Пневмогидроцилиндр
PNEUMATIC CYLINDER

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве основного инструмента для листовой штамповки, гибки, развальцовки, перфорации деталей, а также для зажима деталей на металлорежущих станках и другом оборудовании.
Из уровня техники известен пневмогидроцилиндр, содержащий гидрокамеру и перегородку с отверстием и установленной в нем манжетой, разделяющей гидрокамеру на гидрозоны высокого и низкого давлений, усилительный пневмоцилиндр с односторонним штоком, наружный диаметр которого соответствует уплотнительному диаметру манжеты, свободно плавающий в корпусе поршень, ограничивающий гидрозону низкого давления, и рабочий пневмоцилиндр с двухсторонним штоком, одна сторона которого является выходным звеном, а вторая расположена в гидрозоне высокого давления.
2
Из аналогов такой конструкции известны пневмогидроцилиндр по патенту ФРГ DE 4221638, в котором все указанные элементы расположены соосно в одном корпусе; по патенту США US 5526644, в котором рабочий и усилительный цилиндры расположены в одном корпусе, но параллельно друг другу; наконец, по патенту США US 5865029, где рабочий цилиндр выполнен в отдельном корпусе, но связан с корпусом усилительного цилиндра шлангами высокого давления. Общим для всех этих конструкций является тот факт, что штоки рабочего и усилительного цилиндров находятся в замкнутой гидрокамере и взаимодействуют через несжимаемую жидкость. Давление, которое развивается в гидрокамере, пропорционально отношению эффективных площадей поршня и штока усилительного цилиндра, которое определяет коэффициент усиления пневмогидроцилиндра и достигает величины 25 и более. В результате усилие на выходном звене рабочего цилиндра может достигать десятки тонн при давлении воздуха 6 кг/см. Высокое развиваемое усилие позволяет широко использовать пневмогидроцилиндры для таких операций, как зажим деталей, штамповка, развальцовка, запрессовка, т.е. там, где силовой ход цилиндра ограничен непосредственно обрабатываемой деталью. Возможность применения пневмогидроцилиндров для «проходных» технологических операций типа высечки деталей из листа, перфорации существенно ограничена вследствие наблюдающегося скачка изменения скорости инструмента. Дело в том, что в таких операциях после прохождения высечным пуансоном примерно 2/3 толщины листа происходит срез материала, нагрузка резко падает, и выходное звено с пуансоном, находясь под действием сжатого воздуха, как сильной пружины, «выстреливает». Накопленная в этой пружине энергия гасится ударом всей подвижной массы пневмогидроцилиндра на внутреннем или наружном упоре.
Этот недостаток существенно увеличивает динамические нагрузки на конструкцию в целом и, наряду с повышенным шумом на производстве, приводит к преждевременному разрушению опорных и уплотнительных элементов. Очевидно, что дросселирование выходных пневматических каналов пневмогидроцилиндра данный недостаток не устраняет. Известно решение этой задачи по заявке US 20050144944 путем дросселирования несжимаемой жидкости в специально организованном гидроканале. При этом традицонно используемый в пневмогидроцилиндрах рабочий пневмоцилиндр превращен в двухсторонний гидроцилиндр, вторая штоковая камера которого, соединенная дросселируемым каналом с дополнительно введенным аккумулятором давления, образует еще одну замкнутую гидрокамеру. Это техническое решение приводит к существенному усложнению и удорожанию конструкции. Задача усложняется также тем, что обратный и прямой холостые хода необходимо выполнять с большой скоростью, а прямой силовой ход, на котором, собственно, и проявляется указанный недостаток, с малой скоростью, не допуская ее резкого изменения из-за «скачка» нагрузки.
