Как работает гидравлический цилиндр? Пошаговое объяснение

А гидравлический цилиндр Работает путем преобразования гидравлической жидкости под давлением в линейную механическую силу и движение: насос создает давление в жидкости, жидкость поступает в герметичную камеру цилиндра, давление воздействует на поверхность поршня, а шток поршня выдвигается или втягивается для перемещения груза. Основным принципом является закон Паскаля: давление, приложенное к замкнутой жидкости, передается одинаково во всех направлениях, что позволяет небольшому насосу создавать огромную силу в цилиндре. Компактный гидравлический цилиндр с диаметром отверстия 4 дюйма может производить более 50 000 фунтов толкающей силы при давлении в системе 4000 фунтов на квадратный дюйм. В этом руководстве подробно объясняется каждый этап этого процесса: от подачи жидкости в цилиндр до завершения хода поршня.

Физика гидравлических цилиндров: закон Паскаля

Каждый гидравлический цилиндр работает по закону Паскаля, сформулированному Блезом Паскалем в 1647 году: Давление, приложенное к заключенной жидкости, передается без уменьшения каждой части жидкости и стенкам сосуда. На практике это означает, что давление, создаваемое насосом, действует с одинаковой интенсивностью по всей площади поверхности поршня внутри цилиндра.

Сила, создаваемая цилиндром, рассчитывается по простой формуле:

Сила (фунт-сила) = Давление (фунты на квадратный дюйм) × Площадь поршня (²²)

Например, цилиндр с диаметром отверстия 3 дюйма (площадь поршня = π × 1,5² ≈ 7,07 дюйма²) при давлении в системе 2000 фунтов на квадратный дюйм дает: 2000 × 7,07 = Толкающая сила 14 140 фунтов (приблизительно 6,4 метрических тонны) . Удвоение диаметра отверстия до 6 дюймов увеличивает площадь поршня в четыре раза и, следовательно, выходное усилие, поэтому диаметр отверстия является наиболее важной характеристикой при выборе гидравлического цилиндра для данной нагрузки.

Основные компоненты гидравлического цилиндра

Прежде чем приступить к рассмотрению рабочей последовательности, важно понять, что делает каждая часть. Каждый стандартный гидроцилиндр двойного действия содержит следующие компоненты.

• Цилиндрический ствол (трубка): Основной цилиндрический корпус, в котором находится и направляется поршень. Изготовлены из прецизионных стальных трубок, обычно с шероховатостью внутренней поверхности Ra 0,2–0,4 мкм для минимизации износа уплотнений и обеспечения плавного хода поршня.
• Поршень: А disc-shaped component that divides the cylinder barrel into two sealed chambers (cap-end and rod-end). The piston transmits fluid pressure into linear force and carries the primary pressure seals that prevent fluid from bypassing between chambers.
• Поршневой шток: А high-strength steel rod (typically chrome-plated and hardened to 55–65 HRC surface hardness) attached to the piston that extends out through the rod-end cap to transmit force to the external load.
• Концевой (слепой) порт: Впуск/выпуск гидравлической жидкости на закрытом конце цилиндра. Подача давления в этот порт подталкивает поршень к концу штока, выдвигая шток поршня.
• Порт конца стержня: Вход/выход гидравлической жидкости на штоковой стороне цилиндра. Подача давления в этот порт подталкивает поршень к концу крышки, втягивая шток поршня.
• Торцевые заглушки (головка и крышка): Стальные торцевые затворы, которые герметизируют оба конца ствола и содержат соединения портов. Крышка штокового конца (головка) также содержит уплотнения штока и грязесъемное уплотнение.
• Уплотнения: Уплотнения поршня предотвращают межкамерные утечки; уплотнения штока предотвращают внешнюю утечку жидкости вокруг штока; Грязевые уплотнения удаляют загрязнения с поверхности штока при его втягивании. Неисправность уплотнения является наиболее распространенной причиной неисправности гидроцилиндра.
• Подушки (по желанию): Внутренние устройства замедления ближе к концу хода, которые улавливают небольшой объем жидкости, замедляя поршень до того, как он коснется торцевой крышки, предотвращая повреждение металла от удара о металл на высоких скоростях.

Как работает гидроцилиндр: шаг за шагом

Следующая последовательность описывает полный цикл выдвижения и втягивания стандартного гидравлического цилиндра двойного действия, который является наиболее распространенным типом, используемым в промышленном и мобильном оборудовании.

Шаг 1. Гидравлический насос создает давление

Гидравлический насос — шестеренчатый, лопастной или поршневой насос — забирает жидкость из резервуара и подает ее в контур системы под давлением. Насос не создает давление напрямую; он создает поток . Давление нарастает в результате сопротивления этому потоку, в частности, нагрузки на поршень. Клапан сброса давления в контуре ограничивает максимальное давление в системе (в промышленных системах обычно устанавливается от 1500 до 5000 фунтов на квадратный дюйм), чтобы предотвратить повреждение, если сопротивление нагрузки превысит безопасные пределы.

