Хидравлични цилиндри
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 3, 2009
Използването на подходяща схема на демпфериране и захващане удължава сериозно живота им
В зависимост от предназначението и изискванията на клиента към хидроцилиндрите могат да бъдат включени редица допълнителни устройства, които подобряват и разширяват тяхната функционалност.
Хидроцилиндрите често се използват за преместване на големи маси с големи скорости, което предполага възникването на значителни инерционни сили при рязко спиране в края на хода, когато буталото достигне до упора. Възникват недопустими удари, при които хидроцилиндърът може да се разруши или да се скъсат тръбопроводите. Ако не са взети специални конструктивни мерки, които ще бъдат разгледани в статията, максималната скорост не трябва да превишава 0.02 m/s. Плавното спиране в края на хода се осъществява чрез демпфериращи устройства (демпфери)
Може да се реализира както за единия ход, така и за двата. Най-лесна за изпълнение е конструкцията, показана на фиг. 1а. Буталото е снабдено с цилиндричен издатък (плунжер), от едната или от двете страни. При наближаване до края на хода, този плунжер навлиза в цилиндричния отвор, изработен в капака, и затваря определен обем течност във връщащата област на цилиндъра. Този обем трябва да бъде изтласкан през концентричната междина с постоянна височина d, образувана между плунжера и стените на отвора. В резултат на хидравличното съпротивление, т. нар. дроселиране, възникващо при протичането през малката хлабина, налягането в затвореното пространство се повишава и създава спирателна сила.
Следва да се отбележи, че ускорението на спиране е променливо, защото дроселиращият ефект се променя с увеличаване на дължината на междината при навлизане на плунжера. Използват се демпфери, при които се изменя и формата на дроселиращата междина, например фиг. 1б. По този начин може да се постигне произволен закон на спиране. Много разпространено е конструктивното решение, показано на фиг. 1в, при което в капака се вгражда регулируем дросел. С този дросел се получава допълнително дроселно сечение и чрез подходяща настройка посредством винта може да се осъществи възможно най-плавно спиране. То зависи от кинетичната енергия и действащите сили в конкретната машина. За да се избегне задържането на буталото при тръгване в обратна посока, в демпфериращите устройства се вгражда обратен клапан, който се отваря при обратния ход, така че налягането действа върху цялото сечение на цилиндъра.
Обезвъздушаване на цилиндрите
Въздухът, който се събира в цилиндъра по време на монтажа и след продължително спиране, трябва да бъде отстранен, за да се осигури устойчивата му работа. При правилен монтаж на хидроцилиндъра и довеждащите тръбопроводи натрупването на въздух може да се намали. За целта, при възможност течността трябва да се довежда в най-горните точки на хидроцилиндъра. Тогава за отстраняване на въздуха са достатъчни няколко премествания на буталото на празен ход. За по-голяма надеждност, а също и защото вече споменатите мерки невинаги са осъществими, в хидроцилиндрите се използват допълнителни устройства за обезвъздушаване.
Линейно позициониране
Напоследък широко приложение при автоматизацията на машини и процеси в различни отрасли на индустрията намират хидроцилиндри със системи за контрол и управление на положението на буталото. По този начин програмирането на различните необходими позиции и движения, включително управлението на скоростта и ускорението, се осъществяват лесно. Отпада и необходимостта от крайни изключватели. За целта са разработени и се предлагат различни видове контактни и безконтактни сензори за измерване на преместването (хода) на буталото.
Икономически изгодно техническо решение е потенциометричният тип сензори. Принципът им на работа се основава на променя в съпротивлението на резистор при изменение на дължината му. Основният елемент е подвижен контакт, което обяснява произтичащите проблеми – износване, кратък експлоатационен срок, приложимост за по-малки ходове (до 1000 mm) и др. Затова и повечето съвременни хидроцилиндри разполагат с вградени безконтактни сензори.
Индуктивните сензори функционират на основата на промяна в индуктивността на бобина при преместване на феромагнитната й сърцевина (котва). Използват се две конструктивни решения. По-елементарното е фиксирането на бобината от външната страна на цилиндъра и свързване на сърцевината с буталния прът. Това обаче увеличава радиалните габарити. Алтернативното решение включва монтиране на сензора вътре в хидроцилиндъра, като конструкцията се съобразява с действащото максимално работно налягане. Индуктивните сензори се използват за ходове до 2000 mm.
От друга страна, магнитострикционните сензори използват промяната на размерите и/или формата на феромагнитен материал при поставянето му в магнитно поле. Известно е, че когато такъв материал се деформира, той променя магнитните си свойства. Сензорите от този тип се отличават с много висока точност, дълъг експлоатационен срок, ходове до 7500 mm, възможността за поддръжка на различни изходни сигнали (цифров и аналогов). Като техни недостатъци могат да се посочат сравнително високата цена, по-сложният електронен модул и известно увеличение на осовия размер, характерно за определени конструкции.
За надежден и точен контрол на предпазни и заключващи устройства, както и други функции на цилиндрите в крайно положение се използват крайни превключватели. В съвременните хидроцилиндри те са безконтактни и най-често от индуктивен тип.
Захващане на хидроцилиндрите
Начинът на захващане оказва голямо влияние върху конструкцията, експлоатацията и експлоатационният срок на хидроцилиндрите. При еднакви други параметри се произвеждат и предлагат хидроцилиндри с различно присъединяване. Изборът се прави, като се отчетат конструктивните особености на машините, в които те се вграждат. В зависимост от начина на захващане, хидроцилиндрите могат да се разделят на два типа – твърдо и шарнирно закрепени.
