ГИДРОЦИЛИНДР С ТОРМОЖЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей относится к объемным гидродвигателям, а именно к гидроцилиндрам, сообщающим выходному звену (штоку) поступательное движение и снабженным тормозными устройствами.
Известен гидроцилиндр с торможением (см. Артемьева Т.В. и др. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод. М.: Издательский центр «Академия», 2005, стр.273, рис.10.24), содержащий поршень со штоком, установленные в корпусе с крышками, в каждой из которых установлен обратный клапан, через который полость гидроцилиндра сообщена с напорной гидролинией, и тормозное устройство, выполненное в виде дросселя и гнезд в крышках и соответствующих указанным гнездам цилиндрических выступов, выполненных с обеих сторон поршня. При движении поршня в конце хода цилиндрические выступы перекрывают часть проходных отверстий для оттока рабочей жидкости из полости гидроцилиндра и осуществляют, тем самым, замедление (торможение) выходного звена (поршня со штоком) в конечных стадиях удлинения - сокращения гидроцилиндра.
Известный гидроцилиндр с торможением является наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемым полезным моделям и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Недостатком прототипа является значительный разброс силы торможения двух и более одинаковых по схеме и номинальным размерам гидроцилиндров, а также существенное отклонение (уменьшение) фактического торможения от расчетного. Такая схема не обеспечивает ожидаемого эффективного торможения конечных стадий растяжения - сжатия (удлинения - сокращения), из-за чего приходится выбирать заведомо меньшие скорости перемещения штока на всем его ходе. При больших поступательных скоростях штока с поршнем недостаточность торможения конечных стадий его движения может привести к разрушению как самого гидроцилиндра, так перемещаемого объекта. Это связано с тем, что реальные гидроцилиндры состоят из нескольких взаимно вложенных деталей (гильзы, к которой крепятся крышка и букса, штока, к которому крепится поршень), каждая из которых изготовляется с определенными отклонениями (допусками) размеров и форм от номинальных значений, задаваемыми в чертежах. Как правило, эти отклонения складываются, что приводит к появлению значительной несоосности цилиндрических выступов поршней с гнездами на крышках. При достаточной близости их диаметров они будут "надирать" друг друга, увеличивая нерасчетные перетечки, загрязняя рабочую жидкость и увеличивая силу удара поршня по крышкам и перегрузки на перемещаемый гидроцилиндром объект. Если диаметры выполнить с достаточным для компенсации отклонений зазором, т.е. исключить контакт, то торможение будет неэффективным (недостаточным) из-за появления щели между гнездами и цилиндрическими выступами. Причем, чем больше номинальные диаметры гнезд и цилиндрических выступов, тем больше будет площадь нерасчетных щелей при одном и том же классе точности, что приведет к отсутствию торможения. В конечном счете придется выбирать заведомо меньшую скорость перемещения выходного звена на всем его ходе путем установки на линии слива или подачи рабочей жидкости последовательных дросселей, уменьшая при этом быстродействие и коэффициент полезного действия (КПД) всего гидропривода, содержащего такой гидроцилиндр. При этом также будет происходить избыточный нагрев рабочей жидкости, что приведет к снижению ресурса как самой жидкости, так и герметизирующих уплотнений. Например, если номинальный диаметр штока ⌀50 мм, то минимально возможный диаметр цилиндрического выступа в штоковой полости гидроцилиндра будет ⌀55 мм. Диаметры 55, выполненные по высшему (не инструментальному) классу точности Н7/f7 будут:
+0,03
Для гнезда ⌀55Н7. Его площадь будет в диапазоне
2
375,83…2378,42 мм;
(-0,03…-0,06)
Для цилиндрического выступа ⌀55f7. Его площадь будет
2
2373,23…2370,65 мм.