Шаг 2. Распределительный клапан направляет жидкость к отверстию на конце крышки.

Направляющий распределительный клапан (DCV) — обычно четырехходовой трехпозиционный электромагнитный клапан — определяет, какой порт принимает жидкость под давлением, а какой порт возвращает жидкость в резервуар. Чтобы расширить цилиндр, клапан направляет жидкость под давлением в порт с заглушкой (слепой конец) и одновременно открывает порт на конце штока для обратной линии.

Шаг 3. Жидкость под давлением поступает в камеру с крышкой.

Гидравлическая жидкость протекает через отверстие на конце крышки и заполняет камеру между закрытым концом цилиндра и задней поверхностью поршня. По мере поступления жидкости давление в этой камере быстро возрастает, пока не сравняется с давлением в системе, создаваемым насосом. Жидкость практически несжимаема. гидравлическое масло сжимается всего на 0,5% на 1000 фунтов на квадратный дюйм. — таким образом, практически вся энергия насоса преобразуется непосредственно в силу давления, а не сохраняется в жидкости.

Шаг 4: Воздействие давления на поверхность поршня для создания силы

Жидкость под давлением давит на всю поверхность поршня с одинаковой силой в соответствии с законом Паскаля. Поскольку камера штокового конца одновременно соединена с возвратной линией низкого давления, на поршне существует чистый перепад давления: высокое давление на торцевой поверхности крышки, низкое давление (возвратная линия) на торцевой поверхности штока. Этот дифференциал создает результирующую толкающую силу, которая перемещает поршень к концу штока.

Шаг 5: Выдвижение поршня и штока

Суммарная сила, действующая на поршень, преодолевает сопротивление нагрузки, трение в уплотнениях и любое противодавление в возвратной линии, и поршень начинает двигаться к концу штока. По мере перемещения поршня он вытесняет жидкость из камеры на конце штока, которая течет обратно через отверстие на конце штока, через направляющий клапан и возвращается в резервуар. Шток поршня, жестко прикрепленный к поршню, выступает наружу от головки блока цилиндров, толкая или тянув прикрепленный груз во время своего рабочего хода.

Скорость выдвижения определяется объемным расходом, подаваемым насосом в заглушку: Скорость (дюйм/мин) = Расход (дюйм3/мин) ÷ Площадь поршня (дюйм²) . Более высокая скорость потока насоса обеспечивает более быстрое расширение; уменьшение потока с помощью клапана регулирования потока замедляет ход для точного позиционирования.

Шаг 6. Амортизация в конце хода (при наличии)

Когда поршень приближается к концу своего хода выдвижения, амортизирующий выступ (конический штифт на поршне или штоке) входит в соответствующее отверстие в торцевой крышке, захватывая карман с жидкостью. Эта захваченная жидкость может выйти только через небольшой регулируемый игольчатый клапан, создавая контролируемое противодавление, которое плавно замедляет поршень до того, как он достигнет механического упора. Без амортизации сильно нагруженный цилиндр, движущийся на высокой скорости, может вызвать сильный удар, что может привести к повреждению цилиндра, конструкции машины и гидравлической системы.

Шаг 7: Направляющий клапан меняет направление, чтобы втянуть цилиндр.

При подаче команды на втягивание гидрораспределитель смещается, направляя жидкость под давлением в порт на конце стержня и подключите порт с заглушкой к обратной линии. Давление теперь действует на торцевую поверхность штока поршня, которая имеет меньшую эффективную площадь, чем торцевая поверхность крышки, поскольку шток поршня занимает часть поперечного сечения. Это означает, что сила втягивания всегда меньше силы выдвижения при том же давлении в системе. Поршень и шток движутся назад к концу крышки, вытесняя жидкость из камеры на конце крышки обратно в резервуар, пока поршень не достигнет втянутого положения.

Шаг 8: Клапан центрируется, а цилиндр удерживает положение

Когда гидрораспределитель возвращается в центральное (нейтральное) положение, оба порта цилиндра блокируются. Захваченная жидкость в обеих камерах предотвращает перемещение поршня под внешней нагрузкой — цилиндр жестко держит свое положение при условии, что уплотнения целы и никакая внешняя сила не превышает давление, поддерживаемое захваченной жидкостью. Эта способность выдерживать нагрузку является одной из наиболее важных эксплуатационных характеристик гидравлических цилиндров в таких устройствах, как стрелы экскаваторов, плиты пресса и шасси самолетов.

