Специфициране на хидравлични цилиндри
Начало > Машини > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 4, 2009
Изисквания и основни критерии
В няколко броя на сп. Инженеринг ревю обърнахме специално внимание на видовете хидравлични цилиндри, конструктивното изпълнение и областите им на приложение. Спряхме се и на начина на захващането им. В настоящата статия продължаваме темата с основните критерии за специфицирането на хидравличните цилиндри.
Базовите характеристики на хидроцилиндрите, които следва да бъдат внимателно обмислени и определени, са:
l вид, конструктивно изпълнение и начин на захващане;
l максимално работно налягане;
l диаметър на цилиндъра;
l диаметър на буталния прът;
l ход на хидроцилиндъра.
Максималното работно налягане
(р) се дефинира като налягането, което може да издържи хидроцилиндърът, без нарушение на работоспособността му за неограничен период от време. Като синоним на термина се използва и номинално налягане.
При избора на максимално работно налягане е добре да се има предвид, че при ниско налягане КПД има малка стойност, тъй като съотношението на силата на триене спрямо полезната сила е голямо. Освен това с увеличаване на номиналното налягане, при еднакви силови характеристики се намаляват размерите, а следователно и теглото. Това са причините, тенденцията в хидрозадвижванията да се изразява в преминаване към все по-високи номинални налягания, което е за сметка на по-високата цена.
С цел унификация, отделните фирми систематизират произвежданите от тях хидроцилиндри в малък брой групи, по отношение на номиналното налягане. Някои от водещите производители използват следното групиране (в bar): 160/250; 70/140/210; 63/160/250/350; 160/250/320; 160/250/320 и 200/250. Видно е, че като цяло се формират три групи серийно произвеждани хидроцилиндри:
l ниско налягане 63/70 bar;
l средно налягане 160/200/250 bar;
l високо налягане 320/350 bar.
По заявка могат да се произведат и хидроцилиндри за по-високи налягания, например 700 bar.
За диаметър на бутален хидроцилиндър
(D) се приема вътрешният диаметър на цилиндровата тръба. Той определя технологичната и експлоатационната характеристика на хидроцилиндъра. Прегледът на производствените програми на фирми производителки показва, че редът от диаметри е почти унифициран. Би могъл да се обобщи като 25, 32, 40, 50, 63, 70, 80, 90, 100, 125 (120), 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280 и 320 mm. Цилиндри с по-голям диаметър се изработват по поръчка.
Докато диаметърът на буталото определя усилието при хода му напред (за хидроцилиндри с едностранен бутален прът), то
диаметърът на буталния прът
(d) определя усилието при обратния ход. Освен това отношението j на лицето на буталото към лицето на отвора откъм страната на буталния прът определя отношението на скоростите при двата хода. Диаметърът на пръта е основен фактор, влияещ върху якостта и най-вече върху устойчивостта срещу изкълчване (фигура 1). По тези причини, за един диаметър на буталото се предлагат хидроцилиндри с различни диаметри на буталния прът, като отношението j най-често е 1.25, 1.6 или 2. Хидроцилиндрите с най-малък диаметър на буталния прът са подходящи в случаите, когато усилията са на опън. При приложения на натиск, когато има условия за изкълчване, минималният диаметър се определя от редица фактори, влияещи върху устойчивостта. Сред тях са начин на монтаж и захващане, начин на присъединяване на буталния прът, дължина на хода и силово натоварване. Поради важността на проблема, реномираните производители дават в техническия паспорт на цилиндъра и методики, и всички необходими сведения за якостна проверка на пръта по отношение на изкълчване. На фигура 2 е показано конструктивно решение със спиращата втулка към буталото, която е с дължина L. Благодарение на нея, когато цилиндърът е в крайно положение, т.е. буталният прът е максимално изтеглен навън, се увеличава разстоянието между буталото и водещата втулка в уплътнителния капак, където е лагеруването на буталния прът. Увеличаването на това разстояние подобрява устойчивостта на буталния прът срещу изкълчване и намалява натоварването върху опорната повърхнина в капака.
За диаметър на плунжерен хидроцилиндър (D) е приет диаметърът на плунжера, тъй като той е определящият.
Ходът на буталния хидроцилиндър
(S) се задава от потребителя при поръчка на изделието, в зависимост от конкретното приложение. Във фирмените каталози най-често се дава само максимално възможния ход. Разликата в хода се отразява само на два детайла – цилиндровата тръба и буталния прът, затова тенденция е производителите да не държат в наличност готови хидроцилиндри. Въпреки това, съществуват няколко ISO стандарта, които дават препоръчителни стойности на хода, в зависимост от диаметъра на цилиндъра. Сред най-лесните и елементарни оценки на максималния ход е той да не надхвърля 10 пъти диаметъра, т. е. SЈ10D. Условието важи за налягания до 200 bar.
