такая длина не подходит для установки в машину. В этом случае поршневой стержень используется также как втулка поршня, и применяется второй поршневой стержень. Такие цилиндры называются телескопическими. Если обычный цилиндр со штоком называют одноступенчатым, то телескопические цилиндры представляют собой многоступенчатые конструкции, состоящие из двух, трех, четырех, пяти или более ступеней. Как правило, телескопические цилиндры значительно дороже обычных. Большинство телескопических цилиндров одностороннего действия (для толкания). Телескопические цилиндры двойного действия требуют специальной разработки и изготовления.

Цилиндр плунжера

Гидравлический цилиндр без поршня или с поршнем без уплотнений называется плунжерным цилиндром. Плунжерный цилиндр может использоваться только как толкающий цилиндр; максимальная сила равна площади поршневого стержня, умноженной на давление. Это означает, что плунжерный цилиндр обычно имеет относительно толстый поршневой стержень.

Дифференциальный цилиндр

Дифференциальный цилиндр работает как обычный цилиндр при вытягивании. Однако, если цилиндр должен толкать, масло со стороны поршневого штока не возвращается в резервуар, а поступает на противоположную сторону поршня. Таким образом, цилиндр движется значительно быстрее, но максимальная сила, которую он может развить, сравнима с силой плунжерного цилиндра. Дифференциальный цилиндр можно изготовить как обычный цилиндр, добавив только специальную систему управления. Описанный выше дифференциальный цилиндр также называют регенеративной схемой управления цилиндром. Этот термин указывает на то, что цилиндр является одноштоковым гидравлическим цилиндром двойного действия. Система управления включает в себя клапан и трубопроводы, которые во время выдвижения поршня направляют масло со стороны штока на противоположную сторону поршня, вместо того чтобы возвращать его в резервуар насоса. Масло, направляемое на противоположную сторону поршня, называется регенеративным маслом.

"Умный" гидравлический цилиндр с датчиком положения

Позиционные гидравлические цилиндры устраняют необходимость в полых цилиндрических штоках. Вместо этого внешний датчик в виде "планки", использующий технологию эффекта Холла, определяет положение поршня цилиндра. Это достигается за счет размещения постоянного магнита внутри поршня. Магнит создает магнитное поле, проходящее через стальную стенку цилиндра, и передает сигнал о местоположении датчику.