Гидроцилиндры: устройство, разновидности, сфера использования

Гидроцилиндры — ключевой элемент большинства современных машин и промышленных агрегатов. Они преобразуют энергию жидкости в механическую работу, обеспечивая движение и управление крупной техникой — от строительных кранов до сельскохозяйственных комбайнов. Подробно рассказываем о том, как устроены и работают гидроцилиндры, какие виды гидроцилиндров сегодня применяются, каковы их особенности и сферы использования.

• Устройство гидроцилиндра
• Типы гидроцилиндров
  • Одностороннего действия
  • Двустороннего действия
  • Телескопические
  • Дифференциальные
• Технические характеристики
• Достоинства и недостатки
• Где используются
  • Подъемно-транспортная техника
  • Металлообрабатывающие станкия
  • Кузнечно-прессовое оборудование
  • Литейное производство
  • Сельскохозяйственная техника
• Виды и причины типичных поломок
• Техобслуживание и ремонт
  • Диагностика
  • Разборка и чистка
  • Ревизия и замена компонентов
  • Сборка и проверка
  • Профилактические мероприятия
• ГОСТ гидроцилиндров
• Перспективы развития и применения
  • Внедрение инноваций
  • Экологичность

Гидроцилиндры широко используются в механизмах, обеспечивающих работу строительной техники, машин для дорожных работ, сельскохозяйственных машин. Гидроцилиндр – обязательный элемент конструкции современного подъёмного крана и экскаватора, комбайна и гидромолота – словом, всех конструкций, работа которых подразумевает поднимание и опускание навесных элементов.

Главный принцип действия гидравлического цилиндра – переход гидравлической энергии в механическую. Он проходит с помощью поворотно-прямолинейных или возвратно-поступательных движений. Рабочей средой (жидкостью) для гидроцилиндра служит вода, минеральные масла или водно-масляная эмульсия.

Устройство гидроцилиндра

Внешне гидроцилиндр напоминает гильзу: представляет собой трубу с гладкой внутренней поверхностью. Эта труба наполняется жидкостью, которая выкачивается и нагнетается с помощью цилиндрического стержня (штока).

Рабочая жидкость поступает под давлением, что активизирует работу поршня. Кроме поршня и самой гильзы в состав конструкции входят следующие элементы:

• Уплотнительные элементы. Чтобы жидкость не вытекала, конструкция также включает в себя гидравлические уплотнения и защитные пробки по бокам, в которых присутствуют отверстия для транспортировки жидкости;
• Шток. Имеет максимально гладкую поверхность, передаёт усилие от поршня;
• Грундбукс (букса). Используется как направляющее устройство для штока;
• Грязесъемник. Используется как дополнительный элемент системы уплотнения, а также служит для защиты манжет от попадания в них твердых частиц и лишней влаги;
• Проушина. Соединяет шток с подвижным механизмом.

Гидроцилиндры работают при повышенном давлении, которое может достигать 32 МПа и более. Поэтому требования ко всей системе очень серьёзны: все детали должны максимально соответствовать друг другу, быть как можно более прочными. Высокая функциональность системы возможна только при наличии надежных деталей и тщательно сработанного механизма.

Типы гидроцилиндров

Существует несколько способов классификации – в зависимости от особенностей конструкции. Так, по количеству положений штока выделяются модели, при работе которых возможны две позиции или много позиций, по типу хода – одноступенчатый и телескопический. Также гидроцилиндр может иметь или не иметь функции торможения. По типу фиксации в системе выделяют гидроцилиндры на шарнирах и на жёстком крепеже.

Одна из классификаций учитывает тип рабочего звена в конструкции. К самым распространенным относятся:

• Поршневые. Стержень для них может быть односторонним и двусторонним;
• Плунжерные. Рабочий элемент – плунжер (монолитный вытеснитель);
• Сильфонные. Рабочий элемент – сильфон. Предназначены для работ при небольшом давлении – до 3 МПа;
• Мембранные. С ними работают при самом небольшом давлении – меньше 1 МПа. Мембрана представляет собой эластичное кольцо, расположенное в корпусе.

Самая распространенная классификация – по типу направления действия жидкости. Согласно этой классификации, выделяют гидравлические цилиндры одностороннего действия, двустороннего действия, телескопические и дифференциальные. Подробнее расскажем о каждом из этих механизмов.