Телескопичните цилиндри
особено двойнодействащите, са много по-сложни като конструкция и технология на изработка. По тази причина, производителите са разработили и усвоили в производство определени типоразмери цилиндри, с точно фиксиран ход. Разбира се, при необходимост може да бъде произведен хидроцилиндър и по спецификация на клиента. Обикновено стъпалата са от 2 до 5 (6). По-голям брой стъпала създава проблеми с устойчивостта в крайно разтегнато положение. Ходът е до 9-10 m, но при заявка могат да се произведат и цилиндри с ход 15-20 m. Важна характеристика на телескопичните цилиндри е товароподемността, която нормално е в границите 5-50 t. Захващането най-често е шарнирно, за да се осигури добро напасване спрямо посоката на действие на товара.
Телескопичните цилиндри следва да се използват по начин, който изключва страничните натоварвания, водещи до бързо износване и съкращаване на експлоатационния им живот. Те трябва да се използват само като устройства, създаващи сили и никога като стабилизиращи елементи в конструкцията. Образно казано, те са мускулите, но не и костите на една машина. В стандартните конструкции телескопични цилиндри, скоростта и създаваното усилие са променливи за различните стъпала, но се предлагат и модели с постоянна скорост и усилие.
Хидроцилиндрите с рейка и бутало, наричани още рейкови хидроцилиндри
са най-разпространеният и масово произвеждан вид на завъртащ хидроцилиндър. Серийно се произвеждат с фиксиран ъгъл на завъртане, най-често 90°, 180°, 270° и 360°. При заявка могат да се произведат с произволен ъгъл, достигащ до 1800°. Въртящият момент, който създават, може да достига до 70 000 Nm. Големи въртящи моменти се постигат чрез използване на сдвоен цилиндър (фигура 3). Съществуват конструкции, при които ъгълът на завъртане може да се настройва от потребителя, като чрез специален винт се ограничава ходът на буталото. Тази допълнителна настройка е в границите до 30° от конструктивния ъгъл на завъртане.
Плунжерните хидроцилиндри се използват предимно в подемни уредби, затова често се специфицират по максимална товароподемност. Серийно се произвеждат хидравлични крикове до 100 t.
Хидроцилиндри за вода
Водната хидравлика е сравнително нов и много перспективен клон на хидрозадвижванията. В някои случаи използването на вода като работен флуид е наложително и икономически по-изгодно. Сред причините за това са намалената пожарна опасност, понижените експлоатационни разходи, замяната на скъпите работни течности в приложения с големи обеми, по-малката вероятност от замърсяване на околната среда и продукцията и др. Темата е обширна и изисква отделно разглеждане. В статията само ще споменем, че редица фирми предлагат модели и цели серии хидроцилиндри, подходящи за работа с вода.
Основната им разлика с конвенционалните хидроцилиндри са използваните материали с цел защита от корозия. Най-често буталният прът е от неръждаема стомана, цилиндровата тръба е медна или стоманена с покритие от хром. Останалите вътрешни повърхности имат покритие от цинк или кадмий. По-добра защита, но и на по-висока цена на крайното изделие са характерни за моделите с никелово покритие. Произвеждат се и хидроцилиндри, изпълнени изцяло от неръждаема стомана, но поради високата им цена приложната им област не е голяма. В областта вече се използват и нови материали – керамики, полимери и др. Освен корозията други технически предизвикателства пред хидроцилиндрите за вода са по-малката смазваща способност на водата и по-ниският вискозитет, налагащ по-малки хлабини, за да се ограничат вътрешните и външните утечки.
Оценка на основните параметри на хидроцилиндър
Съществуват елементарни зависимости, позволяващи бърза оценка на основните параметри на един хидроцилиндър. Например нека разгледаме най-често срещания хидроцилиндър – бутален, двойнодействащ, с едностранен прът. Този пример е и най-универсален, защото съдържа останалите като частни случаи. Основните величини и означения могат да се видят на фигура 4. Пренебрегват се инерционните сили при тръгване и спиране на буталото, при ускорителното му движение. Развиваната от хидроцилиндъра сила се изразява чрез наляганията p1 и p2 и ефективните площи A1 и A2, от двете страни на буталото. При движение на буталото навън (излизане на буталния прът) е в сила зависимостта: F1 = [p/4(D2 p1) - p/4(D2 –d2)p2]hm (1a). Във формулата с hm е означен механичният КПД, който отчита силите на триене в хидроцилиндъра. Стойността му се приема в границите 0.85 - 0.95, като по-големите стойности се отнасят за по-високите работни налягания. Видно е, че противоналягането p2 в изходната линия на хидроцилиндъра намалява развиваната сила. Това налягане може да се дължи на наличието на филтри, различни клапани, охладители и др. При малки хидравлични загуби в сливния тръбопровод и малки загуби от триене е в сила зависимостта: F1 » p/4(D2 p1) (1б). При обратния ход на буталото на цилиндъра се получава:
F2 = [p/4(D2 - d2)p1 - p/4(D2 p2 )]hm (2a)
или F2 » p/4(D2 – d2)p1 (2б). За да се получи силата в нютони (N), наляганията трябва да се заместят в паскали Pa, а диаметрите - в метри (m).
