Мембранные и сильфонные гидроцилиндры

 

Мембраные гидроцилиндры (рис. 7.14, а) применяют в основном при небольших перемещениях и небольших давлениях (до 1 МПа).

Мембранный гидроцилиндр представляет собой защемленную по периферии корпуса эластичную мембрану 1. При увеличении давления в подводящей камере 2 мембрана деформируется и прижимается к верхней части корпуса 3. Шток 4, связанный с мембраной, выдвигается. Обратный ход штока обеспечивает пружина 5.

Разновидностью мембранного цилиндра является цилиндр с металлической гофрированной мембраной (рис.7.14, б)

Цилиндры с эластичной мембраной в форме юбки (рис. 7.15) допукают существенно большие перемещения штока. При перемещении порня 1 в направлнии действия давления жидкости мембрана 3 перегибается перекатываясь со стенок поршня 1 на стенки цилиндра 2, к которым она плотно прижимается давлением жидкости. Обратный ход поршня происходит за счет пружины.

Сильфонные цилиндры (рис. 7.16) предназначены для работы при небольших давлениях (до 3 МПа). Их изготавливают из металлов и неметаллических материалов (резины или пластиков). Металлические сильфоны бывают одно- и многослойные (до пяти слоев). Сильфоны могут быть цельными или сварными. Сильфонные цилиндры применяют в условиях высоких и низких температур, значение которых лимитируется материалом, из которого изготовлен сильфон.

 

Рис. 7.14. Схемы мембран:

а – плоская; б – гофрированная металлическая

 

 

 

Рис. 7.15. Схемы работы гидроцилиндра с эластичной мембраной:

1 – поршень; 2 – цилиндр; 3 – эластичная мембрана

 

Рис. 7.16. Схема сильфонного цилиндра

Поворотные гидродвигатели

Для возвратно-поворотных движений механизмов машин на угол меньший 360° применяют поворотные гидродвигатели, которые представляют собой объемный гидродвигатель с возвратно-поворотным движением выходного звена. Условное изображение поворотных гидродвигателей представлено на рис. 7.17.

 

 

Рис. 7.17. Условное изображение поворотного гидродвигателя

 

В конструкции таких гидродвигателей много общего с пластинча­тыми гидромашинами. Ротор 2 (рис. 7.18) установлен соосно с отверстием корпуса 1. В ротор заделана пластина (лопасть) 3, которая скользит по отверстию копуса. Перемычка 4 и лопасть 3 разбивает пространство, заключенное между ротором и статоромна две рабочие камеры, герметично отделенные друг от друга подпружиненным уплотняющим элементом. Отверстия Р_Р   и Р_СЛ служат для подвода – отвода рабочей жидкости.

 

 

Рис. 7.18. Поворотный однолопастной гидродвигатель:

а – схема; б – общий вид

1 – корпус; 2 – ротор; 3 – лопасть; 4 – перемычка;

Если в отверстие Р_р подать давление, а отверстие Р_СЛ соедить со сливной линией, то лопасть 3 с ротором 2 будет поворачиваться по часовой стрелке. Угол поворота выходного вала поворотного двигателя с одной рабочей лопастью обычно не превышает 270°…280°.

Для реверса ротора необходимо функции каналов подвода – отвода жидкости изменить на противоположные.

Многолопастные поворотные гидродвигатели позволяют увеличить крутящий момент на выходном валу, однако угол поворота выходного вала поворотного гидродвигателя при этом уменьшится.

В четырехкамерном (двухлопастном) гидродвигателе (рис. 7.19, а) неподвижных перемычек две. Вместе с подвижными пластинами (их тоже две) они образуют четыре рабочие камеры. Для обеспечения синхронной работы лопастей соответствующие камеры имеют общий канал для подвода – отвода жидкости (это же относится и к шестикамерному гидродвигателю – рис. 7.19, б). Для сокращения и устранения внутренних утечек по торцам ротора и лопастей применяют подгонку боковых крышек с целью обеспечить минимальный зазор между ними торцем ротора и лопастей.

