Гидроцилиндр с фиксирующим клапаном
HYDRAULIC CYLINDER WITH FIXING VALVE

Изобретение относится к устройствам для ресурсных испытаний телескопических гидроцилиндров возвратно-поступательного типа, снабженных гидрозамком, предназначенных для перемещения выдвижных опор машин специального назначения из одного положения в другое, и может применяться для определения надежности партии гидроцилиндров на срабатывание гидрозамка.
Из уровня техники стенд, предназначенный для ресурсных испытаний гидроцилиндров машин различного назначения (RU 2498119 C2, МПК F15B 19/00, опубл. 10.11.2013). Стенд содержит станину, неподвижный испытуемый и тяговый гидроцилиндры, каждый из гидроцилиндров приводится в действие независимой насосной станцией, каждая из которых выполнена с возможностью управления по параметрам рабочего процесса испытуемого гидроцилиндра, при этом станина крепится в своей середине к стенду через поворотный гидродвигатель с шестеренной передачей.
Недостатком стенда является то, что для его работы необходим как испытуемый, так и тяговый гидроцилиндры, каждый из которых управляется независимой насосной станцией, что усложняет конструкцию стенда. Кроме того с помощью известного стенда является то, что с его помощью невозможно осуществить проверку работоспособности гидроцилиндра, непосредственно установленного в опоре машины специального назначения без его демонтажа.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан гидроцилиндр с фиксацией положения поршня (RU 4574 U1, МПК F16F 13/00, B66C 9/18, опубл. 16.07.1997). Гидроцилиндр содержит два поршня, из которых силовой поршень соединен со штоком, а управляющий поршень установлен в цилиндрической расточке корпуса распределителя, связанного каналами с левой и правой сторонами силового поршня, а также с полостями высокого давления и слива, причем в крайних положениях управляющего поршня жидкость поступает соответственно в левую и правую полость силового поршня.
Недостатком известного гидроцилиндра является отсутствие в его конструкции узлов, позволяющих осуществлять определение надежности фиксации его поршня при падении давления в его гидравлической линии.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является обеспечение возможности проверки надежности фиксации поршня гидроцилиндра, установленного в опоре машины специального назначения, при падении давления в его гидравлической линии без необходимости демонтажа гидроцилиндра и применения специальных стендов.
Указанная задача решена тем, что гидроцилиндр состоит из гильзы и задней крышки с закрепленными на поверхности гильзы бонками, в которые герметично установлена перепускная полая трубка, при этом первый конец трубки сообщается с поршневой полостью гидроцилиндра, а второй - со штоковой. На торце гидроцилиндра закреплена букса, герметично охватывающая шток с установленным на нем поршнем, и проушиной. В корпусе задней крышки выполнены центральное вертикальное цилиндрическое отверстие, перпендикулярное относительно оси симметрии гильзы для установки гидрозамка, наклонные относительно оси гильзы канал прямого движения  и канал реверсного движения, а также горизонтальный канал,  соединяющий  центральное вертикальное цилиндрическое отверстие c поршневой полостью. Гидрозамок состоит из верхней и нижней клапанных групп, каждая из которых состоит из стакана, в  корпусе и шейке которого выполнены боковые горизонтальные отверстия, упорного винта, седла и подпружиненного пружиной запорного элемента. В центре гидрозамка между клапанными группами установлен на пружинах управляющий поршень с верхним и нижним толкателями. Дополнительно в канале реверсного движения установлены резистивные датчики давления и температуры, выходы которых подключены к первому и второму измерительным входам телеметрического блока, выполненного на основе микроконтроллера, закрепленного на корпусе гидроцилиндра, при этом для передачи телеметрии удаленной автоматизированной системе слежения телеметрический блок снабжен радиомодулем.
Положительным результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков гидроцилиндра, является повышение технологичности конструкции устройства при сохранении возможности надежной фиксации положения поршня гидроцилиндра аутригера в случае аварийного падения давления в линии подачи рабочей жидкости, за счет применения гидрозамка. Дополнительно за счет применения в конструкции гидроцилиндра датчиков давления и температуры, подключенных к телеметрическому блоку, обеспечивается возможность определения надежности партии гидроцилиндров путем экспериментального определения величины давления в штоковой полости и температуры рабочей жидкости при срабатывании гидрозамка.
Конструкция гидроцилиндра поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен внешний вид гидроцилиндра в изометрической проекции; на фиг. 2 приведен гидроцилиндр вид сбоку; на фиг 3 приведен  гидроцилиндр вид сбоку в разрезе; на фиг. 4 приведен внешний вид задней крышки; на фиг. 5 приведен внешний вид задней крышки в разрезе; на фиг. 6 приведен внешний вид клапанной группы в разрезе; на фиг. 7 приведена структурная схема телеметрического блока.
Гидроцилиндр с фиксирующим клапаном устроен следующим образом.
