Термины и определения в области гидроцилиндров*
*) Термины и определения могут относиться и к гидроамортизаторам, пневмоамортизаторам, пневмогидроамортизаторам.
1. Гидроцилиндры
Гидроцилиндр – гидравлический двигатель, преобразующий энергию потока жидкости в поступательное движение ведомого звена (например, штоки с поршнем) гидроцилиндра.
Гидроцилиндры могут быть одно- и двухстороннего действия; поршневые, плунжерные, телескопические и др.
В этой статье мы рассмотрим только гидроцилиндры одностороннего действия. Такие гидроцилиндры имеют один шток, соединенный с поршнем.
Для привода рабочих органов автомобильных кранов, кранов манипуляторов, бульдозеров, станков и другой техники наиболее широко применяют поршневые гидроцилиндры двухстороннего действия с односторонним штоком (рис.1, 2, 3, 8). В машиностроении применяют также поршневые гидроцилиндры двухстороннего действия с двусторонним штоком, а также телескопические гидроцилиндры (см. http://gidravl.narod.ru/gidrocil.html).
Ниже приведем описание конструкции одного из гидроцилиндров.
Основой конструкции гидроцилиндра является гильза 57 (см. рис.8 гидроцилиндр в разрезе), представляющая собой трубу с обработанной (полированной) внутренней поверхностью. Внутри гильзы (во внутренней полости гильзы цилиндра) перемещается поршень 61, имеющий уплотнения, в частности, уплотнение 60. Количество и форма уплотнений, а также их назначение определяются функциональностью гидроцилиндра. Усилие от поршня передает шток 58, имеющий полированную поверхность. Для его направления во время перемещения в гильзе служит грундбукса (втулка направляющая) 63. Шток с поршнем выполнены с возможностью перемещения во внутренней полости гильзы цилиндра (с возможностью возвратно-поступательного движения, вращательного движения и их комбинации).
С двух сторон гильзы укреплены крышки с отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости. Подвод и отвод рабочей жидкости может осуществляться через отверстия в гильзе или, например, через продольное отверстие в штоке.
Внутренняя полость гильзы цилиндра отделена от окружающей гидроцилиндр среды гильзой и крышками. Внутренняя полость выполнена с возможностью заполнения рабочей жидкостью (маслом).
Гидроцилиндр имеет уплотнения, в частности, уплотнение 56 между штоком и крышкой, уплотнение 60 между поршнем и гильзой. Позицией 59 обозначено стопорное кольцо (см. http://gidravl.narod.ru/gidrocil.html).
Имеются гидроцилиндры другой конструкции.
В частном варианте реализации гидроцилиндра, в качестве уплотнений между штоком и крышкой используются две манжеты, одна из которых предотвращает утечки жидкости из цилиндра, а другая служит грязесъемником (обозначена позицией 56).
Уплотнение между поршнем и гильзой предотвращает перетекание жидкости из полостей цилиндра, разделенных поршнем, в частности, предотвращает перетекание жидкости из поршневой полости (её еще называют подпоршневой полостью, см. позицию 19 на рис.1) в штоковую полость (её еще называют надпоршневой полостью, см. позицию 18 на рис.1) и наоборот.
Проушина 62 (см. рис.8) служит для закрепления гидроцилиндра. На нарезанную часть штока крепится проушина или деталь, соединяющая гидроцилиндр с подвижным механизмом.
На рис.1 изображен гидроцилиндр, содержащий гильзу 1 (её еще называют гильзой цилиндра, гильзой гидроцилиндра), шток 2 с поршнем 3, выполненные с возможностью перемещения во внутренней полости 4 цилиндра. Внутренняя полость 4 цилиндра разделяется поршнем на штоковую полость 18 и поршневую полость 19. Поршень 3 содержит уплотнение 20. Внутренняя поверхность 14 гильзы отшлифована и соприкасается с уплотнением 20 поршня.
Штоковую полость еще называют надпоршневая полость, полость над поршнем при ориентации гидроцилиндра, как показано на рис.1.
Поршневую полость еще называют подпоршневая полость, полость под поршнем при ориентации гидроцилиндра, как показано на рис.1.
При движении поршня объемы полостей 18 и 19 изменяются.
В частном случае реализации гидроцилиндра (гидроцилиндр и его элементы показаны упрощенно, схематично) гильза 1 содержит два участка. На рис.1 участки обозначены позициями 5 и 6. Эти же позиции 5 и 6 обозначают длины участков (протяженности участков). На участке, обозначенном позицией 5 на наружной поверхности гильзы цилиндра размещают этикетки, товарные знаки производителя и прочую информацию.
