Материал: Гидропневмопривод специальных технических систем. Учебное пособие. Бородкин В.В., Болдырев А.И

а - круглое резиновое кольцо; б, в - V-образные манжеты;

г - двусторонняя манжета

Рис. 4.7. Уплотнения штоков (а, б) и поршней (в, г)

гидроцилиндров

На рис. 4.7, в и г представлены уплотнения поршней двустороннего действия: уплотнение высокого давления манжетами 7 поршня с направляющим поясом 8 и уплотнение двусторонней манжетой, служащей одновременно направляющим элементом. Последнее предназначено для умеренных давлений. Для надежной и продолжительной работы уплотнений и, следовательно, гидроцилиндров необходима обработка рабочих поверхностей цилиндров и штоков до . Объемный КПД гидроцилиндра представляет отношение

, (4.1)

где - скорость поршня; Q - расход; q - утечки по поршню и штоку.

В исправно и длительно работающем уплотнении обязательно должна существовать утечка в виде смазывающей пленки, выносимой из полости на металлической поверхности, скользящей по уплотнению. Работа в режиме граничного или сухого трения без такой пленки сокращает срок службы уплотнений. Механический КПД гидроцилиндра составляет

, (4.2)

где - разность давления; - сумма сил трения в уплотнениях.

При малых давлениях и перемещениях Н в качестве гидро- и пневмодвигателей поступательного движения применяют мембранные (рис. 4.8, а) и сильфонные (рис. 4.8, б) системы.

а- мембранный; б - сильфонный

Рис. 4.8. Гидродвигатели поступательного движения

4.2. Пневмодвигатели возвратно-поступательного действия.

В пневматических двигателях энергия сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию движения рабочего органа. Пневматические двигатели позволяют осуществлять поступательное, поворотное и вращательное движение рабочих органов станка.

Поступательное движение осуществляется с помощью различных поршневых или мембранных пневматических или пневмогидравлических цилиндров. Общим признаком этой группы пневмодвигателей является наличие штока, совершающего возвратно-поступательные движения в результате взаимодействия элементов пневмодвигателя со сжатым воздухом. Рабочий элемент двигателя - мембрана или поршень - могут быть совмещены со штоком.

В машиностроении при автоматизации чаще применяют в качестве пневмодвигателей пневматические цилиндры (пнев-моцилиндры). Конструкция поршневых пневмоцилиндров аналогична конструкции гидравлических цилиндров. Отличие заключается в том, что внутренние поверхности пневмоцилиндра должны иметь покрытия, предохраняющие пневмоцилиндр от коррозии. Крышки цилиндров изготавливают из алюминия, а гильзу и шток - из стали с упрочняющими поверхность антикоррозийными покрытиями. Применяемые пневмоцилиндры имеют размер поршня 6 - 300 мм и более (длина хода штока может достигать 2000 мм). Скорость перемещения штока 0,2 - 1,5 м/с. Нижняя граница устойчивой скорости перемещения штока ограничивается силами трения в пневмоприводе. Когда скорость приближается к верхней границе, а диаметр поршня имеет значительные размеры, кинетическая энергия движущихся масс может достигать большой величины. Жесткое соударение подвижных частей привода с неподвижными может привести к вибрациям или поломке привода. Чтобы избежать этого, следует применять пневмоцилиндры с тормозными устройствами. Конструкция пневмоцилиндра двустороннего действия с тормозными устройствами в крышках представлена на рис. 4.9, а.

Рис. 4.9. Поршневые пневмоцилиндры

Этот пневмоцилиндр отличается от обычного цилиндра тем, что в крышках имеются кольцевые выступы 6, имеющие отверстия для вхождения манжет 4, смонтированных на штоке. В конце хода штока манжета 4 входит в отверстие крышки и разделяет полость 5 и полость 3. В связи с этим выход воздуха из полости 5 в выхлопное отверстие 7 происходит через канал, проходное сечение которого ограничивается винтовым дросселем 2. Происходит мягкое торможение поршня и соединенных с ним подвижных масс. При подаче сжатого воздуха в отверстие 7 отгибается эластичная прокладка 1 и пропускает воздух в полость 5. Давление действует на поршень, и возвратное движение штока начинается без задержки.

