Хидравлични цилиндри

Конструкции, приложна област, използвани уплътнения

Хидравличният цилиндър, наричан накратко хидроцилиндър, е един от най-широко разпространените изпълнителни механизми за осъществяване на линейно движение и предаване на сила към работните органи на различни машини. По-важните предимства на хидрозадвижванията, които обуславят масовото им приложение, са:

• Широк диапазон на безстепенно изменение на скоростите, силите и положенията на работните органи;
  
  
• Предаване на големи мощности и сили при малки размери и маси на уредбите;
  
  
• Плавност на движението;
  
  
• Елементарност на реверсирането без изменение на движението на двигателя и възможност за бързи и чести превключвания на движението на работния орган;
  
  
• Голяма твърдост;
  
  
• Лесно осъществяване на автоматично, програмно и дистанционно управление.

Не съществува принципна разлика между хидравличните и пневматичните задвижвания, в частност между хидравличните и пневматични цилиндри. Поради свиваемостта на въздуха, обаче, при пневмозадвижванията е по-трудно поддържането на равномерно движение и прецизност на управлението. Освен това, изискванията за безопасност ограничават максималното налягане на въздуха до около 10 bar, което води до по-големи размери спрямо хидравлична уредба при близки силови характеристики.

На фиг. 1 е представена типична конструкция на двойнодействащ бутален хидроцилиндър с едностранен бутален прът, който е най-масово използваният вид. Основните му елементи, които се срещат и при другите видове хидроцилиндри, са: цилиндрова тръба 1, бутало 2, бутален прът 3, затварящ капак 4, уплътнителен капак 5 с водеща втулка 6, уплътнения 7 и почистващ пръстен 8.

Съществува голямо разнообразие от хидроцилиндри които се различават по начина на действие и конструктивното изпълнение. Използването на един или друг вид се диктува от конкретните условия на работа, предназначението и конструкцията на машината, в която се вграждат. Основните видове хидроцилиндри са схематично показани на фиг. 2.

При хидроцилиндрите с едностранно действие (фиг. 2б), движението по хидравличен път е само в едната посока, а обратният ход се осъществява от външна сила (тежест, пружина или с друг еднодействащ хидроцилиндър). Такива хидроцилиндри се използват основно в подемно-транспортната техника и в приспособления за затягане и фиксиране.

При двойнодействащите хидроцилиндри и двата хода се извършват под въздействието на работния флуид. Те се изпълняват в два варианта - бутален хидроцилиндър с едностранен бутален прът (фиг. 2в) и бутален хидроцилиндър с двустранен бутален прът (фиг. 2г). Ако диаметърът на буталния прът е сравнително малък, при хидроцилиндрите с едностранен прът скоростите в двете направления се различават незначително. При увеличаване на диаметъра на буталния прът, скоростите на двата хода, при довеждане на еднакво количество течност, се различават чувствително. Такава схема на хидроцилиндър позволява осъществяването на бърз неработен ход при относително малка производителност (дебит) на помпата.

Хидроцилиндри с двустранен бутален прът се използват в случаите, при които е необходимо да се постигнат еднакви скорости и сили за двата хода. Такива хидроцилиндри, обаче, увеличават габаритите на машината, тъй като буталният прът излиза от двете страни на цилиндъра и трябва да бъде осигурено необходимото свободно пространство. В някои случаи е целесъобразно буталото да е неподвижно фиксирано, а цилиндърът да е свързан с работния орган. Този начин на задвижване се използва често при металорежещите машини. Цилиндрите от този вид са по-сложни за изработване, тъй като трябва да се осигури съосност на няколко повърхнини. Именно, описаният недостатък ограничава приложението на този вид цилиндри.

