Hidrauliskie izpildmehānismi (arī saukti par hidrauliskajiem izvades ierīcēm) pārvērš hidraulisko enerģiju atpakaļ mehāniskajā enerģijā. Tie ir vietas, kur notiek viss redzamais kustības un darba process — pirmais jautājums, par ko jebkuram konstruktors inženierim ir jādomā. Hidrauliskie izpildmehānismi iedalās divās pamatkategorijās: lineārie (cilindri) un rotācijas (motori).

Hidrāvlikas cilindrs

Hidrauliskais cilindrs pārvērš hidraulisko enerģiju taisnvirziena vai lineārā mehāniskā kustībā. Savienots ar pārvietojamu slodzi, tas veic darbu.

Cilindra konstrukcija

Kā iepriekšējos nodaļās tika ieviests, hidrauliskais cilindrs galvenokārt sastāv no korpusa, diviem noslēgtiem galvgaliem, virzuli, virzula stieņa un ieejas un izejas portiem. Katrā galā ir viens ports — viens eļļas ievadei, otrs eļļas izvadei.

6.1. attēls — Standarta divdarbības hidrauliskais cilindrs. Eļļa ienāk no kreisās puses, izstiepjot stieni; eļļa, kas ienāk pa labo portu, to ievelk atpakaļ.

Cilindra izvades spēks

Hidrauliskā enerģija iedarbojas uz kustīgās virzgla visā cilindra gaitā. Šīs hidrauliskās enerģijas radītais spiediens nepārsniegs slodzes radīto pretestību. Zinot cilindra izmērus, mums jāzina, kāds darba spiediens rada noteiktu izvades spēku. To var noteikt (neievērojot berzi) ar šo formulu:

Izmantojot šo formulu, vai nu ir dotas laukuma vērtība un spiediens, lai aprēķinātu izvades spēku, vai arī ir zināmas laukuma vērtība un izvades spēks, lai aprēķinātu spiedienu. Praksē parasti ir zināms cilindra dobuma diametrs, un mums jāaprēķina virzgla laukums — bet riņķa laukuma aprēķināšana ir tikpat vienkārša kā kvadrāta laukuma aprēķināšana.

Riņķa laukums

Riņķa laukums ir aptuveni 78,54 % no kvadrāta laukuma, kura malas garums ir vienāds ar riņķa diametru. Precīzāk:

Vēl viena bieži lietota formula:

6.2. attēls — Aplīša laukums = D² × 0,7854. Šo vienkāršo formulu pastāvīgi izmanto hidrauliskā cilindra aprēķinos.

Cilindra gājiens

Attālums, kurā darbojas hidrauliskā enerģija, nosaka veikto darbu — šis attālums ir cilindra gaita. Kā jau iepriekš minēts, izmantojot hidraulisko spiedienu, lai palielinātu spēku, šķiet, ka tas neko nenokāpj. Dažos īpašos gadījumos — kad sistēma ir statiska — neliels spēks var radīt ļoti lielu spēku bez redzama zaudējuma. Tomēr, ja šis pastiprinātais spēks izraisa arī kustību, notiek zaudējums: attālums.

Cilindra tilpums (izmaiņas)

Katram hidrauliskajam cilindram ir tilpums (izmaiņas), kas vienāds ar tā gaitu (collās) reizinātu ar tā virsmas laukumu (collās kvadrātā), rezultātā iegūstot tilpumu kubikcollās (kubikcentimetros).

(coll³) = (coll²) × (coll) vai (cm³) = (cm²) × (cm)

Piemērs: Augšējam pistons jāpārvietojas 2 collas (5,08 cm), lai apakšējais cilindra pistons pārvietotos 1 collu (2,54 cm). Abi pistoni veic vienu un to pašu darbu. Augšējais pistons izspiež 20 collu³ (327,8 cm³) šķidruma — un apakšējo cilindra pistoni izspiež tieši tas pats 20 collu³ (327,8 cm³) šķidruma.

Pistona stieņa ātrums

Hidrauliskā cilindra pistona stieņa ātrums ir atkarīgs no tā, cik ātri šķidrums piepilda telpu aiz pistona. Pistona stieņa ātruma aprēķina formulas:

Hidrauliskais motoris

Hidrauliskais motors ir izpildmehānisms, kas pārvērš hidraulisko enerģiju rotējošā mehāniskā enerģijā. Šo rotējošo enerģiju caur piedziņas vārpstu nodod slodzei.

