Хидравличен линеен двигател

Хидравличните цилиндри са сред широко използваните двигатели за линейно-възвратно движение в различни индустриални приложения. Работата им се основава на преобразуване на потенциалната енергия на работна течност във възвратно-постъпателно движение на работния орган. Статията разглежда конструктивни, проектни и експлоатационни специфики на бутални хидравлични цилиндри.

Оразмеряват се на базата на съпротивителната сила

Основната величина, на базата на която се оразмеряват хидравличните цилиндри, е съпротивителната сила, действаща върху двигателя. Нейни съставни са статичната товарна сила (най-често тегло) Fст, инерционната сила, определена от ускорението, и масата на подвижните части, Fин и триещата сила в направляващите на задвижвания механизъм Fт.

Fc = Fст + Fин + Fт.

При определяне на диаметъра на хидроцилиндъра, трябва да се вземат предвид още силата от триене в цилиндъра и силата от противоналягането. Триенето в подвижните уплътнения на буталото, буталния прът и водещата втулка определят големината на триещата сила в хидравличните цилиндри. Силата на триене зависи също и от скоростта на движение и налягането. Направени изследвания показват, че при малки скорости силата на триене намалява. В определен диапазон от изменението на скоростта, триещата сила има приблизително постоянна стойност и при големи скорости триенето се увеличава с повишаване на скоростта на движение.

Изследва се критичната област важна за задвижващите системи е областта, в която при малки скорости силата на триене намалява, тъй като в нея се наблюдава неустойчивост на движението, което се извършва на тласъци с появата на релаксационни колебания. Последните не позволяват реализирането на плавно движение под определена критична скорост. В основата на това явление е променящото се съотношение между задвижващата сила и съпротивителната сила, действащи на дадена колебателна система с определена маса, еластичност и демпфериране.

Неустойчивостта на движението в тази критична област се преодолява в случаите, при които задвижващата сила намалява като стойност по-бързо от триещата сила. Начин за постигане на условието е намаляване на големината на триещата сила в цилиндъра и направляващите на изпълнителния механизъм, което на практика може да се реализира чрез смяна на типа на уплътненията.

Полезната мощност е функция на товарната сила

Хидравличните цилиндри се характеризират с вътрешен диаметър, ход на буталото, скорост на движение на буталото, усилие на буталния прът, мощност на цилиндъра, дебит, налягане и коефициент на полезно действие. Мощността, отдадена на хидравличния цилиндър като входяща мощност Pi, се определя от движещата сила, която развива хоризонтално разположен хидроцилиндър и теоретичната скорост на движение:

Pi = (P1.S1 - p2.S2)(Qд/S1)

където S1 е ефективното сечение на нагнетателната област, S2 - ефективното сечение на буталото във връщащата област, Qд е подведеният дебит, а p1 и p2 налягането и противоналягането.

Полезната мощност P, развивана от хидравличния цилиндър като изходяща мощност, се определя от ефективната товарна сила върху буталния прът и действителната скорост на движение на буталото

P = R.Q/S1,

където R е ефективната сила, действаща върху товарния прът, включваща силата за извършване на полезна работа и всички съпротивителни сили на задвижваната от хидравличния цилиндър система.

Скоростта на движение на буталото на хидравличните цилиндри зависи от големината на дебита, подвеждан в съответната камера на цилиндъра. Зависимостта, по която се определя скоростта, е:

Qд = Q + DQ

където Qд e общото количество на дебита, подвеждан в камерата, Q е реалната стойност на дебита, DQ са обемните загуби в уплътненията. Най-общо скоростта на цилиндъра се определя по зависимостта n = Q/S, където S е площта на сечението на буталото.

КПД зависи от силата и сечението Коефициентът на полезно действие на един хидроцилиндър се определя основно на базата на хидромеханичния КПД. Причината е, че обемният КПД е пренебрежимо малък поради незначителните обемни загуби. КПД на един хидроцилиндър се пресмята по зависимостта

h = R(p1.S1 - p2.S2)

където R e ефективната сила, действаща върху товарния прът, S1 е ефективното сечение на нагнетателната област, S2 - ефективното сечение на буталото във връщащата област, а p1 и p2 съответно налягането и противоналягането в цилиндъра.

Други важни характеристики на хидравличните цилиндри са твърдостта на характеристиката сила-преместване и собствената честота на цилиндрите.

Препоръчително е, при проектиране на хидравлични системи да се избягват промени в товарната сила или на управляващите въздействия от разпределителите, сервоклапаните и другите устройства, които се извършват с честоти, близки до собствената честота на цилиндъра със задвижваната маса, тъй като това би довело до нежелани резонансни колебания с голяма амплитуда.