Применение пневмоцилиндров с обычным жестким штоком приводит к удвоенной, по сравнению с ходом, длине пневмоцилиндра при полностью выдвинутом штоке. Этого можно избежать, если использовать пневмоцилиндр с гибким штоком (рис. 4.9, б). Пневмоцилиндр имеет крышки 2, канатик 3 и натяжные ролики 4. При подаче сжатого воздуха в отверстие 1 поршень перемещается вправо и тянет за собой канатик. С канатиком 3 соединяется перемещаемый механизм. В качестве канатика используется многожильный стальной трос, облицованный эластичной пластмассой. Цилиндры с гибким штоком применяют в качестве приводов механизмов, используемых при транспортировании грузов на большие расстояния, до 10 м и более, но с небольшими усилиями, или при необходимости уменьшения габаритов пневматических устройств.

Получили распространение бесштоковые пневмоцилиндры (рис. 4.9, в). Эти цилиндры изготавливают с длиной хода поршня до 20 м. Пневмоцилиндр состоит из крышек 1 и 6, тонкостенной калиброванной гильзы 5, изготовленной из немагнитного материала, поршня 4 и каретки 2, двигающейся по наружной поверхности гильзы. В поршне и каретке встроены сильные постоянные магниты 3. Их взаимодействие таково, что перемещение поршня влечет перемещение каретки, т.е. движение поршня, вызванное воздействием сжатого воздуха, приводит в движение каретку, с которой скреплен перемещаемый узел машины.

Мембранные пневмоцилиндры применяют в зажимных, фиксирующих, переключающих и тормозных устройствах станков, прессов, в сварочных и других машинах. Преимуществом мембранных пневмоцилиндров является простота изготовления, нечувствительность к чистоте сжатого воздуха и окружающей среды и к подаче смазочного материала. Мембранные пневмоцилиндры преимущественно применяют одностороннего действия с пружинным возвратом. Конструктивная схема мембранного пневмоцилиндра приведена на рис. 4.10, а. Мембраны могут быть эластичные (из резины, резинотканевых и синтетических материалов) и металлические (из стали, бронзы и латуни). Плоские мембраны не имеют изгибов в своем сечении и поэтому имеют ход, составляющий 0,1 - 0,5 диаметра мембраны.

Рис. 4.10. Мембранный пневмоцилиндр

На рис. 4.10, б показан мембранный пневмоцилиндр с формованной мембраной специального профиля, что позволяет увеличить длину хода штока до нескольких диаметров мембраны. На рис. 4.10, в показан плоский мембранный элемент с длиной хода до 2 мм и большим развиваемым усилием толкателя. Такие мембранные элементы в основном применяют для прижима или подъема деталей.

4.3. Гидропневмомоторы.

Гидромоторы используют энергию потока жидкости и сообщают выходному валу неограниченное вращательное движение.

Гидромотор - это объемный гидродвигатель вращательного движения. 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). В конструкции гидромоторов однако можно заметить некоторые отличия от соответствующих роторных насосов, обусловленные различным функциональным назначениям этих гидромашин. Так, пластинчатый гидромотор в отличии от насоса имеет пружины, которые выталкивают пластины из прорезей ротора и тем обеспечивают пуск гидромотора. В аксиально-поршневых гидромоторах устанавливается угол наклона блока цилиндров больший (до 40), чем у таких же насосов (до 30).

Наибольшее распространение в гидроприводах самолетов, тракторов, строительно-дорожных машин, станков и других машин получили роторно-поршневые гидромоторы.

