ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЦИЛИНДРА

Основы теории и цель работы

Применяемые в гид­росистемах машин, конструкции гидроцилиндров весьма разнообразны. Они разделяются на цилиндры с односторонним (рис. 16.1) и двусторонним (рис. 16.2) штоком.

В промышленности наибольшее распространение получили силовые гид­роцилиндры двустороннего действия, в которых движение поршня в обоих направлениях происходит под дей­ствием силы давления жидкости.

Рис. 16.1. Гидроцилиндр с односторонним штоком

Рис. 16.2. Гидроцилиндр с двусторонним штоком

Силовой гидроцилиндр состоит из корпу­са 1 (рис. 16.1 и 16.2), в котором перемещается поршень 2 со штоком 3, выхо­дящим из цилиндра и соединенным с нагрузкой. С целью уменьшения утечки жидкости поршень и шток имеют уплотнения 4 и 5, которые выполняются обычно в виде колец. В силовом гидроци­линдре энергия давления поступающей жидкости пре­образуется в механическую энергию перемещения што­ка.

Скорость движения u поршня за­висит от его рабочей площади S_p, а также количества жидкости Q_ц, поступающей в гидроци­линдр.

Для гидроцилиндра с односторонним штоком при подаче жидкости в левую бесштоковую полость (рис. 16.1) рабо­чая площадь находится по зависимости S_p = πD²/4, где D - диаметр поршня. Тогда скорость поршня (без учета утечек жидкости) определяется по формуле

(16.1)

При подаче жидкости в правую полость гидроцилиндра S_p = π(D² - d²)/4, где d - диаметр штока. В этом случае скорость поршня находится по зависимости

(16.2)

Согласно зависимостей (16.1) и (16.2) при по­даче одинакового количества жидкости Q_ц поперемен­но в левую и правую полости гидроцилиндра поршень перемещается с различной скоростью. Это позволяет путем соответствующего подбора размеров D и d достигать необходимых усилий и скорости при рабо­чем и обратном ходе. В силовых гидроцилиндрах с односто­ронним штоком возможно получение и одинаковых ско­ростей движения штока в обоих направлениях. Для этого площадь сечения штока выполняется в два раза меньше площади сечения поршня и при перемещении порш­ня вправо вытесненная жидкость поступает в левую полость вместе с жидкостью, подаваемой насо­сом.

Согласно зависимости (16.2) в силовых гидроцилиндрах с двусторонним штоком, скорость перемещения поршня в обоих направлениях при подаче одинакового коли­чества жидкости является одинаковой. Основным недостат­ком таких гидроцилиндров является увеличение габа­ритов установок, которые связаны с выходом штока по обе стороны цилиндра.

Под действием давления жидкости на поршень рас­четное усилие на штоке (без учета трения поршня и штока) определяется по формуле

, (16.3)

где р_ц - рабочее давление жидкости, которое находится по зависимости

p_ц = p₁ – p₂, (16.4)

где p₁ и p₂ - соответственно давление жидкости на входе и выходе силового гидроцилиндра.

Мощность, потребляемая силовым гидроцилиндром, без учета утечек жидкости и трения в цилиндре находится по формуле

N = Pu (16.5)

или

N = р_цQ_ц (16.6)

Зная фактическое усилие на штоке R и скорость дви­жения u_п, мощность на штоке силового гидроцилиндра (по­лезная мощность) определяется по формуле

N_ц = Ru_п (16.7)

К.п.д. силового гидроцилиндра, представляющий отношение полезной мощности к потребляемой, равен

(16.8)

К.п.д. гидроцилиндра представляется также в виде

, (16.9)

где η_о.ц - объемный к.п.д. гидроцилиндра, учитываю­щий наличие утечек жидкости и в связи с этим умень­шение фактической скорости движения поршня и штока u_п по сравнению с расчетной u, т.е.

(16.10)

η_м.ц - механический к.п.д. гидроцилиндра, учитываю­щий уменьшение фактического (измеренного) усилия на штоке R по сравнению с расчетным Р вследствие тре­ния поршня и штока при движении в силовом цилиндре, т.е.

, (16.11)

Объемный к.п.д. гидроцилиндра, поршень которого уплотнен манжетами или резиновыми кольцами, принимается равным единице, так как при таком уп­лотнении утечек жидкости практически нет. В случае уплотнения поршня металлическими разрезными коль­цами η_о.ц @0,98¸0,99.

Механический к.п.д. гидроцилиндра в зависимости от различных факторов находится в пределах 0,85¸0,97. Среднее значение η_м.ц = 0,95.

Испытание силового гидроцилиндра сводится к экспериментальному определению его характеристик в виде зави­симостей u_п=f₁(R) и η_ц=f₂(R).

Цель работы -ознакомление с экспериментальной установкой и снятие опытным путем характеристик силового гидроцилиндра u_п = f₁(R) и η_ц = f₂(R).