Сдвоени или строени хидроцилиндри

В случаите, когато за получаване на необходимата сила не може да се монтира хидроцилиндър с голям диаметър, но няма ограничение на дължината му, се използват сдвоени (фиг. 2д) и строени цилиндри. Последователното съединение на цилиндрите (две или три бутала на общ бутален прът) увеличава ефективната площ и следователно силата върху буталния прът. При сдвоените цилиндри може да се получи почти два пъти по-голяма сила при същия диаметър и налягане, но се увеличава двойно и осовата дължина. Двата цилиндъра могат да се захранват независимо, за да се получи увеличена сила само в единия или и в двата хода.

Показаният на фигурата сдвоен цилиндър има общ бутален прът за двете бутала. Съществуват конструкции с отделни бутални прътове за всяко бутало, които могат да са и с различна дължина – т. нар. дуплекс хидроцилиндри (фиг. 2е). По този начин се получават няколко механично фиксирани позиции, без да се използва специално управление.

Плунжерните хидроцилиндри

(фиг. 2а) са най-елементарни като конструкция и технология на изработка, тъй като вътрешната повърхност на цилиндровата тръба не подлежи на точна обработка. Обработва се само повърхността на плунжера и част от корпуса, по който се осъществява херметизацията на работното пространство. От конструкцията им се вижда, че те принадлежат към групата на хидроцилиндрите с едностранно действие.

Най-често се монтират вертикално и обратният ход се осъществява под действие на теглото. Прилагат се за сравнително по-малки сили и премествания. Типичното им приложение е в подемни устройства. При хоризонтално разположение на плунжера и по-голяма дължина се получава деформация под влияние на собственото тегло. В такива случаи се налага използване на допълнителни опори, най-често ролки, закрепени накрая на плунжера.

Телескопичните хидроцилиндри

са съставени от няколко концентрично разположени бутала или плунжери, преместващи се един спрямо друг. Общият ход на изходното звено е равен на сумата от ходовете на всеки плунжер или бутало спрямо съседно разположения. Телескопичните хидроцилиндри се използват, когато при неголяма дължина на корпуса е необходимо да се получи голям ход на изходното звено. Движението започва от плунжера (буталото) с най-голям диаметър. Когато той достигне до упор, стартира преместването на следващия и т.н. Характерно за тях е стъпалното изменение (увеличение при разгъване) на скоростта на буталния прът при подаван постоянен дебит. Повечето телескопични цилиндри са с едностранно действие (фиг. 2ж) и обикновено се монтират вертикално, като най-малкият плунжер е най-отгоре.

Обратният ход се осъществява под действие на теглото. Двойнодействащите телескопични цилиндри (фиг. 2з) са много по-сложни и скъпи, затова е добре приложението им да е достатъчно технико-икономически обосновано. Те могат да се монтират и хоризонтално, когато е необходимо. Броят на стъпалата при телескопичните цилиндри обикновено е между 2 и 6. Най-често се използват в различни мобилни машини и повдигателни уредби, където пространството е ограничено. В последните години е много популярно приложението им в хидравличните асансьори.

В завъртащите хидроцилиндри

постъпателното движение на буталото се преобразува във въртеливо движение на изходящото звено чрез подходяща предавка. Завъртането обикновено е на сравнително неголям ъгъл. Принципно е възможно завъртане и на повече от 3600. Подобни хидроцилиндри се използват сравнително рядко.

Типично тяхно приложение е в някои приспособления за затягане и завъртане на детайли при обработването им. От този тип най-разпространени са хидроцилиндрите с бутало - рейка и зъбно колело, т. нар. рейкови хидроцилиндри (фиг. 2и). Прилага се и коляно-мотовилков механизъм (фиг. 2к).

Свързване на капаците към цилиндровата тръба

Съществува голямо разнообразие по отношение на конструктивното изпълнение на хидроцилиндрите. Разликите в конструкцията се определят основно от начина, по който двата капака се съединяват с цилиндровата тръба. Методът, на основата на който се осъществява тази връзка, в значителна степен определя удобството и трудоемкостта при изработването, сглобяването и ремонта на хидроцилиндъра. Съществуват два вида хидроцилиндри, на базата на този признак, показани на фиг. 3.