Motora konstrukcija

Visi hidrauliskie motori pamatā sastāv no korpusa ar ieejas un izejas atverēm, kā arī no rotējošas ass, kas savienota ar piedziņas vārpstu.

Kā darbojas hidrauliskais motors

Parādītais piemērs ir lāpstiņu tipa hidrauliskais motors. Rotējošā iekārta sastāv no rotora un lāpstiņām, kas var brīvi pārvietoties iekšā un ārā rotorā esošajos slotos. Rotējošā iekārta ir uzmontēta ekscentriski korpusā; darba vārpsta savienota ar slodzi. Kad spiediena eļļa iekļūst ieejas kamerā, hidrauliskā enerģija iedarbojas uz ieejas kamerā atklātajām lāpstiņu virsmām. Tā kā augšējās lāpstiņas virsma, kas ir pakļauta spiediena eļļai, ir lielāka, tad uz rotoru iedarbojošās spēku summa nav līdzsvarota — rotors pagriežas.

Kad eļļa nonāk izplūdes kamerā, kur tās tilpums samazinās, tā tiek izvadīta.

6.6. attēls — Lāpstiņu dzinēja darbība. Spiediena eļļa iedarbojas uz lāpstiņu virsmām. Tā kā augšējā spiedienam pakļautā lāpstiņu platība ir lielāka nekā apakšējā lāpstiņu platība, rezultējošā spēka moments pagriež rotoru.

Nomākšanas

Momenti ir rotācijas vai vēršanas spēki. Momenti ir spēki, kas darbojas attālumā no vārpsta centra ass. Momenta mērvienība ir lb·in. (vai N·m).

Momenta formula

Moments norāda spēka atrašanās vietu attiecībā pret hidrauliskā dzinēja vārpsta centra asi. Momenta formula ir:

(lb·in.) = (lbs) × (in.) vai (N·m) = (N) × (m)

Piemērs no attēla: Uz sviru, kas savienota ar dzinēja vārpstu, iedarbojas 50 lbs (222 N) liels spēks. Attālums starp vārpsta centru un spēka pielikšanas punktu ir 10 collas (0,254 m). Rezultējošais vārpstā radītais vērce moments ir 500 collas·mārciņas (56,5 Nm). Ja tas pats 50 lbs (222 N) lielais spēks iedarbojas uz 15 collas (0,38 m) garu sviru, tad vārpstā radītais vērce moments ir 750 collas·mārciņas (84,6 Nm). Jo tālāk no vārpsta centra darbojas spēks, jo lielāks ir vērce moments. Ņemiet vērā, ka vērce moments neiekļauj nekādu kustību.

Slodze, kas pieslēgta dzinēja piedziņas vārpstai, rada vērce momentu, kā aprakstīts iepriekš. Hidrauliskajam dzinējam šis ir pretestības moments — to jāpārvar ar hidraulisko spiedienu, kas iedarbojas uz dzinēja rotējošo mehānismu.

Hidrauliskā dzinēja vērce momenta formula

Dzinēja vārpstas griešanās ātrums

Hidrauliskā dzinēja vārpstas griešanās ātrumu nosaka šķidruma pievades ātrums. Formula ir:

Enerģiju

Iepriekšējās nodaļās mēs iemācījāmies, ka jauda ir darba veikšanas ātrums, t.i., ZS = ft·lbs / laiks vai W = J / laiks.

Mehānisko jaudu

Mēs zinām arī, ka zirgspēks (ZS) vai vats (W) ir jaudas vienības. Ja hidrauliskais cilindrs vai hidrauliskais motors pārvieto slodzi ar 550 lbs (2442 N) mehāniskās spēkas un pārvieto to 1 ft (0,30 m) vienā sekundē, tad izmantotā jauda ir 1 ZS (746 W). Ja tas pats darbs (550 ft·lbs / 746 J) tiek veikts pussekundē, darba ātrums divkāršojas un jauda ir 2 ZS (1490 W).