Внутренний диаметр 7 гильзы цилиндра участка 6 равен внутреннему диаметру 8 гильзы цилиндра участка 5.
Внутренний диаметр гильзы – наибольшее из расстояний между всевозможными точками на внутренней границе поперечного сечения гильзы. В данном случае внутренняя граница поперечного сечения гильзы выполнена в виде окружности.
К штоку 2 крепится проушина 9, к поршневой крышке 11 гидроцилиндра крепится проушина 10.
На рис. 1 показано, что в поршневой полости 19 расположена рабочая жидкость (в частности, масло). Позицией 21 обозначен наружный диаметр штока. Позицией 22 обозначен наружный диаметр гильзы.
Наружный диаметр гильзы – наибольшее из расстояний между всевозможными точками на наружной границе поперечного сечения гильзы.
Наружный диаметр штока – наибольшее из расстояний между всевозможными точками на наружной границе поперечного сечения штока.
Если в штоке имеется внутренний канал, то внутренний диаметр штока – наибольшее из расстояний между всевозможными точками на внутренней границе поперечного сечения штока.
Штоковая крышка гидроцилиндра (её еще называют гайка и др.) 15 содержит уплотнение 16 и направляющую 17 штока. Направляющую штока иногда называют просто «направляющей».
На рис.2 представлена упрощенная схема гидроцилиндра, у которого внутренний диаметр 24 (на участке 26) равен внутреннему диаметру 23 (на участке 27) гильзы.
На рис.2 обозначена рабочая область 25 гильзы. Рабочая область на рис.2 распространяется от штоковой крышки гидроцилиндра до поршневой крышки гидроцилиндра. На практике рабочая область может не граничить с крышками. Между рабочей областью и крышкой может располагаться область, которая не соприкасается с уплотнением поршня. Для простоты изложения материала будем считать, что рабочая область распространяется от крышки до крышки гидроцилиндра.
Рабочая область гильзы (или просто рабочая область) это область, в которой внутренняя поверхность гильзы (её еще называют рабочая внутренняя поверхность гильзы, см. позицию 14 на рис.1) контактирует с уплотнением (уплотнениями) поршня. Рабочая область, в свою очередь, делится на три области (или участки): срединную область 27; область 28 гильзы, прилегающую к поршневой крышке цилиндра; область 26 гильзы, прилегающую к штоковой крышке цилиндра. Разделение областей 26, 27 и 28 осуществляется поперечными плоскостями 12 и 13.
Срединная область 27 может называться срединным участком;
Область 28 гильзы, прилегающая к поршневой крышке цилиндра может называться участком гильзы, прилегающим к поршневой крышке цилиндра;
Область 26 гильзы, прилегающая к штоковой крышке цилиндра может называться участком гильзы, прилегающим к штоковой крышке гильзы (крышке цилиндра).
Разделение участков 26, 27 и 28 осуществляется поперечными плоскостями 12 и 13.
Как правило, если не указано особо, протяженности участков (областей) 26, 27 и 28 одинаковы. Вышеуказанные участки 26, 27 и 28 могут делиться на подучастки, в частности на два подучастка.
На рис.2 позицией 27 обозначена срединный участок гильзы. Позицией 28 обозначен участок гильзы цилиндра, прилегающий к поршневой крышке 11 цилиндра. Позицией 26 обозначен участок гильзы цилиндра, прилегающий к штоковой крышке 15 цилиндра.
Штоковая крышка гидроцилиндра – это крышка, в которой выполнено отверстие для прохода штока. В штоковой крышке расположено уплотнение, которое контактирует с наружной поверхностью штока.
Поршневая крышка гидроцилиндра – крышка, которая расположена на противоположной стороне гидроцилиндра по отношению к штоковой крышке.
Позицией 13 обозначена поперечная плоскость, разделяющая участок 28 и участок 27 гильзы.
Позицией 12 обозначена поперечная плоскость, разделяющая участок 26 и участок 27 гильзы.
На рис.3 представлен гидроцилиндр, у которого гильза содержит рабочую область (рабочую область гильзы), обозначенную как «Р». Рабочая область Р делится на три участка (области) Р1, Р2 и Р3.
Участки Р1 и Р2 разделяются поперечной плоскостью В-В (см. рис.3 и 7).
Участки Р3 и Р2 разделяются поперечной плоскостью Г-Г (см. рис.3 и 7).
В свою очередь, участок Р1 делится на более малые участки - подучастки У1 и У2. Другие участки (Р2 и Р3) также делятся на подучастки. Протяженность подучастков в осевом направлении одинаковая.