Так же как и роторный насос, гидромотор характеризуется прежде всего рабочим объемом, т.е. идеальным расходом жидкости через гидромотор за один оборот ротора

Q_и=V₀ n=V_к z k n. (4.3)

Действительный расход через гидромотор больше, чем идеальный потому, что в отличие от насоса утечки в гидромоторе направлены в ту же сторону, что и основной поток. Поэтому объемный КПД гидромотора выражается не так, как для насоса, а именно

₀=Q_и /Q = Q_и /(Q_и+q_y). (4.4)

Частота вращения вала гидромотора с учетом объемного КПД

n = Q₀ / V₀. (4.5)

Перепад давления на гидромоторе определяется разностью между давлениями на входе и на выходе, т.е.

p_г.м = p₁ - p₂. (4.6)

Полезная мощность гидромотора равна произведению крутящего момента на его валу на угловую скорость вала

N_n = M . (4.7)

Мощность, потребляемая гидромотором

N = Q p_г.м. (4.8)

Отношение N_n / N определяет общий КПД гидромотора, который так же, как и в случае роторного насоса, равен произведению двух частных КПД - объемного и механического, т.е.

 = N_n / N = ₀ _м. (4.9)

Переписав последнее выражение в виде

M = ₀ _м p_г._м Q (4.10)

и заменив  = 2n, с учетом предыдущих формул после сокращения на n и ₀ , получим выражение для момента на валу гидромотора

M = V₀ p_г.м _м /(2). (4.11)

В этой формуле выражение M_и = pV₀ /2 называют идеальным моментом, потребляемым насосом или развиваемым гидромотором без учета потерь энергии.

Одной из самых важных и распространенных модификаций радиально-поршневых гидромашин являются высокомоментные гидромоторы. Их применяют в объемных гидропередачах, которые должны обеспечить медленное, равномерное и регулируемое по частоте вращение приводимого механизма, не зависящее от момента его сопротивления.

Для получения большого момента без существенного увеличения габаритных размеров гидромотора, т.е. хода h и диаметра d_n поршней, а также без чрезмерного повышения давления и числа поршней следует увеличивать кратность k действия поршней. Тогда

. (4.12)

Обычно . Такие гидромоторы позволяют получить частоты вращения от долей оборота до нескольких десятков оборотов в минуту.

На рис. 4.11 приведена конструкция гидромотора шестикратного действия с одиннадцатью поршнями.

Рис. 4.11. Радиально-поршневой гидромотор многократного

действия (высокомоментный гидромотор)

Четное число кратности действия позволяет устранить радиальные силы давления блока цилиндров 4 на подшипники 7 и 12. Поршни 3 опираются на статор 1 роликами с опорами качения 2, а боковые силы передаются блоку цилиндров ползунами 6. Во избежание отрыва роликов 3 от статора 1 при их замедлениях в зонах низкого давления и вследствие этого ударов о статор применены контрнаправляющие кулачки 9 под роликами 3.

В гидромоторе использована самоориентирующаяся плоская торцовая система распределения, обеспечивающая лучшую герметичность, чем цапфенная, которая обязательно образует с блоком цилиндров технологический зазор. На торцовом распределителе 10 выполнено 2z дуговых окна 5, поочередно соединенных с камерами Б и А (окна камеры Б перекрестно заштрихованы). Половину каждого углового цикла при вдвигании поршня канал 8 цилиндра соединен с окном камеры А, а другую половину при выдвигании – с окном камеры Б. Для самоориентации распределителя 10 относительно торца блока цилиндров, он установлен и поджат к блоку стаканами 11 со сферическими шайбами, допускающими перекосы распределителя без нарушения герметичности его прилегания к блоку. Одновременно стаканы соединяют окна 5 с камерами Б и А подвода и отвода жидкости.