2
2
2
2
2
При этом корпус гидроцилиндра, крышки, поршень и шток должны будут изготовляться по инструментальному классу точности (менее 0,01 мм), что на порядок увеличит их стоимость. Но и при этом минимальная и максимальная площади щели будут 2,6 мм и 7,77 мм. Так как площадь проходных отверстий для такого цилиндра в конце тормозного пути сравнима (как правило меньше в несколько раз) с минимальной площадью щели, то два и более гидроцилиндра, выполненные по одному и тому же классу точности по торможению будут отличаться (пусть площадь дросселя 2 мм) в несколько {[(7,77+2)/(2,6+2)]=4,5} раз! Сила удара при этом будет пропорциональна квадрату этого отношения (4,5=20,25), что равнозначно отсутствию торможения. Кроме того, если такие гидроцилиндры будут работать параллельно, то появится большой крутящий момент, действующий на перемещаемый объект, что может вызвать его разрушение или недопустимую деформацию. Таким образом, реализация эффективного торможения конечных стадий растяжения - сжатия (удлинения - сокращения) в гидроцилиндрах, выполненных по схеме прототипа без подключения дополнительных внешних (расположенных вне гидроцилиндра) устройств невозможна даже при их изготовлении по высшему классу точности.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является:
1. Гарантированное обеспечение расчетного торможения конечных стадий удлинения-сокращения гидроцилиндра.
2. Снижение стоимости изготовления гидроцилиндра и всего гидропривода.
3. Возможность более быстрого перемещения выходного звена на бестормозной части хода поршня гидроцилиндра.
4. Повышение КПД, надежности и ресурса всего гидропривода, содержащего гидроцилиндр с предлагаемыми схемами.
Указанный технический результат достигается тем, что в первом варианте гидроцилиндра с торможением, содержащего поршень со штоком, установленные в корпусе с крышками, в каждой из которых установлен обратный клапан, через который полость гидроцилиндра сообщена с напорной гидролинией, и тормозные устройства в виде гнезд, выполненных в крышках, и соответствующих им цилиндрических выступов, выполненных на торцовых поверхностях поршня, согласно полезной модели, цилиндрические выступы выполнены с профилированной боковой поверхностью, а в стенке гнезда по крайней мере одной из крышек выполнена по крайней мере одна кольцевая канавка, в которой установлено с возможностью радиального перемещения кольцо.
Кольцо может быть выполнено разрезным и изготовлено из упругого материала.
Кроме того, в кольцевой канавке установлены упругие элементы, поджимающие кольцо в радиальном направлении.
Указанный технический результат достигается также тем, что во втором варианте гидроцилиндра с торможением, содержащего поршень со штоком, установленные в корпусе с крышками, в каждой из которых установлен обратный клапан, через который полость гидроцилиндра сообщена с напорной гидролинией, и тормозные устройства в виде гнезд, выполненных в крышках, и соответствующих им цилиндрических выступов, выполненных на торцовых поверхностях поршня, согласно полезной модели, по крайней мере один цилиндрический выступ на поршне выполнен с по крайней мере одной кольцевой канавкой, в которой установлено с возможностью радиального перемещения кольцо, а в гнездах крышек выполнены продольные пазы переменной площади сечения.
Во втором варианте исполнения кольцо также может быть выполнено разрезным и изготовлено из упругого материала.
В кольцевой канавке могут быть установлены упругие элементы, поджимающие кольцо в радиальном направлении.
Заявляемая совокупность существенных признаков полезной модели обеспечивает гарантированное расчетное на отдельном гидроцилиндре и стабильное на различных экземплярах гидроцилиндров торможение на конечных стадиях их удлинения-сокращения, причем допуски на размеры деталей, осуществляющих торможение, не зависят от размеров основных деталей гидроцилиндра (корпус, поршень, шток…), снижает себестоимость гидроцилиндра, увеличивает быстродействие и повышает надежность и КПД всего гидропривода.
Указанная выше совокупность существенных признаков полезной модели на дату подачи заявки не известна в Российской Федерации и за границей и отвечает требованиям критерия "новизна".
