Гидроприводы поступательного движения

В таких гидроприводах в качестве гидродвигателя применяется гидроцилиндр. Выходное звено гидроцилиндра, которым может быть как шток, так и корпус, непосредственно соединяется с рабочим органом машины, совершающим возвратно-поступательные перемещения. Это позволяет исключить какие-либо редукторы и преобразователи движений.

Рис. 3.5. Конструктивные схемы исполнения гидроцилиндров

В зависимости от конструктивной схемы исполнения различают следующие виды гидроцилиндров. Поршневые гидроцилиндры (рис. 3.5, а, б) имеют рабочую камеру, образованную корпусом и поршнем со штоком. Поршень разделяет рабочую камеру на две полости (поршневую и штоковую). Перемещение штока с поршнем происходит под действием рабочей жидкости, поступающей в соответствующую полость гидроцилиндра. Если на объекте управления будет закреплен неподвижно шток, то перемещение совершает корпус. Поршневой гидроцилиндр может быть выполнен с односторонним (рис. 3.5, а) или двухсторонним (рис. 3.5, б) штоком. При одном и том же подводимом расходе рабочей жидкости скорость перемещения выходного звена у гидроцилиндра с двухсторонним штоком будет одинаковой в двух направлениях. Если технологический цикл машины требует перемещения рабочего органа с различной скоростью в каждом направлении, применяется гидроцилиндр с односторонним штоком, который более прост в изготовлении и имеет меньшие габариты в машине.

Плунжерный гидроцилиндр (рис. 3.5, в) имеет одну полость, образованную корпусом и плунжером. Рабочая жидкость перемещает плунжер только в одном направлении. Такие гидроцилиндры очень просты, не требуют обеспечения соосности уплотнительных поверхностей корпуса и поршня со штоком. Они применяются там, где возврат плунжера в исходное положение может быть осуществлен самой нагрузкой.

Перечисленные выше гидроцилиндры являются одноступенчатыми. Применяются также телескопические гидроцилиндры (рис. 3.5, г). Они имеют несколько рабочих звеньев и полный ход выходного звена равен сумме ходов всех рабочих звеньев. Благодаря этому длина корпуса гидроцилиндра в несколько раз (в зависимости от числа ступеней) меньше суммарного хода выходного звена, что обеспечивает его компактность. Телескопические цилиндры нашли широкое применение в грузоподъемных машинах и механизмах.

Различают также гидроцилиндры одностороннего и двухстороннего действия. В гидроцилиндрах одностороннего действия перемещение выходного звена под действием рабочей жидкости осуществляется только в одном направлении, например под действием нагрузки (рис. 3.5, в) или пружины (рис. 3.5, д). Применение таких гидроцилиндров упрощает гидравлическую схему и позволяет в некоторых случаях повысить надежность работы машины в целом по сравнению с гидроцилиндрами двухстороннего действия (рис. 3.5, а, б, г].

Принципиальные гидравлические схемы гидроприводов поступательного движения с цилиндрами двухстороннего и одностороннего действия показаны на рис. 3.6. Устройства, входящие в состав привода, имеют те же функциональные назначения, что и в гидроприводе с гидромотором (см. рис. 3.3).

Скорость движения выходного звена гидроцилиндра равна

, (3.8)

где — рабочая площадь гидроцилиндра, определяемая в зависимости от того, в какую полость подводится рабочая жидкость,

При разработке конструкции гидроцилиндров важнейшей задачей является обеспечение отсутствия наружных утечек рабочей жидкости по штоку или плунжеру и сведение к минимуму внутренних перетечек при достаточной долговечности уплотнений и минимальных силах трения. Поэтому объемный КПД гидроцилиндра можно принимать равным единице.

Жесткость нагрузочной характеристики привода будет определяться только утечками в насосе, и, следовательно, будет примерно вдвое выше, чем в гидроприводе с гидромотором.

Теоретическое усилие, развиваемое гидроцилиндром, определяется выражением, записанным в статическом режиме работы и с учетом принятых ранее допущений:

(3.9)

С учетом механических потерь в гидроцилиндре наибольшее усилие, которое может преодолеть гидроцилиндр, составляет

Механический КПД цилиндра достаточно высок и составляет = 0,9 — 0,98 [13]. Он определяется в основном потерями на трение в уплотнениях поршней и штоков (плунжеров).

Мощность, развиваемая гидроцилиндром, связана с мощностью на приводном валу насоса соотношением

(3.10)

Следовательно, применение гидроцилиндра в качестве исполнительного двигателя делает привод более экономичным, не говоря уже об исключительной простоте конструкции гидроцилиндра и меньшей его стоимости по сравнению с гидромотором.

В телескопических цилиндрах может обеспечиваться последовательное и одновременное выдвижение ступеней, что определяет величину и характер изменения скорости выходного звена.