Монтажни схеми на цилиндрите

Съществуват три основни схеми на монтаж на прътови бутални цилиндри. За първата е характерно праволинейно предаване на сила с неподвижни опори, които поемат силата от центриращата ос на цилиндъра. Втората монтажна схема осигурява предаване на сила по ос на въртене с шарнирни опори, които поемат силата от центриращата ос на цилиндъра. Схемата на монтаж позволява осово изместване на цилиндъра в една равнина. Третата включва праволинейно предаване на сила с неподвижни опори, които не поемат силата от центриращата ос на цилиндъра.

Счита се, че

цилиндрите с неподвижни опори

които поемат силата от центриращата ос на цилиндъра, са оптимално техническо решение за приложения, при които е необходимо да се осигури праволинейно предаване на сила. Симетричният монтаж на удължените пръти, фланец или центрираща скоба позволява действащите върху буталния прът сили на натиск или опън да се разпределят равномерно около центриращата ос на цилиндъра. Монтажните болтове са подложени на неголеми напрежения на опън или срязване, дължащи се на действието на прости, а не на сложни съставни сили. При правилно монтиране натоварването на лагерните опори на цилиндъра е минимално.

Прътовете на цилиндъра се проектират да издържат максимално висока стойност на вътрешното налягане. Възможно е да бъдат удължени от единия и/или другия край с цел използването им за монтаж на цилиндъра. В случаите, при които прътовете са удължени от двата края на цилиндъра, единият може да се използва за монтаж на цилиндъра, а срещуположният - във функцията на опора или за присъединяване към машинните елементи.

Фланцевото монтиране

е подходящо техническо решение за приложения с праволинейно предаване на сила. Възможни са три варианта за фланцеви монтаж на цилиндъра - фланец с правоъгълна глава, фланец с квадратна глава, както и по-широка и по-висока правоъгълна глава със собствени монтажни отвори. Описаните фланцеви схеми за монтаж на цилиндъра са възможни и за капака. Изборът на фланцовото монтиране зависи в известна степен от това дали основните сили, включени в товара, предизвикват напрежение на натиск или опън върху буталния прът.

Присъединяването към капака е препоръчително за товари, предизвикващи натиск, докато монтаж за основата на цилиндъра трябва да се използва в приложения, при които основният товар предизвиква напрежение на опън в буталния прът. При монтаж на цилиндъра с центрираща скоба, силите се поемат също от центриращата ос. Това е най-малко използваният начин за неподвижен монтаж на бутални цилиндри. За приложения, характеризиращи се с по-високи налягания или подложени на ударни натоварвания, центриращата скоба се фиксира с щифт към машината.

При странично монтиране

на цилиндрите, силата не се поема от центриращите им оси.Тези схеми на монтаж включват използването на скоби върху затворите на цилиндъра. Друга възможна схема на странично присъединяване се базира на разпробиване на странични отвори с цел скрит монтаж на цилиндрите. В описаните случаи равнината на монтажната повърхност не пресича центриращата ос на цилиндъра. Това е причината странично монтираните силови цилиндри да създават въртящ момент, докато цилиндърът премества товара. Въртящият момент се стреми да завърти цилиндъра около присъединителните болтове. В случай че цилиндърът не е добре осигурен към машината или товарът не е добре направляван, уплътнението на пръта и лагерните опори на буталото ще бъдат подложени на действието на странично натоварване.

За да се избегне този проблем, странично монтираните цилиндри трябва да имат дължина на хода най-малко равна на вътрешния диаметър на цилиндъра. Цилиндрите с дължина на хода по-малка от цитираната и по-голям диаметър имат склонност към завъртане около подпорите. Това важи с особено голяма сила при използване на странични скоби, крайни скоби, както и при монтаж на цилиндъра под ъгъл.

Работата на странично монтираните цилиндри зависи в много голяма степен от

триенето на монтажните повърхности

намиращи се в контакт с машината. От триенето се определя доколко монтажните повърхности ще поемат силите, които цилиндърът създава. Препоръчително е въртящият момент, приложен върху присъединителните болтове, да е равен на въртящия момент на пръта.

В приложения, подложени на големи или ударни натоварвания, странично монтираните цилиндри трябва да бъдат осигурени с шпонка или щифт за предотвратяване на изместването им. С понасяща тангенциални натоварвания шпонка могат да бъдат окомплектовани повечето цилиндри. За да поема основното натоварване, е необходимо шпонката да бъде поставена на строго определено място, а именно в края на пръта при натоварване на опън, и в края на капака - при натоварване на натиск.

