Szukaj swojej części
2021-09-06
W świecie maszyn roboczych precyzja i moc idą w parze. Jednym z kluczowych elementów, który umożliwia wykonywanie prostoliniowych ruchów z dużą siłą, jest siłownik hydrauliczny. W tym wpisie wyjaśniamy, jak działa, czym różni się od silnika hydraulicznego i dlaczego jego zastosowanie w napędach maszyn to strzał w dziesiątkę.
1.Siłownik/Cylinder w układach hydraulicznych
Siłownik/Cylinder hydrauliczny jest obecnie w układach hydraulicznych, obok silnika hydraulicznego, nieodzownym urządzeniem do przekształcania energii hydraulicznej w energię mechaniczną. Stanowi on ogniwo łączące układ hydrauliczny z maszyną roboczą.
W przeciwieństwie do silnika hydraulicznego, który wykonuje ruchy obrotowe (wirujące), siłownik /cylinder hydrauliczny ma za zadanie, wykonanie (prostoliniowych) ruchów przemieszczania tłoczyska i przenoszenia przy tym sił.
Maksymalnie możliwa do uzyskania siła siłownika /cylindra F jest, z pominięciem tarcia, zależna od maksymalnie dopuszczalnego ciśnienia pracy p i rzeczywistej powierzchni tłoka w komorze tłokowej A zwanej dalej powierzchnią czynną tłoka.
F=p∙A [kN]
Zastosowanie siłowników/cylindrów hydraulicznych w napędach maszyn roboczych do wykonania ruchów liniowych daje następujące korzyści:
- Bezpośredni napęd przy użyciu siłowników/cylindrów hydraulicznych jest prosty w budowie i łatwy do zastosowania przez konstruktora maszyn.
- Brak konieczności przetworzenia ruchu obrotowego na ruch liniowy nadaje napędom z siłownikiem/cylindrami hydraulicznymi bardzo wysoki stopień sprawności.
- Siłownik / Cylinder hydrauliczny może przekazywać maksymalną stałą siłę od początku do końca skoku. Możliwe jest łatwe ograniczenie siły w zakresie skoku, przez zastosowanie zaworu ciśnieniowego.
- Prędkość tłoka siłownika / cylindra hydraulicznego zależy od natężenia przepływu i czynnej powierzchni tłoka. Przy stałym natężeniu przepływu prędkość tłoka pozostaje również stała od początku do końca skoku.
- W zależności od odmiany konstrukcyjnej siłownika/ cylindra hydraulicznego, tłok wraz z tłoczyskiem może wykonywać tylko siły nacisku lub siły nacisku i siły ciągnące.
- Dobór właściwej wielkości siłowników / cylindrów umożliwia realizację napędów o dużej mocy przy niedużych wymiarach montażowych cylindrów hydraulicznych.
Podnoszenie, opuszczanie, blokowanie i przesuwanie ładunków – to przypadki, w których zastosowanie siłowników / cylindrów hydraulicznych jest zalecane.
2. Rodzaje cylindrów w zależności od sposobu ich działania
Ze względu na sposób działania można podzielić siłowniki / cylindry hydrauliczne na:
- siłowniki / cylindry jednostronnego działania oraz
- siłowniki / cylindry dwustronnego działania
2.1 Siłowniki / Cylindry jednostronnego działania
Siłowniki / Cylindry jednostronnego działania mogą przekazywać siłę tylko w jednym kierunku. Powrót tłoka może odbywać się pod wpływem działania sprężyny, pod wpływem ciężaru własnego tłoka, lub przez oddziaływanie sił zewnętrznych. Zasadniczo siłowniki / cylindry jednostronnego działania mają tylko jedną powierzchnię czynną tłoka.
