СПОСОБ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОГО УСИЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК B30B15/00 F15B3/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к пневмогидравлическим усилителям и приводам кузнечно-прессового оборудования.

Пневмогидравлическое усиление широко используется в приводной технике, где требуется получение значительного гидравлического давления (до сотен атмосфер) за счет сравнительно низкого давления (6-10 ати) воздуха.

В качестве гидравлической среды используются различные масла (минеральные и синтетические), эмульсии, жидкости на водной основе и вода.

Пневмогидравлическое усилиление последовательного действия часто используется в силовых приводах для пневмогидравлических прессов. Являясь в сущности пневматическими приводами, пневмогидравлические приводы содержат в своем составе локальные подсистемы, представляющие собой элементы гидравлического привода. Нагружение пневмогидравлического привода производится сжатым воздухом, обычно с давлением 6-10 ати, что существенно упрощает схему, давая возможность использования обычного пневмооборудования, и позволяет при этом достигать давлений рабочей жидкости до 300 ати и выше. Таким образом, пневмогидравлические приводы позволяют объединить достоинства пневматических и гидравлических приводов, при этом существенно выигрывая в простоте и, следовательно, надежности по сравнению с гидроприводами.

Описан способ последовательного пневмогидравлического усиления (журнал «Пластические массы» 1979 г., №3, стр.13-14) в прессах, используемых при производстве различных изделий из пластмасс, резины и т.п. Пневмогидравлический усилитель состоит из силового и рабочего цилиндров, причем штоковая полость силового цилиндра имеет гидравлическое сообщение с поршневой полостью рабочего цилиндра через перекрываемый клапаном канал. Способ усиления включает 2 последовательные стадии:

а) работу усилителя на низком давлении, при которой воздействуют сжатым воздухом на рабочую жидкость, содержащуюся в штоковой полости силового цилиндра, при открытом гидравлическом сообщении последней с поршневой полостью рабочего цилиндра, и

б) работу усилителя на высоком давлении, при которой подают сжатый воздух в поршневую полость силового цилиндра и одновременно соединяют с атмосферой штоковую его полость и перекрывают указанное гидравлическое сообщение.

Усилие, возникающее на штоке рабочего цилиндра и передаваемое подвижному элементу пресса, может достигать многих десятков и сотен тонн, что вполне достаточно для выполнения разнообразных видов прессования. Силовой привод пресса отличается высокой компактностью по сравнению с чисто гидравлическим приводом. На пневмогидравлических прессах можно производить длительную выдержку под высоким давлением, не затрачивая при этом энергии.

Однако использовать пневмогидравлические приводы для работ, требующих высокого быстродействия, например для вырубки, чеканки, и других видов работ с короткими циклами, крайне затруднительно из-за вспенивания рабочей жидкости. Пенообразование всегда вредно сказывается на работе гидравлических систем, приводя к нарушениям работы привода и системы управления, способствуя ухудшению свойств жидкости и коррозионному разрушению конструкционных материалов, не говоря уже о прямых потерях жидкости при уносе с выхлопом.

Кроме того, привод не может иметь иной ориентации оси, кроме вертикальной, что существенно сокращает область его применения.

Известен способ последовательного пневмогидравлического усиления в силовом приводе подвижного элемента пресса (патент РФ №2238848, МПК⁷ В30В 15/00, опубликован 27.10.2004, Бюл. №30). Пневмогидравлический усилитель состоит из силового и рабочего цилиндров, причем штоковая полость силового цилиндра имеет гидравлическое сообщение с поршневой полостью рабочего цилиндра через перекрываемый клапаном канал. Способ усиления включает 2 последовательные стадии:

а) работу усилителя на низком давлении, при которой воздействуют сжатым воздухом на рабочую жидкость, содержащуюся в штоковой полости силового цилиндра, при открытом гидравлическом сообщении последней с поршневой полостью рабочего цилиндра, и

б) работу усилителя на высоком давлении, при которой подают сжатый воздух в поршневую полость силового цилиндра и одновременно соединяют с атмосферой штоковую его полость и перекрывают указанное гидравлическое сообщение.