Одностороннего действия

Шток в таком гидроцилиндре перемещается в одном направлении, возвращаясь в исходное с помощью пружинного механизма. Также к устройствам одностороннего действия относятся домкраты, в которых нет пружинного механизма. В таком случае возврат стержня осуществляется благодаря силе тяжести груза, который опускается или поднимается, или же с помощью другого электродвигателя.

Двустороннего действия

В таких устройствах используется и прямой, и обратный ход. Усилие на штоке создаётся благодаря тому, что в полостях стержневого или поршневого цилиндра создается повышенное давление жидкости. При прямом ходе отмечают большее усиление на старте и относительно невысокую скорость движения в сравнении с обратным ходом. Причина этого – разница площадей, к которым применяется сила давления жидкости.

Телескопические

Раздвижной гидроцилиндр, напоминающий телескоп (отсюда это устройство и получило название). Он фактически представляет собой несколько цилиндров разного диаметра, вставляемых друг в друга. Телескопические гидроцилиндры также подразделяются на модели одностороннего и двустороннего действия. Используются в ситуациях, когда размеры устройства ограничены, однако при этом необходим большой ход цилиндра. Распространённый элемент конструкции самосвала.

Дифференциальные

В гидравлических цилиндрах такого типа давление на поршень осуществляется сразу с двух сторон, причем при разных площадях давления на разные стороны. Скорость движения в таких условиях соразмерна соотношению площадей поршня – соответственно, обратно пропорциональна итоговому усилию. Чем ниже скорость, тем выше оказываемое усилие, и наоборот.

Если размеры поршней находятся между собой в соотношении 2:1, гидравлический двигатель обеспечивает идентичную скорость в двух направлениях. Цилиндры с поршнем одностороннего движения такими свойствами не обладают – если не оборудованы специальными приспособлениями для регулировки.

Технические характеристики гидроцилиндров

От того, какими параметрами и характеристиками обладают гидроцилиндры, зависит эффективность их применения в конкретной сфере, сроки эксплуатации, в течение которых агрегаты можно эффективно использовать. Чтобы в случае ремонта оперативно подобрать замену детали, нужно разбираться в устройстве гидроцилиндра, иметь представление о его главных рабочих параметрах. Вот эти параметры:

• Диаметр штока. От него зависит сфера использования: изделия различного диаметра устанавливаются в различных механизмах. Конкретный диаметр штока подбирается при расчете нагрузки на механизмы, грузоподъемности устройства. Если провести эти расчёты правильно, то при эксплуатации стержень не будет деформироваться. Диаметр штока составляет не более 500 мм;
• Диаметр цилиндрического стержня – устройства, с помощью которого определяется толкающее и тянущее усилие;
• Характеристики хода цилиндрического стержня. От них зависят размеры механизма в рабочем состоянии, характеристики движения поршня. Максимальное значение хода – 10 000 мм;
• Особенности конструкции, определяющие способы крепления гидроцилиндра и расчёт нагрузки на крепеж;
• Тянущее и толкающее усилие на шток (в кН);
• Номинальное давление (в мегапаскалях);
• Расстояние по центрам (в нерабочем состоянии). Благодаря этому можно эффективно рассчитать присоединительные размеры;
• Масса, длина и ширина самого изделия;
• Температура окружающей среды при работе гидроцилиндра. Минимальная – минус 40 градусов по Цельсию, максимальная +40.

Достоинства и недостатки гидроцилиндров

К достоинствам относят:

• Высокую мощность, способность развивать огромное усилие. Это позволяет использовать гидравлические цилиндры в сфере тяжелого машиностроения, для работы техники с высокой грузоподъемностью.
• Плавную работу. Шток перемещается равномерно, что упрощает управление рабочим процессом.
• Простую конструкцию. Гидравлические цилиндры проще и дешевле в обслуживании по сравнению с электрическими.
• Надежность. Изделия из качественных материалов при соблюдении правил эксплуатации служат продолжительный срок.
• Компактные размеры. При относительно скромных габаритах устройства способны развивать большое усилие.

