У таких гидроприводах як гидродвигателя застосовується гідроциліндр. Вихідна ланка гідроциліндра, яким може бути як шток, так і корпус, безпосередньо з'єднується з робочим органом машини, що здійснює зворотно-поступальні переміщення. Це дозволяє виключити будь-які редуктори і перетворювачі рухів.
Мал. 3.5. Конструктивні схеми виконання гідроциліндрів
Залежно від конструктивної схеми виконання розрізняють такі види гідроциліндрів. Поршневі гідроциліндри (рис. 3.5, а, б) мають робочу камеру, утворену корпусом і поршнем зі штоком. Поршень розділяє робочу камеру на дві порожнини (поршневу і штокову). Переміщення штока з поршнем відбувається під дією робочої рідини, що надходить в відповідну порожнину гідроциліндра. Якщо на об'єкті управління буде закріплений нерухомо шток, то переміщення здійснює корпус. Поршневий гідроциліндр може бути виконаний з одностороннім (рис. 3.5, а) або двостороннім (рис. 3.5, б) штоком. При одному і тому ж підводиться витраті робочої рідини швидкість переміщення вихідної ланки у гідроциліндра з двостороннім штоком буде однаковою в двох напрямках. Якщо технологічний цикл машини вимагає переміщення робочого органу з різною швидкістю в кожному напрямку, застосовується гідроциліндр з одностороннім штоком, який більш простий у виготовленні і має менші габарити в машині.
Плунжерний гідроциліндр (рис. 3.5, в) має одну порожнину, утворену корпусом і плунжером. Робоча рідина переміщає плунжер тільки в одному напрямку. Такі гідроциліндри дуже прості, не вимагають забезпечення співвісності поверхонь ущільнювачів корпусу і поршня зі штоком. Вони застосовуються там, де повернення плунжера у вихідне положення може бути здійснений самим навантаженням.
Перераховані вище гідроциліндри є одноступінчастими. Застосовуються також телескопічні гідроциліндри (рис. 3.5, г). Вони мають кілька робочих ланок і повний хід вихідного ланки дорівнює сумі ходів всіх робочих ланок. Завдяки цьому довжина корпусу гідроциліндра в кілька разів (в залежності від числа ступенів) менше сумарного ходу вихідної ланки, що забезпечує його компактність. Телескопічні циліндри знайшли широке застосування в вантажопідйомних машинах і механізмах.
Розрізняють також гідроциліндри односторонньої і двосторонньої дії. У гідроциліндрах односторонньої дії переміщення вихідної ланки під дією робочої рідини здійснюється тільки в одному напрямку, наприклад під дією навантаження (рис. 3.5, в) або пружини (рис. 3.5, д). Застосування таких гідроциліндрів спрощує гідравлічну схему і дозволяє в деяких випадках підвищити надійність роботи машини в цілому в порівнянні з гідроциліндрами двосторонньої дії (рис. 3.5, а, б, г].
Принципові гідравлічні схеми гідроприводів поступальної ходи з циліндрами двостороннього і одностороннього дії показані на рис. 3.6. Пристрої, що входять до складу приводу, мають ті ж функціональні призначення, що і в гідроприводі з гидромотором (див. Рис. 3.3).
Швидкість руху вихідної ланки гідроциліндра дорівнює
де - робоча площа гідроциліндра, визначається в залежності від того, в яку порожнину підводиться робоча рідина,
При розробці конструкції гідроциліндрів найважливішим завданням є забезпечення відсутності зовнішніх витоків робочої рідини по штоку або плунжеру і зведення до мінімуму внутрішніх перетоків при достатній довговічності ущільнень і мінімальних силах тертя. Тому об'ємний ККД гідроциліндра можна приймати рівним одиниці.
Жорсткість навантажувальної характеристики приводу буде визначатися тільки витоками в насосі, і, отже, буде приблизно вдвічі вище, ніж в гідроприводі з гидромотором.
Теоретичне зусилля, що розвивається гідроциліндром, визначається виразом, записаним в статичному режимі роботи і з урахуванням прийнятих раніше припущень:
З урахуванням механічних втрат в гидроцилиндре найбільше зусилля, яке може подолати гідроциліндр, становить
Механічний ККД циліндра досить високий і становить = 0,9 - 0,98 [13]. Він визначається в основному втратами на тертя в ущільненнях поршнів і штоків (плунжерів).
Потужність, що розвивається гідроциліндром, пов'язана з потужністю на приводному валу насоса співвідношенням
Отже, застосування гідроциліндра в якості виконавчого двигуна робить привід більш економічним, не кажучи вже про виняткову простоті конструкції гідроциліндра і меншою його вартості в порівнянні з гидромотором.
У телескопічних циліндрах може забезпечуватися послідовне і одночасне висунення ступенів, що визначає величину і характер зміни швидкості вихідної ланки.