При единия, цилиндровата тръба се пристяга между двата капака посредством преминаващи през тях шпилки (фиг. 3а). При другия вид, всеки капак се свързва самостоятелно към цилиндъра (фиг. 3б).

Съществуват различни варианти на първия вид, които включват повече от четири шпилки или използването на дълги болтове, навиващи се в един от двата капака.

Този вид хидроцилиндри е най-елементарен. Съществените предимства на конструкцията са - минимален брой операции при обработка на цилиндровата тръба, възможност за използване като заготовка на тънкостенна тръба без обработка по външния диаметър; отсъствие на заварени детайли; улеснен монтаж и демонтаж; максимална унификация на детайлите. Този начин на закрепване, обаче, увеличава габаритите на хидроцилиндъра и неговата маса, затова подобни хидроцилиндри се използват основно в стационарни машини. Усилията от вътрешното налягане се поемат изцяло от шпилките. Уплътнението между капаците и цилиндровата тръба се осъществява най-често чрез О-пръстени. При високи налягания тръбата и шпилките се деформират и е възможна разхерметизация и повреда на уплътнението.

Резултатът е ограничено максимално работно налягане или налагането на специални конструктивни мерки, при оформяне на уплътнителния възел.

При самостоятелно закрепване на капаците са възможни и се използват различни конструктивни решения. Видът на съединението в значителна степен определя технологията на обработка на тръбата, а също и технологията на сглобяване и ремонт. Най-широко разпространение са получили следните методи за закрепване - с болтове, с външна или вътрешна резба, чрез заваряване, глухи капаци, с външни или вътрешни полупръстени.

Закрепването чрез болтове изисква наличието на фланец в края на тръбата. Фланецът би могъл да се отлее заедно с цилиндъра. В този случай, летия цилиндър има по-голямо тегло, а и вероятността от дефекти е по-висока. Производството на фланеца чрез престъргване от дебелостенна тръба е трудоемко и металоемко. Най-често се използват заварени фланци. Конструкцията е лека и компактна и това обяснява широкото разпространение на заварените цилиндри, особено, в мобилните приложения. Масово произвеждана е конструкцията със заварен затварящ капак (фиг. 3б). Тези цилиндри са технологични и лесни за производство, но при заваряването съществува опасност от деформация на тръбата. Съединяването на капаците с тръбата чрез външна или вътрешна резба се използва, когато е необходимо да се намалят габаритите и масата на хидроцилиндъра. При използване на външна резба е необходима обработка и по външния диаметър на тръбата. В процеса на завиване на капака, при някои конструкции, е възможна повреда на уплътнението. Съществуват хидроцилиндри, при които затварящият капак е част от цилиндровата тръба (глух капак). Те се произвеждат чрез отливане или стругуване от плътен материал, което очевидно е неикономично. Освен това, е затруднена обработката на вътрешната повърхнина на тръбата. По този начин се ограничава използването им най-вече до плунжерни хидроцилиндри.

Закрепването на буталото към буталния прът

следва да осигурява поемане на осовите усилия. То е от определящо значение и за работоспособността на хидроцилиндъра. Най-често буталото е с проходен отвор и се закрепва върху буталния прът чрез резба, върху която се навива фиксиращата гайка (фиг. 1). В по-редки случай, самото бутало е с резба и се навива върху пръта.

При големи натоварвания и малки диаметри на буталния прът, резбата може да се окаже претоварена. Освен това, много хидроцилиндри работят в машини и механизми, подложени на вибрационно натоварване, което увеличава възможността от саморазвиване на закрепващата гайка. За решаване на тези проблеми са разработени и конструкции с безрезбово съединение. Възможно е и заваряване на буталото към буталния прът.

Начинът на подаване на флуида

към работното пространство зависи от компановката и условията на работа на хидроцилиндъра. В най-елементарния случай се осъществява през капаците или заварени към цилиндровата тръба удебеления. Щуцерите се присъединяват на конична или метричнае резба, или на фланци.