В изометрии рабочая область Р представлена на рис.3а. Рабочая область содержит рабочую внутреннюю поверхность гильзы Пв и наружную поверхность гильзы Пн.
Рабочая внутренняя поверхность гильзы может содержать участки. Каждый участок называется участок рабочей внутренней поверхности гильзы.
Участок Р1 содержит участок рабочей внутренней поверхности гильзы, прилегающий к поршневой крышке гидроцилиндра.
Участок Р2 содержит срединный участок рабочей внутренней поверхности гильзы гидроцилиндра.
Участок Р3 содержит участок рабочей внутренней поверхности гильзы, прилегающий к штоковой крышке гидроцилиндра.
Также участок Р1 (Р2 или Р3) может называться участок на рабочей внутренней поверхности гильзы. Участок ограничивается двумя внутренними границами двух поперечных сечений. Другими словами, участок расположен между двух поперечных сечений, а более точно – участок расположен между двух внутренних границ поперечных сечений.
При изготовлении гидроцилиндра на строго определенных конструктором или технологом участках на рабочей внутренней поверхности гильзы могут ставить мелом метки или наносить мелом надписи, касающиеся качества обработки внутренней поверхности гильзы, необходимости дальнейшей обработки и т.п.
В изометрии участок (область) Р1 представлена на рис.3б. Этот участок также имеет внутреннюю и наружную поверхности. Эти поверхности являются частью поверхностей Пв и Пн. Участку (области) принадлежит все, что находится между поверхностями Пв и Пн, а также все, что находится внутри гильзы между поперечной плоскостью В-В и поршневой крышкой цилиндра.
В изометрии участок (область) Р1 представлен на рис.3б.
В изометрии участок Р2 представлен на рис.3в.
В изометрии участок Р3 представлен на рис.3г.
В соответствие с рис.3 участок Р3 содержит элемент гильзы и элемент штока.
Как уже говорилось, участок Р1 содержит элемент гильзы. Этот элемент гильзы содержит часть рабочей внутренней поверхности гильзы. Рабочая внутренняя поверхность гильзы, относящаяся к участку Р1 (входящая в состав участка Р1), называется «участок рабочей внутренней поверхности гильзы, прилегающий к поршневой крышке гидроцилиндра».
Как уже говорилось, участок Р2 содержит элемент гильзы. Этот элемент гильзы содержит часть рабочей внутренней поверхности гильзы. Рабочая внутренняя поверхность гильзы, относящаяся к участку Р2 (входящая в состав участка Р2), называется «срединный участок рабочей внутренней поверхности гильзы гидроцилиндра».
Как уже говорилось, участок Р3 содержит элемент гильзы. Этот элемент гильзы содержит часть рабочей внутренней поверхности гильзы. Рабочая внутренняя поверхность гильзы, относящаяся к участку Р3 (входящая в состав участка Р3), называется «участок рабочей внутренней поверхности гильзы, прилегающий к штоковой крышке гидроцилиндра».
В изометрии участок У1 представлена на рис.3д. В изометрии участок У2 представлена на рис.3е.
Рабочая область гильзы цилиндра (или просто рабочая область гильзы) является частью гильзы. На внутренней поверхности гильзы, как правило, имеются места, которых не касается уплотнение поршня и поэтому эти места не входят в рабочую область (рабочая область короче на протяженность этих мест).
На рис.4 изображен гидроцилиндр (двухтрубный гидроцилиндр), у которого на гильзе 32 выполнены участки 33, 38, 36, 39, 34, 35, 37, имеющие одинаковый внутренний (и наружный) диаметр гильзы. На наружной поверхности гильзы на каждом из этих участков нанесена маркировка производителя гидроцилиндра. Всего нанесено семь маркировок. На рисунке маркировки не показаны.
На рис.5 изображен гидроцилиндр, у которого гильза 44 имеет два участка: 40 и 41, у которых одинаковы внутренние и наружные диаметры гильзы. Кроме того, шток 45 имеет два участка: 43 и 42, у которых наружные диаметры штока одинаковы. На участках гильзы (на наружной поверхности) могут проставляться заводская маркировка и номера деталей гидроцилиндра. На участках штока могут осуществлять шлифовку различного качества, что будет идентификатором завода изготовителя гидроцилиндра.