Рис. 3.6. Принципиальные схемы гидроприводов поступательного движения

Гидроцилиндр с последовательным выдвижением ступеней показан на рис. 3.7, а. При подаче рабочей жидкости в поршневую полость А вначале перемещается шток 2 вместе со штоком 3 относительно корпуса, так как рабочая площадь цилиндра в этом случае максимальна. Движение происходит до тех пор, пока шток 2 не дойдет до упора. Скорость перемещения в этот момент составляет.

(3.11)

Затем будет перемещаться шток 3 относительно неподвижных корпуса и штока 2 со скоростью

(3.12)

Давления, необходимые для преодоления внешней нагрузки R, соответственно будут составлять

и (3.13)

Существенным недостатком такого гидроцилиндра является ступенчатое изменение скорости и давления в процессе перемещения выходного звена (рис. 3.7, б). Это приводит к толчкам в работе грузоподъемного устройства и ограничивает возможность повышения скорости.

Рис. 3.7. Телескопический гидроцилиндр с последовательным выдвижением ступеней

Рис. 3.8. Телескопический гидроцилиндр с одновременным выдвижением ступеней

Этот недостаток устранен в телескопическом гидроцилиндре с одновременным выдвижением ступеней (рис. 3.8, а). При подаче рабочей жидкости от насоса в полость А, шток 2 перемещается вправо со скоростью

вытесняя из полости Б в полость В жидкость с расходом. Этот расход заставляет перемещаться шток 3 относительно штока 2 со скоростью

Скорость движения выходного звена — штока 3 — относительно корпуса 1 будет равна

где F₁, F₂, F₃ — рабочие площади полостей А, Б и В. Учитывая малость толщины стенки между полостями Б и В можно положить, что F₁ = F₂ + F₃. Тогда выражение (3.14) примет вид

Обратный клапан служит для заполнения гидроцилиндра жидкостью до начала работы. При подаче рабочей жидкости в правую гидролинию шток 5, смещаясь влево, вытесняет жидкость из камеры В в камеру Б, перемещая при этом шток 2.

Давление, необходимое для преодоления нагрузки выходным звеном, равно р₁ =R/F₃. Из условия равновесия штока 2, записанного с учетом отмеченного выше допущения

следует, что

(3.15)

Таким образом, преимуществом этого типа телескопического гидроцилиндра является постоянство скорости (рис. 3.8, в) выходного звена в процессе всего рабочего хода Н. Однако для преодоления одной и той же нагрузки необходимо более высокое давление, так как оно определяется площадью F₃, которая обычно меньше F₁ и F₂ .

В гидроприводах поступательного движения часто применяется дифференциальная схема подключения гидроцилиндра к насосу (рис. 3.9), В этом случае используется одноштоковый гидроцилиндр Ц, а направляющий распределитель Р имеет позицию а, в которой напорная линия соединена с двумя выходными линиями.

В позиции а расход рабочей жидкости, поступающей к гидроцилиндру равен

где F — рабочая площадь поршневой полости гидроцилиндра; m = F₁/F — отношение рабочих площадей гидроцилиндра; F₁ — рабочая площадь штоковой полости.

Тогда скорость движения поршня гидроцилиндра вправо составит

откуда

Рис. 3.9. Принципиальная схема гидропривода с дифференциальной схемой подключения гидроцилиндра

Следовательно, дифференциальная схема подключения гидроцилиндра позволяет увеличить скорость движения поршня по сравнению с обычной схемой (рис. 3.6, а) в 1/(1—m) раз при одинаковой подаче насоса.

Усилие, развиваемое штоком гидроцилиндра, в этом случае равно

(3.17)

что в (1—m) раз меньше по сравнению с обычной схемой подключения гидроцилиндра. В связи с этим нельзя использовать гидроцилиндры с большим соотношением площадей F₁ и F₂, так как силовые возможности гидроцилиндра уменьшаются, и их может не хватить для преодоления даже сил трения. Поэтому обычно берут m_max = 0,4 — 0,6.

Применение гидроцилиндров для осуществления поступательных движений на большие расстояния имеет ряд недостатков. К ним относятся потери качества в динамике из-за увеличения сжимаемого столба рабочей жидкости, сложность изготовления корпуса гидроцилиндра и малая продольная жесткость штока. Поэтому обычно при перемещениях более 1,5 — З м применяют гидромоторы (рис. 3.10), вал которых соединяется с рабочим органом через понижающий редуктор и передачу типа «винт—гайка».

Рис. 3.10. Схема применения гидромотора для поступательных движений

Теоретическая скорость движения рабочего органа V при этом определяется из соотношения

(3.18)

а теоретическое усилие, развиваемое гидроприводом, R из соотношения

(3.19)

где t_ХВ — шаг ходового винта; i_Р — передаточное отношение редуктора.

При использовании гидромотора для поступательных движений по схеме рис. 3.10 надо учитывать и имеющие при этом место недостатки. Так, увеличиваются механические потери, образуется зона нечувствительности за счет зазоров в соединениях. Для повышения чувствительности такого привода вместо ходового винта применяют шариковые винты [15].