Из уровня техники известен пневмогидроцилиндр по заявке Германии № DE 102007036844, который принят в качестве наиболее близкого аналога и содержащий корпус, в котором размещены выходное звено, несущее инструмент, гидрокамера и перегородка с отверстием и установленной в нем манжетой, разделяющей гидрокамеру на гидрозоны высокого и низкого давлений, усилительный пневмоцилиндр с односторонним штоком, наружний диаметр которого соответствует уплотнительному диаметру манжеты, свободно плавающий в корпусе поршень, ограничивающий гидрозону низкого давления, и рабочий пневмоцилиндр с двухсторонним штоком, имеющим осевое отверстие, причем одна сторона двухстороннего штока расположена в гидрозоне высокого давления, а вторая является выходным звеном. Для указанного устройства также характерен вышеописанный недостаток.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание пневмогидроцилиндра с регулируемой скоростью силового хода, мало зависящей от изменения нагрузки на выходном звене.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в отсутствии ударных нагрузок и увеличении тем самым долговечности устройства. Данный технический результат в известном устройстве, содержащем корпус, в котором размещены выходное звено, несущее инструмент, гидрокамера и перегородка с отверстием и установленной в нем манжетой, разделяющей гидрокамеру на гидрозоны высокого и низкого давлений, усилительный пневмоцилиндр с односторонним штоком, наружний диаметр которого соответствует уплотнительному диаметру манжеты, свободно плавающий в корпусе поршень, ограничивающий гидрозону низкого давления, и рабочий пневмоцилиндр с двухсторонним штоком, имеющим осевое отверстие, причем одна сторона двухстороннего штока расположена в гидрозоне высокого давления, а вторая является выходным звеном, достигается тем, что односторонний шток имеет наружную канавку, обеспечивающую зазор между штоком и манжетой, и осевое отверстие, соединенное с гидрозоной высокого давления радиальными отверстиями, выполненными в канавке, а пневмогидроцилиндр дополнительно снабжен установленным в осевом отверстии двухстороннего штока уплотнением, контактирующим с наружной поверхностью одностороннего штока, и установленными в осевом отверстии одностороннего штока регулируемым дросселем и обратным клапаном, перекрывающим осевое отверстие одностороннего штока в направлении к наружней канавке с радиальными отверстиями.
Дополнительно в связи с малым диаметром одностороннего штока регулируемый дроссель выполнен на деталях обратного клапана. Для этого обратный клапан содержит пружину, гильзу с отверстием, плотно установленную в осевом отверстии одностороннего штока, шарик, перекрывающий отверстие гильзы под действием пружины, и резьбовую втулку, являющуюся опорой пружины, причем на наружной поверхности гильзы выполнен, по меньшей мере, один продольный паз, а в резьбовой втулке имеется профильное отверстие для возможности ее поворота и изменения расстояния между торцами гильзы и резьбовой втулки, образуя тем самым регулируемый дроссель. Для удобства наладки дросселя на требуемую скорость силового хода пневмогидроцилиндр содержит устройство регулировки дросселя, выполненное в виде стержня-удлинителя, установленного в осевом отверстии двухстороннего штока с возможностью вращения и осевого смещения и имеющего на одном конце выступающий профиль, соответствующий профильному отверстию резьбовой втулки, а на другом - посадочное место для стандартного слесарного инструмента, и пружины, отжимающей стержень-удлинитель от резьбовой втулки.
Дополнительно для лучшего центрирования длинного одностороннего штока пневмогидроцилиндр снабжен установленной на перегородке в гидрозоне высокого давления опорой скольжения одностороннего штока, имеющей радиальные отверстия и по меньшей мере одну продольную канавку, выполненную на внутренней опорной поверхности, контактирующей с односторонним штоком.
Дополнительно для заправки пневмогидроцилиндра жидкостью без образования воздушных карманов расстояние между радиальными отверстиями канавки одностороннего штока и уплотнением выполнено близким или равным длине хода усилительного цилиндра.
Изобретение иллюстрируется девятью рисунками. На фиг. 1 представлено заявленное устройство в осевом сечении; на фиг. 2 - увеличенное место I на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение II-II на фиг. 2; на фиг. 4 - увеличенное место III на фиг. 1; на фиг. 5 - обратный клапан и дроссель в сечении IV-IV на фиг. 4; на фиг. 6 - увеличенное место V на фиг. 1; на фиг. 7-9 - схемы предлагаемого устройства в разных фазах выполнения движений: фиг. 7 - исходное положение после быстрого обратного хода; фиг. 8 - конечное положение после завершения быстрого хода вперед; фиг. 9 - конечное положение после силового хода вперед.
Пневмогидроцилиндр содержит корпус 1 (фиг. 1), в котором размещены два пневмоцилиндра: усилительный 2 с односторонним штоком 3 и рабочий 4 с двухсторонним штоком. Одна сторона 5 двухстороннего штока является выходным звеном, несущим инструмент 6. Вторая сторона 7 штока по своей наружной поверхности контактирует с уплотнениями 8, установленными в корпусе 1. В корпусе 1 размещен также свободно плавающий поршень 9 с уплотнениями 10 и 11, контактирующими соответственно с корпусом 1 и односторонним штоком 3. Весь свободный объем, заключенный между свободно плавающим поршнем 9 и второй стороной 7 двухстороннего штока, заполнен несжимаемой жидкостью и образует гидрокамеру, загерметизированную уплотнениями 10, 11 и 8. В средней части гидрокамеры корпус 1 имеет перегородку 12 (фиг. 2) с отверстием 13 и установленной в нем манжетой 14, отделяющей от гидрокамеры гидрозону низкого давления 15. Гидрозона 15 совместно со свободно плавающим поршнем 9 образует гидроаккумулятор, из которого забирается жидкость только при быстром ходе вперед. Оставшаяся область гидрокамеры - гидрозона высокого давления - в свою очередь разделена на две части 17 и 18 уплотнением 19, установленным в осевом отверстии 20 двухстороннего штока 7 и контактирующим с наружной поверхностью одностороннего штока 3.