 

 

Рис. 7.19. Поворотные гидроцилиндры:

а – двухлопастной; б – трехлопастной

 

Надежное уплотнение торцов ротора является главной трудностью при создании таких гидродвигателей. Трение и утечки по торцам являются главными потерями энергии.

Надежное уплотнение торцов ротора является главной трудностью при создании таких гидродвигателей. Трение и утечки по торцам являются главными потерями энергии.

При необходимости преобразовать поступательное движение поршня гидроцилиндра во вращательное движение выходного звена исполнтельного механизма используют зубчато-реечную передачу (рис. 7.20).

 

Рис. 7.20. Условное обозначение и схема поворотного гидродвигателя

на базе зубчато-реечной передачи

1 – поршень; 2 – шестерня.

Гидромоторы

 

Гидромоторы в ряде случаев имеют преимущество по сравнению с электродвигателями. Гидромоторы в среднем в шесть раз меньше занимают объем, и в четыре – пять раз легче. Диапазон регулирования скорости у гидромоторов может доходить до 5000. Нижний уровень числа оборотов составляет один оборот и меньше в минуту. Легко осуществимо плавное регулирование скорости во всем диапазоне. Время разгона и торможения вала гидромотора, время реверса гидромотора составляет сотые доли секунды. Гидромотор допускает режим частых включений и выключений. Крутящий момент на валу мотора легко регулируется изменением перепада давления в его рабочих камерах. Что важно: когда механизм, приводимый в движение роторным гидромотором, доходит до  упора, гидромотор остановится, а развиваемый им крутящий момент

остается практически прежним.

Благодаря свойству обратимости роторных насосов, любой из них в принципе может быть использован в качестве гидромотора, поэтому гидромоторы классифицируют так же, как и роторные насосы, т.е. разделяют на шестеренные, винтовые, шиберные (пластинчатые) и поршневые (радиальные и аксиальные).

Недостатком указанных насосов является неравномерность вращения выходного вала, связанная с принципом их работы (заполнение и последующее опорожнение их рабочих камер). Конструкции некоторых гидромоторов отличаются от соответствующих роторных насосов. Это связано с различным функциональным назначением этих гидромашин. Так, пластинчатый гидромотор в отличие от насоса должен обязательно иметь устройство для выталкивания пластин из пазов ротора, чтобы обеспечивать его пуск (плоские пружины или кулачки, эквидистантно повторяющие профиль статора). Из-за переменности направления вращения пластины могут устанавливаться только радиально.

Пластинчатые гидромоторы могут быть одно-, двух- и многократного действия.

Для шестеренных гидромоторов характерна значительная неравномерность вращения выходного вала насоса, поэтому шестеренные гидромоторы применяют сравнительно мало.Шестеренные насосы широко используются в машинах небольшой мощности при низком и среднем давлении в гидросистеме. Они достаточно надежны в эксплуатации, менее требовательны к чистоте рабочей жидкости и имеют меньшую стоимость по сравнению со стоимостью гидронасосов других типов. Роторные гидромоторы классифицируют (ГОСТ 17752-81) по конструкции рабочей камеры на шестеренные, коловратные, винтовые, пластинчатые и поршневые, обладающие обратимостью, т.к. они могут работать и как гидронасосы.

В гидроприводах машин наиболее часто применяют реверсивные по направлению вращения аксиально-поршневые и радиально-поршневые гидромоторы с нерегулируемым и реже с регулируемым рабочим объемом. Гидромоторы, используемые при большой частоте вращения, условно называют средне- или высокооборотными (низко-моментными). Гидромоторы, предназначенные для создания большого крутящего момента при малой угловой скорости, принято условно называть высоко-моментными. Аксиально-поршневые гидрометры обладают характеристиками, которые обеспечивают их применение в гидроприводах различных машин (привод движителя, рабочего органа и другие). Преимущества гидромоторов:

– высокое рабочее давление в пределах от 35 до 42 МПа;

– быстроходность (высокая частота вращения) в пределах 5000 об/мин;

– компактность, малые габариты и масса;

– высокие значения КПД общего >0,9 и объемного 0,95;

– широкий диапазон регулирования частоты вращения вала гидромотора – до 1:100 при переменных и 1:1000 при постоянных нагрузках;

– возможность работы при низкой частоте вращения (до 50 об/мин);

– благоприятная энергетическая характеристика для мобильных машин;

– долговечность – до 12000 часов;

– быстродействие (изменение подачи от нулевой до максимальной и наоборот) – не более 0,1 с;

– вязкие потери на трение позволяют получать большой момент страгивания – более 0,9 М.

