ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЙ ГИДРОЦИЛИНДР И ДЕМПФЕР ДЛЯ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОГО ГИДРОЦИЛИНДРА
TELESCOPIC HYDRAULIC CYLINDER AND DAMPER FOR TELESCOPIC HYDRAULIC CYLINDER

Группа изобретений относится к области машиностроения, в частности к длинноходовым телескопическим гидравлическим цилиндрам гидроприводов грузоподъемных машин, к которым принадлежат передвижные краны, подъемные установки для ремонта нефтяных и газовых скважин и др.
В машиностроении имеется большой ряд машин с гидравлическими системами (тракторы, экскаваторы, погрузчики гусеничные машины и т.п.), неотъемлемой частью которых является силовой гидроцилиндр, состоящий из корпуса с закрытыми по торцам цилиндрическими отверстиями, поршня, шток которого выходит наружу и соединяется с нагрузкой, уплотнительных колец штока и поршня, гидравлического демпфера для устранения удара в конце хода поршня (см. Никольский Л.Н. Фрикционные амортизаторы удара М.: Машиностроение, 1964).
Недостатком известных технических решений является ударное воздействие при соприкосновении стопорных колец, чрезмерный износ узлов перемещаемой конструкции, особенно если она имеет большую массу и инерцию, например, в случае с грузовыми лифтами большого тоннажа.
Кроме того, из уровня техники известен гидроцилиндр с демпфирующим устройством, состоящим из корпуса, подвижного рабочего элемента, состоящего из поршня и штоков, узлов уплотнения поршня и штоков, грундбукс с выполненными в них аксиально расположенными отверстиями и кольцевой проточкой для подвода в рабочую штоковую полость и отвода из нее рабочей жидкости. На штоке концентрично его оси закреплен элемент, поджимающий узел уплотнения поршня. Гильза выполнена в виде стакана с двойными концентричными стенками и установлена с возможностью взаимодействия с подпружиненной втулкой (см. А.С. СССР №1691578 А1, опубл. 15.11.1991).
Недостатком известного устройства также является его низкая надежность, обусловленная сложной конструкцией и высокой вероятностью выхода из строя отдельных конструктивных элементов.
Также из уровня техники известно применение в качестве демпфирующих устройств гидроцилиндров пластмассовых колец, пружин, сложных систем демпфирования (см. Никольский Л.Н. Фрикционные амортизаторы удара М.: Машиностроение, 1964).
Недостатком таких устройств является сложная конструкция, а также высокая вероятность возникновения удара в конце хода поршня. Кроме того, из уровня техники известен демпфер в виде подпружиненной втулки, в которой выполнены радиальные дросселирующие прорези и осевые отверстия, сообщенные между собой кольцевой проточкой. При использовании демпфера происходит дросселирование рабочей жидкости, давление на узлах уплотнений нарастает плавно (см. А.С. СССР №1691578 А1, опубл. 15.11.1991).
Недостатком известного устройства является сложная конструкция демпфера, а также наличие дополнительных конструктивных элементов с низким сроком эксплуатации.
Задачей настоящей группы изобретений является устранение вышеуказанных недостатков.
Общий технический результат заключается в повышении надежности телескопического гидроцилиндра, упрощении конструкции, а также в исключении возникновения удара в конце хода каждого сегмента поршня телескопического гидроцилиндра.
Технический результат обеспечивается тем, что телескопический гидроцилиндр включает корпус с отверстием для подвода и отвода рабочей среды, установленные в корпусе один внутри другого полые штоки, образующие камеру прямого хода и штоковые полости, поршень и демпферы. Штоки имеют по меньшей мере два дренажных отверстия для подвода и отвода рабочей среды, телескопический гидроцилиндр содержит стопорные кольца. При этом ниже уплотнительных элементов стопорных колец закреплены демпферы в виде коронообразных кольцевых элементов. В нижней части каждого штока выполнены бурты, на концах которых закреплены уплотнительные элементы. Кроме того, демпфер обеспечивает возможность оставления открытым одного из дренажных отверстий на самом малом ходу штока в самом конце его выдвижения.
Сумма площадей дренажных отверстий для подвода и отвода рабочей среды каждого штока равна площади выполненного в корпусе отверстия для подвода и отвода рабочей среды.
Технический результат также обеспечивается тем, что демпфер для телескопического гидроцилиндра выполнен в виде коронообразного кольцевого элемента, что обеспечивает возможность поддержания дренажных отверстий в открытом состоянии.
Сущность настоящей группы изобретений поясняется следующими иллюстрациям:
фиг. 1 отображает телескопический цилиндр с убранным положением штоков и поршня;
фиг. 2 отображает телескопический цилиндр с выдвинутом положением штоков и поршня;
фиг. 3 отображает демпфер.
