Хидродвигатели за линейно-възвратно движение

Хидродвигателите за линейно-възвратно движение представляват обемни двигатели с линейно-възвратно движение на изходното звено спрямо тялото. Работният процес при хидравличните цилиндри се основава на преобразуването на потенциалната енергия на работната течност в механична енергия на възвратно-постъпателното движение на работния орган. Отличават се със сравнително проста и надеждна конструкция, изградена от следните основни елементи: цилиндрова тръба, бутало, бутален прът, затварящ капак, уплътнителен капак с водеща втулка, уплътнения и почистващ пръстен.

Хидравличните цилиндри се класифицират на основата на следните критерии:

• според принципа на действие се определят основно като: еднодействащи - движението в едната посока на работния ход се управлява по хидравличен път, а обратният ход се осъществява под действието на външна сила (пружина, тежест или еднодействащ цилиндър), и двойнодействащи – и двата хода се извършват по хидравличен път;
• според вида на работния орган хидравличните цилиндри се класифицират като бутални, плунжерни и мембранни;
• в зависимост от предназначението - за главно движение, за спомагателно движение, за подаване, за затягане и др.;
• според вида на неподвижния детайл в конструкцията се определят като цилиндри с неподвижно тяло или с неподвижен работен орган.

Изборът на начин за закрепване на хидравличните цилиндри зависи от конструктивните особености на съответните машини, в които двигателите се вграждат.

Оразмеряване на хидравличните цилиндри

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 определя големината на триещата сила в хидравличните цилиндри. Силата на триене зависи също и от скоростта на движение и налягането.

Изменение на силата на триене в зависимост от скоростта на движение. 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. 

При малки скорости 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 критичната 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.

Основни конструктивни и работни параметри

При хидравличните цилиндри това са вътрешен диаметър, ход на буталото, скорост на движение на буталото, усилие на буталния прът, мощност на цилиндъра, дебит, налягане и коефициент на полезно действие.

Скоростта на движение на буталото на хидравличните цилиндри зависи от големината на дебита, подвеждан в съответната камера на цилиндъра:

• 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. В зависимост от конструктивното изпълнение на цилиндъра, зависимостта, по която се изчислява, се доразвива.

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.S1p2.S2)(Qд/S1), където

• S1 е ефективното сечение на нагнетателната област;
• S2 e ефективното сечение на буталото във връщащата област;
• Qд е подведеният дебит;
• p1 и p2 са 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.

Коефициентът на полезно действие на един хидроцилиндър се определя основно от хидромеханичния КПД, тъй като обемният КПД е пренебрежимо малък поради незначителните обемни загуби. КПД на един хидроцилиндър се определя основно 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 e ефективното сечение на буталото във връщащата област;
• 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.

При проектиране на хидравлични системи се препоръчва 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.

Преходни процеси на тръгване и спиране на хидравлични цилиндри

В случай на рязко спиране на задвижваната от хидравличния цилиндър маса се генерират ударни натоварвания, при които могат да се разрушат или скъсат тръбопроводите на двигателя. Допустимата скорост на движение зависи от големината на кинетичната енергия. При движение с големи скорости е необходимо в преходните процеси на тръгване и спиране ускорението на задвижваните маси да не превишава определени стойности.

Ускорението при тръгване зависи от задвижващата и съпротивителната сила в началния момент, когато противоналягането е с нулева стойност, както и от масата на подвижните части. При много голяма максимална задвижваща сила е възможно да се намали ускорението на тръгване чрез постепенно отваряне на управляващия разпределител при превключването му и съответно забавяне на скоростта на нарастване на налягането в цилиндъра.

Плавно спиране в края на хода на цилиндъра се реализира с помощта на демпфериращи устройства (демпфери), вградени в конструкцията.

Източник: TLL Media; Снимки: Dreamstime

Ключови думи: Хидродвигатели   линейно-възвратно движение   хидравличницилиндри  

Област: Машиностроене