Siłowniki hydrauliczne (nazywane również urządzeniami wyjściowymi hydraulicznymi) przekształcają energię hydrauliczną z powrotem w energię mechaniczną. To właśnie w nich zachodzi cała widoczna ruchomość i praca — pierwsza rzecz, o której musi pomyśleć każdy inżynier projektant. Siłowniki hydrauliczne dzielą się na dwie podstawowe kategorie: liniowe (cylindry) i obrotowe (silniki).

Walec hydrauliczny

Cylinder hydrauliczny przekształca energię hydrauliczną w ruch prostoliniowy lub liniowy. Po połączeniu z ruchomym obciążeniem wykonuje pracę.

Konstrukcja siłownika

Jak przedstawiono w wcześniejszych rozdziałach, cylinder hydrauliczny składa się głównie z korpusu, dwóch zamkniętych pokryw końcowych, tłoka, tłoczyska oraz portów wejściowych i wyjściowych. Każdy koniec ma jeden port — jeden do dopływu oleju, drugi do odpływu oleju.

rysunek 6-1. Standardowy cylinder hydrauliczny o działaniu dwustronnym. Olej wpływa przez lewy port, powodując wysunięcie tłoczyska; olej przepływający przez prawy port powoduje jego wciągnięcie.

Siła wyjściowa cylindra

W całym skoku cylindra energia hydrauliczna działa na poruszający się tłok. Ciśnienie wytworzone przez tę energię hydrauliczną nie przekroczy oporu wywoływanego przez obciążenie. Dla cylindra o znanych wymiarach musimy znać ciśnienie robocze, które generuje określoną siłę wyjściową. Można je określić (pomijając tarcie) za pomocą następującego wzoru:

Przy użyciu tego wzoru albo podane są pole powierzchni i ciśnienie, aby obliczyć siłę wyjściową, albo znane są pole powierzchni i siła wyjściowa, aby obliczyć ciśnienie. W praktyce zazwyczaj znamy średnicę wewnętrznej powierzchni cylindra (głębokość otworu) i musimy obliczyć pole powierzchni tłoka — jednak obliczenie pola koła jest tak proste, jak obliczenie pola kwadratu.

Pole koła

Pole koła stanowi około 78,54 % pola kwadratu, którego bok ma długość równą średnicy koła. Dokładniej:

Inny powszechnie stosowany wzór:

Rysunek 6-2. Pole koła = D² × 0,7854. Ten prosty wzór jest stosowany nieustannie w obliczeniach dotyczących cylindrów hydraulicznych.

Chod skrzyni

Odległość, na której działa energia hydrauliczna, określa ilość wykonanej pracy — tę odległość nazywa się skokiem cylindra. Jak wspomniano wcześniej, wykorzystanie ciśnienia hydraulicznego do wzmocnienia siły wydaje się nie wiązać się z żadnym kosztem. W niektórych konkretnych sytuacjach — gdy układ znajduje się w stanie spoczynku — mała siła może wytworzyć bardzo dużą siłę bez widocznego poświęcenia. Jednak jeśli wzmocniona siła powoduje również ruch, następuje pewne poświęcenie: odległość.

Objętość cylindra (przesunięcie)

Każdy cylinder hydrauliczny ma określoną objętość (przesunięcie), równą iloczynowi jego skoku (w calach) i powierzchni tłoka (w calach kwadratowych), co daje objętość wyrażoną w calach sześciennych (cm³).

(cal³) = (cal²) × (cal) lub (cm³) = (cm²) × (cm)

Przykład: Górny tłok musi przesunąć się o 2 cala (5,08 cm), aby dolny tłok cylindra przesunął się o 1 cal (2,54 cm). Oba tłoki wykonują tę samą pracę. Górny tłok wypiera 20 cali sześciennych (327,8 cm³) cieczy — a dolny tłok cylindra jest wypierany przez tę samą ilość cieczy, czyli 20 cali sześciennych (327,8 cm³).

Prędkość drążka tłoka

Prędkość drążka tłoka silnika hydraulicznego zależy od szybkości, z jaką ciecz wypełnia komorę za tłokiem. Wzory na obliczanie prędkości drążka tłoka:

Silnik hydrauliczny

Silnik hydrauliczny to siłownik przekształcający energię hydrauliczną w energię mechaniczną obrotową. Ta energia obrotowa jest przekazywana do obciążenia za pośrednictwem wału napędowego.