Пластинчатые гидромашины обратимы, однако большинство насосов этого типа не могут быть использованы как гидромоторы без видоизменения конструкции. Причиной этого является широта диапазона изменения частот и переменность направления вращения у гидромоторов. Схема рабочих органов гидромотора двукратного действия показана на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Схема рабочих органов пластинчатого гидромотора

Двукратного действия

В нем из-за переменности направления вращения пластины 3 могут устанавливаться только радиально. Переменность частоты вращения и, следовательно, отсутствие стабильных центробежных сил, выдвигающих пластины, требует применения их принудительного выдвигания. Для этого используются показанные на рис. 4.12 пластинчатые пружины 2 под торцами пластин 3. Так как из-за возможных усталостных разрушений пружины могут являться элементами ненадежности, для ведения пластин используют также внутренние кулачки, эквидистантно повторяющие профиль статора. При малых п пластины опираются на них внутренними торцами 4.

КПД пластинчатых гидромоторов достигает величин порядка 0,8. В них основные потери - механические, составляющие три четверти всех потерь энергии.

В шестеренных гидромоторах большие значения коэффициента

(4.13)

вызывают неравномерность вращения и пульсации давления в гидропередаче, поэтому шестеренные гидромоторы применяют сравнительно мало.

Вращательное движение (поворот на угол больше 360°) также может быть выполнено различными пневмомоторами. Пневмомоторы бывают пластинчатого, шестеренного, радиально- и аксиально-поршневого типа.

Пневмомотор пластинчатого типа состоит (рис. 4.13, а) из эксцентрично расположенных статора 1 и ротора 2.

а - схема; б - характеристика; в - конструкция

Рис. 4.13. Пластинчатый пневмомотор

В продольных пазах ротора перемещается несколько пластин 3. Статор с торцов закрывают крышками, в которых имеются отверстия для впуска и выхлопа воздуха. Участок ВВ' статора является впускным, а участок СС' - выхлопным. При движении от точки А по направлению к впускному участку статора пластина а преодолевает сопротивление сжатого воздуха. Как только пластина а пройдет кромку В, давление по обе стороны пластины уравнивается и сохраняется до тех пор, пока она не пройдет кромку В'. Тогда давление сжатого воздуха на пластину а со стороны впускного отверстия начинает превышать давление с другой стороны, и усилие, возникшее вследствие разности давлений, создает крутящий момент, направленный по часовой стрелке. Типовая характеристика пластинчатого пневмомотора приведена на рис. 4.13, б. Максимальная мощность на выходном валу достигается примерно при повышении частоты вращения ротора 2 до 50 % от максимально возможной частоты вращения на холостом ходу, т.е. без нагрузки. Максимальная частота вращения выходного вала пневмомотора зависит от размеров пневмомотора и его рабочего давления и достигает 20 000 об/мин и более. Диапазон выходной мощности пневмомотора - от долей кВт до десятков кВт (конструкция пневмомотора показана на рис. 4.13, в).

4.4. Поворотные гидропневмодвигатели.

Поворотные гидродвигатели сообщают выходному звену ограниченное вращательное движение. На рис. 4.14, а изображен однопластинчатый двухкамерный, а на рис. 4.14, б - двухпластинчатый четырехкамерный двигатели.

а - двухполостный; б - четырехполостный; в - гидростатически

разгруженная пластина

Рис. 4.14. Поворотные гидродвигатели

В конструкции таких гидродвигателей много общего с пластинчатыми гидромашинами. Ротор 4 уплотнен радиально относительно наружного корпуса 3 подвижной 5 и неподвижной 1 пластинами, которые образуют две или больше дуговые камеры 2 и 2' - рабочие полости, о которые по каналам 6 подается и отводится жидкость. Для сокращения и устранения внутренних утечек по торцам ротора и пластин применяют подгонку боковых крышек с малыми зазорами, поджим одной из крышек с гидростатической разгрузкой или радиальные упругие уплотнения из резины или полимерных материалов. Надежное уплотнение торцов ротора является главной трудностью при создании таких гидродвигателей. Трение и утечки по торцам являются главными потерями энергии. Уплотняющие пластины выполняют для сокращения трения, как правило, гидростатически уравновешенными (рис. 4.14, в).