2.1.1 Siłowniki / Cylindry nurnikowe lub tłokowe
Rys. 7.1: Siłowniki / Cylindry nurnikowe lub tłokowe; z lewej bez zderzaka wewnętrznego, z prawej ze zderzakiem wewnętrznym (tłok prowadzący)
W siłowniku / cylindrze o tym wykonaniu, zgodnie z jego budową, przenoszone mogą być tylko siły nacisku. Siłowniki/Cylindry nurnikowe mogą być wykonane, w zależności od przypadku zastosowania, ze zderzakiem wewnętrznym lub bez niego oraz z tłokiem prowadzącym lub bez niego. Wielkość siły nacisku oblicza się we wszystkich wykonaniach jako iloczyn powierzchni tłoczyska i ciśnienia pracy. Siłowniki / Cylindry nurnikowe są stosowane wszędzie tam, gdzie< jednoznaczny kierunek siły umożliwia powrót do położenia wyjściowego, jak na przykład w prasach dolnotłokowych, stołach z podnośnym układem nożycowym, urządzeniach podnoszących itp. Na skutek zasilenia powierzchni czynnej przez przyłącze ,,A’’ ciśnieniem pracy, tłok wysuwa się (<=). Wsuw tłoka musi odbywać się pod działaniem ciężaru własnego tłoka lub na skutek działania siły zewnętrznej.
2.1.2 Siłownik /Cylinder z ruchem powrotnym wymuszonym sprężyną
Siłowniki/Cylindry z ruchem powrotnym wymuszonym sprężyną są stosowane wszędzie tam, gdzie brak jest zewnętrznej siły powrotnej. Sprężyny powrotne mogą być osadzone we wnętrzu siłownika/cylindra lub zamontowane jako element konstrukcyjny na cylindrze. Z uwagi na to, iż sprężyny wykonują tylko ograniczone skoki i wywierają ograniczone siły, można je znaleźć głównie w ,,małych siłownikach / cylindrach”. Siłowniki / Cylindry te znajdują zastosowanie w budowie oprzyrządowania jako siłowniki / cylindry mocujące lub jako narzędzia montażowe w naprawach.
Rys. 7.2: Siłowniki / Cylindry naciskowe jednostronnego działania; z lewej ze sprężyną wewnątrz komory tłoczyskowej, z prawej ze sprężyną na zewnątrz komory tłoczyskowej
Wysuw (<=) tłoczyska uzyskuje się przez zasilenie rzeczywistej powierzchni w komorze tłokowej (zwanej dalej powierzchnią czynną tłoka) ciśnieniem pracy przez przyłącze ,,A’’. Ruch wsuwu tłoczyska następuje pod działaniem sprężyny cofającej.
Rys. 7.3: Siłowniki /Cylindry ciągnące jednostronnego działania; z lewej ze sprężyną wewnętrzną, z prawej ze sprężyną zewnętrzną
Przez zasilenie ciśnieniem pracy powierzchni czynnej tłoczyska w komorze tłoczyskowej przez przyłącze ,,B’’ uzyskuje się ruch wsuwowy (=>) tłoczyska. Ruch wysuwu odbywa się pod działaniem sprężyny cofającej.
Siłowniki /Cylindry dwustronnego działania mają dwie przeciwstawne powierzchnie czynne tłoka i tłoczyska, o takie samej lub różnej wielkości. Są one wyposażone w dwa oddzielone od siebie przyłącza. Przez doprowadzenie cieczy hydraulicznej pod ciśnieniem przez przyłącza ,,A’’ lub ,,B’’ tłok może w obydwu ,,kierunkach skoku” przenosić siły ciągnące i naciskowe. Tego typu cylindry można znaleźć prawie we wszystkich dziedzinach zastosowania.
Siłowniki / Cylindry dwustronnego działania dzieli się na grupy siłowników /cylindrów różnicowych i siłowników / cylindrów z tłoczyskiem dwustronnym.