Konstrukcja silnika hydraulicznego

Wszystkie silniki hydrauliczne składają się zasadniczo z obudowy z portami dopływowym i odpływowym oraz wirującego zespołu połączonego z wałem napędowym.

Zasada działania silnika hydraulicznego

Przykład przedstawiony na rysunku to hydrauliczny silnik łopatkowy. Zespół wirujący składa się z wirnika i łopatek, które mogą swobodnie przesuwać się wewnątrz i na zewnątrz szczelin wirnika. Zespół wirujący jest zamontowany mimośrodowo w obudowie; wał napędowy jest połączony z obciążeniem. Gdy olej pod ciśnieniem wpływa do komory wlotowej, energia hydrauliczna działa na widoczną powierzchnię łopatki znajdującą się w tej komorze. Ponieważ pole powierzchni górnej części łopatki narażonej na działanie oleju pod ciśnieniem jest większe, siła działająca na wirnik jest niezrównoważona — wirnik zaczyna się obracać.

Gdy olej osiąga komorę wylotową, w której objętość maleje, jest z niej odprowadzany.

Rysunek 6-6: Zasada działania silnika łopatkowego. Olej pod ciśnieniem działa na powierzchnie łopatek. Ponieważ górna powierzchnia łopatki narażona na ciśnienie jest większa niż dolna powierzchnia łopatki, wypadkowa siła powoduje obrót wirnika.

Moment obrotowy

Moment obrotowy to siła powodująca ruch obrotowy lub skręcanie. Moment obrotowy to siła działająca w odległości od osi wału. Jednostką momentu obrotowego jest funt-cal (lb·in) lub niutonometr (Nm).

Wzór na moment obrotowy

Moment obrotowy określa położenie siły względem osi wału silnika hydraulicznego. Wzór na moment obrotowy ma postać:

(lb·in) = (lb) × (in) lub (Nm) = (N) × (m)

Przykład z rysunku: Siła o wartości 50 lbs (222 N) działa na korbowód połączony z wałem silnika. Odległość między środkiem wału a punktem przyłożenia siły wynosi 10 cali (0,254 m). Powstający moment obrotowy na wale wynosi 500 in·lbs (56,5 Nm). Jeśli ta sama siła o wartości 50 lbs (222 N) działa na korbowód o długości 15 cali (0,38 m), moment obrotowy na wale wynosi 750 in·lbs (84,6 Nm). Im dalej od środka wału działa siła, tym większy jest moment obrotowy. Należy zauważyć, że moment obrotowy nie wiąże się z żadnym ruchem.

Obciążenie połączone z wałem napędowym silnika generuje moment obrotowy zgodnie z opisem powyżej. W przypadku silnika hydraulicznego stanowi ono opór — musi zostać pokonany przez ciśnienie hydrauliczne działające na wirującą część silnika.

Wzór na moment obrotowy silnika hydraulicznego

Prędkość obrotowa wału silnika

Prędkość obrotowa wału silnika hydraulicznego zależy od szybkości dopływu cieczy. Wzór ma postać:

Moc

W wcześniejszych rozdziałach dowiedzieliśmy się, że moc to szybkość wykonywania pracy, tj. KM = ft·lb / czas lub W = J / czas.

Moc mechaniczną

Wiemy również, że koń mechaniczny (KM) lub wat (W) jest jednostką mocy. Jeśli cylinder hydrauliczny lub silnik hydrauliczny napędza obciążenie siłą mechaniczną wynoszącą 550 lb (2442 N) i przesuwa je o 1 ft (0,30 m) w ciągu 1 sekundy, zużyta moc wynosi 1 KM (746 W). Jeśli tę samą pracę (550 ft·lb / 746 J) wykonano w pół sekundy, prędkość pracy podwaja się, a moc wynosi 2 KM (1490 W).

Moc hydrauliczna

Moc mechaniczna przekazywana przez siłownik lub silnik do obciążenia jest równa mocy hydraulicznej wymaganej przez siłownik lub silnik. Dla układu hydraulicznego wykonującego pracę z szybkością 550 ft·lb na sekundę (746 J), jego moc hydrauliczna wynosi 1 KM (746 W). Jednak w formule mocy mechanicznej jednostki „ft (m)” i „lb (N)” są zastępowane przez wielkości hydrauliczne „psi (bar)” i „gpm (L/min)”. W obliczeniach mocy hydraulicznej stosuje się współczynnik konwersji, który wyraża zależność między gpm, psi, ft i lb (lub L/min, bar, m i N).