Гидроцилиндр состоит из гильзы 1 и задней крышки 2 с закрепленными на поверхности гильзы бонками 3 и 4, в которые герметично установлена перепускная полая трубка 5 с П-образным изгибом, при этом первый конец трубки сообщается с поршневой полостью гидроцилиндра, а второй - со штоковой. На торце гидроцилиндра закреплена букса 6, герметично охватывающая шток 7 с установленным на нем поршнем 8, и проушиной 9. В корпусе задней крышки 2 выполнены центральное вертикальное цилиндрическое отверстие 10, перпендикулярное относительно оси симметрии гильзы для установки гидрозамка, наклонные относительно оси гильзы канал 11 прямого движения и канал 12 реверсного движения, а также горизонтальный канал 13,  соединяющий  центральное вертикальное цилиндрическое отверстие c поршневой полостью. Гидрозамок состоит из верхней и нижней клапанных групп, каждая из которых состоит из стакана 14, в корпусе и шейке 15 которого выполнены боковые горизонтальные отверстия 16, упорного винта 17, седла 18 и подпружиненного пружиной 19  запорного элемента 20, выполненного в виде шарика или конуса. В центре гидрозамка между клапанными группами установлен на пружинах 21 управляющий поршень 22 с верхним и нижним толкателями. При этом верхняя из упомянутых пружин верхним концом надета на шейку верхнего стакана, а нижним концом упирается в верхний поясок поршня 22; нижняя из упомянутых пружин нижним концом надета на шейку нижнего стакана, а верхним концом упирается в нижний поясок управляющего поршня 22.
Канал реверсного движения 12 может быть выполнен в виде трех отверстий, при этом первое сквозное отверстие выполнено параллельно отверстию гидрозамка, снизу соединено со вторым радиально расположенным под углом 45° отверстием, а третье горизонтальное отверстие слева пересекает первое отверстие под углом 90° и справа выходит в отверстие для гидрозамка на уровне стакана нижней клапанной группы.
Телеметрический блок устроен следующим образом.
Телеметрический блок снабжен модулем питания (на фигурах условно не показан), при этом он выполнен на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессорное ядро 23, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 24, SRAM-памятью данных 25, модулем LCD-интерфейса 26, многоканальным аналого-цифровым преобразователем (ADC) 27, интерфейсом ввода-вывода общего назначения, сгруппированного в два восьмиразрядных GPIO-порта ввода-вывода 28, 29, универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком (USART) 30, и модулем подключения SD-карты 31. К модулю LCD-интерфейса 26 электрически подключен модуль индикации 32, выполненный в виде LCD-дисплея, к первому каналу аналого-цифрового преобразователя 27, являющемуся первым измерительным входом телеметрического блока, через операционный усилитель подключен резистивный датчик температуры 33, а к его второму каналу, являющемуся вторым измерительным входом телеметрического блока, через операционный усилитель подключен резистивный датчик давления 34. К первому восьмиразрядному GPIO-порту ввода-вывода 28 электрически подключена кнопочная клавиатура 35, второй порт GPIO-порт ввода-вывода 29 оставлен в качестве резерва, к универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику 30 подключен радиомодуль 35, а в слот модуля подключения SD-карты 31 вставлена и электрически соединена с модулем SD-карта 36. К нулевой и первой линии второго GPIO-порт ввода-вывода 29 могут быть дополнительно подключены концевые тензометрические датчики, выполненные заодно с седлами 18 клапанных групп, позволяющие автоматически фиксировать срабатывание клапанов.
Гидроцилиндр с фиксирующим клапаном работает следующим образом.
Его целесообразно применять, как силовой узел аутригера техники специального назначения, такой как автокраны, автовышки, перегружатели или тракторы различных конструкций. Первоначально гидроцилиндр устанавливают на аутригер транспортного средства и подключают каналы прямого 11 и реверсного 12 движения к его гидравлической системе. Прямым и реверсным движением штока гидроцилиндра управляют, подавая рабочую жидкость в канал 11 или 12.
Когда в канал 11 прямого  движения подается рабочая жидкость с давлением большим, чем в канал 12 реверсного движения, управляющий поршень 22 нижним толкателем выталкивает запорный элемент 20 нижней клапанной группы из седла 18, при этом запорный элемент верхней клапанной группы выталкивается из седла давлением рабочей жидкости. Рабочая жидкость поступает в поршневую полость, поршень 8 вместе со штоком совершают прямое движение, шток 7 выдвигается  из гидроцилиндра, а поршень 8 вытесняет жидкость из штоковой полости, через полую перепускную трубку 5 в боковые отверстия стакана нижней клапанной группы, через открытый нижний клапан, в центральное отверстие шейки, затем в канал 12 реверсного  движения. Когда в канал 12 реверсного движения подается рабочая жидкость с давлением большим давления рабочей жидкости в канале 11 прямого движения управляющий поршень своим верхним толкателем выталкивает запорный элемент верхней клапанной группы из седла, при этом запорный элемент нижней клапанной группы выталкивается из седла давлением рабочей жидкости. Рабочая жидкость поступает через трубку 5 в канал штоковой полости, в результате поршень 8 вместе со штоком совершают реверсное движение, при этом шток 7 входит в гидроцилиндр, а поршень 8 вытесняет жидкость через канал 13 поршневой полости в боковые отверстия стакана верхней клапанной группы, далее, через открытое центральное отверстие шейки, затем через боковые отверстия шейки в канал 11 прямого движения. В случае, если  давление в канале прямого движения или в канале реверсного движения опустится ниже допустимого уровня, то один из запорных элементов гарантировано перекроет соответствующий клапан, при этом гидроцилиндр аутригера автоматически застопорится, а гидроудар будет сглажен за счет П-образного изгиба трубки 5.