2.2.1 Siłowniki / Cylindry różnicowe cylindry z tłoczyskiem jednostronnym)
Rys.7.4: Siłowniki / Cylinder różnicowy z tłoczyskiem jednostronnym
W większości przypadków zastosowania cylindry są wykonywane tylko z jednym tłoczyskiem. Siłowniki / Cylindry różnicowe mają jeden tłok, który jest sztywno połączony z tłoczyskiem o mniejszej średnicy niż tłok. Nazwa Siłowniki / cylindry różnicowe wywodzi się z różnych powierzchni czynnych tłoka. Stosunek powierzchni tłoka i powierzchni czynnej tłoczyska jest określany jako współczynnik (ф).Maksymalnie przenoszona siła przy ruchu wysuwu jest zależna od powierzchni tłoka, a przy ruchu wsuwu od powierzchni czynnej będącej różnicą powierzchni tłoka i powierzchni tłoczyska. To oznacza, że przy tym samym ciśnieniu pracy siła wysuwu jest większa o współczynnik ф od siły wsuwu. Przestrzenie, które muszą być napełnione, są jednakowe pod względem długości skoku, jednak na skutek różnicy powierzchni tłoka i powierzchni czynnej tłoczyska, mają one różne objętości. Dlatego prędkości skoku są odwrotnie proporcjonalne do powierzchni.
A to oznacza:
- duża powierzchnia -> powolny ruch
- mała powierzchna -> szybki ruch
Rys.7.5: Siłowniki / Cylinder różnicowy z tłoczyskiem dwustronnym
W większości przypadków zastosowania cylindry są wykonywane tylko z jednym tłoczyskiem. Siłowniki / Cylindry różnicowe mają jeden tłok, który jest sztywno połączony z tłoczyskiem o mniejszej średnicy niż tłok. Nazwa Siłowniki / cylindry różnicowe wywodzi się z różnych powierzchni czynnych tłoka. Stosunek powierzchni tłoka i powierzchni czynnej tłoczyska jest określany jako współczynnik (ф).Maksymalnie przenoszona siła przy ruchu wysuwu jest zależna od powierzchni tłoka, a przy ruchu wsuwu od powierzchni czynnej będącej różnicą powierzchni tłoka i powierzchni tłoczyska. To oznacza, że przy tym samym ciśnieniu pracy siła wysuwu jest większa o współczynnik ф od siły wsuwu. Przestrzenie, które muszą być napełnione, są jednakowe pod względem długości skoku, jednak na skutek różnicy powierzchni tłoka i powierzchni czynnej tłoczyska, mają one różne objętości. Dlatego prędkości skoku są odwrotnie proporcjonalne do powierzchni.
A to oznacza:
- duża powierzchnia -> powolny ruch
- mała powierzchna -> szybki ruch
2.2.1 Siłowniki / Cylindry z tłoczyskiem dwustronnym
Rys. 7.5: Siłownik / Cylinder z tłoczyskiem dwustronnym
Siłowniki / Cylindry z tłoczyskiem dwustronnym mają jeden tłok, który jest połączony sztywno z dwoma tłoczyskami o mniejszej od tłoka średnicy. Maksymalna siła przenoszona w obydwu kierunkach ruchu jest zależna od maksymalnie dopuszczalnego ciśnienia pracy. Oznacza to, że przy takim samym ciśnieniu pracy siły w obydwu kierunkach ruchu są jednakowe. Z uwagi na to, że powierzchnie i długości skoku po obydwu stronach są jednakowe, przestrzenie napełniane cieczą są również jednakowe. Wynika z tego, że prędkości wysuwu tłoczysk są też jednakowe.
Dla szczególnych przypadków zastosowania siłowniki / cylindry z tłoczyskiem dwustronnym mogą być wykonane z różnymi średnicami tłoczysk.
Rys. 7.6: Siłownik / Cylinder różnicowy z tłoczyskiem dwustronnym o różnych średnicach tłoczysk
W tym wykonaniu siły i prędkości (podobnie jak w siłowników /cylindrze różnicowym) są proporcjonalne do stosunku (ф) obydwu powierzchni czynnych tłoczyska po danej stronie tłoczyska.
