Гидравлические исполнительные устройства (также называемые гидравлическими выходными устройствами) преобразуют гидравлическую энергию обратно в механическую. Именно в них происходит всё видимое движение и выполняется работа — это первое, о чём должен подумать любой инженер-конструктор. Гидравлические исполнительные устройства делятся на две основные категории: линейные (цилиндры) и поворотные (гидромоторы).

Гидравлический цилиндр

Гидравлический цилиндр преобразует гидравлическую энергию в прямолинейное или линейное механическое движение. Подключённый к подвижной нагрузке, он совершает работу.

Конструкция цилиндра

Как было отмечено в предыдущих главах, гидравлический цилиндр состоит в основном из корпуса, двух закрытых торцевых крышек, поршня, штока поршня, а также входных и выходных масляных отверстий. Каждый конец имеет по одному отверстию — одно для подачи масла, другое — для его отвода.

рисунок 6-1. Стандартный двойного действия гидравлический цилиндр. Масло поступает через левое отверстие, выдвигая шток; масло, поступающее через правое отверстие, втягивает его.

Выходное усилие цилиндра

На протяжении всего хода поршня в цилиндре на подвижный поршень действует гидравлическая энергия. Давление, создаваемое этой гидравлической энергией, не превысит сопротивление, оказываемое нагрузкой. Для цилиндра известных размеров необходимо определить рабочее давление, при котором достигается заданная выходная сила. Это значение можно рассчитать (пренебрегая трением) по следующей формуле:

При использовании этой формулы либо задаются площадь и давление для определения выходной силы, либо известны площадь и выходная сила, и требуется найти давление. На практике обычно известен диаметр цилиндра, и необходимо рассчитать площадь поршня — однако вычисление площади круга столь же просто, как и вычисление площади квадрата.

Площадь круга

Площадь круга составляет приблизительно 78,54 % от площади квадрата, сторона которого равна диаметру круга. Более точно:

Другая широко используемая формула:

Рисунок 6-2. Площадь круга = D² × 0,7854. Эта простая формула постоянно используется при расчётах гидравлических цилиндров.

Ход цилиндра

Расстояние, на котором действует гидравлическая энергия, определяет совершённую работу — это расстояние называется ходом цилиндра. Как отмечалось ранее, использование гидравлического давления для усиления силы, по видимости, не требует затрат. В некоторых конкретных ситуациях — когда система находится в статическом состоянии — небольшая сила может создавать очень большую силу без видимых потерь. Однако если эта усиленная сила вызывает также перемещение, то что-то теряется: расстояние.

Объём цилиндра (рабочий объём)

У каждого гидравлического цилиндра есть объём (рабочий объём), равный произведению его хода (дюймы) на площадь поршня (дюймы²), что даёт объём в кубических дюймах (см³).

(дюйм³) = (дюйм²) × (дюйм) или (см³) = (см²) × (см)

Пример: верхний поршень должен переместиться на 2 дюйма (5,08 см), чтобы нижний поршень цилиндра переместился на 1 дюйм (2,54 см). Оба поршня совершают одинаковую работу. Верхний поршень вытесняет 20 куб. дюймов (327,8 см³) жидкости, и нижний поршень цилиндра также вытесняется этим же объёмом жидкости — 20 куб. дюймов (327,8 см³).

Скорость штока поршня

Скорость штока гидравлического цилиндра зависит от скорости заполнения жидкостью полости за поршнем. Формулы расчёта скорости штока:

Гидравлический двигатель

Гидравлический двигатель — это исполнительный механизм, преобразующий гидравлическую энергию во вращательную механическую энергию. Эта вращательная энергия передаётся нагрузке через вал двигателя.

Конструкция двигателя

Все гидравлические двигатели по существу состоят из корпуса с входным и выходным патрубками, а также вращающейся сборки, соединённой с валом двигателя.

Принцип работы гидравлического двигателя

На приведённом примере показан гидравлический двигатель лопастного типа. Вращающийся узел состоит из ротора и лопастей, которые могут свободно перемещаться внутрь и наружу пазов ротора. Вращающийся узел установлен эксцентрично внутри корпуса; вал привода соединён с нагрузкой. Когда масло под давлением поступает в входную камеру, гидравлическая энергия действует на открытую поверхность лопастей во входной камере. Поскольку площадь верхней лопасти, подвергающейся воздействию масла под давлением, больше, сила, действующая на ротор, оказывается неуравновешенной — ротор начинает вращаться.

По мере того как масло достигает выходной камеры, объём которой уменьшается, оно выводится из двигателя.

Рисунок 6-6. Принцип работы лопастного гидромотора. Давление масла действует на рабочие поверхности лопастей. Поскольку площадь верхней части лопасти, подверженной давлению, больше площади нижней части лопасти, результирующая сила вызывает вращение ротора.

Крутящий момент

Крутящий момент — это вращающая или скручивающая сила. Крутящий момент представляет собой силу, приложенную на расстоянии от осевой линии вала. Единица измерения крутящего момента — фунт-дюйм (lb·in) или ньютон-метр (Н·м).