Гидроцилиндр может использоваться также при проведении прикладных исследований для определения надежности партии гидроцилиндров, в рамках которых с помощью выборочного метода определяют среднюю величину давления в штоковой полости и температуры рабочей жидкости при срабатывания гидрозамка.
Сущность прикладного исследования для определения надежности партии клапанов заключается в следующем. Из партии изготовленных гидроцилиндров случайным образом выбирают пять изделий, в каждом из выбранных гидроцилиндров заменяют заглушки 31 и 32 на датчики давления и температуры закрепляют телеметрический блок на корпусе аутригера и подключают к его измерительным входам выходы упомянутых датчиков.
Работа телеметрического модуля осуществляется микропроцессорным ядром 23 микроконтроллера микроконтроллера на основе управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти программ 24 с использованием для буферизации данных SRAM-памяти данных 25 и уставок, сохраняемых при конфигурировании устройства, на SD-карте 36.
Предварительно между телеметрическим блоком и удаленной автоматизированной системой устанавливают связь по радиоканалу, и настраивают режимы измерения величины давления и температуры в штоковой полости с помощью кнопочной клавиатуры 35 и  LCD-дисплея 32. Далее переключают телеметрический блок в рабочий режим, после чего блок начинает итерационное измерение давления и температуры в штоковой полости и передачу измеренных значений удаленной автоматизированной системе слежения. Далее последовательность проведения эксперимента приведем на примере.
Известно, что давление в гидросистеме, при котором гидроцилиндр обеспечивает работу оборудования, составляет P = 320 Бар. В случае аварийного падения давления в гидросистеме ниже указанного значения, гидрозамок должен блокировать поршень гидроцилиндра. Исследование надежности срабатывания гидрозамка гидроцилиндра осуществляют следующим образом.
i
Гидроцилиндр нагружают давлением, на которое рассчитан гидроцилиндр, затем снижают давление и фиксируют момент срабатывания гидрозамка, при этом телеметрический блок передает измеренные значения давления и температуры удаленной автоматизированной системе. Эксперимент проводят 20 раз, в результате получают выборочную совокупность объемом n=20 значений давления срабатывания гидрозамка p.
Результаты эксперимента подвергают статистической обработке, в результате которой обрабатывают полученные основные статистики.
Среднее значение давление, при котором срабатывает клапан,, представляет собой выборочное среднее , найденное по выборке, вычисляется по формуле:
i
где p – давление, при котором гидроцилиндр был заблокирован в i-м наблюдении; n - число наблюдений.
Выборочная дисперсия характеристики и стандартное отклонение, показывающие меру рассеяния случайной величины вокруг ее среднего значения вычисляется на основе зависимостей:
2
где s - дисперсия, s - стандартное отклонение.
Далее определяется доверительный интервал, содержащий(1 - α)⋅100% значений случайной величины:
=
где  - точка распределения Стьюдента (α - уровень надежности, k - объем выборки). В случае если  объем выборки k = 20 и α 0,05,  ≈ 2,086.
Вычисленные выборочные характеристики сведены в таблицу 1, приведенную ниже.
Таблица 1 - Численные значения выборочных характеристик
<b>Выборочная характеристика</b>
<b>Значение</b>
Минимальное значение
319,05
Максимальное значение
319,79
Среднее значение давления срабатывания гидрозамка <maths num="4"><img file="00000008.jpg" he="5" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, бар
319,45
Выборочная дисперсия, s<sup>2</sup>
0,07
Стандартное отклонение, s
0,27
Доверительный интервал
319,05 < <maths num="5"><img file="00000008.jpg" he="5" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>≤ 319,79
На основе проведенного исследования был сделан вывод о том, что гидроцилиндр обеспечивает правильное срабатывание гидрозамка, предусмотренное техническими условиями, так как не только выборочное среднее, но и правая граница доверительного интервала меньше значения P=320 Бар, указанного в качестве рабочего значения давления в полостях гидроцилиндра. Аналогичные результаты были получены и при испытании остальных выбранных из партии гидроцилиндров, на основании чего был сделан вывод об исправности всех гидроцилиндров партии.