Усилие, возникающее на штоке рабочего цилиндра и передаваемое подвижному элементу пресса, может достигать многих десятков и сотен тонн, что вполне достаточно для выполнения разнообразных видов прессования. Разноразмерность цилиндров усилителя дает относительное увеличение поверхности зеркала жидкости и снижение высоты слоя, что способствует скорейшей сепарации пузырьков образующегося воздуха при возврате усилителя в исходное положение. Это позволяет несколько повысить быстродействие оборудования.

Однако в период работы привода на низком давлении относительное увеличение зеркала жидкости начинает играть отрицательную роль, приводя к повышению количества растворяемого в жидкости воздуха. При возврате усилителя в исходное положение, при котором производят сброс давления из штоковой полости силового цилиндра в атмосферу, требуется некоторое время для постепенной дегазации рабочей жидкости, а иногда и длительная пауза для разрушения пены, образующейся при быстром сбросе давления. В результате быстродействие оборудования остается на низком уровне.

Кроме того, наличие свободной поверхности жидкости не позволяет использовать пневмогидравлические приводы описанной конструкции при иной ориентации оси привода в пространстве, кроме вертикальной, что существенно снижает область использования.

Задачей настоящего изобретения является повышение быстродействия оборудования, использующего пневмогидравлический усилитель последовательного действия, а также расширение области применения таких усилителей.

Поставленная задача достигается в способе последовательного пневмогидравлического усиления в усилителе, состоящем из силового и рабочего цилиндров, штоковая полость силового цилиндра имеет гидравлическое сообщение с поршневой полостью рабочего цилиндра через перекрываемый канал, способ включает две последовательные стадии - работу усилителя на низком давлении, при которой воздействуют сжатым воздухом на рабочую жидкость, содержащуюся в штоковой полости силового цилиндра, при открытом гидравлическом сообщении последней с поршневой полостью рабочего цилиндра, и работу усилителя на высоком давлении, при которой подают сжатый воздух в поршневую полость силового цилиндра и одновременно соединяют с атмосферой штоковую его полость и перекрывают указанное гидравлическое сообщение, отличающимся тем, что воздействие сжатого воздуха на рабочую жидкость осуществляют через промежуточную среду, промежуточная среда выполнена в виде кольцевой мембраны, плотно закрепленной в штоковой полости силового цилиндра с возможностью ее деформации и перемещения центральной части вдоль штока или жидкости, не смешиваемой с рабочей жидкостью, обладающей низкой растворимостью в ней воздуха, низкой летучестью ее паров, низкой смачиваемостью контактирующих с ней материалов, или кольцевой пластины и сильфона, соединенных между собой, установленных плотно в штоковой полости силового цилиндра с возможностью перемещения кольцевой пластины вдоль штока.

Ниже приводятся некоторые конкретные примеры, иллюстрирующие предложенный способ усиления.

На фиг.1 показан продольный разрез пневмогидравлического усилителя с кольцевым поршнем.

Усилитель состоит из рабочего 1 и силового 2 цилиндров, соединенных соосно. Силовой цилиндр 2 имеет поршень со штоком 3, в штоке выполнен канал 4, который может перекрываться клапаном 5. Рабочий цилиндр 1 имеет поршень со штоком 6. В штоковой полости 7 силового цилиндра 2 расположен кольцевой поршень 8 с возможностью его осевого перемещения вдоль штока цилиндра 2. Материалом поршня может быть металл или неметалл, совместимые с применяемой гидравлической жидкостью и воздухом. Поршень 8 уплотнен резиновыми кольцами 9. В крышке силового цилиндра 2 имеется отверстие 10, поршневая полость 11 силового цилиндра 2 снабжена отверстием 12, а штоковая полость 13 рабочего цилиндра 1 имеет отверстие 14, через которые в соответствующих стадиях усиления осуществляется подача или отвод сжатого воздуха.

