Гидроцилиндр двухстороннего действия: принцип работы и когда он нужен

Гидроцилиндр двухстороннего действия выбирают, когда механизм нужно не только выдвинуть, но и с усилием вернуть назад: поднять и прижать рабочий орган, открыть и закрыть створку, повернуть колёса в обе стороны. Такой цилиндр перемещает шток давлением рабочей жидкости в обоих направлениях, но выдвигается и втягивается с разной силой и скоростью.

Дальше - как устроен цилиндр, откуда берётся эта разница и какие параметры определяют выбор.

Что такое гидроцилиндр двухстороннего действия

В терминологии объёмного гидропривода так называют гидроцилиндр, в котором выходное звено под действием рабочей среды может двигаться в двух противоположных направлениях. Встречаются и другие названия: гидроцилиндр двойного действия, двухсторонний гидроцилиндр.

В поршневом исполнении внутри гильзы находится поршень со штоком. Поршень делит цилиндр на две рабочие полости:

• поршневую - со стороны дна, где жидкость давит на всю площадь поршня;
• штоковую - со стороны штока, где часть площади поршня занимает шток.

У каждой полости свой порт для подключения к гидросистеме.

Как работает цилиндр при выдвижении и втягивании

Направлением движения управляет гидрораспределитель. При выдвижении он соединяет поршневую полость с напорной линией, а штоковую - со сливом. Жидкость давит на поршень, шток выходит, а жидкость из штоковой полости уходит в бак.

При втягивании распределитель меняет линии местами: давление подаётся в штоковую полость, поршневая соединяется со сливом. Шток возвращается не под весом груза и не пружиной, а давлением жидкости. Поэтому такой цилиндр способен тянуть нагрузку назад и работать там, где сила тяжести не помогает вернуть шток, например в горизонтальном положении.

Когда обе линии перекрыты, жидкость заперта в полостях и шток удерживает положение. Насколько надёжно он держит нагрузку, зависит от герметичности цилиндра и запорных элементов гидросхемы.

Почему усилие и скорость в двух направлениях разные

Теоретическое усилие цилиндра равно давлению, умноженному на площадь, на которую оно действует. Скорость штока равна подаче жидкости, делённой на ту же площадь. Трение в уплотнениях и противодавление в сливной линии в этих формулах не учитываются.

• Площадь поршневой полости: S1 = πD²/4, где D - диаметр поршня.
• Площадь штоковой полости: S2 = π(D² - d²)/4, где d - диаметр штока.

Штоковая площадь меньше поршневой на сечение штока. Отсюда два следствия: при одинаковом давлении цилиндр толкает сильнее, чем тянет, а при одинаковой подаче втягивается быстрее, чем выдвигается.

Пример расчёта

Условный цилиндр: диаметр поршня 100 мм, диаметр штока 50 мм, давление 16 МПа, подача 60 л/мин. Числа взяты для иллюстрации и не относятся к конкретной модели.

Площади в этом примере различаются примерно в 1,33 раза, и в той же пропорции различаются усилия и скорости. Реальные значения ниже расчётных из-за трения, потерь давления и противодавления на сливе.

Цилиндр с двусторонним штоком

Если шток выходит с обеих сторон поршня, рабочие площади полостей равны. При одинаковых давлении и подаче такой цилиндр развивает одинаковые усилие и скорость в обе стороны. Это исполнение применяют там, где нужна симметрия хода.

Какие бывают исполнения

• С односторонним штоком. Базовый вариант поршневого цилиндра с разными площадями полостей.
• С двусторонним штоком. Равные площади и одинаковое поведение в обе стороны, но шток выходит из обоих торцов, и место под его ход нужно предусмотреть с двух сторон.
• Телескопический. Несколько выдвижных ступеней, полный ход равен сумме ходов ступеней. Двухсторонний телескопический гидроцилиндр сложнее и дороже одностороннего и нужен там, где вес нагрузки не может втянуть ступени, например при работе цилиндра близко к горизонтали.
• Рулевой. Двухсторонний гидроцилиндр для рулевого управления поворачивает колёса в обе стороны. Его исполнение, присоединительные размеры и совместимость определяет документация конкретной машины.

Когда нужен двухсторонний цилиндр, а когда хватит одностороннего

Двухсторонний цилиндр нужен, если:

• нагрузка сама не возвращает шток;
• требуется усилие и на выдвижение, и на втягивание;
• цилиндр работает горизонтально или под углом, где вес груза не помогает;
• положение рабочего органа нужно задавать гидросистемой в обе стороны.

Если шток надёжно возвращает вес груза или пружина, иногда достаточно цилиндра одностороннего действия: у него одна рабочая линия и более простая схема. Его устройство и ограничения - тема отдельного материала.

Признаки неисправности и почему нужна дефектовка

Внешние признаки, при которых цилиндр проверяют:

• шток самопроизвольно опускается или смещается под нагрузкой при нейтральном положении распределителя;
• движение стало медленнее, неравномерным или рывками;
• цилиндр не развивает прежнего усилия;
• появилась наружная течь в зоне штока;
• на штоке видны задиры, риски или коррозия.

Один и тот же симптом может быть связан с разными неисправностями. Например, самопроизвольное опускание штока под нагрузкой вызывают не только дефекты самого цилиндра, но и утечки в распределителе или запорных клапанах схемы. Износ поршневого уплотнения сам по себе не всегда объясняет этот признак, поэтому причину подтверждают проверкой и цилиндра, и гидросистемы.

Решение о ремонте, восстановлении штока или замене цилиндра зависит от результатов дефектовки: состояния гильзы, штока, поршня и уплотнений и их соответствия документации. Разбирать цилиндр, который находится под давлением или удерживает груз, опасно. Работы выполняют квалифицированные специалисты на разгруженной системе, с опущенной или надёжно зафиксированной нагрузкой.

Что учитывать при выборе и от чего зависит цена

Прежде чем купить гидроцилиндр двухстороннего действия, его параметры сверяют с технической документацией машины или с замерами старого цилиндра:

• диаметр поршня и штока - от них зависят усилия и скорости в обоих направлениях;
• ход и монтажная длина в сложенном положении;
• рабочее давление гидросистемы;
• способ крепления: проушины, цапфы, фланцы, резьбовые наконечники;
• тип и размер присоединительных портов;
• рабочая жидкость и диапазон температур, от которых зависит выбор уплотнений;
• условия работы: загрязнение, удары, боковые нагрузки на шток.

Цена гидроцилиндра двухстороннего действия зависит от тех же параметров: размеров, хода, рабочего давления, исполнения креплений, материала и обработки штока, уплотнений, а также от того, серийный это цилиндр или изготовленный по чертежу. Поэтому, если нужно купить двухсторонний гидроцилиндр на замену, предложения сравнивают только для цилиндров с одинаковыми характеристиками.

Вывод

Гидроцилиндр двухстороннего действия перемещает шток давлением в обе стороны и нужен там, где нагрузка не возвращает механизм сама или где требуется усилие и на выдвижение, и на втягивание. Из-за разницы площадей полостей цилиндр с односторонним штоком толкает сильнее, чем тянет, и втягивается быстрее, чем выдвигается, - это учитывают при подборе диаметров. Конкретную модель выбирают по документации машины и условиям работы, а при неисправности решение о ремонте или замене принимают по результатам дефектовки.