Коничната резба осигурява уплътнение при налягания до 300 bar, но при използване на ъглови щуцери или тройници се затруднява установяването им в определено положение. В такива случаи се използват щуцери с метрична резба, което изисква използване на уплътнителни пръстени от маслоустойчива гума или от мек метал. Затръбопроводи, които могат да заемат в процеса на работа различни положения спрямо хидроцилиндъра, се използват ъглови шарнирни съединения. Съществуват конструкции, в които двата щуцера са разположени в единия от двата капака. По този начин се осигурява еднаква дължина на довеждащите тръбопроводи, с което се постига по-голяма унификация. От единия до другия капак течността се подвежда най-често по метален тръбопровод. При някои хидроцилиндри подвеждането на течността между двата капака се извършва с помощта на двойна цилиндрична стена. В хидроцилиндрите с неподвижно бутало течността се подвежда през кухия бутален прът. Съществуват конструкции с подвеждане и през подвижен бутален прът. При захващане на хидроцилиндъра с цапфи е възможно подаването на течност през тях.

Уплътнения при хидроцилиндрите

Уплътненията са критично важен елемент за всеки хидроцилиндър, но не винаги са обект на подобаващото им се внимание. Нерядко конструкторите или потребителите се насочват към най-евтиния тип уплътнения, без да са запознати добре с качествата на предлаганите уплътнения. Това е предпоставка за възникване на проблеми в процеса на работа. Качествените и внимателно подбрани уплътнения осигуряват дълъг и безавариен експлоатационен живот. Уплътненията за хидроцилиндрите са две основни групи. Първата се формира от т.нар.

Уплътнения за неподвижни части

наричани още статични уплътнения. Такова е уплътнението между цилиндровата тръба и капаците - фиг. 4, между капака и водещата втулка – фиг. 4, както и между буталото и буталния прът – фиг. 6. В показаните случаи, като уплътнител се използват най-често пръстени с кръгло (О-пръстени) или с правоъгълно сечение, макар че по-рядко се срещат и други форми на напречното сечение. С цел добро уплътнение е необходимо да се спазват не само точните размери и допуски на самите пръстени, но и размерите, в които те се вграждат. Те се предписват от производителя.

Първоначалната херметичност се създава за сметка на контактното налягане, получено при предварително деформиране на пръстена в процеса на монтаж. Под въздействие на работното налягане, плътността на контакта се увеличава и е възможно да възникне явлението екструзия, при което част от уплътнителя преминава в междината между детайлите, които се уплътняват. За предпазване от екструзия се използват защитни пръстени от полиамид или тефлон – фиг. 4. Защитният пръстен се разполага откъм страната на по-ниското налягане. Неговото използване се препоръчва при налягания по-високи от 100 bar. За уплътняване на неподвижните елементи на хидроцилиндри, работещи при високи температури се използват пръстени от кухи метални тръбички. На фиг. 5 е показано съвременно статично уплътнение, което освен О-пръстен, включва и допълнителен еластичен елемент със специална форма. Уплътнението е двустранно, т. е. уплътнява и от двете страни. Видно е, че с повишаване на работното налягане се увеличава и контактното налягане, като по този начин се осигурява сигурно уплътнение в произволен режим.
Втората група обхваща:

Уплътнения на подвижни плъзгащи се части

Наричат се още динамични уплътнения. Такива са уплътненията на буталото и на буталния прът. Към тях се поставят изисквания не само за херметичност, но и за малки триеща сила и износване, а следователно и за дълъг експлоатационен живот. Видът на уплътнението на буталото зависи в най-голяма степен от начина на действие на хидроцилиндъра – еднодействащ или двойнодействащ. Във връзка с това са разработени уплътнения с едностранно и двустранно действие. За еднодействащ цилиндър като добро се приема уплътнение, конструирано за оптимален ефект при едностранно действие, с възможно най-тънък смазващ слой, който може да премине между повърхнините на буталото и цилиндъра. При двойнодействащите цилиндри също е най-добре използването на специално конструирани уплътнения.