На перегородке 12 установлена опора скольжения 21, имеющая радиальные отверстия 22 и продольную канавку 23 (фиг. 3), выполненную на внутренней поверхности. Односторонний шток 3 имеет осевое отверстие 24, наружную канавку 25, обеспечивающую зазор между штоком 3 и манжетой 14, и радиальные отверстия 26, выполненные в канавке 25. Радиальные отверстия 22, 26 и канавка 25 соединяют осевое отверстие 24 с гидрозоной 17 в любом положении штока 3, в том числе и при прохождении канавки 25 через опору скольжения 21 - с помощью продольной канавки 23.
На конце штока 3 в начале осевого отверстия 24 (фиг. 4) установлены обратный клапан и дроссель. Обратный клапан состоит из гильзы 27, запрессованной в осевое отверстие 24, шарика 28, пружины 29 и резьбовой втулки 30. Шарик 28 под действием пружины 29 перекрывает отверстие 31 в гильзе 27. Пружина 29 опирается на внутренний торец резьбовой втулки 30. Дроссель выполнен на элементах 27 и 30 обратного клапана. Для этого на наружной поверхности гильзы 27 сделаны продольные канавки 32 (фиг. 5), а резьбовая втулка 30 имеет профильное отверстие 33, например внутренний шестигранник, и может вращаться. При ее заворачивании будет уменьшаться зазор 34 между торцами втулки 30 и гильзы 27. Таким образом, гидрозоны 17 и 18 будут соединены при закрытом обратном клапане через канавки 32, профильное отверстие 33 и межторцевый зазор 34 с переменным проходным сечением.
В двухстороннем штоке 5, 7 рабочего цилиндра 4 выполнено сквозное ступенчатое отверстие. Ступень 35 с большим диаметром служит для размещения одностороннего штока 3. В ступени 36 меньшего диаметра размещено устройство регулировки дросселя, которое состоит из стержня-удлинителя 37 и пружины 38, отжимающей стержень-удлинитель 37 в направлении от резьбовой втулки 30. На одном конце стержня-удлинителя выполнен выступающий профиль 39, соответствующий профильному отверстию 33 резьбовой втулки 30, а на другом - посадочное место 40 (фиг. 6) для стандартного слесарного инструмента. Стержень - удлинитель 37 установлен в отверстии 36 с возможностью вращения и осевого перемещения в направлении резьбовой втулки 30 при преодолении усилия пружины 38. Торец стержня-удлинителя 37 примерно совпадает с торцом 41 внутренней ступени. Для удобства регулировки дросселя целесообразно выполнить расстояние L1 между торцом 41 внутренней ступени и торцом одностороннего штока 3 близким или равным длине L хода усилительного пневмоцилиндра.
Целесообразно также выполнить расстояние L2 между уплотнением 19 и радиальными отверстиями 26 канавки 25 одностороннего штока 3 близким или равным длине L хода усилительного пневмоцилиндра 2. Это предотвратит образование воздушного кармана в районе опоры скольжения 21 при заправке системы несжимаемой жидкостью.
Отверстия 42 и 43 служат для подачи сжатого воздуха в усилительный пневмоцилиндр 2; отверстие 44 - для подачи воздуха в гидроаккумулятор (9, 15); отверстия 45 и 46 - для подачи воздуха в рабочий пневмоцилиндр 4. Заглушенные отверстия 47, 48, 49 и 50 используются при заправке пневмогидроцилиндра несжимаемой жидкостью.
Утрированные схемы предлагаемого пневмогидроцилиндра в разных фазах движения представлены на фиг. 7-9. Точечным муаром показана зона цилиндра, заполненная жидкостью. Манжета 14, установленная на перегородке 12, разделяет всю гидрозону на зоны низкого 15 и высокого давлений. Последняя, в свою очередь, разделяется уплотнением 19 на гидрозоны 17 и 18. Схематично показанные дроссель и обратный клапан установлены в осевом отверстии 24 одностороннего штока 3 усилительного цилиндра 2. Осевое отверстие 24 штока 3 соединено с гидрозоной 17 радиальными отверстиями 26. Опора скольжения 21 одностороннего штока 3 и стержень-удлинитель 37 на фиг. 7-9 условно не показаны.