2.3 Specjalne wykonania siłowników / cylindrów hydraulicznych jednostronnego i dwustronnego działania
Istnieją przypadki, w których zastosowanie zwykłych siłowników /cylindrów jednostronnego lub dwustronnego działania jest kłopotliwe i możliwe tylko przy zastosowaniu specjalnych urządzeń dodatkowych. Najczęściej w takich przypadkach wymagane są duże długości skoku przy ekstremalnie krótkich wymiarach montażowych lub duża siła przy małej średnicy tłoka. Tego rodzaju wymagania spowodowały opracowanie szeregu specjalnych wykonań, które są zwykle trudniejsze w produkcji i wymagają większych nakładów kosztów.
2.3.1 Siłowniki /Cylindry wielotłokowe
Rys. 7.7: Siłownik / Cylinder dwutłokowy (tandemowy)
2.3.3 Siłowniki / Cylindry o szybkim ruchu wysuwowym tłoczyska
Siłowniki /Cylindry o szybkim ruchu wysuwowym tłoczyska znajdują zastosowanie przede wszystkim w budowie pras. W tym typie siłownika / cylindra, w części skoku, gdy nie jest potrzebna pełna siła czynna, zasilana jest ciśnieniem tylko część powierzchni czynnej tłoka, tak zwany tłok ruchu szybkiego. Cała powierzchnia czynna tłoka zostaje połączona przez układ sterujący z pompą hydrauliczną dopiero później, na skutek zadziałania zaworów ciśnieniowych lub wyłączników krańcowych.
Zalety:
- wysoka prędkość ruchu ,,dochodzenia” dzięki małej geometrycznej objętości roboczej,
- wysoka siła nacisku przy tłoczeniu dzięki dużej powierzchni czynnej tłoka.
2.3.2.1 Siłownik / Cylinder jednostronnego działania o szybkim ruchu wysuwowym tłoczyska
- Ruch szybki (<=) zasilanie przez przyłącze ,,A1’’ Dosysanie przez przyłącze ,,S’’
- Siła nacisku (<=) przez przyłącze ,,A2’’
- Ruch wsuwu przez ciężar własny lub działanie siły zewnętrznej, powrót z ,,A1’’ i ,,A2’’
Rys. 7.8: Siłownik / Cylinder jednostronnego działania o szybkim ruchu wysuwowym tłoczyska
2.3.2.2 Siłownik / Cylindry dwustronnego działania o szybkim ruchu wysuwowym tłoczyska
- Ruch szybki (<=) zasilanie przez przyłącze ,,A1’’ Dosysanie przez przyłącze ,,S’’
- Siła nacisku (<=) przez przyłącze ,,A2’’
- Ruch wsuwu przez ciężar własny lub działanie siły zewnętrznej, powrót z ,,A1’’ i ,,A2’’
Siłowniki / Cylindry dwustronnego działania o szybkim ruchu wysuwowym tłoczyska
2.3.3 Siłowniki / Cylindry teleskopowe
Siłowniki / Cylindry teleskopowe różnią się od ,,normalnych’’ siłowników / cylindrów krótszym wymiarem montażowym w stanie wsuniętym w porównaniu z ,,normalnymi’’ cylindrami o porównywalnym skoku. Dzięki tłoczyskom wsuwającym się jedno w drugie, wymiar montażowy jest równy całkowitej długości skoku podzielonej przez liczbę stopni plus wymiar skoku zerowego (grubość dna, długości prowadnic, szerokość uszczelek, mocowanie). Oznacza to, że długość montażowa jest tylko niewiele większa od jednego stopnia. Długość w stanie wsuniętym cylindra teleskopowego zawiera się na ogół między połową a jedną czwartą długości skoku. W zależności od wymiaru montażowego, siłownik / cylindry te są wykonywane jako dwu-, trzy-, cztero-, lub pięciostopniowe. Siłowniki / Cylindry teleskopowe znajdują zastosowanie w układach hydraulicznych dźwigów, pomostów przechylnych, pojazdów użytkowych, pomostów podnoszonych, w budowie anten itp