Типы гидроцилиндров и чем отличается их работа

Не все гидроцилиндры работают одинаково. Три наиболее распространенные конфигурации различаются тем, как они создают силу во время выдвижения и втягивания.

Выдвижение и втягивание: почему различаются сила и скорость

Цилиндр двойного действия всегда производит больше силы при разгибании, чем при втягивании при том же давлении в системе, поскольку эффективная площадь поршня больше со стороны крышки. Стержень занимает часть поперечного сечения конца стержня, уменьшая площадь, доступную для воздействия давления во время втягивания.

И наоборот, втягивание происходит быстрее, чем выдвижение при той же скорости потока насоса, поскольку тот же объем жидкости быстрее заполняет меньшую камеру штокового конца. Это создает дифференциальное соотношение скоростей, которое инженеры должны учитывать при проектировании систем, требующих равных скоростей в обоих направлениях, что обычно требует регенеративной схемы или насоса отдельного размера.

В качестве конкретного примера: цилиндр с диаметром отверстия 4 дюйма и штоком диаметром 2 дюйма при давлении 3000 фунтов на квадратный дюйм производит примерно 37 700 фунтов силы при выдвижении и о 28 300 фунтов силы втягивания — уменьшение силы обратного хода на 25 % просто за счет геометрии штока.

Ключевые характеристики, определяющие производительность гидравлического цилиндра

Понимание основных параметров технических характеристик помогает инженерам и техническим специалистам правильно выбирать, определять размеры и устранять неисправности гидроцилиндров.

• Диаметр отверстия: Внутренний диаметр цилиндра цилиндра. Непосредственно определяет площадь поршня на конце крышки и, следовательно, максимальную силу выдвижения. Обычные размеры промышленных цилиндров варьируются от 1,5 до 24 дюймов.
• Диаметр стержня: Определяет силу втягивания (площадь конца стержня = площадь отверстия минус площадь стержня) и сопротивление короблению колонны под действием сжимающей нагрузки. Для длинных ходов необходимы стержни большего размера, чтобы предотвратить коробление стержней.
• Длина хода: Общее расстояние, которое проходит поршень от полностью втянутого положения до полностью выдвинутого. Определяет рабочий диапазон привода. Более длинные ходы требуют большего диаметра стержня для обеспечения устойчивости к продольному изгибу.
• Рабочее давление: Максимальное постоянное рабочее давление, на которое рассчитан цилиндр, обычно составляет от 1500 до 5000 фунтов на квадратный дюйм для промышленных цилиндров и до 10 000 фунтов на квадратный дюйм для гидравлических прессов высокого давления.
• Стиль монтажа: Крепление фланца, вилки, цапфы или рулевой тяги влияет на то, как силы передаются на конструкцию машины и может ли цилиндр поворачиваться под нагрузкой.

Распространенные проблемы с гидравлическими цилиндрами и их причины

Понимание того, как работает гидравлический цилиндр, облегчает диагностику проблем в случае их возникновения. Большинство отказов цилиндров связано с небольшим количеством основных причин.

Цилиндр смещается под нагрузкой (медленный ползучий ход)

Когда цилиндр постепенно движется под постоянной нагрузкой с клапаном в нейтральном положении, это указывает на то, что жидкость обходит уплотнения поршня (внутренняя утечка) или протекает мимо гидрораспределителя. Износ уплотнений поршня является наиболее распространенной причиной. Скорость внутренней утечки выше 5–10 мл/мин. обычно указывают на необходимость замены уплотнения.

Медленное или слабое выдвижение/втягивание

Сниженная скорость при достаточном расходе насоса указывает на высокое противодавление в возвратной линии, частично заблокированное отверстие или фильтр или изношенный насос, обеспечивающий недостаточный расход. Снижение усилия при нормальной скорости указывает на недостаточное давление в системе — проверьте настройку предохранительного клапана и выходное давление насоса.

Внешняя утечка жидкости вокруг стержня

Вытекание или вытекание масла из области уплотнения штока указывает на изношенные уплотнения штока, повреждение или зазубрины на поверхности штока или несоосность штока, вызывающую эксцентричную нагрузку на уплотнение. Хромированный стержень с насечками, обычно вызванными попаданием загрязнений через неисправное уплотнение грязесъемника, не может быть эффективно повторно загерметизирован без ремонта или замены стержня.

Резкое или неравномерное движение

Прерывистое движение во время хода обычно указывает на загрязнение воздуха в гидравлической жидкости, что приводит к образованию сжимаемых карманов, которые создают неравномерную передачу усилия. Обычно эту проблему решает удаление воздуха из системы путем полного цикла цилиндра с вентиляцией контура в резервуар. Сухие или поврежденные уплотнения с высоким трением при отрыве также могут вызывать рывки в начале каждого хода.