На рис.6 изображен шток с поршнем. Позицией 55 обозначена рабочий участок (рабочая область) штока. Рабочий участок штока – это тот участок, поверхность которого соприкасается с уплотнением в штоковой крышке при движение штока в цилиндре (может соприкасаться во время движения штока в гидроцилиндре). Позицией 29 обозначена срединный участок (срединная область) штока. Позицией 30 обозначен поршневой участок штока (поршневая область штока) - участок, прилегающий к поршню. Позицией 31 обозначен участок (область), прилегающий к противоположному от поршня концу штока. Срединный участок штока, поршневой участок штока и участок штока, прилегающий к противоположному от поршня концу штока равны по протяженности.
На рис.3ж на сечении А-А позицией Sпрох обозначена площадь проходного сечения гильзы. Данное сечение перпендикулярно продольной оси гильзы.
На рис.3ж на сечении А-А позицией 46 обозначена внутренняя граница поперечного сечения гильзы.
На рис.3ж на сечении А-А позицией 47 обозначена наружная (внешняя) граница поперечного сечения гильзы.
На рис.3ж на сечении Б-Б позицией 48 обозначена наружная (внешняя) граница поперечного сечения штока.
Внутренний диаметр гильзы – верхняя грань расстояний между всевозможными парами точек на внутренней границе поперечного сечения гильзы гидроцилиндра.
Если внутренняя граница поперечного сечения гильзы цилиндра выполнена в виде окружности, то диаметр окружности есть хорда, проходящая через центр окружности. Диаметром окружности называется также длина этой хорды / Математика, Большой энциклопедический словарь/Гл.ред. Ю.В.Прохоров.-3-е изд.-М.:Большая Российская энциклопедия.2000.-848с.:ил./.
2. Гидроцилиндры с демпфирующими свойствами
Ход поршня ограничивается крышками цилиндра, или другими элементами, расположенными в полостях гидроцилиндра, например, пружинами 64 и 75 (см. рис.9, 12) или грундбуксами (см. позицию 63 на рис.8). Кроме того, пружины выполняют роль демпферов.
Жесткий удар поршня о крышку в гидроцилиндрах строительных машин предотвращают демпферы (тормозные устройства), изображенные на рис.9 - 12. Принцип действия большинства из них основан на запирании небольшого объема рабочей жидкости и преобразования энергии движущихся масс в механическую энергию рабочей жидкости. Из запертого объема жидкость вытесняется через каналы малого сечения. Это одна из важных задач, решаемых конструкторами гидроцилиндров (см. http://gidravl.narod.ru/gidrocil.html).
На рис.9-12 представлены некоторые схемы демпферных устройств гидроцилиндров. Пружинный демпфер (см. рис.9) представляет собой пружину 64, установленную на внутренней стороне крышки цилиндра 65, тормозящую поршень 66 в конце его хода.
На рис. 9 обозначен канал 67 для движения рабочей жидкости из поршневой полости гидроцилиндра.
Демпфер с ложным штоком (см. рис.10) представляет собой короткий ложный шток 69 и выточку 68 в крышке цилиндра. Ложный шток может иметь коническую или цилиндрическую форму. В конце хода поршня жидкость запирается ложным штоком в выточке крышки цилиндра и вытесняется оттуда через узкий канал или щель. Если ложный шток выполнен в виде конуса, то эта щель уменьшается по мере достижения поршнем конца своего хода. При этом сопротивление движению жидкости возрастает, а скорость движения поршня уменьшаются.
Регулируемый демпфер с отверстием (рис.11) по принципу действия аналогичен демпферу с ложным штоком. Конструктивное отличие заключается в том, что запираемая в выточке крышки цилиндра рабочая жидкость вытесняется через канал 70 малого сечения, в котором установлена игла 71 для регулирования проходного сечения отверстия.
Гидравлический демпфер (рис.12) применяется в том случае, когда конструкцией гидроцилиндра не может быть предусмотрено устройство выточки. В гидравлическом демпфере в конце хода поршня 74 стакан 72 упирается в крышку цилиндра, а жидкость вытесняется из полости 73 через кольцевой зазор между стаканом и поршнем. Пружина 75 возвращает стакан в исходное положение при холостом ходе поршня.
Существуют и другие конструкции демпферов.
3. Пояснение признака «максимальное уменьшение наружного диаметра уплотнения поршня при упругой деформации»
Механические исследования уплотнений применяющихся на поршнях отечественных и зарубежных гидроцилиндров и гидроамортизаторов показали, что величина упругой деформации уплотнения поршня может составлять величину до 100мкм.
Признак «максимальное уменьшение наружного диаметра уплотнения поршня при упругой деформации» (признак используется в патенте РФ 74602) состоит из терминов:
- наружного диаметра уплотнения поршня;
- уменьшение наружного диаметра уплотнения поршня;
- максимальное уменьшение наружного диаметра уплотнения поршня;
- упругая деформация;
- максимальное уменьшение наружного диаметра уплотнения поршня при упругой деформации.