Характеристики на твърдото закрепване
Осъществява се по различни начини, най-често използваните от които са:
l с фланец на предния или на задния капак (фиг. 2а) или по средата.
l с резба на предния капак.
l с лапи (планки), които са разположени най-често в основата на цилиндъра (фиг. 2б) или в равнина, преминаваща през централната ос на цилиндъра (фиг. 2в). Планките могат да са поставени в капаците или върху цилиндровата тръба. Също така се изпълняват като един детайл с капака или да са разглобяеми. При хидроцилиндри с правоъгълни капаци е възможно да не се използват. Тогава като основа за закрепването се използват самите капаци, в които са разпробити монтажните отвори.
При хидроцилиндри със стягащи шпилки закрепването може да се осъществи, като шпилките се удължат (фиг. 2г.). Удължението се реализира откъм предния или задния капак или и от двете страни. В някои приложения захващането на хидроцилиндъра се реализира чрез неподвижно закрепване на буталния прът.
Характерно за твърдото закрепване е праволинейното предаване на силата, като в процеса на работа централната ос на хидроцилиндъра остава неподвижна.
От механична гледна точка, най-доброто решение включва поемане на силата в равнина, преминаваща през централната ос на хидроцилиндъра. Осъществява се при закрепване с удължени шпилки, с фланци или лапи, в равнина през оста. В тези случаи монтажните болтове са подложени само на опън или на срязване.
Изборът на най-подходящото фланцово монтиране се определя в зависимост от това дали по време на работния ход, възникващата сила притиска фланеца към опорната повърхнина. Целта е да не се натоварват фиксиращите болтове.
Закрепването с удължени шпилки е евтин и елементарен вариант, но той не може да осигури достатъчно точно позициониране. Затова, когато задвижваният орган има твърдо фиксирано направление на движение, това закрепване не следва да се използва.
При закрепване с лапи в основата или отвори в капаците, силата не се поема в равнина, преминаваща през централната ос. Това е причина за възникване на въртящ момент, който се стреми да завърти хидроцилиндъра около монтажните болтове, както и да огъне капаците. Резултатът е допълнително натоварване на уплътненията и водещите пръстени на буталото и буталния прът. За да се избегне описаният проблем, ходът на цилиндъра трябва да е най-малко равен на вътрешния диаметър на цилиндровата тръба. Наред с това закрепването към основата следва да е достатъчно стабилно, както и да се спазват препоръките на производителя по отношение на моментите на затягане на монтажните болтове и тяхната якост. В приложения с ударни натоварвания хидроцилиндърът се осигурява срещу изместване с допълнителни средства, например щифтове, което води до по-добро центроване при монтаж и до намаляване на натоварването върху болтовете.
При твърдо фиксиране и на двата капака могат да възникнат проблеми, ако хидроцилиндрите са с голям ход, тъй като при високо работно налягане те не могат да се удължат свободно.
Шарнирното закрепване се осъществява по няколко различни начина:
l С ухо без лагер или ухо със сферичен лагер към задния капак (фиг. 2д). Вместо ухо може да се използва вилка.
l С цапфи (въртящи стави), които са разположени на предния или задния капак, или в междинно положение (най-често по средата), както е показано на фиг. 2е. Точното им положение следва да се специфицира при поръчката за доставка, тъй като впоследствие е много трудно или въобще невъзможно да се промени.
l Със сферична опора върху задния капак или на цилиндровата тръба.
Изброените шарнири могат да бъдат един общ елемент с капаците (цилиндровата тръба) или да са разглобяеми.
При шарнирното закрепване се предава сила в различни направления, като в процеса на работа на хидроцилиндъра, респективно на централната му ос, те се завъртат около фиксирана точка. Възможното движение се определя в зависимост от вида на шарнирите. Ако се използват цилиндрични стави, движението е само в една равнина. Шарнирното закрепване се използва, когато задвижваният товар се измества по дъга (фиг. 2ж). За поемане на несъосност, когато траекторията на задвижвания товар не лежи само в една равнина, в ухото се монтира сферичен самонагаждащ се лагер (фиг. 2з). Важно предимство на шарнирното закрепване е, че силата се поема по оста на цилиндъра. От гледна точка на монтажа, това е най-гъвкавият начин на закрепване.
Шарнирно закрепените цилиндри се използват и за опънови и за натискови приложения в широк диапазон от налягания. Изключение правят хидроцилиндри с голям ход, приложението на които за създаване на натискови усилия се ограничава от якостта на буталния прът. Използването на цапфи по средата на хидроцилиндъра е много добро решение за големи ходове, защото предлага възможност да се балансира собственото му тегло, а следователно и да се намали натоварването в цапфите.
Присъединяването на буталния прът
към задвижвания механизъм също се осъществява по различни начини. В зависимост от конкретното приложение се използват външна или вътрешна резба, присъединяване без резба, с ухо, без или със сферичен лагер, с вилка и др.
Практиката показва, че внимателният избор на подходящ начин за закрепване на хидроцилиндъра може да добави години към експлоатационния му срок, както и да елиминира за дълъг период пропуските през уплътнението на буталния прът.
Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю със специфициране на хидроцилиндрите.
Вижте още от Автоматизация
Новият брой 5/2024