Список недостатков включает:

• Возможность утечки масла. При утечке снижается эффективность работы гидроцилиндра, возрастает риск его выхода из строя, возникает опасность загрязнения окружающей среды.
• Зависимость от температуры окружающей среды. При экстремальной жаре гидравлическое масло разжижается, на морозе загустевает, что негативно отражается на работе гидропривода.
• Проблемы с точным позиционированием. Несмотря на плавную работу системы, для высокоточного позиционирования требуется электронный блок управления.
• Требовательность к обслуживанию. Необходимо регулярно менять гидравлическое масло, фильтры, чтобы гидроцилиндр исправно функционировал.
• Относительно невысокая скорость работы. Гидроприводы работают заметно медленнее пневматических, что может быть критично при решении определенных задач.

Где используются гидроцилиндры

В устройствах, имеющих в своей конструкции гидравлические двигатели, работающих при больших нагрузках и нуждающихся в повышении функциональности. Это, к примеру, строительная и ремонтная, дорожная и землеройная техника, очистительные агрегаты. Без гидроцилиндров нельзя представить современные подъемные краны и самосвалы, бульдозеры и большегрузные автомобили. Кроме того, они применяются на производстве: ими оснащают станки, режущие металл, кузнечные агрегаты, прессы.

Подъемно-транспортная техника

Гидравлические цилиндры в составе подъемников, кранов, погрузчиков, другого подъемно-транспортного оборудования обеспечивают подъем грузов (в том числе на значительную высоту), их плавное перемещение с точным позиционированием. Гидроцилиндры высокого качества рассчитаны на экстремальные нагрузки и долгий срок службы.

Металлообрабатывающие станки

С помощью гидроцилиндров:

• обеспечивается точное позиционирование, стабильное положение обрабатываемых деталей, что повышает качество готовых изделий;
• приводятся в действие рабочие инструменты.

Кузнечно-прессовое оборудование

Гидравлические цилиндры помогают создавать необходимые усилия для пластической деформации металлов кузнечной машиной, приводят в действие пуансон пресса, при этом обеспечивая контроль процесса ковки, штамповки.

Литейное производство

Гидроцилиндрами оснащаются приводы, с помощью которых открываются и закрываются пресс-формы, производится управление стержнями, формами. Они позволяют контролировать скорость, плавность работы механизмов, осуществляющих заливку и распределение металла, извлечение отливок.

Сельскохозяйственная техника

С помощью гидравлических цилиндров тракторы, комбайны, другие агрегаты управляют навесным оборудованием – поднимают его, опускают, меняют угол наклона. Гидроприводами также оснащаются культиваторы, сеялки, бороны, другая техника для почвообработки, что позволяет ее складывать для транспортировки и раскладывать, позиционировать рабочие органы в нужном положении.

Виды и причины типичных поломок гидроцилиндров

Разобравшись в причинах часто встречающихся неисправностей, можно своевременно предупреждать поломки гидроцилиндра. Это предотвратит длительные простои и связанные с ними финансовые потери.

Износ уплотнений

Гидравлические уплотнения с течением времени изнашиваются и теряют герметичность. К преждевременному износу приводит:

• невысокое качество уплотнительных элементов – они не выдерживают эксплуатационных нагрузок;
• недостаток смазки, из-за чего увеличивается трение;
• перегрузки – под воздействием повышенной температуры или давления уплотнители могут деформироваться.

Избежать проблем поможет регулярная проверка и своевременная замена уплотнительных элементов.

Повреждения корпуса

Корпус гидравлического цилиндра может оказаться поврежденным в результате:

• сильного механического воздействия;
• коррозии.

Чтобы исключить риск повреждений, необходимо использовать цилиндры из прочных материалов, контролировать условия эксплуатации, своевременно восстанавливать антикоррозийное защитно-декоративное покрытие корпуса.

Разгерметизация соединений

К нарушению герметичности приводит:

• неправильная сборка – погрешности в установке соединительных компонентов, недостаточная затяжка резьбового соединения;
• повреждение уплотнителей или ослабление резьбы из-за термического расширения;
• эксплуатационный износ, деформация фланцев, резьбы.

Следует периодически осматривать соединения, проверять затяжку.

Засорение каналов и клапанов

Для нормальной работы гидравлики клапаны, каналы должны быть чистыми. Причиной засорения может служить:

• плохая фильтрация жидкости, из-за чего в систему попадают посторонние включения;
• формирование отложений на стенках, что сужает рабочее сечение;
• коррозия, разрушение внутренних компонентов.

Необходимо следить за качеством фильтрации рабочей жидкости, общим состоянием системы.