Hidrauliskais spēks

Mehāniskā jauda, ko pārnes cilindrs vai motors slodzei, ir vienāda ar hidraulisko jaudu, kas nepieciešama cilindram vai motoram. Ja hidrauliskā sistēma veic darbu ar ātrumu 550 ft·lbs sekundē (746 J), tās hidrauliskā jauda ir 1 zirgspēks (746 W). Tomēr mehāniskās jaudas formulā „ft (m)” un „lbs (N)” tiek aizvietoti ar hidrauliskiem lielumiem „psi (bar)” un „gpm (Lpm)”. Hidrauliskās jaudas aprēķinos izmanto pārveidošanas koeficientu, lai izteiktu attiecību starp gpm, psi, ft un lbs (vai Lpm, bar, m un N).

Sistēmas un cilindra jaudas aprēķins

Lai aprēķinātu hidrauliskā cilindra vai vispārējās hidrauliskās sistēmas jaudu:

Lai aprēķinātu hidrauliskā motora izvades jaudu:

Oscilējošie izpildmehānismi

Līdz šim mēs esam apsprieduši hidrauliskos motorus ar rotācijas izvadi un hidrauliskās cilindrus ar lineāro izvadi. Tagad mēs apspriedīsim citu veidu darbinātāju, kas rada ierobežotu leņķa pagriezienu. Šo veidu sauc par svārstīgo cilindru vai svārstīgo motoru. Tā struktūra ir kompakta, vienkārša un efektīva — tā rada augstu griezes momentu un prasa tikai nelielu uzstādīšanas vietu, kā arī to ir viegli uzstādīt.

Svārstīgie darbinātāji tiek izmantoti mašīnu rīku indeksēšanai, liekšanas operācijām, smagu priekšmetu pacelšanai vai pagriešanai, apgriešanai, pozicionēšanai, apstrādes stiprinājumiem, jūras vadības sistēmām, vārstu darbināšanai utt.

Svārstīgo darbinātāju tipi

Ir daudz svārstīgo cilindru tipu. Vienkāršākais ir lineārā hidrauliskā cilindra darbināta svārstīgo mehānismu, kur cilindra korpusa gals ir piestiprināts ar ass savienojumu, bet dzinuma stienis savienots ar svārstīgo rokturi, kas pārnes rotāciju uz vārpstu. Šo svārstīgo cilindru var vadīt ar četrceļu virziena vārstu, un katrā gaitas galā ir ierobežotāja slēdži.

Kā visiem mehāniskajiem ierīcēm, šim lineārā cilindra pamatā darbojamam svārstību aktuatoram ir dažas pamatīpašības, tostarp tas, ka to var montēt no standarta, tirgū viegli iegūstamiem komponentiem, kas nodrošina konstruktōriem lielu elastību un saglabā zemas izmaksas ar viegli iegūstamiem rezerves daļām.

Tomēr šāda veida svārstību aktuatoram ir arī nevēlamas īpašības: stūres tālums nav aizsargāts un tieši saskaras ar apkājējo vidi, jo parasti krumplis mehānisms nav noslēgts, radot drošības riskus. Turklāt piedziņas vārpsta parasti uzņem lielas sānvirziena slodzes, kas izraisa agrīnu atteici, pārmērīgu nodilumu un iestrēgšanu.

Šim konkrētajam svārstību aktuatora tipam hidrauliskajam cilindram jābūt brīvam svārstīties, tāpēc tam jāizmanto elastīgas caurules savienojumi, un visā cilindra gaitā izvades momenti nav nemainīgi.

Ieslēgts svārstību cilindrs

Iekļautais svārstību cilindrs ir ļoti līdzīgs iepriekš minētajam lineārā cilindra pamatotajam svārstību mehānismam. Iekļautajam cilindram ir aizsargpakaļa, kas aptver poršņa stieni un svārstību roku. Piedziņas vārpstai parasti ir papildu balstierīce, lai novērstu smagus sānvirziena slodzes. Šo tipu var aprīkot ar solenoīdventilīm, robežslēdžiem vai gaitasslēdžiem. Gaitas diapazons parasti ir regulējams no aptuveni 85° līdz 100°.

Springs atgriežamais svārstību cilindrs

Cits tips ir springs atgriežamais svārstību cilindrs, kurš izmanto hidraulisko cilindru ar atgriešanas spirāli, lai atgrieztu piedziņas vārpstu tās sākotnējā pozīcijā. Springs atgriežamie svārstību cilindri var nodrošināt griezes momentus līdz 5000 collu mārciņām (565 Nm).