Формула крутящего момента

Крутящий момент указывает положение силы относительно осевой линии вала гидромотора. Формула крутящего момента имеет следующий вид:

(фунт-дюйм) = (фунты) × (дюймы) или (Н·м) = (Н) × (м)

Пример из рисунка: сила 50 фунтов (222 Н) действует на кривошип, соединённый с валом двигателя. Расстояние между центром вала и точкой приложения силы составляет 10 дюймов (0,254 м). В результате на вал действует крутящий момент величиной 500 дюйм-фунт (56,5 Н·м). Если та же сила 50 фунтов (222 Н) приложена к кривошипу длиной 15 дюймов (0,38 м), крутящий момент на валу составит 750 дюйм-фунт (84,6 Н·м). Чем дальше от центра вала приложена сила, тем больше крутящий момент. Обратите внимание, что крутящий момент не предполагает какого-либо движения.

Нагрузка, подключённая к приводному валу двигателя, создаёт крутящий момент, как описано выше. Для гидравлического двигателя это сопротивление — его необходимо преодолеть за счёт гидравлического давления, действующего на вращающийся узел двигателя.

Формула крутящего момента гидравлического двигателя

Частота вращения вала двигателя

Частота вращения вала гидравлического двигателя определяется скоростью подачи жидкости. Формула имеет вид:

Мощность

В предыдущих главах мы узнали, что мощность — это скорость выполнения работы, т.е. л.с. = фут·фунт-сила/время или Вт = Дж/время.

Механическую мощность

Мы также знаем, что лошадиная сила (л.с.) или ватт (Вт) является единицей мощности. Если гидравлический цилиндр или гидравлический двигатель перемещает нагрузку с механическим усилием 550 фунт-сила (2442 Н) на расстояние 1 фут (0,30 м) за 1 секунду, то затраченная мощность составляет 1 л.с. (746 Вт). Если такая же работа (550 фут·фунт-сила / 746 Дж) выполняется за полсекунды, то скорость работы удваивается, а мощность составляет 2 л.с. (1490 Вт).

Гидравлическая мощность

Механическая мощность, передаваемая цилиндром или гидромотором на нагрузку, равна гидравлической мощности, требуемой от цилиндра или гидромотора. Для гидравлической системы, выполняющей работу со скоростью 550 фут·фунт/с (746 Дж), её гидравлическая мощность составляет 1 л.с. (746 Вт). Однако в формуле механической мощности единицы «фут (м)» и «фунт-сила (Н)» заменяются гидравлическими величинами «psi (бар)» и «галлон/мин (л/мин)». При расчёте гидравлической мощности используется коэффициент перевода, выражающий связь между галлон/мин, psi, фут и фунт-сила (или л/мин, бар, м и Н).

Расчёт мощности системы и цилиндра

Для расчёта мощности гидравлического цилиндра или всей гидравлической системы:

Для расчёта выходной мощности гидравлического мотора:

Поворотные исполнительные устройства

До сих пор мы обсуждали гидравлические двигатели с вращательным выходом и гидравлические цилиндры с линейным выходом. Теперь мы рассмотрим другой тип исполнительного устройства, обеспечивающего поворот на ограниченный угол. Такой тип называется колебательным цилиндром или колебательным двигателем. Его конструкция компактна, проста и эффективна: он обеспечивает высокий крутящий момент и требует лишь небольшого места для установки, а монтаж выполняется легко.

Колебательные исполнительные устройства применяются для индексации станков, операций изгиба, подъёма или поворота тяжёлых объектов, переворачивания, позиционирования, технологических приспособлений для обработки, судовых систем управления, управления клапанами и т. д.

Типы колебательных исполнительных устройств

Существует множество типов колебательных цилиндров. Самый простой — это колебательный механизм, приводимый линейным гидравлическим цилиндром, у которого задняя часть корпуса цилиндра крепится шарнирно (с помощью пальца), а шток поршня соединён с кривошипом, приводящим вращение вала. Такой колебательный цилиндр может управляться четырёхходовым распределителем, а на каждом конце хода устанавливаются конечные выключатели.

Как и все механические устройства, этот линейный колебательный исполнительный механизм на основе цилиндра обладает рядом базовых характеристик, включая возможность сборки из стандартных готовых компонентов, что обеспечивает конструкторам высокую гибкость и позволяет поддерживать низкую стоимость за счёт лёгкодоступных запасных частей.

Однако данный тип колебательного исполнительного механизма имеет и недостатки: шток поршня не защищён и напрямую контактирует с окружающей средой, особенно поскольку кривошипный механизм, как правило, не герметизирован, что создаёт потенциальные угрозы безопасности. Кроме того, вал привода обычно испытывает значительные боковые нагрузки, вызывающие преждевременный выход из строя, чрезмерный износ и заклинивание.

