Siłowniki hydrauliczne: Zasady działania i typy

Siłownik hydrauliczny jest siłownikiem w układzie hydraulicznym, a jego funkcją jest przekształcanie energii hydraulicznej w energię mechaniczną. Dane wejściowe do siłownika hydraulicznego to przepływ i ciśnienie cieczy, a dane wyjściowe to prędkość liniowa i siła. Tłok siłownika hydraulicznego może wykonywać ruch posuwisto-zwrotny liniowy, generując ograniczone przemieszczenie liniowe.

I. Zasada działania siłownika hydraulicznego

Jako przykład ilustrujący zasadę działania siłownika hydraulicznego weźmy siłownik hydrauliczny dwustronnego działania z pojedynczym tłoczyskiem. Jak pokazano na rysunku 1, siłownik hydrauliczny składa się głównie z cylindra 1, tłoka 2, tłoczyska 3, pokrywy końcowej 4 i uszczelki tłoczyska 5.

1-cylindrowy cylinder
2-tłok
3-tłoczysko
4-Osłona końcowa
5-Seal

Jeśli cylinder jest nieruchomy, a olej hydrauliczny jest w sposób ciągły wprowadzany do lewej komory, gdy ciśnienie oleju jest wystarczające do pokonania wszystkich obciążeń na tłoczysku, tłok porusza się w sposób ciągły w prawo z prędkością v ₁ a tłoczysko działa na środowisko zewnętrzne.

I odwrotnie, gdy olej hydrauliczny jest wprowadzany do prawej komory, tłok porusza się w lewo z prędkością v ₂ , a tłoczysko wykonuje również pracę w środowisku zewnętrznym. W ten sposób wykonywany jest ruch posuwisto-zwrotny. Ten typ siłownika hydraulicznego nazywany jest siłownikiem z cylindrem stałym.

Jeśli tłoczysko jest nieruchome, a olej hydrauliczny jest stale wprowadzany do lewej komory, cylinder przesuwa się w lewo; gdy olej hydrauliczny jest stale wprowadzany do prawej komory, cylinder przesuwa się w prawo. Ten typ siłownika hydraulicznego nazywany jest siłownikiem ze stałym tłoczyskiem.

Cylindry hydrauliczne omówione w tym rozdziale, o ile nie określono inaczej, są przykładami cylindrów hydraulicznych ze stałym cylindrem i ruchomym tłoczyskiem.

Olej wprowadzany do siłownika hydraulicznego musi mieć ciśnienie p i natężenie przepływu q. Ciśnienie jest wykorzystywane do pokonania obciążenia, a natężenie przepływu jest wykorzystywane do wytworzenia określonej prędkości ruchu. Ciśnienie i natężenie przepływu wprowadzane do siłownika hydraulicznego są energią hydrauliczną wprowadzaną do siłownika; siła i prędkość ruchu wywierana przez tłok na obciążenie są energią mechaniczną wyprowadzaną przez siłownik hydrauliczny.

Dlatego też ciśnienie p, natężenie przepływu q, siła wyjściowa F i prędkość v wprowadzane do siłownika hydraulicznego są głównymi parametrami wydajności siłownika hydraulicznego.

II. Klasyfikacja siłowników hydraulicznych

Ze względu na różne zastosowania różnych maszyn i różne formy wykonywanego przez nie ruchu, istnieje wiele typów siłowników hydraulicznych, ogólnie klasyfikowanych według metody dostarczania oleju, struktury, charakterystyki działania i zastosowania.

W zależności od kierunku dostarczania oleju, można je podzielić na siłowniki jednostronnego działania i siłowniki dwustronnego działania. Cylinder jednostronnego działania doprowadza olej pod wysokim ciśnieniem tylko do jednej strony cylindra, opierając się na innych siłach zewnętrznych, aby spowodować powrót tłoka. Siłownik dwustronnego działania doprowadza olej hydrauliczny do obu stron cylindra. Ruchy tłoka do przodu i do tyłu są wykonywane przez ciśnienie hydrauliczne.

Ze względu na formę konstrukcyjną można je podzielić na cylindry tłokowe, cylindry nurnikowe, cylindry wahadłowe i cylindry z tuleją teleskopową.

W zależności od kształtu tłoczyska, można je podzielić na cylindry z pojedynczym tłoczyskiem i cylindry z podwójnym tłoczyskiem.