При изменении объема рабочей жидкости или направления ее подачи изменяются частота и направление вращения вала гидромотора.

Направление вращения насоса указано стрелкой на корпусе со стороны вала. Насос правого вращения может работать как гидромотор левого вращения. Для использования гидромотора в режиме насоса необходимо дополнительное согласование с заводом-изготовителем.

Конструктивно шестерные гидромоторы отличаются от насосов меньшими зазорами в подшипниках, меньшими усилиями поджатия втулок к торцам шестерен, разгрузкой подшипников от неуравновешенных радиальных усилий. Пуск гидромоторов рекомендуется производить без нагрузки.

Наибольшее распространение в гидроприводах самолетов, трак­торов, строительно-дорожных машин, станков и других машин получили гидромоторы с наклонным блоком цилиндров. Регулируемые и нерегулируемые моторы этого типа из-за малых механических потерь и утечек имеют наиболее широкий диапазон устойчивых вращений и высокого КПД, но в удобстве встраивания они уступают насосам с наклонным диском.

В акси­ально-поршневых гидромоторах угол наклона блока цилиндров больше (доходит до 40°), чем у насосов такого же типа (не более 30°).

Широкое распостранение получили гидропередачи для мобильных машин, построенные на использовании насоса с наклонным диском и мотора с наклонным блоком цилиндров (рис. 7.21).

 

 

Рис. 7.21. Внешний вид гидропередачи и ее аппаратный состав:

1 – насос с наклонным диском; 2 – гидромотор с наклонным блоком цилиндров;
3 – насос подпитки; 4 – бак подпитки.

 

Такое схемное решение обеспечивает оптимальное сочетание встраиваемости, КПД и диапазона частот для выходного вала гидромотора. Шестеренный насос подпитки 3 (рис. 7.21.) компенсирует утечки жидкости в главном насосе и гидромоторе. Рабочую жидкость он забирает из бака подпитки 4. Так как утечки жидкости носят внутренний хараектер, они также циркулируют через бак, одновременно происходит их кондиционирование в теплообменнике.

Гидромоторы двойного действия так же, как и насосы двойного действия, нерегулируемые.

Радиально-поршневые насосы редко используют в качестве быстроходных моторов, но они часто используются как высокоэкономичные регулируемые насосы.

Одной из самых важных и распространенных модификаций радинално-поршпевых гидромашин являются высокомоментные гидромоторы. Их применяют в объемных гидропередачах, которые должны обеспечить медленное, равномерное с регулируемой частотой вращение выходного вала, не зависящее от момента сопротивления, приложенного к нему. С целью исключить существенный рост габаритных размеров мотора и рабочего давления для получения больших моментов на выходном валу мотора, используют многократность и одновременность действия поршней.

а                                                                            б

В

Рис. 7.22. Схемы высокомоментных моторов:

1 – ротор; 2 – поршень; 3 – ролик поршня; 4 – статор; 5 – цапфенный распределитель жидкости; 6 – шатун; 7 – рычаг.

 

Для того, чтобы поршни в течении одного оборота ротора совершили несколько возвратно-поступательных движений статору (или ротору) придают особый профиль, в котором выступы плавно переходят во впадины, а впадины – в выступы (рис. 7.22). Обычно кратность действия гидромотора составляет 6–8. Четное число кратности действия позволяет устранить радиальные силы давления блока цилиндров на подшипники ротора и при этом обеспечить одновременность срабатывания двух цилиндров на создание крутяшего момента (рис. 7.24). Высокомоментные гидромоторы позволяют получить частоты вращения от долей оборота до нескольких десятков оборотов в минуту. Ось ротора соосна с осью статора.

Один из торцев поршня имеет ролик (ролики) с опорами качения. Ролики постоянно находятся в контакте с поверхностью статора или ротора.