Obliczanie mocy układu i siłownika

Aby obliczyć moc siłownika hydraulicznego lub całego układu hydraulicznego:

Aby obliczyć moc wyjściową silnika hydraulicznego:

Siłowniki oscylacyjne

Dotychczas omawialiśmy silniki hydrauliczne z obrotowym wyjściem oraz cylindry hydrauliczne z liniowym wyjściem. Teraz przejdziemy do omówienia innego typu siłownika, który generuje obrót o ograniczonym kącie. Typ ten nazywany jest cylindrem oscylacyjnym lub silnikiem oscylacyjnym. Jego konstrukcja jest kompaktowa, prosta i wydajna — zapewnia wysoki moment obrotowy i wymaga jedynie małej przestrzeni montażowej, a jego instalacja jest łatwa.

Siłowniki oscylacyjne są stosowane m.in. w indeksowaniu obrabiarek, operacjach gięcia, podnoszeniu lub obracaniu ciężkich przedmiotów, odwracaniu, pozycjonowaniu, uchwytach obróbkowych, sterowaniu urządzeniami morskimi oraz w napędzie zaworów.

Typy siłowników oscylacyjnych

Istnieje wiele rodzajów cylindrów oscylacyjnych. Najprostszym z nich jest mechanizm oscylacyjny napędzany liniowym cylindrem hydraulicznym, w którym końcówka korpusu cylindra jest zamocowana za pomocą osi, a tłoczysko połączone jest z korbowodem napędzającym wał obrotowy. Taki cylinder oscylacyjny może być sterowany czterodrogowym zaworem rozdzielającym, z przełącznikami krańcowymi umieszczonymi na końcach skoku.

Podobnie jak wszystkie urządzenia mechaniczne, ten oscylacyjny siłownik oparty na cylindrze liniowym charakteryzuje się pewnymi podstawowymi cechami, w tym możliwością złożenia go z typowych, dostępnych na rynku komponentów, co zapewnia projektantom dużą elastyczność oraz utrzymuje niskie koszty dzięki łatwo dostępnym częściom zamienianym.

Jednak ten typ siłownika oscylacyjnego posiada również cechy niepożądane: tłoczysko pozostaje niechronione i bezpośrednio styka się ze środowiskiem zewnętrznym, zwłaszcza że mechanizm korbowy zwykle nie jest uszczelniony, co stwarza zagrożenia dla bezpieczeństwa. Ponadto wał napędowy zwykle przenosi duże obciążenia boczne, powodując wcześniejsze uszkodzenie, nadmierne zużycie oraz zaklinowanie.

W przypadku tego konkretnego typu siłownika oscylacyjnego cylinder hydrauliczny musi mieć możliwość swobodnego wahania, dlatego należy użyć połączeń elastycznych przewodów hydraulicznych; ponadto moment obrotowy na wyjściu nie jest stały w całym zakresie skoku cylindra.

Zamknięty siłownik oscylacyjny

Zamknięty cylinder oscylacyjny jest bardzo podobny do powyższego mechanizmu oscylacyjnego opartego na cylindrze liniowym. Zamknięty cylinder posiada osłonę ochronną obejmującą tłoczysko i korbowód. Wał napędowy zwykle ma dodatkowe wsporniki łożyskowe zapobiegające występowaniu dużych obciążeń bocznych. Ten typ można wyposażyć w zawory elektromagnetyczne, wyłączniki krańcowe lub wyłączniki skoku. Zakres skoku można zazwyczaj regulować w przedziale od ok. 85° do 100°.

Cylinder oscylacyjny ze sprężyną powrotną

Innym typem jest cylinder oscylacyjny ze sprężyną powrotną, który wykorzystuje cylinder hydrauliczny z montowaną sprężyną powrotną do przywracania wału napędowego do jego pierwotnego położenia. Cylindry oscylacyjne ze sprężyną powrotną mogą generować momenty obrotowe do 5000 cal·lb (565 Nm).