Работает предлагаемое устройство следующим образом. В исходном положении (фиг. 7) давление р сжатого воздуха подано в отверстие 46 рабочего цилиндра 4 и в отверстие 43 усилительного цилиндра 2, и оба цилиндра находятся в верхнем положении. При появлении сигнала на выполнение операции контроллер (на схемах не показан) подает давление в отверстие 44 гидроаккумулятора и переключает давление в рабочем цилиндре 4 с отверстия 46 на 45. Свободно плавающий поршень 9 через зазор между манжетой 14 и канавкой 25 будет выдавливать жидкость из гидрозоны 15 низкого давления в гидрозону 17 высокого давления, в результате чего двухсторонний шток рабочего цилиндра 4 будет перемещаться вниз. Нетрудно видеть, что при таком распределении действующих сил давление в гидрозоне 18 упадет и будет меньше давления в гидрозоне 17. Обратный клапан откроется, и произойдет быстрое движение инструмента 6 из исходного положения до упора в обрабатываемую деталь.
Полученное состояние (фиг. 8) регистрируется датчиком давления или положения (на схеме не показан), по сигналу которого происходит переключение пневмогидроцилиндра на силовой ход. При этом сжатый воздух переключается с отверстия 43 усилительного цилиндра 2 на отверстие 42. Шток 3 усилительного цилиндра 2 начнет перемещаться вниз. После того, как канавка 25 выйдет за пределы манжеты 14, будет загерметизирована зона высокого давления 17, в которой давление может вырасти в К раз, где К - отношение эффективных площадей поршня 2 усилительного цилиндра и его штока 3. Усилие, развиваемое инструментом 6, резко возрастет, и начнется операция высечки детали из листа. При этом давление в гидрозоне 18 будет больше, чем в зоне 17, обратный клапан будет закрыт, и скорость движения штока рабочего цилиндра 4 будет медленной. Величина скорости определится проходным сечением дросселя. После высечки, когда усилие резко упадет, ситуация не изменится, обратный клапан остается закрытым, и шток рабочего цилиндра 4 без удара, на малой скорости «сядет» на внутренний или наружный упор (фиг. 9).
При обратном ходе сжатый воздух подается в отверстие 43 усилительного пневмоцилиндра 2. При этом давление в гидрозоне 18 будет меньше, чем в 17, обратный клапан будет открыт, и произойдет быстрый обратный ход в исходное положение фиг. 7. Скорость быстрого обратного хода можно увеличить подачей воздуха в отверстие 46 рабочего пневмоцилиндра 4, а регулировать скорость можно дросселированием выходного канала 45 рабочего цилиндра 4.
Важно отметить, что при любом относительном движении пневмоцилиндров, точнее их штоков 3 и 7, находящихся в гидрокамере, должна происходить перетечка жидкости между гидрозонами 17 и 18. Объем перетекаемой жидкости определяется отношением эффективных площадей штоков 3 и 7. При закрытом обратном клапане и полностью затянутом дросселе система лишается подвижности, и пневмогидроцилиндр «запирается». Поэтому регулировкой дросселя можно добиться сколь угодно малой скорости силового хода. Чтобы предотвратить «запирание» пневмогидроцилиндра при прохождении канавки 25 одностороннего штока 3 через опору скольжения 21, в последней выполнена продольная канавка 23 (фиг. 2).
Силовой ход можно выполнить при любом положении пневмогидроцилиндра, в том числе и при исходном. Если обеспечить равенство или близость расстояния L1 (фиг. 1) между торцом штока 3 усилительного цилиндра 2 и внутренним торцом 41 штока 5 рабочего цилиндра 4 длине L хода усилительного цилиндра, то при силовом ходе из исходного положения достигается минимальное расстояние между выступающим профилем 39 стержня-удлинителя 37 и резьбовой втулкой 30 (фиг. 4). Это позволяет достаточно удобно изменять регулировку дросселя: при вертикальном положении пневмогидроцилиндра выходом вверх, снятом инструменте 6 и вывернутой пробке 50 следует ввести слесарный инструмент в отверстие 40 (фиг. 6) стержня-удлинителя 37 и нажать на него, преодолев сопротивление пружины 38. При этом наконечник 39 войдет в профильное отверстие 33 резьбовой втулки 30. Затем вращением стержня-удлинителя 37 добиваются требуемой скорости силового хода за счет изменения межторцевого зазора 34.
В вертикальном положении пневмогидроцилиндра выходом вверх производится и заправка системы жидкостью. При этом если обеспечить близость или равенство расстояния L2 между радиальными отверстиями 26 штока 3 и уплотнением 19 длине L хода усилительного цилиндра 2, то не образуется воздушный карман в районе опоры скольжения 21. В этом случае жидкость заливается через отверстие 49 при открытых 47, 48 и 50. При выходе жидкости из этих отверстий их последовательно закрывают. При этом нигде в системе не будет воздушных пробок.