Използването на две уплътнения с едностранно действие, разположени симетрично е възможно, но не е добро техническо решение, защото се увеличава силата на триене и нараства риска от повреда. Причината е, че между двете уплътнения се създава пространство с много високо налягане. Уплътняването на буталния прът поставя много сериозни изисквания, защото освен от всичко друго, то се влияе силно от промени в качеството на повърхността на пръта. Уплътнението на буталния прът е решаващ фактор за функционирането на хидроцилиндъра като цяло. Пропуските през това уплътнение биха могли да предизвикат инциденти и щети на околната среда.

Сред най-често срещаните уплътнения са:

Комбинирано уплътнение от О-пръстен и плъзгащ пръстен

Показано е на фиг. 6 и фиг. 11. Използва се предимно за бутала и по-рядко за бутални пръти, като може да уплътнява и от двете страни (фиг. 6), поради което е особено подходящо за двойнодействащи хидроцилиндри. Уплътнението функционира надеждно и при тежки условия на работа – скорости до 6 m/s, налягания до 500 bar и честота на промяна на хода до 100 Hz, както и при малка сила на триене и дълъг експлоатационен живот. О-пръстенът служи за създаване само на начално притискане. Уплътнителната сила върху плъзгащия пръстен се създава от работното налягане на течността. Пръстенът се изработва най-често от тефлон или от бронзови сплави.

Маншетно уплътнение

Използва се за уплътнение на бутала и по-често на бутални пръти – фиг. 4, фиг. 9 и фиг. 11, при линейни скорости до 0.5 m/s и налягане до 400 bar. Маншетата представлява еластичен профилен пръстен с U-образна форма, изработен от различни материали и най-вече от полиуретан. При нулево или ниско налягане херметичността се осигурява от еластичните свойства на пръстена, който се свива при монтажа. Плътността на контакта се повишава с увеличаване налягането на течността. Както се вижда, уплътнението е едностранно. Ако се използва за двойнодействащи цилиндри, върху буталото се монтират симетрично две уплътнения. При налягания над 100 bar се използват защитни пръстени.

Шевронните уплътнения

намират приложение при бутала и бутални пръти. Уплътнението (фиг. 7) е съставено от опорен пръстен, набор от няколко (между 3 и 10) V-образни маншети и притискащ пръстен. Стягането на маншетите в аксиална посока се регулира чрез пружина, гайка или набор шайби. Стегнатостта се проверява периодично. Постига се добро уплътнение при линейни скорости до 15 m/s и налягания до 500 bar. Недостатък е повишеното триене и увеличени размер в осова посока.

Уплътняването на буталото с разрязани метални пръстени

(сегменти) е сред най-елементарните и се отличава с голяма дълготрайност. Сегментните пръстени обикновено се изработват от специален чугун, но пръстени се изработват и от бронз, текстолит и др. Работят в широк диапазон от температури, имат относително малко триене и могат да осигурят добра херметичност при налягания до 300 bar. Отличават се с два пъти по-дълъг експлоатационен срок спрямо маншетните уплътнения. Недостатъци им са по-големи утечки, поради прореза на пръстена, сложната технология на изработка и повишените изисквания към обработката на вътрешната повърхнина на цилиндровата тръба. При налягания до 100 bar се използват 2 - 3 сегмента, а при по-високи налягания от 4 до 9 броя. Притискането към цилиндровата тръба е резултат на еластичността на пръстена, свит при монтажа и действието на работното налягане.