Заявляемая полезная модель может быть реализована промышленным способом с использованием известных технических средств и соответствует требованиям критерия "промышленная применимость".
Полезная модель поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показан общий вид гидроцилиндра с торможением, первый вариант; на фиг.2 - то же, второй вариант.
Гидроцилиндр по первому варианту (см. фиг.1) содержит поршень 1 со штоком 2, установленные в корпусе 3 с крышками 4 и 5, в каждой из которых установлен обратный клапан 6, через который полость 7 гидроцилиндра сообщена с напорной гидролинией (на чертеже не показана) посредством каналов, выполненных в крышках 4, 5.
Гидроцилиндр снабжен тормозными устройствами в виде гнезд 8, выполненных в крышках 4 и 5, и соответствующих им цилиндрических выступов 9, выполненных на торцовых поверхностях поршня 1.
Цилиндрические выступы 9 выполнены с профилированной боковой поверхностью (например, с лыской 10 переменного сечения), а в стенке гнезда 8 по крайней мере одной из крышек 4 или 5 выполнена по крайней мере одна кольцевая канавка 11, в которой установлено с возможностью радиального перемещения кольцо 12.
Кольцо 12 может быть выполнено разрезным и изготовлено из упругого материала. Возможен также вариант установки в кольцевой канавке сплошного (неразрезного) кольца 12, при этом в кольцевой канавке 11 установлены упругие элементы 13, поджимающие кольцо 12 в радиальном направлении.
Гидроцилиндр по второму варианту (см. фиг.2) отличается от гидроцилиндра, показанного на фиг.1 тем, что по крайней мере один цилиндрический выступ 9 на поршне 1 выполнен с по крайней мере одной кольцевой канавкой 14, в которой установлено с возможностью радиального перемещения кольцо 12, а в гнездах 8 крышек 4 и 5 выполнены продольные пазы 15 переменной площади сечения.
Работа гидроцилиндра осуществляется следующим образом.
В начальном (сложенном) положении шток 2 с поршнем 1 прижат к левой крышке 4 гидроцилиндра. При необходимости удлинения гидроцилиндра рабочую жидкость подают по напорной линии через канал, выполненный в крышке 4, и обратный клапан 6 в поршневую полость гидроцилиндра, осуществляя выдвижение штока 2 с поршнем 1. Обратный клапан 6, установленный в крышке 5, будет при этом закрыт. В конечной фазе процесса удлинения гидроцилиндра коническая часть цилиндрического выступа 9 центрирует кольцо 12 относительно оси симметрии поршня со штоком так, что перетечка рабочей жидкости из штоковой полости будет происходить только через щель, образующуюся между продольными лысками 10 (фиг.1) или пазами 15 (фиг.2) переменной глубины и кольцом 12. Переменное численное значение указанного отверстия определяется как функция хода штока 2 с поршнем 1 так, чтобы в конце удлинения гидроцилиндра скорость перемещения выходного звена была близка к нулю или имела бы безопасное значение как для самого гидроцилиндра, так и для перемещаемого им объекта. Торможение осуществляется за счет избыточного давления, возникающего при вытеснении (дросселировании) рабочей жидкости из штоковой полости гидроцилиндра через указанную щель в гнездо 8 и далее - в канал, связывающий гнездо 8 со сливом. Торможение при сокращении гидроцилиндра осуществляется аналогичным образом: в описании штоковая и поршневая полости поменяются местами.
Гидроцилиндр по второму варианту (см. фиг.2) работает аналогичным образом, при этом центровка колец 12 обеспечивается заходной фаской гнезд 8. Если кольца 12 выполняются разрезными, то в процессе торможения за счет их упругости они внешними диаметрами будут прижиматься к цилиндрическим поверхностям гнезд 8, при этом переменное значение площади дросселирующих щелей обеспечивается пазами 15 переменной глубины или ширины, выполненных в гнездах 8.