На рис.13 представлена диаграмма сжатия (приблизительный вид) образца уплотнения. По оси ординат – сила сжатия Р, по оси абсцисс – деформация 
L.
На диаграмме:
Участок ОА – участок упругой деформации;
Участок АВ – участок упрочнения;
Участок ВС – участок текучести;
Точка С – момент разрушения образца;
Ly - максимальное значение упругой деформации уплотнения. При снятии нагрузки не наблюдается остаточной деформации образца.
На рис. 14 представлена упрощенная схема испытания материала уплотнения на сжатие.
На рисунке введены обозначения:
Р – сила сжатия;
Р=0 – сила сжатия отсутствует;
Ру – сила сжатия, при которой достигается максимальная упругая деформация образца;
Ly - максимальное значение упругой деформации образца, максимальное уменьшение линейного размера (например, высоты образца) уплотнения при упругой деформации;
На рис.15 представлена схема испытания уплотнения, расположенного на поршне гидроцилиндра (амортизатора).
На рисунке введены обозначения:
76 – уплотнение до приложения сжимающей нагрузки;
77 – поршень;
78 – уплотнение в сжатом состоянии;
79 – шток поршня;
Р – сила сжатия;
Р=0 – сила сжатия отсутствует;
Ру – сила сжатия, при которой достигается максимальная упругая деформация уплотнения;
Ly - максимальное значение упругой деформации уплотнения, максимальное уменьшение наружного радиуса уплотнения поршня при упругой деформации;
Dу - наружный диаметр уплотнения поршня при отсутствии деформации (Р=0);
Dу - максимальное уменьшение наружного диаметра уплотнения поршня при упругой деформации. Dу определяется по формуле:
Dу = 2Ly.
На рис.16 представлена схема испытания уплотнения (вид сверху) на испытательном стенде. Уплотнение расположено на поршне гидроцилиндра (амортизатора).
На рисунке введены обозначения:
80 – уплотнение;
81, 82 – два щупа с чувствительными элементами;
83 – поршень;
84 – компьютер;
Р – сила сжатия.
При сжатии уплотнения посредством двух щупов фиксируется величина силы (в Ньютонах) и величина деформации Ly в микронах. Скорость нарастания силы сжатия – 0.01 – 1Н/мин.
При разработке материалов использовалась следующая литература:
- Равкин Г.О. Пневматическая подвеска автомобиля. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1962.
- Астахов М.Ф. и др. Справочная книга по расчету самолета на прочность. М.:Государственное издательство оборонной промышленности, 1954.
- ОСТ 37.001.434-86. Амортизаторы гидравлические и гидропневматические телескопические автотранспортных средств. Типы, основные параметры и размеры. Дата введения 01.01.1988.
- ОСТ 37.001.440-86. Амортизаторы гидравлические телескопические автотранспортных средств. Общие технические требования. Дата введения 01.07.1988.
- Мельников А.А. Теория автомобиля: колебания и плавность хода. Учебное пособие. Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет. 1998.
- Ротенберг Р.В. Подвеска автомобиля. Колебания и плавность хода. Издание третье, переработанное и дополненное. Москва «Машиностроение», 1972.
- Конструирование и расчет колесных машин высокой проходимости. Расчет агрегатов и систем. Под общей редакцией Бочарова Н.Ф., Жеглова Л.Ф. М.: «Машиностроение», 1994.
- Математика, Большой энциклопедический словарь/Гл.ред. Ю.В.Прохоров.-3-е изд.-М.:Большая Российская энциклопедия.2000.-848с.:ил.
- Зайцев Л.В., Полосин М.Д. Автомобильные краны: Учебник для сред. Проф. –техн.уч-щ.-2-е изд., перераб. И доп.-М.:Высш. Школа, 1978.-327с., ил.-(Профтехобразование. Строит. машины).
- Конструктор для машиностроителей. Поршневые гидроцилиндры. Уплотнения штоков и поршней.
- http://www.agemarus.ru/cgi-bin/go.pl?i=1415
- http://allgidravlika.ru/catalog/uralgidravlika/u_3/13/
- http://allgidravlika.ru/catalog/enerpac/e_42/129/
- http://www.1agrosnab.ru/info/29.html
- http://www.1agrosnab.ru/info/29.html
- http://mir-avtokranov.ru/?cat=10/
Статья написана на основании материалов, ранее опубликованных в Интернете Тихоненко О.О.