§ 10.1. ГИДРОЦИЛИНДРЫ И ПОВОРОТНЫЕ ГИДРОДВИГАТЕЛИ

Так же, как и гидравлическая турбина, объемный гидродвигатель воспринимает работу от жидкости и передает ее исполнительному механизму или трансмиссии посредством выходного звена.

По характеру движения выходного звена объемные гидродвигатели делятся на три группы: гидроцилиндры - с поступательным движением, поворотные гидродвигатели - с ограниченным углом поворота, гидромоторы - с неограниченным вращательным движением.

Выходным звеном у гидроцилиндров служит шток, плунжер или корпус, а у поворотных гидродвигателей и гидромоторов - вал или корпус.

Гидроцилиндры

В зависимости от направления действия рабочей жидкости различают гидроцилиндры двухстороннего (рис. 10.1, а, б, б, д, е) и одностороннего (рис. 10.1, г, ж) действия. У первых движение выходного звена под действием рабочей жидкости возможно в двух направлениях, а у вторых - только в одном, а возврат звена происходит за счет силы пружины, силы тяжести и пр.

Гидроцилиндры классифицируются также в зависимости от устройства рабочей камеры: поршневой (рис. 10.1, а, б, в), плунжерный (рис. 10.1, г), телескопический (рис. 10.1, д), мембранный (рис. 10.1, е), сильфонный (рис. 10.1, ж).

Поршневой гидродвигатель может быть с односторонним (рис. 10.1, а) или с двухсторонним штоком, расположенным по обе стороны поршня (рис. 10.1, б, в).

Представляют практический интерес следующие специальные конструкции поршневых гидроцилиндров:

Тандем-цилиндр (рис. 10.2, а) применяют при больших нагрузках в случае, если длина цилиндра не ограничена, а диаметр его должен быть небольшим.

Гидроцилиндр со ступенчатым поршнем предназначен для получения нескольких скоростей. Схема на рис. 10.2, б позволяет иметь три прямых скорости цилиндра 4(при подаче жидкости с постоянным расходом Qв канал 1или в канал 2или в оба одновременно) и одну обратную скорость (подача в канал 3).

Г идроцилиндр с торможением снабжен устройством для торможения выходного звена в конце хода и предупреждения жесткого удара движущихся частей о концевой упор.

Гидроцилиндр с фиксацией положения поршня в промежуточном между крайними положениями представлен на рис. 10.2, г. Если обе полости А и Б сообщить с источником подачи жидкости, то плавающий поршень 1будет перемещаться вместе с поршнем 2 вправо до тех пор, пока не упрется в уступ цилиндра. В этом положении шток фиксируется разностью сил давления p(F-f₁- f₂).

Под телескопическим цилиндром в общем случае понимают цилиндр, общий ход штоков которого превышает длину корпуса цилиндра. Его применяют для получения большого хода при ограниченном пространстве в транспортном положении, например, в качестве домкрата для подъема и спуска вышек в буровых и нефтепромысловых агрегатах.

Рис. 10.1. Гидроцилиндры

В зависимости от числа поршней телескопические цилиндры подразделяются на двух - ступенчатые, трехступенчатые и т. д., причем ступень с наименьшим диаметром поршня называется первой, следующая - второй и т. д. Длина хода выходного звена равна сумме длин ходов поршней или плунжеров.

При работе гидроцилиндра возможны три движения: только первой ступени, только второй ступени, обеих ступеней вместе. Последовательность движений зависит от нагрузки и сил трения в уплотнениях.

Обозначим: F1, F2- площади поршней; f1, f2- площади сечения штоков; T1, T2- суммарные силы трения в манжетах цилиндра и поршня соответственно первой и второй ступеней.

Условие равномерного движения поршня первой ступени (см. рис. 10.1, д):

То же, для второй ступени, движущейся вместе со штоком:

где Ра - давление рабочей жидкости в поршневых полостях А и Б, рр - то же, в штоковых полостях Г и В.

При значительной сжимающей нагрузке Pпервым всегда выдвигается поршень второй ступени со штоком, а затем поршень первой ступени.

где η₀- объёмный к. п. д. цилиндра^[XVII]; р_Г - давление слива жидкостей из полостей Г и В.

Рис. 10.2. Гидроцилиндры специальной конструкции

В случае действия растягивающей силы Pдля обратного движения жидкость подаётся в штоковые полости Г и В.

В уравнениях равномерного движения силы трения изменяют знак, и соответствующие давления входа жидкости определятся по формулам:

где Ра — давление слива жидкости из полостей А и Б. Если F₁— f₁>^F2^{— f}2^{, то} втягивание поршней обычно начинается в первой ступени, в противном случае сначала вдвигается поршень второй ступени.

Аналогично можно рассмотреть случаи хода цилиндров, когда закреплён шток, а также при возвратных движениях ведомого звена [10].

Сила трения во время движения поршня зависит от конструкции цилиндра и качества уплотнений. Она может достигать больших значений (многих сотен ньютонов). При страгивании поршня сила трения в 2 - 3 раза превышает силу трения при движении.

Поворотные гидродвигатели

Применение поворотных гидродвигателей в некоторых случаях упрощает кинематику приводных механизмов. Они практически безынерционны и способны развивать большие вращающие моменты.

В зависимости от конструкции различают поворотные гидродвигатели: шиберный, поршневой и мембранный.

Наиболее распространены шиберные, у которых вытеснители выполнены в виде пластин - одной (рис. 10.3, а), двух (рис. 10.3,6) или трех (рис. 10.3, в), жестко или подвижно закрепленных на валу двигателя.

Рис. 10.3. Пластинчатые поворотные гидродвигатели [2]

Пластинчатый двигатель - удобная модель для вывода формул момента и скорости у всех гидродвигателей вращательного движения.

Крутящий момент на пластине равен произведению окружной силы Pот перепад, давления жидкости ∆pна плечо rприложения этой силы (см. рис. 10.3, а). Для z пластин

где b- ширина пластины по оси цилиндра.

Угловая скорость вала

Формулы (10.1) и (10.2) показывают, что чем больше число пластин, тем меньше давление жидкости, необходимое для преодоления данного момента сопротивления вращению вала, и тем медленнее вращается вал при постоянном расходе Q.Это правило относится также и к гидромоторам.