Описание установки

Схема экспериментальной установ­ки представлена на рис. 16.3. При ее составлении использованы стандартные условные обозначения элементов гидропе­редач. При помощи питающей установки 1, состоящей из роторно-пластинчатого насоса с электродвигателем, жидкость по системе соединительных трубопроводов подается через фильтр 3, обратный клапан 4 и дроссель 5 в реверсивный золотник 6 с электрогидравлическим управлением, являющимся органом управления гидро­передачи. Далее жидкость поступает в бесштоковую полость силового гидроцилиндра 7(рис. 16.3), выполняющего в опытной установке функцию гидродвигателя. Из штоковой по­лости гидроцилиндра жидкость через золотник сливает­ся в гидробак 14, откуда поступает в питающую уста­новку 1.

Для измерения количества жидкости, прошедшей через гидроцилиндр, служит расходомер 13, подключае­мый к системе при помощи кранов 11 и 12. По тарировочной кривой расходомера, полученной в результате проведения специальных опытов, при данном значении частоты вращения мотора определяется Q_ц.

Нагрузка гидроцилиндра осуществляется при по­мощи нагрузочного механизма 10, выполненного в виде механического устройства грузового типа.

Предохранительный клапан 2 служит для ограниче­ния давления в гидросистеме установки и выполняет функцию переливного клапана.

В состав экспериментальной установки также входят образцо­вые манометры 8 и 9, которые при помощи распредели­тельных кранов подключаются к точкам отбора давле­ния.

Проведение опытов и измерения

1. Устанавливается и фиксируется минимальная по­лезная нагрузка на шток гидроцилиндра R путем установки определенного груза.

2. Включается электродвигатель насосной установки 1. После запуска установки необходимо выждать не менее (5 – 6) мин, по истечении которых режим работы насоса считается установившимся.

3. Включением золотника 6 в положение, соответст­вующее изображенному на рис. 16.3, достигается поступ­ление масла в бесштоковую полость силового гидроци­линдра и слив его из штоковой полости. Одновременно с включением золотника включает­ся секундомер и определяется длительность рабочего хода поршня t.

4. При помощи манометров 8 и 9 измеряется дав­ление P₁ и P₂ на входе и выходе гидроцилиндра.

5. Переключением кранов 11 и 12 масло направляет­ся в расходомер 13. По счетчику расходомера опреде­ляется частота вращения n.

6. При достижении поршнем со штоком крайнего положения переключением золотника масло направ­ляется в штоковую полость гидроцилиндра 7 (рис. 16.3).

7. Постепенно увеличивается полезная нагрузка путем установки грузов на шток гидро­цилиндра и проводятся, в такой же последовательности, 5 - 6 опытов.

Результаты измерений заносятся в табл. 16.1

Таблица 16.1

Вычисления и составление отчета

1. С помощью тарировочной кривой расходомера по опыт­ному значению частоты вращения n определяется расход жидкости в гидроци­линдре Q_ц.

2. Определяется расчетная скорость u движения поршня со штоком по зависимости (16.1).

3. Определяется фактическая скорость u_п движения поршня со штоком по формуле u_n=l/t.

4. По опытным значениям давлений на входе и вы­ходе гидроцилиндра по зависимости (16.4) находится давление р_ц.

5. Определяется расчетное усилие на штоке Р при рабочей площади S_p, равной площади поршня, по формуле (16.3).

6. Подсчитывает­ся мощность N, потребляемая силовым гидроцилиндром, по зависимости (16.5) или (16.6).

7. Находится полезная мощность гидроцилиндра N_ц, по зависимости (16.7).

8. Определяется объемный к.п.д. гидроцилиндра, по формуле (16.10).

9. Определяется механиче­ский к.п.д. гидроцилиндра, по зависимости (16.11).

10. Определяется к.п.д. гидроцилиндра, по формуле (16.8) или (16.9).

Результаты вычислений заносятся в табл. 16.2.

Таблица 16.2

По экспериментальным данным строятся характеристики силового гидравлического цилиндра u_n=f₁(R) и h_ц=f₂(R).

Литература

1. Лабораторный практикум по гидравлике, гидромашинам и гидроприводу / Под ред. Я.М. Вильнера. – Мн.: Выш. Школа, 1980.

2. Кременецкий Н.Н. и др. Гидравлика. – М.: "Энергия", 1973.

3. Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач. / Под ред. С.С. Руднева и Л.Г. Подвидза. – М.: "Машиностроение", 1974.

4. Медведев В.Ф. Гидравлика и гидравлические машины. – Мн.: Выш. школа, 1998.

5. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. – М.: Стройиздат, 1975.

6. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. / Под ред. Т.М. Башта. – М.: "Машиностроение", 1970.

7. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. – М.: "Машиностроение", 1971.

8. Чугаев Р.Р. Гидравлика. – Л.: "Энергия", 1975.

Приложение 1

Единицы измерения физических величин в системе СИ

Приложение 2

Плотность, кинематическая и динамическая

вязкость воды при различной температуре.

Приложение 3

Кинематическая и динамическая вязкость

капельных жидкостей при t = 20 ^o C

Приложение 4

Средние значения коэффициентов истечения воды

из отверстий и насадков