2.3.3.1 Siłowniki / Cylindry teleskopowe jednostronnego działania
Rys. 7.10: Siłownik / Cylinder teleskopowy jednostronnego działania
Gdy tłoki zostaną ,,zasilone” ciśnieniem przez przyłącze ,,A”, to zaczną się one wysuwać po kolei. Ciśnienie zależy od wielkości obciążenia i powierzchni czynnej. Zatem tłok o największej powierzchni czynnej wysuwa się jako pierwszy. Przy stałym ciśnieniu i stałym natężeniu przepływu cieczy ruch wysuwu rozpoczyna się z największą siłą i małą prędkością i kończy się z najmniejszą siłą i dużą prędkością
Wywierana siła podnoszenia musi być dobrana dla najmniejszej powierzchni czynnej tłoka. W przypadku cylindra teleskopowego jednostronnego działania kolejności ruchu wsuwania, ze względu na obciążenie zewnętrzne, jest odwrotna. Oznacza to, że tłok o najmniejszej powierzchni czynnej wsuwa się jako pierwszy do położenia krańcowego.
2.3.3.2 Siłowniki / Cylindry teleskopowe dwustronnego działania
Siłownik / Cylinder teleskopowy dwustronnego działania
W przypadku siłowników / cylindrów teleskopowych dwustronnego działania wysuw odbywa się w taki sam sposób jak w przypadku siłownika / cylindra teleskopowego jednostronnego działania.
Kolejność ruchu wsuwu poszczególnych stopni zależy od wielkości powierzchni czynnej po stronie tłoczyskowej i obciążenia zewnętrznego. W tym wypadku tłok o największej powierzchni czynnej po stronie tłoczyskowej przesuwa się jako pierwszy do położenia krańcowego przy zasilaniu ciśnieniem przez przyłączę ,,B’’.
Siłowniki / Cylindry teleskopowe dwustronnego działania mogą również być wykonane jako synchroniczne siłowniki / cylindry teleskopowe. W tym wykonaniu różne stopnie wysuwają i wsuwają się jednocześnie z jednakową prędkością.
3. Zasady konstrukcji
Konstrukcja siłownika / cylindra hydraulicznego zależy w dużym stopniu od jego przeznaczenia. Do zastosowania w obrabiarkach, samojezdnych maszynach roboczych, w stalowych budowlach wodnych, w hutnictwie czy też w innych dziedzinach, opracowane zostały zasady konstrukcji dostosowane do tych zastosowań.
Na bazie siłownika / cylindra różnicowego jednostronnego i dwustronnego działania, który jest najczęściej stosowany, przedstawione zostaną powszechnie stosowane zasady konstrukcji.
Zasadniczo rozróżnia się dwie odmiany konstrukcyjne:
- odmiana konstrukcyjna z dwustronnymi śrubami złącznymi
- odmiana konstrukcyjna okrągła.
3.1 Odmiana konstrukcyjna z dwustronnymi śrubami złącznymi
W siłownikach / cylindrach z dwustronnymi śrubami złącznymi głowica cylindra, tuleja cylindrowa i dno cylindra są ze sobą sztywno połączone za pomocą łącznika gwintowanego (śrub złącznych). Siłowniki / Cylindry z dwustronnymi śrubami złącznymi charakteryzują się daleko posuniętą budową kompaktową. Dzięki kompaktowej konstrukcji oszczędzającej miejsce, są one stosowane przede wszystkim w przemyśle obrabiarkowym i w urządzeniach produkcyjnych dla przemysłu motoryzacyjnego, jak automatyczne linie obrabiarkowe i centra obróbcze.
Cylinder / siłownika odmiana konstrukcyjna z śrubami złączonymi z kołnierzem prostokątnym na głowicy cylindra oraz dnem kołnierzowym