Как работает гидравлический поршень?

В качестве исполнительных механизмов или источника привода в гидравлических системах промышленного оборудования и мобильных машин широко применяются гидроцилиндры.

Существуют поршневые, телескопические, плунжерные и другие виды цилиндров со своими конструкционными особенностями. Первые получили наибольшее распространение благодаря простоте, удобству и эффективности.

 

Неотъемлемой деталью поршневого гидроцилиндра является гидравлический поршень.

 

Рабочая жидкость, поступающая в полость цилиндра, заставляет поршень совершать направленное возвратно-поступательное движение с определенной скоростью, зависящей от скорости нагнетания жидкости. Результатом перемещения поршня является преобразование гидравлической энергии в механическую.

Конструкция поршневого гидроцилиндра

Поршень – это основной рабочий элемент гидроцилиндра. Он соединен со штоком при помощи пальца. Ход поршня ограничен крышками цилиндра, где проделаны отверстия для поступления рабочей жидкости. Удары поршня о крышки предотвращают специальные демпферы, которые гасят контакт.

 

Шток и поршень в рабочей камере образуют две полости: штоковую и поршневую. Первая ограничена поверхностями штока, поршня и корпуса, вторая – поверхностями поршня и корпуса.

 

Так как полости гидроцилиндра должны быть герметичными, поршень оснащается уплотнительными манжетами из маслостойкой резины, препятствующими протеканию рабочей жидкости. Если давление оказывается с одной стороны устанавливается одна манжета, если давление со стороны поршневой полости и штока одновременно высокое – две.

Ввиду того, что поршень, шток и корпус гильзы подвержены воздействию высоких нагрузок, эти элементы изготавливаются из металла. Поршни, вступающие в контакт с внутренними стенками гильзы целиком производятся из бронзы, фторопласта или латуни. Это обусловлено антифрикционными свойствами данных конструкционных материалов. Поршни с уплотняющими кольцами и специальными направляющими – стальные.

Требования к поршневым гидроцилиндрам:

• Равномерное и плавное движение по всей длине хода
• На штоки не должны воздействовать боковые нагрузки, так как это приводит к быстрому износу поршней, уплотнений и рабочей поверхности цилиндра
• Неподвижные уплотнения не должны допускать наружных утечек гидравлического масла
• Внутреннее перемещение рабочей жидкости из одну полость цилиндра в другую должно быть минимальным и соответствовать определенной технической норме
• Применение грязесъемников для предотвращения попадания пыли и грязи в полости цилиндров
• Рабочие поверхности элементов цилиндра должны обладать противоизносными и аниткоррозионными характеристиками, чего можно достичь применением защитных покрытий

 

Последнее требование является актуальным для большинства производителей гидравлического оборудования. Благодаря применению специальных конструкционных материалов и нанесением на них антифрикционных покрытий (АФП) позволяет решить проблему усиленного износа цилиндров.

 

В России разработкой и производством таких материалов занимается компания "Моделирование и инжиниринг". Благодаря уникальной твердосмазочной технологии создаются АФП, которые по свойствам превосходят заводские покрытия.

 

АФП MODENGY совмещают в себе функции защитного покрытия, предотвращающего фрикционный износ и повреждение деталей, и сухой смазки, которая облегчает скольжение взаимодействующих поверхностей.

Для повышения рабочего ресурса штоков, гидравлических поршней, гильз гидроцилиндров применяется антифрикционное покрытие MODENGY 1006. Оно изготовлено на основе поляризованного графита и дисульфида молибдена, благодаря чему обладает высокой износостойкостью и несущей способностью. Данный материал может использоваться в поршневых цилиндрах, которые работают в экстремальных условиях.

MODENGY 1006 наносится на стенки гильз, поверхности поршней и штоки. Материал предотвращает скачкообразное движене, задиры, коррозию металлических элементов. Оно устойчиво к воздействию рабочих сред и обладает свойствами антиаварийной смазки.

Для резиновых уплотнений рекомендуется использовать совместимое с эластомерами и полимерами покрытие MODENGY 1010.

Важную роль перед нанесением АФП является подготовка поверхности. Для этих целей предназначены Очиститель металла MODENGY и Специальный очиститель-активатор MODENGY. Первый отлично удаляет любые загрязнения, даже на основе нефтепродуктов. Очиститель-активатор служит в качестве финишного средства подготовки поверхностей и увеличивает адгезию АФП.

 

Виды гидроцилиндров

Поршневые цилиндры бывают следующими:

• С подвижным штоком и подвижным корпусом
• С односторонним и двусторонним штоком
• Одностороннего и двустороннего действия

 

В гидроцилиндрах одностороннего действия шток выдвигается за счет давления гидравлического масла в поршневой полости, а его возврат осуществляется при помощи усилия пружины.

В некоторых устройствах отсутствует возвратный элемент. Это обусловлено тем, что возврат штока осуществляется за счет другого гидроцилиндра, действия приводимого механизма или силы тяжести поднятого груза. В качестве примера можно привести бутылочный домкрат, который работает по этому принципу.

В цилиндрах двустороннего действия усилие на штоке создается и при прямом, и при обратном ходе поршня. Достигается это за счет создания давления рабочей жидкости в штоковой и поршневой областях.

Усилие на шток больше при прямом ходе, но скорость движения меньше, чем при обратном – из-за разницы в площадях, на которые действует давление рабочей среды. Гидроцилиндры двустороннего действия используются, например, для подъема и опускания отвала многих бульдозеров.

Если требуется одинаковое усилие и одинаковая скорость перемещения выходных звеньев, следует использовать гидроцилиндры с двухсторонним штоком, где поршень связан с двумя штоками. На технике можно встретить конструкцию с закрепленным цилиндром и закрепленным штоком.

Телескопические гидроцилиндры бывают как одностороннего, так и двухстороннего действия. Эти устройства состоят из нескольких цилиндров, находящихся в полости друг друга. При относительно небольших габаритах они очень эффективны, так как отличаются большим ходом штока.

В современных мобильных машинах наиболее распространены поршневые гидравлические цилиндры двухстороннего действия с односторонним штоком.

Параметры поршневых гидроцилиндров

Существуют следующие основные параметры для поршневых гидроцилиндров:

• Гидравлические: расход гидравлического масла, номинальное рабочее давление
• Геометрические: диаметр штока и поршня (гильзы), ход поршня
• Номинальные: усилие, развиваемое гидравлическим цилиндром, скорость перемещения штока

 

Номинальный диаметр штоков и поршней устанавливается согласно ГОСТ 6540-68. Для поршней используются следующие диаметры от 10 до 800 мм, а для штока – от 4 до 800 мм.

В нормализованных цилиндрах величина максимально допустимого перемещения (ход) штока и поршня составляет не более 10 мм.

Номинальное рабочее давление – это давление, при котором гидроцилиндр, сохраняя заводские параметры, работает в расчетном режиме. Эта величина определяется показателем нагрузки, но, в то же время, она может ограничиваться настройками редукционного или предохранительного клапана.

Усилие, развиваемое гидроцилиндром, пропорционально давлению и эффективной площади, на которую воздействует жидкость.

Скорость перемещения штока зависит от расхода жидкости, которая поступает в гидравлический цилиндр, и его эффективного диаметра.