Гидравлический цилиндр

Гидравлический цилиндр — это объёмный гидравлический двигатель, преобразующий энергию потока рабочей жидкости (обычно минерального масла) в возвратно-поступательное движение выходного звена (штока или плунжера). Является основным исполнительным механизмом в гидроприводах различной техники и промышленного оборудования.

Принцип действия

Работа гидроцилиндра основана на законе Паскаля: давление, создаваемое в любой точке замкнутой системы, передаётся одинаково во всех направлениях. В цилиндр подаётся жидкость под давлением, которая воздействует на поршень, создавая усилие, пропорциональное площади поршня и давлению. Перемещение поршня приводит в движение соединённый с ним шток, который совершает полезную работу.

Направление движения штока изменяется путём подачи жидкости в разные полости цилиндра (поршневую или штоковую). Для этого в гидросистеме используется распределитель, управляемый вручную, электрически или гидравлически.

Устройство и основные элементы

Конструкция типового гидроцилиндра включает следующие основные части:

• Гильза (цилиндр) — корпус, внутри которого перемещается поршень. Изготавливается из высокопрочной стали, внутренняя поверхность тщательно обрабатывается (хонингуется) для снижения трения и герметизации.
• Поршень — подвижный элемент, разделяющий внутреннюю полость цилиндра на две камеры. На поршне устанавливаются уплотнительные кольца (манжеты) для предотвращения перетечек жидкости между полостями.
• Шток — жёсткий стержень, соединённый с поршнем и выходящий наружу через переднюю крышку. Передаёт усилие от поршня к рабочему органу. Для защиты от коррозии и износа шток хромируется или азотируется.
• Крышки (головки) — передняя (штоковая) и задняя (донная) крышки, герметично закрывающие гильзу. В передней крышке установлены уплотнения штока и сальники, а также грязесъёмник для очистки штока от пыли и грязи.
• Уплотнения — резиновые, полиуретановые или фторопластовые элементы (манжеты, кольца, сальники), обеспечивающие герметичность подвижных и неподвижных соединений.
• Проушины или фланцы — элементы крепления цилиндра к корпусу машины и штока к рабочему органу. Проушины часто оснащаются шарнирными подшипниками для компенсации перекосов при работе.

Классификация

Гидроцилиндры классифицируются по нескольким признакам.

По конструкции

• Поршневые одностороннего действия. Рабочий ход (выдвижение штока) осуществляется под давлением жидкости, а обратный ход — под действием внешней силы (например, пружины, веса груза). Используются в домкратах, подъёмниках, прессах.
• Поршневые двустороннего действия. Самый распространённый тип. Рабочий ход в обе стороны (выдвижение и втягивание штока) осуществляется под давлением жидкости, поочерёдно подаваемой в поршневую и штоковую полости. Применяются в экскаваторах, тракторах, станках.
• Плунжерные (телескопические). Состоят из нескольких вложенных друг в друга секций (ступеней), которые выдвигаются последовательно. Обеспечивают большой ход штока при малой длине в сложенном состоянии. Используются в самосвалах, автокранах, подъёмных платформах.

По способу крепления

• С креплением на проушинах (на пальцах) — допускают качание цилиндра.
• С креплением на фланцах — жёсткое крепление.
• С креплением на лапах (цапфах) — крепление к корпусу машины.

По номинальному давлению

• Низкого давления (до 10 МПа).
• Среднего давления (10–20 МПа).
• Высокого давления (свыше 20 МПа, часто до 35–40 МПа).

Основные параметры и характеристики

Ключевыми параметрами гидроцилиндра являются:

• Диаметр поршня (D) — определяет площадь поршня и, следовательно, развиваемое усилие.
• Диаметр штока (d) — влияет на прочность штока на продольный изгиб и на скорость движения при втягивании.
• Ход поршня (L) — максимальное расстояние, на которое может переместиться шток.
• Рабочее давление (P) — максимальное давление жидкости, при котором цилиндр может работать длительно.
• Усилие на штоке (F) — рассчитывается по формуле: F = P * S, где S — эффективная площадь поршня (для выдвижения — площадь поршня, для втягивания — площадь поршня минус площадь штока).
• Скорость движения штока (V) — зависит от расхода жидкости (Q) и эффективной площади поршня: V = Q / S.

Применение

Гидроцилиндры являются ключевым компонентом гидравлических систем в самых разных отраслях:

• Строительная и дорожная техника: экскаваторы, бульдозеры, погрузчики, автокраны, самосвалы, асфальтоукладчики. Обеспечивают подъём, опускание, поворот, наклон ковша, стрелы и других рабочих органов.
• Сельскохозяйственная техника: тракторы, комбайны, плуги, сеялки, пресс-подборщики. Используются для управления навесным оборудованием, подъёма кузова, изменения положения рабочих органов.
• Промышленное оборудование: металлорежущие станки, прессы, литьевые машины, роботы-манипуляторы, подъёмники, конвейеры.
• Транспорт: гидроцилиндры используются в системах подвески, рулевого управления, тормозных системах, механизмах опрокидывания кузовов грузовиков и прицепов.
• Авиация и космонавтика: для выпуска и уборки шасси, управления рулями, створками грузовых люков.
• Судостроение: для управления рулями, открытия и закрытия люков, работы кранов и лебёдок.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая удельная мощность (большое усилие при малых габаритах).
• Плавность и точность хода (возможность регулирования скорости).
• Возможность фиксации штока в любом промежуточном положении (за счёт гидрозамков).
• Надёжность и долговечность при правильной эксплуатации.
• Простота конструкции и обслуживания.

Недостатки

• Необходимость в источнике гидравлической энергии (насос, гидробак, фильтры, клапаны).
• Возможность утечек рабочей жидкости (особенно при износе уплотнений).
• Чувствительность к загрязнению рабочей жидкости.
• Зависимость вязкости рабочей жидкости от температуры окружающей среды.
• Более высокая стоимость по сравнению с пневмоцилиндрами аналогичного размера.

История

Первые прообразы гидравлических цилиндров появились в конце XVIII века. В 1795 году английский инженер Джозеф Брама (Joseph Bramah) запатентовал гидравлический пресс, в котором использовался плунжерный цилиндр. В XIX веке гидроцилиндры начали применяться в подъёмных механизмах, домкратах и прессах. Широкое распространение гидроцилиндры получили в XX веке с развитием гидравлических систем в промышленности и на транспорте. В СССР и России гидроцилиндры серийно выпускались для тракторов, экскаваторов и других машин (например, цилиндры для тракторов «Беларусь», «Кировец», для экскаваторов ЭО-2621, ЭО-3322). Современные гидроцилиндры изготавливаются с использованием высокопрочных сталей, износостойких уплотнений и точных методов обработки.

Источники

• Башта Т. М. «Гидравлика, гидромашины и гидроприводы». — М.: Машиностроение, 1982.
• Лепешкин А. В., Михайлов А. А. «Гидравлические и пневматические системы». — М.: Академия, 2005.
• ГОСТ 16514-96 «Цилиндры гидравлические. Общие технические условия».
• Схиртладзе А. Г., Иванов В. И., Кареев В. Н. «Гидравлические и пневматические системы». — М.: Высшая школа, 2006.