При ниски линейни скорости до 0.3 m/s могат да се използват и самостоятелни О-пръстени, което е елементарно и компактно решение. За предотвратяване на екструзия, при налягания над 100 bar, се използват защитни пръстени. По-рядко приложение намират и еластични пръстени с правоъгълно сечение.
При уплътняване чрез шлифоване ефектът се постига от малката хлабина между триещите се повърхности. На повърхността на буталата се правят пръстеновидни канали с дълбочина 0.3 mm. Този метод се използва при налягане до 50 bar и в приложения, в които има възможност неизбежните пропуски да се компенсират за сметка на по-голямата производителност на помпата.

За нормалното функциониране на хидроцилиндрите, особено за работещите в тежки условия – високо налягане, ниски температури, значителни и променливи натоварвания, важно значение имат водещите пръстени

Те са показани на фиг. 6, фиг. 9, както и на 11. Предназначението им е да осигурят добро водене на буталото в цилиндровата тръба и на буталния прът в уплътнителния капак. При това, като ограничат до минимум възможността за радиални премествания при наличието на странично действащи сили. В модерните хидроцилиндри тези пръстени се изработват от пластичен материал, а не от метал. По този начин се намалява силата на триене и износването на цилиндъра, а от тук се увеличава значително и експлоатационния срок.

През последните години все по-масово е приложението на компактните двойнодействащи уплътнения, показани на фиг. 8. Еластомерният уплътнителен елемент е затворен между два защитни пръстена, предпазващи от екструзия. Третият елемент от конструкцията са именно двата водещи пръстена.

Наличието на твърди замърсявания в работната течност на хидравличната система е първопричина за повреди и съкращаване на експлоатационния срок на уплътненията. Основната част от частиците навлизат през буталния прът. За това в конструкцията на хидроцилиндрите се използва т.нар. почистващ пръстен (чистач), който отстранява полепналите по буталния прът замърсявания при прибирането му. Чистачът е най-подценяваният елемент в уплътнителната система, въпреки важната му функция.

Най-елементарното решение (не е препоръчително, но в статията се споменава за пълнота) е обикновено маншетно уплътнение, монтирано с “устните” навън, така че ръбът да очиства буталния прът при неговото прибиране в цилиндъра. Чистачът трябва да приляга добре върху буталния прът, като осигурява достатъчно високо контактно налягане. Подходящ и често използван материал е полиуретан с относително висока твърдост. Ефективна е конструкцията с метална армировка, фиг. 9, която фиксира формата и положението на почистващия ръб, и осигурява достатъчно контактно налягане. За по-тежки приложения се препоръчва използването на двойнодействащ почистващ пръстен - фиг. 4 и фиг. 11. Този пръстен е двоен – едната страна почиства пръта, а другата, обърната към буталния цилиндър, изпълнява ролята на маншетно уплътнение, което осигурява допълнителна херметизация. За тежки приложения се използват чистачи с метална армировка и осигурителен пръстен - фиг. 11. При еднодействащите цилиндри с изход директно към атмосфера се създават условия за натрупване на частици по цилиндъра. Затова в тези случаи се предвижда чистач, монтиран към буталото (фиг. 10).

За най-тежките приложения се използва двойна уплътнителна система. Едно съвременно технически решение е показано на фиг. 11, където са комбинирани два вида уплътнения – маншетно и с плъзгащ пръстен. Първото уплътнение (наричано още и буферно уплътнение) поема основната част от усилията, предизвикани от работното налягане и неговите пулсации. В резултат на това, второто уплътнение е много по-слабо натоварено и ограничава смазващия слой, преминал през първото уплътнение. Силите на триене в двойното уплътнение често не са чувствително по-големи от силите в единично уплътнение, от същия тип.

Компаниите, специализирани в областта на уплътнителната техника, предлагат десетки разновидности на уплътнения от всеки тип. Те се различават като геометрия, най-вече форма на уплътнителната повърхнина, и използвани материали. Това налага потребителят да се запознае по-подробно с предоставената от производителя техническа информация, за избор на оптимален вариант.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю. Ако имате коментари или допълнения към статията, не се колебайте да ни пишете.