Мал. 3.6. Принципові схеми гідроприводів поступальної ходи
Гідроциліндр з послідовним висуненням ступенів показаний на рис. 3.7, а. При подачі робочої рідини в поршневу порожнину А спочатку переміщається шток 2 разом зі штоком 3 щодо корпусу, так як робоча площа циліндра в цьому випадку максимальна. Рух відбувається до тих пір, поки шток 2 не дійде до упору. Швидкість переміщення в цей момент становить.
Потім буде переміщатися шток 3 щодо нерухомих корпусу і штока 2 зі швидкістю
Тиску, необхідні для подолання зовнішнього навантаження R, відповідно становитимуть
Істотним недоліком такого гідроциліндра є поетапне зміна швидкості і тиску в процесі переміщення вихідної ланки (рис. 3.7, б). Це призводить до поштовхів в роботі вантажопідйомного пристрою і обмежує можливість підвищення швидкості.
Мал. 3.7. Телескопічний гідроциліндр з послідовним висуненням ступенів
Мал. 3.8. Телескопічний гідроциліндр з одночасним висуненням ступенів
Цей недолік усунуто в телескопічному гидроцилиндре з одночасним висуненням ступенів (рис. 3.8, а). При подачі робочої рідини від насоса в порожнину А, шток 2 переміщається вправо зі швидкістю
витісняючи з порожнини Б в порожнину В рідина з витратою. Цей витрата змушує переміщатися шток 3 щодо штока 2 зі швидкістю
Швидкість руху вихідної ланки - штока 3 - щодо корпусу 1 буде дорівнює
де F1. F2. F3 - робочі площі порожнин А, Б і В. З огляду на малість товщини стінки між порожнинами Б і В можна покласти, що F1 = F2 + F3. Тоді вираз (3.14) набуде вигляду
Зворотний клапан служить для заповнення гідроциліндра рідиною до початку роботи. При подачі робочої рідини в праву гідролінію шток 5, зміщуючись вліво, витісняє рідина з камери В в камеру Б, переміщаючи при цьому шток 2.
Мал. 3.9. Принципова схема гідроприводу з диференціальної схемою підключення гідроциліндра
Тиск, необхідне для подолання навантаження вихідним ланкою, так само р1 = R / F3. З умови рівноваги штока 2, записаного з урахуванням зазначеного вище припущення
Таким чином, перевагою цього типу телескопічного гідроциліндра є сталість швидкості (рис. 3.8, в) вихідної ланки в процесі всього робочого ходу Н. Однак для подолання однієї і тієї ж навантаження необхідно більш високий тиск, так як воно визначається площею F3. яка зазвичай менше F1 і F2.
У гідроприводах поступального руху часто застосовується диференціальна схема підключення гідроциліндра до насоса (рис. 3.9), В цьому випадку використовується одноштоковий гидроцилиндр Ц. а направляючий розподільник Р має позицію а. в якій напірна лінія з'єднана з двома вихідними лініями.
У позиції а витрата робочої рідини, що надходить до гідроциліндра дорівнює
де F - робоча площа поршневий порожнини гідроциліндра; m = F1 / F - відношення робочих площ гідроциліндра; F1 - робоча площа штоковой порожнини.
Тоді швидкість руху поршня гідроциліндра вправо складе
Отже, диференціальна схема підключення гідроциліндра дозволяє збільшити швидкість руху поршня в порівнянні зі звичайною схемою (рис. 3.6, а) в 1 / (1-m) раз при однаковій подачі насоса.
Зусилля, що розвивається штоком гідроциліндра, в цьому випадку дорівнює
Мал. 3.10. Схема застосування гідромотора для поступальної ходи
що в (1-m) разів менше в порівнянні зі звичайною схемою підключення гідроциліндра. У зв'язку з цим не можна використовувати гідроциліндри з великим співвідношенням площ F1 і F2. так як силові можливості гідроциліндра зменшуються, і їх може не вистачити для подолання навіть сил тертя. Тому зазвичай беруть mmax = 0,4 - 0,6.
Застосування гідроциліндрів для здійснення поступальних рухів на великі відстані має ряд недоліків. До них відносяться втрати якості в динаміці через збільшення стискається стовпа робочої рідини, складність виготовлення корпуса гідроциліндра і мала поздовжня жорсткість штока. Тому зазвичай при переміщеннях більше 1,5 - З м застосовують гідромотори (рис. 3.10), вал яких з'єднується з робочим органом через понижуючий редуктор і передачу типу «гвинт-гайка».
Теоретична швидкість руху робочого органу v при цьому визначається зі співвідношення
а теоретичне зусилля, що розвивається гідроприводом, R зі співвідношення
де tхв - крок ходового гвинта; iр - передавальне відношення редуктора.
При використанні гідромотора для поступальної ходи по схемі рис. 3.10 треба враховувати і мають при цьому місце недоліки. Так, збільшуються механічні втрати, утворюється зона нечутливості за рахунок зазорів в з'єднаннях. Для підвищення чутливості такого приводу замість ходового гвинта застосовують кулькові гвинти [15].