На фиг.2 показан продольный разрез пневмогидравлического усилителя с сильфоном.

Усилитель состоит из рабочего 1 и силового 2 цилиндров, соединенных соосно. Силовой цилиндр 2 имеет поршень со штоком 3, в штоке выполнен канал 4, который может перекрываться клапаном 5. Рабочий цилиндр 1 имеет поршень со штоком 6. В штоковой полости 7 силового цилиндра 2 расположена сплошная, жесткая кольцевая пластина 8 с возможностью ее осевого перемещения вдоль штока силового цилиндра 2. Кольцевая пластина 8 может быть изготовлена из металла или неметалла, совместимых с применяемой гидравлической жидкостью и воздухом. Сверху к кольцевой пластине 8 по ее периферии плотно закреплен своим нижним концом сильфон 9, при этом верхний его конец плотно закреплен во фланцах силового цилиндра 2. Материалом сильфона может быть металл или неметалл, совместимые с применяемой гидравлической жидкостью и воздухом (нержавеющая сталь, фторопласт и др.). В крышке силового цилиндра 2 имеется отверстие 10, поршневая полость 11 силового цилиндра 2 снабжена отверстием 12, а штоковая полость 13 рабочего цилиндра 1 имеет отверстие 14, через которые в соответствующих стадиях усиления осуществляется подача или отвод сжатого воздуха.

На фиг.3 показан продольный разрез пневмогидравлического усилителя с мембраной.

Усилитель состоит из рабочего 1 и силового 2 цилиндров, соединенных соосно. Силовой цилиндр 2 имеет поршень со штоком 3, в штоке выполнен канал 4, который может перекрываться клапаном 5. Рабочий цилиндр 1 имеет поршень со штоком 6. В штоковой полости 7 силового цилиндра 2 расположена сплошная, непроницаемая, эластичная мембрана 8, плотно закрепленная периферией во фланцевом разъеме цилиндра 2, с возможностью осевого перемещения ее центральной части, закрепленной во втулке 9, вдоль штока 3 поршня силового цилиндра 2. Материалом диафрагмы может быть резина, пластики, композиционные материалы, пропитанные ткани и другие гибкие и эластичные материалы, совместимые с применяемой гидравлической жидкостью и воздухом. В крышке силового цилиндра 2 имеется отверстие 10, поршневая полость 11 силового цилиндра 2 снабжена отверстием 12, а штоковая полость 13 рабочего цилиндра 1 имеет отверстие 14, через которые в соответствующих стадиях усиления осуществляется подача или отвод сжатого воздуха.

На фиг.4 показан продольный разрез пневмогидравлического усилителя с дисковым поплавком.

Усилитель состоит из рабочего 1 и силового 2 цилиндров, соединенных соосно. Силовой цилиндр 2 имеет поршень со штоком 3, в штоке выполнен канал 4, который может перекрываться клапаном 5. Рабочий цилиндр 1 имеет поршень со штоком 6. В штоковой полости 7 силового цилиндра 2 расположен дисковый поплавок 8 с зазором к корпусу цилиндра и возможностью свободного осевого перемещения вдоль штока 3 поршня силового цилиндра 2. В поплавке 8 жестко укреплена упорная втулка 9. Основной материал поплавка - различные вспененные материалы, стойкие в рабочих условиях усилителя (химический состав среды, температура, давление). В крышке силового цилиндра 2 имеется отверстие 10, поршневая полость 11 силового цилиндра 2 снабжена отверстием 12, а штоковая полость 13 рабочего цилиндра 1 имеет отверстие 14, через которые в соответствующих стадиях усиления осуществляется подача или отвод сжатого воздуха.

На фиг.5 показан продольный разрез пневмогидравлического усилителя со слоем изолирующей жидкости.