Техобслуживание и ремонт гидроцилиндров

Гидравлические цилиндры подвергаются высоким эксплуатационным нагрузкам, и потому нуждаются в систематическом уходе, своевременном ремонте.

Диагностика

Диагностические мероприятия включают осмотр, проверку целостности корпуса, наличия утечек рабочей жидкости. Также проверяется состояние штоков.

На данном этапе выявляют износ колец уплотнения и сальников, повреждения корпуса, деформацию штока.

Разборка и чистка

Гидроцилиндр после диагностики полностью разбирают, все детали очищают от масла, загрязнений, используя спецсредства, безопасные для металла, материала уплотнителей. Каждый компонент тщательно осматривают для выявления повреждений. Особого внимания требуют шток и поршень – даже мелкие дефекты способны нарушить нормальную работу устройства.

Ревизия и замена компонентов

Все детали оцениваются на предмет пригодности к эксплуатации. Компоненты с повреждениями или следами износа заменяют на новые. Важно использовать детали и расходники, рекомендованные производителем, чтобы полностью восстановить рабочие качества гидроцилиндра.

Сборка и проверка

Сборку необходимо проводить по техническим стандартам производителя. Детали устанавливаются в обратном порядке с соблюдением последовательности, правил сборки.

Собранный гидроцилиндр тестируют под нагрузкой – он должен сохранять герметичность, корректно работать под давлением, обеспечивать плавное перемещение штока.

Профилактические мероприятия

Систематическая профилактика продлевает срок службы цилиндров. Перечень мероприятий включает общий осмотр, проверку уплотнителей, замену гидравлической жидкости.

Максимально сохранять рабочий ресурс помогает соблюдение рекомендаций производителя по эксплуатации устройства, отсутствие перегрузок, минимизация внешних неблагоприятных воздействий.

ГОСТ гидроцилиндров

Все технические характеристики и параметры цилиндров определяются ГОСТ 6540-68, ГОСТ 16514-96. В соответствующих приложениях ГОСТ расположена информация о значениях гидроцилиндров поршневого и штокового типа, их соответствии друг другу. Также положения этого стандарта упоминают гидравлический цилиндр и пневмоцилиндр поршневого и плунжерного типа.

Еще одна важная величина, указанная в ГОСТ – стандартное давление. Это постоянная величина, которую стоит принимать во внимание, рассчитывая возможности эксплуатации.

В стандартах указаны и обозначения гидроцилиндров, которые различаются в зависимости от особенностей конструкции. Вместе с тем стоит помнить, что различные производители цилиндров могут использовать разные условные обозначения.

Покупая гидроцилиндры, нужно учитывать конкретные параметры и критерии, рассчитывать нужные величины, иначе устройство не будет полноценно и бесперебойно выполнять свою работу. К основным параметрам относятся:

• размеры гильзы (наружный и внутренний диаметр);
• диаметр штока;
• ход поршня (плунжера);
• длина цилиндра по осям крепления (установочный размер);
• геометрия вилок и праушин;
• материал, из которого изготовлены элементы гидроцилиндра;
• масса цилиндра в целом и его деталей по отдельности.

Учет всех перечисленных особенностей облегчит эксплуатацию цилиндра и в случае поломки позволит быстро решить проблему, заменив цилиндр или отдельную деталь.

Перспективы развития и применения гидроцилиндров

Востребованность экономически эффективных и экологически безопасных инженерных решений влияет на модернизацию гидравлических цилиндров.

Внедрение инноваций

Рабочие параметры и долговечность гидроцилиндров улучшаются благодаря развитию материаловедения, технологий металлообработки. Применяются новые высокопрочные композитные материалы, не подверженные коррозии, совершенствуются методы уплотнения. Оснащение гидроцилиндра системой интеллектуального контроля с управлением IoT (интернет вещей) позволяет отслеживать фактическое состояние оборудования – это сводит к минимуму риск поломок и связанных с ними финансовых потерь, оптимизирует затраты на обслуживание.

Экологичность

Повышение требований к экологической безопасности оборудования привело к созданию гидроцилиндров, которые работают с использованием биоразлагаемых рабочих жидкостей взамен синтетического масла.

В перспективе развитие гидравлических систем продолжит идти по пути совершенствования материалов, цифровизации, замены масла на жидкости, безвредные для окружающей среды.