Cylinder oscylacyjny z zębatką i kółkiem zębatym

Najczęstszym typem cylindra oscylacyjnego jest typ z zębatką i kółkiem zębatym. Ten typ może zapewniać stały moment obrotowy w obu kierunkach na całym zakresie obrotu. W tej konfiguracji ciśnienie hydrauliczne działa na tłoczysko, przesuwając zębatkę połączoną z tłoczyskiem, która napędza koło zębate i powoduje obrót wału. Standardowe cylindry z zębatką i kółkiem zębatym mają skoki obrotowe wynoszące 90°, 180°, 360° lub nawet większe. Moment obrotowy wyjściowy cylindrów z zębatką i kółkiem zębatym może osiągać wartość 52 000 000 cal·funt (5 876 000 N·m).

Silnik oscylacyjny łopatkowy

Dostępny jest również silnik oscylacyjny łopatkowy. Może on być jednolopatkowy lub wielolopatkowy. Silnik jednolopatkowy może wykonywać obrót o kąt 280°, natomiast silnik dwulopatkowy – o kąt 200°. Moment obrotowy wyjściowy silnika dwulopatkowego jest dwukrotnie większy niż moment silnika jednolopatkowego. Ten typ silnika oscylacyjnego może osiągać momenty obrotowe wyjściowe do 500 000 cal·funt (Nm).

Silnik oscylacyjny śrubowy ze złączem piórkowym

Istnieje inny typ silnika oscylacyjnego, który generuje moment obrotowy za pomocą mechanizmu śrubowego z rowkami. Zmiany długości i skoku rowków pozwalają na zmianę kąta obrotu w szerokim zakresie. Ten typ silnika oscylacyjnego składa się z jednej wałka ze śrubowymi rowkami oraz osadzonej na nim tulei tłoczka z wewnętrznymi rowkami — obrót tulei tłoczka jest ograniczony przez pręty prowadzące. Gdy tuleja tłoczka przesuwa się wewnątrz cylindra, napędza ona wałek z rowkami do obrotu. Standardowe kąty obrotu wynoszą 90°, 180°, 270° oraz 360°, a maksymalny moment obrotowy może osiągać 1 000 000 cal·funt (13 000 Nm).

Silnik oscylacyjny łańcuchowo-kółkowy

Silniki oscylacyjne łańcuchowo-kółkowe wykorzystują tłoczki, łańcuchy oraz kółka zębate do napędu wału. Ten siłownik zwykle zawiera jeden duży tłoczek (jako urządzenie napędowe) ciągnący łańcuch oraz mały tłoczek zapobiegający wyciekowi oleju przez ścieżkę powrotną łańcucha. Maksymalny moment obrotowy może osiągać około 23 000 cal·funt (2 599 Nm), a obrót wału napędowego może wynosić do pięciu pełnych obrotów, czyli 1 800°.

Do wyboru najbardziej odpowiedniego cylindra oscylacyjnego do konkretnego zastosowania konieczne jest dopasowanie momentu obrotowego, prędkości oraz sposobu działania. Wybór rzeczywistego silnika oscylacyjnego omówimy w innym rozdziale, a także szczegółowo omówimy, jak określić, czy należy użyć siłownika jedno- czy dwustronnego działania, czy wymagane jest pozycjonowanie w układzie zamkniętym, czy potrzebne jest amortyzowanie itp. Przeanalizujemy również częstotliwość pracy lub okres cyklu.

Podsumowanie prędkości siłownika

Prędkość liniowa tłoczyska cylindra hydraulicznego zależy od prędkości, z jaką pompa wprowadza ciecz do komory tłoka cylindra (gpm – galony na minutę / L/min – litry na minutę). Prędkość obrotowa wału napędowego silnika hydraulicznego zależy od przepływu (gpm – galony na minutę / L/min – litry na minutę) wprowadzanego do silnika hydraulicznego.

Podsumowanie siły wyjściowej siłownika

Siła wyjściowa cylindra wyrażana jest w psi (bar) — siła wyjściowa działająca na wał silnika określa się na podstawie ciśnienia działającego na wystawioną powierzchnię wirującej zespołu silnika. Moc generowana przez siłownik jest funkcją iloczynu prędkości siłownika i jego siły wyjściowej.

W przypadku cylindrów siła wyjściowa wyrażana jest w psi, a prędkość tłoczyska w gpm. Stała 0,000583 opisuje zależność między psi, gpm i mocą. W przypadku silników siła wyjściowa wyrażana jest w postaci momentu obrotowego, a prędkość pracy silnika w obr/min. Stała 63 025 opisuje zależność między obr/min, momentem obrotowym i mocą.