Усилитель состоит из рабочего 1 и силового 2 цилиндров, соединенных соосно. Силовой цилиндр 2 имеет поршень со штоком 3, в штоке выполнен канал 4, который может перекрываться клапаном 5. Рабочий цилиндр 1 имеет поршень со штоком 6. В штоковой полости 7 силового цилиндра 2 залита рабочая жидкость 8 (например, вода), а поверх нее расположен слой более легкой и несмешиваемой с водой жидкости 9 (например, вазелиновое масло). В крышке силового цилиндра 2 имеется отверстие 10, поршневая полость 11 силового цилиндра 2 снабжена отверстием 12, а штоковая полость 13 рабочего цилиндра 1 имеет отверстие 14, через которые в соответствующих стадиях усиления осуществляется подача или отвод сжатого воздуха.

Рассмотрим работу усилителя с кольцевым поршнем (фиг.1). Работа остальных усилителей, использующих твердые разделительные среды, станет вполне понятна из прилагаемых чертежей (фиг.2-4). Усилитель работает следующим образом.

В исходном положении отверстия 10, 12 и 14 соединены с атмосферой. На первой стадии усиления (стадия «а») сжатый воздух подается в штоковую полость 7 силового цилиндра 2 над поршнем 8, при этом давление сжатого воздуха через поршень 8 передается на расположенную под ним жидкость. Жидкость по каналам в штоке 3 и поршне силового цилиндра из-под клапана 5 передавливается в поршневую полость рабочего цилиндра 1 и передает давление сжатого воздуха на поршень со штоком 6 рабочего цилиндра 1. При этом на штоке 6 возникает усилие «низкого давления», которое используется в прессах для передвижения силового элемента до момента упора оснастки в прессуемый материал и предварительного прессования «на низком давлении».

По завершении первой стадии усиления, когда усилие поршня со штоком 6 сравнивается с сопротивлением прессования, начинается вторая стадия усиления (стадия «б»). Для этого автоматически или по команде оператора сжатый воздух подают в поршневую полость 11 силового цилиндра 2 через отверстие 12 и одновременно соединяют отверстие 10 с атмосферой. При этом давлением сжатого воздуха поршень со штоком 3 перемещается вверх и клапан 5 садится в свое седло на торце штока 3, запирая выход жидкости из поршневого пространства рабочего цилиндра 1. При дальнейшем подъеме поршня со штоком 3 под поршнем рабочего цилиндра 1 возникает большое гидравлическое давление, тем больше, чем меньше соотношение между площадями штока силового цилиндра 2 и поршня рабочего цилиндра. Усилие, возникающее при этом на штоке 6 рабочего цилиндра 1, может составлять десятки и сотни тонн, что вполне достаточно для выполнения большинства силовых операций (прессование, подъем, перемещение и т.д.).

Для возврата в исходное положение сжатый воздух подают в штоковую полость 13 рабочего цилиндра 1 через отверстие 14, при этом отверстие 12 соединяют с атмосферой.

Использование промежуточной среды для полной изоляции воздуха от рабочей жидкости исключает растворение воздуха при подъеме давления и последующее выделение пузырьков при его сбросе, что устраняет эффект вспенивания рабочей жидкости и повышает быстродействие привода.

Усилители, использующие принцип полной изоляции воздуха от жидкости с помощью твердых элементов (фиг.1 и 2) могут иметь различную ориентацию в пространстве (при принудительном закрытии клапана 5, например с помощью пружины), что существенно расширяет область их применения. Такие усилители могут быть использованы для кузнечно-прессового оборудования с горизонтальным перемещением силовых элементов, при кренах и дифферентах на морском транспорте, при перевернутом полете и невесомости. Использование усилителя с мембраной (фиг.3) при значительном отклонении оси усилителя от вертикали становится затруднительным.

