ЛАБОРАТОРНЕ ЗАНЯТТЯ №10

ВИВЧЕННЯ КОНСТРУКЦІЇ ТА ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВИХ ГИДРО– І ПНЕВМОЦИЛІНДРІВ

10.1 Мета і задачі

10.1.1 Вивчити класифікацію силових гідро– і пнемоциліндрів.

0. 10.1.2 Вивчити конструкції й принцип дії силових гідро- і пневмоциліндрів.

10.1.3 Скласти схему конструкцій силового циліндра, виконати ескіз основних робочих елементів - поршня (плунжера), корпуса циліндра.

10.1.4 Розрахувати основні параметри гідроциліндра.

10.2 Обладнання, моделі, макети та плакати

10.2.1 Циліндр гідравлічний, циліндр пневматичний.

0. 10.2.2 Фільми, плакати та інші матеріали.

10.2.3 Деталі і вузли гідро– і пнемоциліндрів.

10.2.4 Настанови з експлуатації і обслуговування гідро– і пнемоциліндрів.

10.3 Теоретичні відомості

Силові гідро- і пневмоциліндри широко застосовуються у всіх галузях техніки, а також в нафтогазовому обладнанні.

За типом робочого середовища (рідина або газ) вони поділяються на гідроциліндри й пневмоциліндри.

За конструкцією розрізняють циліндри: поршневі, плунжерні, прості й диференціальні. У поршневих циліндрах енергія рідини, що рухається, перетворюється в механічну енергію поршня, що переміщується, при цьому діаметр поршня D більший діаметра штока d.

У плунжерних циліндрах плунжер має по всій довжині однаковий діаметр D, який менший внутрішнього діаметра циліндра й контактує лише із сальниковим ущільненням у кришці, при цьому відпадає необхідність у точній обробці внутрішньої поверхні циліндра.

На рис. 10.1 зображено гідроциліндр з зазначенням його складових частин (деталей).

1 – втулка; 2 – корпус (гільза); 3 – ущільнення поршня; 4 – ущільнення штока; 5 – направляючі; 6 – брудознімач; 7 – втулка; 8 – передня провушина; 9 – букса; 10 – шток; 11 – поршень; 12 – задня кришка

Рисунок 10.1 – Гідроциліндр

За принципом роботи силові циліндри поділяються на два типи: односторонньої і двосторонньої дії.

Поршневі і плунжерні гідроциліндри односторонньої дії складаються з корпуса 2, всередині якого знаходиться поршень 4 (рис. 10.2, а), з’єднаний із штоком 1, або плунжер 1 (рис. 10.2, б).

а)	б)

а) – поршневий: 1 – шток; 2 – корпус; 3 – ущільнювальне кільце;

4 – поршень; 5 – сапун; б) – плунжерний: 1 – плунжер;

2 – корпус; 3 – ущільнювальне кільце

Рисунок 10.2 – Гідравлічні циліндри односторонньої дії

Герметизація поршня здійснюється двома манжетами, а плунжера – гумовими і захисними ущільнювальними кільцями 3 та манжетою. Циліндр містить поршневу або робочу А і штокову Б порожнини. При роботі гідравлічного циліндра односторонньої дії поршнева порожнина А з’єднується з напірною лінією гідравлічного насоса і під дією тиску робочої рідини поршень (плунжер) переміщується, піднімаючи робочий орган машини чи механізму. Штокова порожнина Б гідравлічного циліндра односторонньої дії через сапун 5 з’єднується з атмосферою. В зворотному напрямку поршень (плунжер) переміщується під дією маси машини, робочого органу або пружини.

В гідравлічних циліндрах двосторонньої дії (рис. 10.3) є дві робочі порожнини: поршнева А і штокова Б.

Переміщення поршня із штоком під тиском робочої рідини можливе в двох напрямках. Такі гідроциліндри можуть мати два або один шток 2, що герметизується ущільнювальними манжетами і кільцями 4, встановленими в кришках гідроциліндра. Робоча рідина підводиться і відводиться каналами В і Г.

1 – поршень; 2– шток; 3 – корпус; 4 – ущільнення

Рисунок 10.3 – Гідравлічний циліндр двосторонньої дії

Принцип роботи гідравлічного циліндра двосторонньої дії полягає в наступному: при підводі робочої рідини під тиском в порожнину Б поршень 1 із штоком 2 переміщується вліво. Одночасно робоча рідина витісняється з порожнини А. При підводі робочої рідини в порожнину А поршень 1 із штоком 2 переміщується вправо. Отже, шток може переміщуватися під дією тиску робочої рідини в двох напрямках.

Телескопічний гідроциліндр складається з корпуса 3 (рис.10.4), нижньої кришки 2 з провушиною 6 або опорною п’ятою, концентрично розміщених поршнів 4 різного діаметра, що переміщуються відносно один одного і штока 5.

При підводі робочої рідини в підпоршневу магістраль, прходить послідовне висування поршнів 4 і штока 5. В цьому випадку максимальне переміщення (підйом) здійснюється на довжину, рівну сумі ходів всіх поршнів і штока.