Скоростите на буталото зависят от площите - A1 и A2, и подавания към хидроцилиндъра дебит q. Характерни за двата хода са зависимостите: u1 = q/A1 = 4q/ pD2 (3) и u2 = q/A2 = 4q/ p(D2 –d2) (4). За да са в m/s скоростите, дебитът се замества в m3/s. Видно е, че при обратния ход, скоростта на движение е по-голяма.
Ако са необходими
еднакви скорости на движение в двете посоки
са възможни две решения – използване на хидроцилиндър с двустранен бутален прът или т. нар. диференциално свързване на хидроцилиндър с едностранен бутален прът. Посредством подходящи управляващи елементи (хидравлични разпределители) за осъществяване на хода напред се реализира показаното на фиг. 5. При него се съединяват областите на буталото и буталния прът. Налягането от двете страни се изравнява, но тъй като площта на буталото A1 е по-голяма от площта на прътовата област A2, започва движение напред. Течността от прътовата област не се отвежда към сливния тръбопровод, както е при обикновеното свързване, а се подава пред буталото. По този начин постъпващият дебит е по-голям от дебита на помпата. Следователно се увеличава скоростта на движение на буталото. Ако площта на буталния прът е равна на половината от площта на буталото, скоростите на движение в двете посоки ще са еднакви. При диференциално свързване за силата и скоростта на движение в права посока е в сила: F3 = p/4(d2p1hm) (5) и u3 = 4q/ pd2 (6).
На фигура 6 е показан и друг възможен начин на свързване. Чрез подходящ разпределител областите на буталото и буталния прът се съединяват и свързват към резервоара. Така задвижваният работен орган може да се движи свободно и в двете посоки.
Полезната мощност се изчислява за всеки ход
За целта се използва или дебитът и налягането, или силата и скоростта. Пресмята се по зависимостта: Pi = Fiui = qpi (7). Мощността се получава във ватове (W), ако скоростта и силата се заместят съответно в m/s и N, а дебитът и налягането в m3/s и Pa. Действително консумираната мощност е по-голяма, защото трябва да се отчетат хидравличните загуби в системата и механичните загуби от триене в хидроцилиндъра.
Отношението j на скоростите в двете посоки е j = u2 / u1 = D2/(D2 –d2) (8).
При хидроцилиндрите с двустранен бутален прът, най-често последният има еднакви диаметри от двете страни. В този случай силите и скоростите в двете посоки са еднакви. Силата се изчислява по изразите: F = p/4(D2 –d2)(p1 - p2 )hm (9) и F » р/4(D2 –d2)p1 (9а), а скоростта според зависимост (4).
Плунжерните цилиндри са с едностранно действие, като обратният ход се извършва под външно въздействие. Силата и скоростта в права посока се изчисляват по (1б) и (3), като D е диаметърът на плунжера, а не на цилиндровата тръба. При необходимост от двустранно действие, трябва да се използва двойка плунжерни цилиндри с подходящо управление – фигура 7.
Уравненията се прилагат по различен начин, в зависимост от зададените и търсените величини. Например, ако се разполага с наличен хидроцилиндър, т. е. известни са размерите D и d, при зададена максимална необходима сила F се определя работното налягане p. То диктува избора на останалите елементи на системата – хидравлични разпределители, клапани, тръбопроводи, филтри и др. Ако хидравличната система съществува, т. е. известно е максималното налягане p, при зададена необходима сила F, се определя диаметърът D на хидроцилиндъра. Ако са известни размерите на хидроцилиндъра и работното налягане, се определя максималната сила, която ще се създава.
При известни размери на хидроцилиндъра и зададена скорост на движение на буталото, по (3) или (4) се определя дебитът, необходим за избор на захранваща помпа. В съществуваща хидравлични система, на базата на същите уравнения, от дебита на помпата и размерите на хидроцилиндъра се определя скоростта на движение на буталото.
Вижте още от Машини
Новият брой 5/2024