На иллюстрациях отображены следующие конструктивные элементы:
1 - корпус;
2 - отверстие в корпусе;
3 - шток;
4 - шток;
5 - шток;
6 - поршень;
7 - демпфер - коронообразный кольцевой элемент;
8 - дренажное отверстие;
9 - стопорное кольцо;
10 - бурт;
11 - камера прямого хода;
12 - уплотнительный элемент бурта;
13 - уплотнительный элемент стопорного кольца;
14 - зубцы;
15 - штоковая полость;
16 - штоковая полость;
17 - штоковая полость;
18 - компенсационная полость.
Телескопический гидроцилиндр включает корпус 1 с отверстием 2 для подвода и отвода рабочей среды, установленные в корпусе один внутри другого полые штоки 3, 4, 5 и поршень 6. В устройстве установлены демпферы 7, выполненные в виде коронообразных кольцевых элементов. Штоки 3,4, 5 имеют по меньшей мере два дренажных отверстия 8 для подвода и отвода рабочей среды. Штоки имеют равное количество дренажных отверстий 8. В убранном положении штоков дренажные отверстия 8 расположены одно над другим на продольной оси, то есть ступенчато. При этом выше всех (то есть на наибольшем расстоянии от нижней части корпуса 1) расположены отверстия 8 штока 5, имеющего самый маленький диаметр. Сумма площадей отверстий 8 для подвода и отвода рабочей среды каждого штока 3, 4, 5 равна площади выполненного в корпусе 1 отверстия 2 для подвода и отвода рабочей среды. На свободных концах штоков 3, 4 и в верхней части корпуса установлены стопорные кольца 9, в нижней части каждого штока выполнены бурты 10. Устройство содержит три штока 3, 4, 5, установленные в корпусе 1 один внутри другого, при этом шток 5 с меньшим диаметром выполнен в виде открытого полого цилиндра, имеющего основание.
На концах буртов 10 закреплены уплотнительные элементы 12. Кроме того, в корпусе 1 и в двух штоках имеются 3 и 4 уплотнительные элементы 13, зафиксированные в месте расположения стопорных колец 9. В корпусе 1 имеется камера прямого хода 11. Кроме того, устройство имеет штоковые полости 15,16, 17 и компенсационную полость 18. Штоковая полость 15 образована внутренней стенкой корпуса 1 и внешней стенкой штока 3, штоковая полость 16 образована внутренней стенкой штока 3 и внешней стенкой штока 4, штоковая полость 17 образована внутренней стенкой штока 4 и внешней стенкой штока 5. Штоковая полость 15 сообщается с помощью по меньшей мере двух радиальных отверстий 8 с штоковой полостью 16, штоковая полость 16 сообщается с помощью по меньшей мере двух дренажных отверстий 8 с штоковой полостью 17, которая с помощью по меньшей мере двух дренажных отверстий 8 соединена с компенсационной полостью 18, образованной внутри цилиндра, она позволяет отводить рабочую среду из штоковых полостей 15, 16, 17. Демпфер 7 для телескопического гидроцилиндра выполнен в виде коронообразного кольцевого элемента, то есть имеет форму перевернутой короны с выступами в виде зубцов 14 по окружности. Демпфер закреплен под уплотнительным элементом 13 стопорного кольца 9. Демпфер обеспечивает оставление открытым одного из дренажных отверстий на самом малом ходу штока в самом конце его выдвижения, что необходимо для работы автоматики системы выдвижения и складывания штоков. Устройство функционирует следующим образом.
Телескопический гидроцилиндр с гидравлическим демпфированием (здесь и далее - ГЦГД) напоминает телескопические гидроцилиндры двустороннего силового действия с односторонними штоками 3,4,5, содержащие несколько концентрично расположенных поршней, перемещающихся один относительно другого.
В поршневую полость 11 жидкость подводится через отверстие в корпусе 2 в стенке корпуса 1. В штоковые полости 15, 16, 17 жидкость подводится/отводится через два (или более) дренажных отверстия (ДО) 8, расположенные в нижней части каждого из штоков.
Шток наименьшего диаметра 5 выполнен полым цилиндром, внутри него ходит поршень 6 без штока, позволяя в образовавшуюся полость 18 (компенсационная полость - КП) отводить жидкость из каскада штоковых полостей 15, 16, 17. Либо же поршень 6 со штоком - тогда этот шток также совершает работу, увеличивая рабочий диапазон ГЦ. Объем КП равен сумме вытесняемых объемов каскада штоковых полостей.