W zależności od specjalnego zastosowania cylindra, można je podzielić na cylindry tandemowe, cylindry wspomagające, cylindry zwiększające prędkość, cylindry stopniowe itp. Te typy cylindrów nie są pojedynczym cylindrem, ale są połączone z innymi cylindrami i komponentami, więc z konstrukcyjnego punktu widzenia cylindry te są również nazywane cylindrami kombinowanymi. W zależności od ciśnienia stosowanego przez siłownik hydrauliczny, można je podzielić na niskociśnieniowe siłowniki hydrauliczne, średniociśnieniowe siłowniki hydrauliczne, wysokociśnieniowe siłowniki hydrauliczne i ultra wysokociśnieniowe siłowniki hydrauliczne.

W przypadku obrabiarek, zwykle stosowane są średnio- i niskociśnieniowe siłowniki hydrauliczne o ciśnieniu znamionowym od 2,5 do 6,3 MPa; w przypadku maszyn budowlanych, maszyn inżynieryjnych i samolotów, najczęściej stosowane są średnio- i wysokociśnieniowe siłowniki hydrauliczne o ciśnieniu znamionowym od 10 do 16 MPa; w przypadku maszyn takich jak prasy hydrauliczne, najczęściej stosowane są wysokociśnieniowe siłowniki hydrauliczne o ciśnieniu znamionowym od 25 do 31,5 MPa.

Klasyfikację siłowników hydraulicznych przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1 Klasyfikacja siłowników hydraulicznych

Nazwa			Symbol	Charakterystyka pracy
Siłownik hydrauliczny jednostronnego działania	Cylinder tłokowy			Jednokierunkowy napęd hydrauliczny, powrót za pomocą ciężaru własnego, sprężyny lub innych sił zewnętrznych
	Siłownik nurnikowy			Tłok jest gruby, dobrze znosi siłę i jest napędzany jednokierunkowo przez ciśnienie hydrauliczne
	Siłownik z tuleją teleskopową			Napędzany hydraulicznie, jest wypychany sekcja po sekcji od dużego do małego, a następnie chowany sekcja po sekcji od małego do dużego pod własnym ciężarem.
Siłownik hydrauliczny dwustronnego działania	Pojedyncze tłoczysko	Standardowy cylinder		Tłok porusza się pod ciśnieniem hydraulicznym w obu kierunkach, nie zwalnia na końcu skoku, a siła i prędkość ruchu w obu kierunkach są różne.
		Nieregulowany cylinder amortyzujący		Tłok porusza się pod ciśnieniem hydraulicznym w obu kierunkach, zwalnia na końcu skoku, a wartość opóźnienia nie jest regulowana. Siła i prędkość ruchu w obu kierunkach są różne.
		Regulowany cylinder amortyzujący		Tłok porusza się pod ciśnieniem hydraulicznym w obu kierunkach, zwalnia na końcu skoku, a wartość opóźnienia jest regulowana. Siła i prędkość ruchu w obu kierunkach są różne.
		Cylinder różnicowy		Może przyspieszyć zasysanie oleju w komorze beztłoczyskowej, ale ciąg jest odpowiednio zmniejszony.
	Podwójne tłoczysko	Standardowy cylinder		Tłok porusza się pod ciśnieniem hydraulicznym w obu kierunkach, nie zwalnia na końcu skoku, a siła i prędkość ruchu w obu kierunkach są takie same.
		Siłownik o podwójnej prędkości		Dwa tłoki poruszają się jednocześnie w przeciwnych kierunkach.
		Nieregulowany cylinder amortyzujący		Tłok porusza się pod ciśnieniem hydraulicznym w obu kierunkach, zwalnia na końcu skoku, a wartość opóźnienia nie jest regulowana. Siła i prędkość ruchu w obu kierunkach są takie same.
		Regulowany cylinder amortyzujący		Tłok porusza się pod ciśnieniem hydraulicznym w obu kierunkach, zwalnia pod koniec skoku, a wartość opóźnienia jest regulowana. Siła i prędkość ruchu w obu kierunkach są takie same.
	Siłownik z tuleją teleskopową			Napęd hydrauliczny dwustronnego działania, procedura wysuwania i wsuwania jest taka sama jak w przypadku siłownika teleskopowego jednostronnego działania.
Cylinder kombinowany	Siłownik wspomagający			Napędzany przez wlot oleju w komorze A, wysyła olej pod wysokim ciśnieniem do komory B.
	Cylinder tandemowy			Używany w sytuacjach, w których średnica cylindra jest ograniczona, ale długość nie, co pozwala na większy ciąg.
	Siłownik wielopozycyjny			Otwierając w razie potrzeby różne wloty oleju, tłok A może mieć trzy położenia.
	Cylinder krokowy			Kilka suwów tłoka jest ułożonych w kolejności binarnej. Otwierając różne wloty oleju w zależności od potrzeb, tłok może przemieszczać się na różne odległości.
	Siłownik zębatki			Przekształca posuwisto-zwrotny ruch liniowy tłoka w posuwisto-zwrotny ruch obrotowy przekładni.