1 – напірна магістраль; 2– нижня кришка; 3 – корпус;

4 – поршень; 5 – шток; 6 – провушина

Рисунок 10.4 – Телескопічний гідроциліндр

Конструктивно силові циліндри складаються з наступних основних елементів: днища (плоского або сферичного), циліндричної частини, опорного фланця, проточки під напрямну втулку й ущільнення.

У днищі й корпусі циліндра є отвори для кріплення трубопроводів подачі робочої рідини.

Днище циліндра може виготовлятися окремо й кріпитися до циліндра за допомогою різьби, болтів, за допомогою розрізної кільцевої шпонки.

Наявність повітря в гідросистемі може виявитися причиною нерівномірності руху ведених ланок механізму. Крім того, повітря, що є присутнім у гідросистемі, сприяє окислюванню масла, утворенню кислот і корозії деталей гідросистеми.

Для випуску повітря із системи циліндри оснащують спеціальними вентилями, розташованими в самій вищій точці циліндра.

Конструкція поршнів повинна забезпечувати простоту й доступність складання, надійне ущільнення й плавний хід його в циліндрі. Ширина поршня вибирається таким чином, щоб на ньому були розміщені всі ущільнення й у той же час отвори під кріпильні гвинти не були наскрізними.

Зазор між поршнем і циліндром у випадку застосування гумових ущільнювальних кілець повинен бути не більше 0,1 мм, а ширина поршня не менш 20 мм при одному кільці й не менш 30 мм при двох кільцях.

Кінець штока, на якому кріпиться поршень, залежно від способу кріплення може бути різьбовим, гладким циліндричним з упорним буртиком, конічним.

Плунжери малого діаметра (до 200...250) звичайно виконуються суцільними з вуглецевої сталі. Плунжери більших діаметрів часто виконують пустотілими для зменшення їхньої маси. Пустотілі плунжери виготовляють литими із чавуну або сталі.

Надійність роботи й ККД силових циліндрів у значній мірі залежать від герметичності з'єднань, і у першу чергу, від герметичності рухомих з'єднань типу "поршень-циліндр", "шток-кришка циліндра", тощо.

На рис. 10.5 зображений ескіз гідроциліндра.

Рисунок 10.5 – Ескіз гідроциліндра

Основними параметрами, за якими вибираються гідроциліндри є:

– номінальне зусилля на штоці гідроциліндра, H;

– хід поршня гідроциліндра, м;

– швидкість руху поршня, виходячи з потреб виконання технологічного процесу.

При виборі гідроциліндра за зусиллям, що розвивається слід дотримуватися умови:

,

(10.1)

де – зусилля на робочому органі машини, H;

– зусилля, котре може розвинути гідроциліндр.

Після вибору гідроциліндр слід перевірити параметри и .

Визначення діаметра гідроциліндра або тиску в його порожнинах здійснюється залежно від напрямку дій робочого зусилля. При роботе штока на стиск (виштовхування штока) (рис. 10.6, а) робоча рідина під дією тиску подається в поршневу порожнину і створює на штоці зусилля , при цьому в штоковій порожнині виникає сила опору, викликана протитиском .

а)

б)

а – шток працює на виштовхування;

б – шток працює на втягування

Рисунок 10.6 – Схеми для розрахунку гідроциліндра

В цьому випадку слід використовувати залежність:

,

(10.2)

де – задане робоче зусилля;

– робочий тиск на вході;

– тиск в штоковій порожнині, = 0,3…0,5 МПа, можна прийняти попередньо (або визначити втрати в зливній лінії);

φ – коефіцієнт мультиплікації, який визначається за формулою:

.

(10.3)

Або можна прийняти в розрахунках рівним φ = 1,33 … 1,65.

– механічний ККД гідроциліндра, значення якого приведені в таблиці 10.1.

Таблиця 10.1 – Значення механічного ККД гідроциліндрів в залежності від виду ущільнення і діаметра

Вид ущільнень
Гумовими манжетами					Кільцями
					Гумовими	Чавунними
Діаметр, мм
D	40–60	80–125	110–120	до 400			до 500
ηм.ц	0,95	0,95	0,97	0,97			0,95

При роботі штока на втягування (рис. 10.5, б та в) масло подається в штокову порожнину, а сила опору створюється протитиском р в поршневій порожнині. В цьому випадку слід використовувати залежність:

.

(10.4)

Дійсна швидкість переміщення поршня визначається за формулою:

,

(10.5)

де – витрата робочої рідини, що поступає в гідроциліндр;

– ефективна площа поршня зі сторони нагнітання;

– об’ємний ККД гідроциліндра.

В гідроциліндрах з ущільнюючими манжетами або гумовими кільцями утічки практично відсутні. тому = 1.

Товщину стінки корпуса гідроциліндра визначають за формулою:

,

(10.6)

де – допустиме напруження розтягу матеріалу гідроциліндра;

– максимальний тиск.

Міцність кришки гідроциліндра визначається з умови:

,

(10.7)

де – момент опору;

δ – товщина дна гідроциліндра.

Штоки гідроциліндрів, що працюють на стиск при довжині розраховуються на поздовжній згин. Для коротких штоків справедлива формула:

.

(10.8)

Корпуси гідроциліндрів при тиску до 20 МПа виготовляються з сталевих труб з , при тиску вище 20 МПа – з ковкого чавуна з , а при тиску до 15 МПа – з чавуна з