В убранном положении поршней поршневая полость 11 представляет собой рабочую полость гидроцилиндра, а все штоковые полости (включая КП), объединенные каскадом посредством ДО между собой - образуют отдельную объединенную полость. Суммарное сечение каждой пары дренажных отверстий равняется сечению питающего отверстия 2 в стенке гильзы 1. При наполнении камеры прямого хода 11 от питающей магистрали происходит выдвижение пакета штоков 3, 4, 5 (штоки имеют иерархию площадей нижних буртов от большей площади (для штока 3), до меньшей (шток 5), соответственно, первым выдвигается шток 3, имеющий наибольшее сечение основания) и как следствие - происходит сокращение первой штоковой полости 15: в ней создается повышенное давление жидкости, которое через каскад дренажных отверстий 8 и штоковых полостей разгружается в компенсационную полость 18. В почти выдвинутом положении первого звена (шток 3) первое дренажное отверстие 8 штоковой полости 15 первого звена перекрывается уплотнительным кольцом предыдущего звена (в данном случае - в верхней части гильзы), что сокращает вполовину сечения дренажных отверстий 8 первой штоковой полости 15, создавая в первой штоковой полости 15 повышенное давление, тем самым замедляя скорость движения этого звена и, вследствие этого, провоцируя начало движения следующего звена (шток 4 с пакетом всех вышерасположенных штоков) еще до остановки предыдущего звена (здесь - шток 3). С началом движения следующего звена (здесь - шток 4) второе ДО 8 предыдущей штоковой полости 15 перестает сообщаться с каскадом штоковых полостей 16 и 17 и открывается для сообщения с объединенной поршневой полостью 11, давление в первой штоковой полости 15 выравнивается с давлением поршневой полости 11, звено останавливается. Аналогично работает каждое из последующих звеньев, при этом за счет замедления хода каждого предыдущего звена (с последующим остановом с упором на гидравлическую подушку) с одновременным началом хода и разгоном последующего звена не происходит жесткого контакта стопорных элементов ГЦ, ударная нагрузка отсутствует.
Таким образом, штоковые полости в процессе относительных перемещений подвижных частей попеременно-последовательно переключаются с одной объединенной полости на другую.
При подводе жидкости в поршневую полость 11 происходит последовательное выдвижение штоков, начиная от большого диаметра к меньшему.
При прекращении подачи жидкости в поршневую полость и перекрытии клапана подачи в стенке гильзы 1 выдвижение штоков прекращается. При переключении клапана подачи на слив жидкости из поршневой полости 11 под воздействием гравитации и веса груза одновременно с движением вниз поршня 6 сначала происходит втягивание штока 5 самого малого диаметра, штоковая полость 17 через дренажные отверстия наполняется маслом посредством втягивания масла из компенсационной полости 18 - сначала через одно дренажное отверстие 8 - медленное движение штока, а после высвобождения второго отверстия 8 (оно затенено уплотнительным элементом стопорного кольца) - через оба ДО - быстрое движение штока. Верхний шток 5 движется вниз до тех пор, пока он не прошел второе (нижнее) дренажное отверстие 8 следующей штоковой полости 16. Прохождение этого дренажного отверстия донной частью штока 5 перекрывает связь штоковой полости 16 с общей поршневой полостью 11 и обеспечивает начало поступления масла в штоковую полость 16 каскадом из КП (из предыдущей штоковой полости 17 каскадом из КП) - следующий шток 4 трогается с места и начинает движение вниз (однако с меньшей скоростью, нежели предыдущий шток 5). Сразу после начала движения этого штока 4 разблокируется верхнее дренажное отверстие 8 штоковой полости 16 - масло из компенсационной полости 18 начинает поступать в штоковую полость 16 беспрепятственно, скорости движения штоков 5 и 4 вниз выравниваются - прямо перед столкновения буртов этих штоков (либо иных стопорных приспособлений) - удара от столкновения не происходит, либо он сокращается разложением скоростей движения двух штоков. Дальнейшее складывание звеньев происходит аналогично, при этом верхний поршень и каждый последующий движутся одновременно с разными скоростями, что уменьшает контактное воздействие каждого из звеньев при полном складывании с последующим звеном за счет разности скоростей движения (из большей скорости вычитается меньшая, которая и является скоростью столкновения звеньев, в отличие от обычной схемы, когда движущаяся часть звеньев встречается с неподвижным последующим звеном). Последовательное складывание "телескопа" происходит в обратном порядке - от поршня наименьшего диаметра к наибольшему.
Коронообразный демпфирующий элемент при сложенном гидроцилиндре находится в верхней части штоковой полости при уплотнительном элементе 13 стопорного кольца 9.
Перегрев масла и его увеличение в объеме за счет расширения, возникающего при его трении при прохождении отверстий перетеканием из одной штоковой полости в другую, компенсируется свободным ходом поршня 6 и несколько превышающим объем каскада штоковых полостей объемом компенсационной полости 18 - с остыванием масла поршень 6 сам постепенно опускается в своем цилиндре.