Предусмотрена разгрузка поршней от боковых сил. На рис.7.23,а показана схема механизма разгрузки, в котором поршень 4 опирается на траверсу 2 через толкатель 9 со сферической головкой. На траверсе установлены катки 3, которые обкатываются по направляющей статора 1. На траверсе также шарнирно закреплен один из концов серьги 10. Другой ее конец также шарнирно закреплен на оси 11, жестко связанной с блоком цилиндров 5. Действующая на поршень сила давления жидкости со стороны рабочей камеры передается через сферическую головку толкателя на траверсу и катки. При взаимодействии катков с направляющей статора указанная сила раскладывается на нормальную и тангенциальную силы. Тангенциальная сила через траверсу и серьгу передается блоку цилиндров. Поршень при этом передает только силу давления жидкости, направленную вдоль его оси.

В схеме на рис.7.23,б поршень 4 опирается непосредственно на траверсу 2, которая перемещается в прорези блока цилиндров. Катки 3 как и в предыдущей схеме обкатываются по направляющей статора. Траверса передает тангенциальную силу на блок цилиндров через свои плоские поверхности. Механизм разгрузки, показанный на схеме рис.2.13,в аналогичен предыдущему. Различие состоит в том, что тангенциальная сила передается блоку цилиндров через закрепленные на траверсе ролики 7, перемещаемые в тех же пазах.

Механизм разгрузки, представленный на рис. рис.7.23,г, передает тангенциальную силу блоку цилиндров через внутреннюю поверхность колпака, выполненного вместе с траверсой 2 и одетого на гильзу. Поршень взаимодействует с колпаком своей сферической головкой, передавая только осевую силу.

 

Рис. 7.23. Разгрузка поршня от боковой нагрузки

 

На рис. 7.24 приведен внешний вид и схема высокомоментного двигателя шестикратного действия с восемью поршнями.

 

 

Рис. 7.24. Внешний вид и схема высокомоментного гидродвигателя

 

КПД гидромоторов:

· пластинчатых– до 0,8;

· радиально-поршневых – 0,8…0,85;

· аксиально-поршневых – 0.89…0,93;

· шестеренных – 0,6…0,7.

 

ГИДРОАППАРАТЫ

Параметры гидроаппаратов

Для обеспечения требуемых выходных параметров гидродвигателей (усилие или крутящий момент, скорость или частота вращения, направление движения) в гидравлических системах используют различные гидроаппараты. Они регулируют давление в трубопроводах; управляют объемным расходом, поступающим в гидродвигатель; изменяют направление потока жидкости; регулируют скорость движения выходного звена гидродвигателя; кондиционируют рабочую жидкость. В число этих гидроаппаратов входят: клапаны давления, распределители, запорные клапаны, регуляторы расхода и гидроаппараты, которые отнесены к группе вспомогательных.

Для гидроаппаратов установлены следующие паспортные параметры:

· номинальное рабочее давление – р_НОМ ;

· номинальный расход – Q _НОМ;

· максимальный расход – Q_MAX;

· присоединительные размеры в виде условного прохода D у.

Ряд номинальных давлений в МПа: 2,5; 4,0; 6,3; 10,0; 16,0; 20,0; 25,0; 31,5; 40,0; 50,0; 63,0.

Присоединительные размеры в виде условного прохода D _у в соответствии с ГОСТ 16516-80 имеют следующие значения в мм.: 6, 8, 10, 16, 20, 22, 32, 40 и 50.

Условный проход есть внутренний диаметр трубы круглого сечения, площадь которого равна площади поперечного сечения канала в распределителе для прохода жидкости.

Номинальный расход Q _НОМ есть количество жидкости (л/мин), которое проходит через гидроаппарат при перепаде давления на нем 0,1 МПа при вязкости рабочей жидкости 35 мм²/с при температуре 40 ⁰С.

Максимальный расход Q _МАХ  есть максимальное количество жидкости (л/мин), которое может пройти через гидроаппарат при соответствующих более высоких перепадах давления.

В зависимости от типа запорно-регулирующего элемента (ЗРЭ), гидроаппараты по исполнению делятся на:

· клапанные (седельные);

· золотниковые.