ГИДРОЦИЛИНДР ДВУХСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в области горнодобывающей промышленности, в частности в гидросистеме техники, предназначенной для технологического бурения скважин.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны силовые гидроцилиндры двухстороннего действия, содержащие корпус с крышками, поршень со штоком, установленный в корпусе с образованием поршневой и штоковой полостей, каналы подвода и отвода рабочей жидкости (Марутов В.А., Павловский С.А. Гидроцилиндры. М.: Машиностроение, 1966, с. 89, 91, фиг. 76, 77).
Известен гидроцилиндр двухстороннего действия, содержащий цилиндрический корпус с крышкой, поршень со штоком, связанным с крышкой, установленный с возможностью перемещения относительно крышки и корпуса на величину полного хода, гильзу, размещенную внутри корпуса с возможностью продольного перемещения и охвата поршня, при этом корпус и гильза снабжены ограничителями хода соответственно для гильзы и поршня, выполненными в виде кольцевых выступов на внутренней поверхности, причем гильза по сопрягаемым поверхностям связана с поршнем по наименьшему диаметру, а с кольцевым выступом на корпусе - по наибольшему диаметру, и уплотнения сопрягаемых поверхностей (Авторское свидетельство SU 985482 A1, опубл. 30.12.1982).
Из описания к патенту на изобретение RU 2200880 C1, опубл. 20.03.2003, известен гидроцилиндр, который содержит корпус, полый шток, расположенный внутри цилиндра для совершения возвратно-вращательного движения и снабженный поршнем, установленным в его нижней части; указанный поршень образует подпоршневую и надпоршневую полости. Повышение надежности достигается за счет того, что гидроцилиндр снабжен перепускным патрубком, расположенным в штоке для образования кольцевых и осевых каналов для подачи рабочей жидкости под давлением; осевой канал соединяется с подпоршневой полостью, а круговой канал соединяется с надпоршневой полостью; стенка корпуса снабжена перепускным каналом с клапаном для сообщения надпоршневой полости корпуса с подпоршневой полостью при нахождении поршня в нижнем или промежуточном положении; со стороны верхнего конца, шток уплотнен относительно корпуса с помощью уплотнительного узла, включающего в себя втулку с фланцем, закрепленную в корпусе с помощью болтового соединения, и следующие элементы, расположенные в кольцевом зазоре между штоком и внутренней поверхностью втулки: опорная втулка, многорядное уплотнение, нажимная втулка и нажимная гайка; втулка имеет цилиндрическое сечение над фланцем, снабженным внутренней резьбой под нажимную гайку; высота нажимной втулки не менее высоты многорядного уплотнения; высота многорядного уплотнения составляет от 0,50 до 1,0 диаметра штока, а внутренний диаметр втулки - от 1,2 до 1,5 диаметра штока в месте установки уплотнения.
Из описания к патенту на полезную модель RU 54115 U1, опубл. 10.06.2006, известен гидроцилиндр двухстороннего действия, состоящий из закрытой с двух сторон гильзы, внутри которой помещен шток с установленным на нем поршнем, закрепленным посредством стопорного элемента, отличающийся тем, что ширина поршня больше или равна длине его посадочного места на штоке, при этом расстояние от стопорного элемента до упорного торца на поршне равно или больше такого же расстояния на посадочном месте на штоке.
Из описания к патенту на изобретение RU 2442028 С1, опубл. 10.02.2012, известен гидроцилиндр, содержащий гильзу в сборе, основной шток, поршень с уплотнительными и опорно-направляющими элементами, буксу с уплотнительными и направляющими элементами, штоковую проушину, скользящую по горизонтальной поверхности, отличающийся тем, что снабжен внутренней и наружной опорами, соединенными между собой полым штоком, ход которого равен части хода штока гидроцилиндра.
Однако известные конструкции не обладают достаточными технико-эксплуатационными характеристиками для длительной и надежной работы гидроцилиндров. В итоге последние требуют частого проведения ремонтных работ по замене вышедших из строя деталей конструкции.
Таким образом, заявленное техническое решение предлагает усовершенствованную конструкцию, направленную на повышение эксплуатационной надежности поршневых гидроцилиндров двухстороннего действия.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
В настоящее время требуется разработка более надежных конструкций гидроцилиндров. Связано это с бурным развитием техники по пути повышения рабочих усилий и ходов, рабочих давлений и энергоемкости. Например, в подъемной и бурильной технике стали применять гидроцилиндры с ходом более 10 м, общепринятыми стали рабочее давление до 50 МПа, все чаще применяются цилиндры с диаметром поршня 250 мм и более. Таким образом, запасы прочности и устойчивости к разрушению деталей гидроцилиндров в этих условиях, как правило, уменьшаются. Снижается, в том числе и надежность уплотнительных элементов, так как при увеличении диаметров цилиндров и их деформации под давлением увеличиваются зазоры, происходит экструзия уплотнений, как следствие, возникают эксцентриситеты и прогибы в опорных узлах штока и поршня, что крайне нежелательно, так как способствует перекосам штока в цилиндре и, соответственно, увеличению нагрузок на опоры от рабочей силы гидроцилиндра. Таким образом, одновременно ухудшаются условия работы уплотнений и снижается запас прочности штока по продольным нагрузкам.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является устранение недостатков предыдущего уровня техники.
Технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности гидроцилиндра.
Эксплуатационная надежность рассматривается как комплекс качеств гидроцилиндра, обеспечивающих безотказность его работы на протяжении межремонтного периода и сохранение присущих ему эксплуатационных характеристик.
Указанный технический результат достигается за счет конструкции гидроцилиндра двухстороннего действия, состоящего из закрытой с двух сторон передней крышкой с грязесъемником и задней крышкой гильзы, внутри которой помещен шток с установленным на нем резьбовым поршнем, закрепленным посредством стопорного элемента в виде винта, дистанционной втулки, установленной на штоке и расположенной вплотную к поршню, при этом поршень, дистанционная втулка и передняя крышка снабжены группой уплотнительных и направляющих колец, при этом между поршнем и штоком дополнительно установлено уплотнительное кольцо с защитным кольцом, между передней крышкой и гильзой также дополнительно установлено уплотнительное кольцо с защитным кольцом, при этом группа уплотнительных колец поршня и передней крышки состоит из уплотнительного элемента и элемента предварительного натяжения и на внешнем диаметре по периферии имеет зубцы.
В большинстве конструкторских решений поршень закрепляется на штоке на резьбе при помощи стопорного кольца или гайки. В некоторых случаях поршень непосредственно наворачивается на шток. При высоких давлениях при малых диаметрах штоков резьба может оказаться перегруженной. Многие гидроцилиндры работают в механизмах, подверженных вибрации, что может спровоцировать отвинчивание или ослабление гайки (даже при наличии шплинта), закрепляющей поршень.
Повышение эксплуатационной надежности в заявленном решении реализуется за счет наличия в конструкции стопорного винта.
Обеспечить повышенную эксплуатационную надежность гидроцилиндру двухстороннего действия также позволяет наличие дистанционной втулки, снабженной направляющими кольцами, работающими по штоку и по гильзе, которая плотно примыкая к поршню, является дополнительной опорой поршневой стороны штока, уменьшает давление на гильзу, при этом сильно увеличивая плечо, которым цилиндр воспринимает радиальную нагрузку.
Негативное влияние давления, вязкой рабочей жидкости при низких рабочих температурах и больших габаритов на эксплуатационную надежность гидроцилиндра разработчикам полезной модели также удалось снизить за счет наличия в конструкции оптимально подобранных уплотнительных колец и особенностей конструкции уплотнительных колец двойного действия.
Так как уплотнения в предложенном гидроцилиндре работают при давлении очень высокого значения (порядка 50 МПа) с целью уменьшения зазоров между металлическими деталями, на группу уплотнительных колец, расположенных между поршнем и штоком и между передней крышкой и гильзой предусмотрено опорно-направляющее (защитное) кольцо.
При этом уплотнительные кольца поршня и передней крышки - двойного действия, состоящие из двух элементов и снабженные на внешнем диаметре по периферии зубцами оказывают влияние на упругую деформацию кромок, поскольку в месте контакта с металлическими поверхностями создается достаточное прижимное усилие для образования оптимальной масляной пленки между кромкой уплотнения и металлической поверхностью, что исключает утечку рабочей жидкости, а зубцы в свою очередь обеспечивают хорошую смазку, которая сокращает трение, что в совокупности также позволяет повысить эксплуатационную надежность гидроцилиндра.
Более подробно полезная модель поясняется следующими чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 изображен заявленный гидроцилиндр двухстороннего действия в 3D-формате.
На фиг. 2 изображен гидроцилиндр двухстороннего действия по приведенному примеру с ходом поршня - 4980 мм в разрезе в двух плоскостях.
На фиг. 3 изображена конструкция уплотнительных колец двойного действия поршня и передней крышки, которая состоит из уплотнительного элемента и элемента предварительного натяжения и на внешнем диаметре по периферии имеет зубцы.