Для данного конкретного типа колебательного исполнительного механизма гидроцилиндр должен иметь возможность свободно качаться, поэтому необходимо использовать гибкие шланговые соединения; кроме того, в течение всего хода цилиндра выходной крутящий момент остаётся неконстантным.

Закрытый колебательный цилиндр

Закрытый колебательный цилиндр очень похож на описанный выше колебательный механизм на основе линейного цилиндра. Закрытый цилиндр оснащён защитным кожухом, который закрывает шток поршня и кривошип. Вал привода, как правило, имеет дополнительную опору в виде подшипников для предотвращения значительных боковых нагрузок. Этот тип может комплектоваться электромагнитными клапанами, конечными выключателями или выключателями хода. Диапазон угла поворота обычно регулируется в пределах примерно от 85° до 100°.

Колебательный цилиндр с возвратной пружиной

Другой тип — колебательный цилиндр с возвратной пружиной, в котором для возврата вала привода в исходное положение используется гидравлический цилиндр с возвратной пружиной. Колебательные цилиндры с возвратной пружиной способны развивать крутящий момент до 5000 дюйм-фунтов (565 Н·м).

Колебательный цилиндр с зубчатой рейкой и шестерней

Наиболее распространённым поворотным цилиндром является реечно-червячный тип. Такой тип обеспечивает постоянный выходной крутящий момент в обоих направлениях на протяжении всего угла поворота. В данной конструкции гидравлическое давление действует на поршень, перемещая рейку, связанную с поршнем, которая, в свою очередь, приводит в движение червячное колесо и вращает вал. Стандартные реечно-червячные цилиндры имеют углы поворота 90°, 180°, 360° или даже большие значения. Выходной крутящий момент реечно-червячных цилиндров может достигать 52 000 000 дюйм·фунт (5 876 000 Н·м).

Лопастной поворотный двигатель

Также доступны лопастные поворотные двигатели. Они могут быть однолопастными или многолопастными. Однолопастный двигатель способен поворачиваться на угол до 280°; двухлопастный — до 200°. Выходной крутящий момент двухлопастного двигателя вдвое превышает крутящий момент однолопастного. Такие поворотные двигатели способны развивать выходной крутящий момент до 500 000 дюйм·фунт (Н·м).

Геликоидальный шлицевой поворотный двигатель

Существует другой тип колебательного двигателя, который генерирует крутящий момент с использованием механизма винтовой шлицевой передачи. Изменение длины и шага шлицев позволяет варьировать угол поворота в широком диапазоне. Такой колебательный двигатель имеет один вал с винтовыми шлицами и надетую на него поршневую втулку с внутренними шлицами — вращение поршневой втулки ограничено направляющими стержнями. При перемещении поршневой втулки внутри цилиндра она приводит во вращение шлицевой вал. Стандартные углы поворота составляют 90°, 180°, 270° и 360°; выходной крутящий момент достигает 1 000 000 дюйм·фунт (13 000 Н·м).

Колебательный двигатель с цепью и звёздочкой

Колебательные двигатели с цепью и звёздочкой используют поршни, цепи и звёздочки для привода вала. Такой исполнительный механизм обычно оснащён одним крупным поршнем (в качестве приводного устройства), тянущим цепь, и одним малым поршнем, предотвращающим утечку масла через обратный ход цепи. Выходной крутящий момент может достигать примерно 23 000 дюйм·фунт (2 599 Н·м), а угол поворота приводного вала — пяти полных оборотов или 1800°.

Для выбора наиболее подходящего колебательного цилиндра для конкретного применения учитываются такие параметры, как крутящий момент, скорость и способ управления. Выбор реального колебательного двигателя будет описан в другом разделе, где также подробно обсуждается, следует ли использовать одностороннего или двустороннего действия, необходима ли позиционная система с обратной связью, требуется ли демпфирование и т. д. Также будет проанализирована рабочая частота или период цикла.

Обзор скорости исполнительного устройства

Линейная скорость штока поршня гидравлического цилиндра зависит от скорости, с которой насос подаёт рабочую жидкость в поршневую полость цилиндра (галлонов в минуту, л/мин). Угловая скорость выходного вала гидравлического мотора зависит от расхода жидкости (галлонов в минуту, л/мин), подаваемого в гидравлический мотор.

Обзор выходного усилия исполнительного устройства

Выходное усилие цилиндра выражается в фунтах на квадратный дюйм (psi) (бар); выходное усилие на валу двигателя определяется давлением, действующим на открытую площадь вращающейся сборки двигателя. Мощность, развиваемая исполнительным устройством, является функцией скорости исполнительного устройства, умноженной на его выходное усилие.

Для цилиндров выходное усилие выражается в psi, а скорость штока поршня — в галлонах в минуту (gpm). Постоянная величина 0,000583 описывает зависимость между psi, gpm и мощностью. Для двигателей выходное усилие выражается в крутящем моменте, а рабочая скорость двигателя — в оборотах в минуту (rpm). Постоянная величина 63 025 описывает зависимость между rpm, крутящим моментом и мощностью.