Описаният метод е приложим в случаите, при които е възможно шпонковият канал да се фрезова директно в машината. Шпонката поема и натоварванията на срязване, като осигурява прецизно центроване на цилиндъра. Опорите със странична скоба се проектират с оглед захващане на цилиндъра към машината с центровъчни щифтове. С цел надеждно осигуряване на цилиндъра срещу изместване, щифтовете се монтират на строго определени места.

Цилиндри с шарнирни опори, които поемат

силата по центриращата линия

трябва да се използват, когато привежданият в движение товар се премества по траектория, изобразяваща дъга. Съществуват две схеми за монтаж на един цилиндър, така че в рамките на работния му цикъл той да извършва движение около определена ос на въртене - опори с шарнирно-вилково съединение или осов механизъм. Шарнирно монтираните цилиндри се предлагат в изпълнение с неподвижно свързана вилка към капака; сферична опора към капака и неподвижно присъединена към основата, капака или в определено междинно положение ос, както и с демонтируема вилка към капака. Разработени са специални механизми, които осигуряват шарнирно движение.

Шарнирно монтираните цилиндри могат да се използват в приложения, подложени на напрежения на опън или натиск за широк диапазон на изменение на налягането. Изключение правят цилиндрите с голям ход на движение, използването на които в приложения, подложени на натиск, е ограничено от якостта на буталния прът. Вилковите опори или опорите с единично ухо обикновено представляват неделима част от капака на цилиндъра. Предлагат се и разглобяеми технически решения. Шарнирно съединение, което има необходимите дължина и диаметър да издържи максималното натоварване на срязване в диапазона на изменение на работното налягане, представлява част от вилковата опора. Неподвижно свързаните вилкови опори са най-широко разпространени и се използват в приложения, в които буталният прът се движи по постоянна траектория, описваща равнинна дъга. Този вид цилиндрични опори могат да се използват във вертикално и хоризонтално положение.

Комплексното влияние на

работното налягане и температура

върху хидравличните цилиндри води до удължаването или, респективно, свиването им. В допълнение, огъването и неустойчивото положение на цилиндъра резултира в завъртане на монтажната му основа под товар. Видът на използваната монтажна схема се определя в зависимост от изискванията на приложението, но въздействието, което ще окажат промяната в температурата и налягането върху работата на цилиндъра, трябва да бъде добре изследвано. В противен случай работата на цилиндъра ще се характеризира с утечки. За да се осигури оптимална работа на хидравличните силови цилиндри, е необходимо да се отчетат комплекс фактори.

При цилиндрите с монтажна схема без центриране е характерна тенденция към

промяна на дължината и завъртане под товар

вследствие на промени в температурата. Някои неподвижно присъединени към каналите на цилиндъра тръбопроводи също са подложени на действието на резултантните сила и преместване. За подобни приложения, при които цилиндърът е неподвижно свързан, въпросът е не дали, а кога ще се появят утечки.

Към цилиндрите с монтажна схема без центриране често се поставят сериозни изисквания към издръжливостта на използваните механични елементи с цел повишаване на устойчивостта им срещу напрежения на огъване. Следователно, съществуват повишени изисквания и към надеждността на корпуса на цялата машина. Работата на неподвижно присъединени цилиндри с монтажна схема без центриране, които се характеризират с къси ходове, е свързана с редица якостни проблеми. Причината е в напреженията на опън в комбинация със сили на срязване, на които са подложени монтажните болтове. В крайна сметка, оптимална монтажна схема на цилиндрите, позволяваща завъртането им около определена ос, се осигурява чрез прецизно проектиране на хода на буталото.

При използване на хидравлични силови цилиндри често се поставя въпросът дали основните приложени върху тях сили резултират в

натоварване на опън или натиск

Известно е, че фланцовият монтаж към капака на цилиндъра е оптимален избор за натоварване на натиск, докато фланцово присъединяване в края на пръта се препоръчва при натоварване на опън. В случаите, при които между цилиндъра и товара се появи децентриране, е възможно да възникне необходимост от промяна на монтажната схема. В приложения, за които е характерно децентриране в няколко равнини, цилиндрите се оборудват със самонагаждащи се сферични петови лагери върху капака и пръта. Обикновената шарнирна схема на монтаж, реализирана, например, с помощта на шарнирно-вилково съединение, компенсира децентриране в една равнина.

Източник: Инженерно ревю