На фиг. 4 изображена конструкция грязесъемника.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Гидроцилиндр (см. фиг. 1) имеет гильзу (1), шток (2), поршень (3) резьбовой, переднюю (4) и заднюю (26) крышки. В составе гильзы (1) и штока (2) имеются опоры (24 и 25), которые крепятся к исполнительному механизму, и передают ему усилие при прямом и обратном ходе поршня (3). Поршень (3) разделяет весь объем гильзы (1) на поршневую (22) и штоковую (23) полости. Поршень (3) соединен со штоком (2) с помощью резьбы и защищен от отворачивания стопорным элементом, выполненным в виде стопорного винта (6). Также между штоком (2) и поршнем (3) установлено уплотнительное кольцо (7) с защитным кольцом (13), которые обеспечивают герметичность стыка штока (2) и поршня (3). На внешнем диаметре поршня (3) установлены два уплотнительных кольца двойного действия (18) с зубцами (27) на внешнем диаметре по периферии, которые обеспечивают герметичность разделения полостей на поршневую (22) и штоковую (23). Рядом с ними установлены два направляющих кольца (15). Направляющие кольца (15) удерживают поршень (3) соосно с гильзой (1) и воспринимают радиальные нагрузки на поршень (3). Рядом с поршнем (3) в штоковой полости (23) установлена дистанционная втулка (5) с направляющими кольцами (16 и 17), работающими по штоку (2) и по гильзе (1) соответственно. Дистанционная втулка (5) используется для предотвращения радиальной нагрузки на шток (2) и поршень (3) при относительно большом ходе поршня (3) для увеличения его опорной поверхности. В передней крышке (4) установлены два штоковых уплотнительных кольца (19) двойного действия с зубцами (27) на внешнем диаметре по периферии, грязесъемник (11) и три направляющих кольца (14). Ближайшее к штоковой полости (23) кольцо (14) обеспечивает герметичность стыка штока (3) и передней крышки (4), второе кольцо (14) позволяет уменьшить толщину масляной пленки на поверхности штока (3). Направляющие кольца (14) удерживают шток соосно с передней крышкой (4) и воспринимают радиальные нагрузки на шток (3). Грязесъемник (11) счищает загрязнения с поверхности штока, что предотвращает преждевременный износ уплотнительных и направляющих колец. Между передней крышкой (4) и гильзой (1) установлено уплотнительное кольцо (8) с защитным кольцом (12), которые обеспечивают герметичность стыка гильзы (1) с передней крышкой (4). Уплотнительное кольцо (9) предохраняет резьбовое соединение крышки (4) от попадания воды и грязи. Имеются также заглушки (10), которые запирают неиспользуемые подвод (20) масла в поршневую полость (22) и подвод (21) масла в штоковую полость (23).
Принцип работы поршневого гидроцилиндра двухстороннего действия.
Гидроцилиндр работает за счет разницы давлений масла в поршневой и штоковой полости. При подаче давления в поршневую полость - оно воздействует на всю плошадь поршня и создает усилие, которое выталкивает поршень в сторону передней крышки, а масло из штоковой полости в гидролинию через подвод масла к ней. При подаче давления в штоковую полость - оно воздействует на площадь поршня за вычетом площади сечения штока и создает усилие, выталкивающее поршень в сторону задней крышки гильзы, а масло из поршневой полости в гидролинию через подвод масла в задней крышке. При запирании подводов масла в обе полости поршень (и шток) удерживаются в установившемся положении.
Конкретный пример осуществления поршневого гидроцилиндра двухстороннего действия с увеличенным ходом поршня согласно заявленной полезной модели показан на фиг. 2.
Диаметр поршня - 110 мм.
Диаметр штока - 80 мм.
Ход поршня - 4980 мм.
Рабочее давление - 30 МПа.
Теоретическое усилие на штоке: при выдвижении - до 270,8 кН при втягивании - до 127,6 кН.
3
Расчетное сжимающее усилие, действующее на выдвинутый шток ∅80 мм, исходя из условия устойчивости (коэффициент приведения длины λ=1, коэффициент запаса К=2), не более 19 кН.
Климатическое исполнение и категория размещения изделия - ТУ1 по ГОСТ 15150-69.
Температура рабочей жидкости -40°С+80°С.
Тонкость фильтрации рабочей жидкости не более 25 мкм.
Покрытие гидроцилиндра - RAL 1021.
В гидроцилиндре на поршне предусмотрено два уплотнительных кольца по 14,8 мм шириной, в передней крышке - три уплотнительтных кольца по 14,8 мм, плотно примыкающая к поршню дистанционная втулка, которая имеет направляющие кольца, работающие по штоку, 12,8 мм шириной и кольца, работающие по гильзе, 12,8 мм шириной.
В конструкции поршня и передней крышке предусмотрены уплотнительные кольца двойного действия, состоящие из двух элементов: уплотнительного кольца, которое выполнено из полиэфира (группа материала 5) с допустимыми эксплуатационными температурами жидкости от -50°С до 100°С) и элемента предварительного натяжения, выполненного из резины группы 7 (рабочая температура от -60°С до 150°С). Такое поршневое уплотнение держит давление масла с двух сторон одинаково. На внешнем диаметре уплотнительного кольца выполнены по периферии зубцы.
Так как настоящий гидроцилиндр призван приводить в движение исполнительный механизм в составе бурового оборудования, создавая усилия до 270,8 кН при выдвижении и до 127,6 кН при втягивании, при этом длина хода штока цилиндра - 4980 мм, то поломки механизмов при таких усилиях не только сложно устранять, но они к тому же могут приводить к существенному ущербу и травмам людей, поэтому эксплуатационной надежности такой конструкции уделено особое внимание.
Предложенный в примере гидроцилиндр двухстороннего действия заявленной усовершенствованной конструкции, обладая длинным ходом (4980 мм) в условиях эксплуатации (повышенное давление - 30 МПа, повышенная вязкость рабочей жидкости при низком пределе допустимой температуры масла до -40°С), имеет достаточный запас прочности, что позволяет ему по сравнению с гидроцилиндрами, известными из уровня техники надежно и безопасно выполнять свои функции на протяжении всего эксплуатационного ресурса без отказов в работе, обусловленных любыми причинами конструктивного, технологического или эксплуатационного характера.