Zobrata un zobratsvārstu svārstību cilindrs

Visbiežāk sastopamais svārstību cilindrs ir zobrata un zobrata tipa. Šis tips var uzturēt nemainīgu izvades momentu abos virzienos visā pilnajā pagrieziena apjomā. Šajā konfigurācijā hidrauliskais spiediens iedarbojas uz pistoni, pavelkot zobratu, kas savienots ar pistoni, un tādējādi piespiež zobrata zobratu pagriezt vārpstu. Standarta zobrata un zobrata cilindriem ir pagrieziena gaitas 90°, 180°, 360° vai pat lielākas. Zobrata un zobrata cilindru izvades momenti var sasniegt 52 000 000 collu mārciņas (5 876 000 Nm).

Lapas svārstību motors

Ir arī pieejams lapas svārstību motors. Šis tips var būt vienlapes vai daudzlapes. Vienlapes motors var pagriezties par 280°; divlapes motors var pagriezties par 200°. Divlapes izvades moments ir divreiz lielāks nekā vienlapes. Šāda veida svārstību motori var sasniegt izvades momentus līdz 500 000 collu mārciņām (Nm).

Spirālveida splaina svārstību motors

Ir vēl viens svārstību motora veids, kas ģenerē griezes momentu, izmantojot spirālveida splaina mehānismu. Splaina garuma un soļa izmaiņas ļauj mainīt rotācijas gaitu plašā diapazonā. Šāda veida svārstību motoram ir viens spirālveida splaina vads ar iekšēji splinētu pistona mētelīti uz vada — pistona mētelītes rotācija ir ierobežota ar vadības stieņiem. Kad pistona mētelīte pārvietojas cilindrā, tā piespiež splaina vadu rotēt. Standarta rotācijas gaitas ir 90°, 180°, 270° un 360°, un izvadgriezes moments var sasniegt līdz 1 000 000 collu-funti (13 000 Nm).

Ķēdes un zobrata svārstību motors

Ķēdes un zobrata svārstību motori izmanto pistonus, ķēdes un zobratu, lai darbinātu vada. Šis aktuatoram parasti ir viens liels pirmais pistons (kā darba ierīce), kas velk ķēdi, un mazs otrais pistons, kas novērš eļļas noplūdi caur atgriešanās ķēdes ceļu. Izvadgriezes moments var sasniegt aptuveni 23 000 collu-funti (2599 Nm), un darba vada rotācija var sasniegt piecas pilnas apgriezienus vai 1800°.

Lai izvēlētos vispiemērotāko svārstošo cilindru konkrētai lietojumprogrammai, jāņem vērā vairāki faktori: momenta, ātruma un darbības veida atbilstība. Patieso svārstošo motoru izvēli mēs aprakstīsim citā nodaļā, kur papildus apspriedīsim, vai izvēlēties vienpusēju vai divpusēju darbību, vai izmantot aizvērtas cikla pozicionēšanu, vai ir nepieciešama amortizācija utt. Tiks pētīta arī darbības frekvence vai cikla periods.

Izpildmehānismu ātruma kopsavilkums

Hidrauliskā cilindra tvertnes stieņa lineārais ātrums ir atkarīgs no tā, ar kādu ātrumu sūknis iepumpē šķidrumu cilindra tvertnes kamerā (gpm (L/min)). Hidrauliskā motora piedziņas vārpstas rotācijas ātrums ir atkarīgs no plūsmas ātruma (gpm (L/min)), ko iepumpē hidrauliskajā motorā.

Izpildmehānismu izvades spēka kopsavilkums

Cilindra izvades spēks ir izteikts psi (bar) vienībās — motora piedziņas vārpsta uz āru darbojošais spēks tiek noteikts pēc spiediena, kas iedarbojas uz rotējošās motora montāžas atklāto virsmu. Aktuatora radītā jauda ir aktuatora ātruma un aktuatora izvades spēka reizinājums.

Cilindriem izvades spēks ir izteikts psi vienībās, bet pirstona stieņa ātrums — gpm vienībās. Konstante 0,000583 apraksta sakarību starp psi, gpm un jaudu. Motoriem izvades spēks ir izteikts kā griezes moments, bet motora darba ātrums — apgriezienos minūtē (rpm). Konstante 63 025 apraksta sakarību starp rpm, griezes momentu un jaudu.