Работа пневмогидравлического усилителя со слоем изолирующей жидкости (фиг.3) отличается от описанной выше отсутствием твердых конструктивных элементов, разделяющих воздух и рабочую жидкость. Передача усилия от сжатого воздуха в этом случае происходит через изолирующую жидкость. К изолирующей жидкости предъявляются требования более низкой, чем у рабочей жидкости, и более высокой, чем у воздуха, объемной плотности, несмешиваемости с рабочей жидкостью, низкой растворимости в ней воздуха, низкой летучести ее паров, низкой смачиваемости контактирующих с ней материалов. В силу того, что все жидкости в большей или меньшей степени способны растворять в себе воздух под повышенным давлением, полностью изолировать рабочую жидкость от проникновения в нее растворенного газа не удается. Однако граничный перенос растворенного воздуха из изолирующей жидкости в рабочую обладает высоким сопротивлением, которому также способствует микрослой различных примесей, обычно локализующихся на границе раздела двух жидкостей. Создавая значительное сопротивление переходу воздуха в рабочую жидкость при подъеме давления, вместе с тем изолирующая жидкость не оказывает практически никакого сопротивления выходу пузырьков воздуха из рабочей жидкости при сбросе давления, тем самым повышая быстродействие усилителя.

Вполне очевидно, однако, что усилитель с изолирующей жидкостью можно применять только в вертикальном положении.

Ниже приводятся 2 сопоставительных примера, показывающих преимущества предложенного технического решения (Пример 2) по сравнению с прототипом (Пример 1).

Пример 1

При прессовании изделий из пластмасс на пневмогидравлическом прессе усилием 100 тс использовался усилитель последовательного действия по типу изображенного на фиг.1, но без кольцевого поршня 8. При этом сжатый воздух контактировал непосредственно с рабочей жидкостью (минеральным маслом «Индустриальное-20»). Рабочий цикл прессования (загрузка пресс-материала - смыкание плит и прессование на низком давлении - прессование на высоком давлении с подпрессовками - размыкание плит - выемка отпрессованного изделия - пауза) составлял 15 минут, из которых пауза, требуемая для отделения пузырьков воздуха от рабочей жидкости, занимала 5 минут. Попытка сократить паузу приводила к запениванию рабочей жидкости и, как следствие, нарушению работы усилителя и системы пневмоавтоматики.

Установка усилителя предусмотрена только в вертикальном положении, поскольку отклонения от вертикали могут вызвать нарушения в работе усилителя при попадании воздуха в поршневую полость рабочего цилиндра.

Пример 2

При прессовании тех же изделий из пластмасс на том же пневмогидравлическом прессе с тем же усилителем, что и в Примере 1, с тем лишь отличием, что в штоковую полость силового цилиндра был установлен кольцевой поршень по типу, изображенному на фиг.1, а клапан 5 принудительно закрывался под действием пружины (на фиг.1 не показано). При этом цикл прессования сократился на величину паузы и составил 10 минут. Таким образом, быстродействие увеличилось в 1,5 раза по сравнению с прототипом.

Испытания привода отдельно от пресса показали его работоспособность при любой ориентации оси привода в пространстве, поскольку исключается попадание воздуха в рабочую жидкость. Отсутствие ограничений по ориентации в пространстве существенно расширяет область применения пневмогидравлических приводов.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к пневмогидравлическим усилителям и приводам кузнечно-прессового оборудования. Способ включает две последовательные стадии. Первая стадия - работа усилителя на низком давлении, при которой воздействуют сжатым воздухом на рабочую жидкость, содержащуюся в штоковой полости силового цилиндра, при открытом гидравлическом сообщении последней с поршневой полостью рабочего цилиндра. Вторая стадия - работа усилителя на высоком давлении, при которой подают сжатый воздух в поршневую полость силового цилиндра и одновременно соединяют с атмосферой штоковую его полость и перекрывают указанное гидравлическое сообщение. Воздействие сжатого воздуха на рабочую жидкость осуществляют через промежуточную среду. Промежуточная среда выполнена в виде кольцевой мембраны или жидкости, не смешиваемой с рабочей жидкостью, или кольцевой пластины и сильфона, соединенных между собой. В результате обеспечивается повышение быстродействия привода и расширение области его применения. 5 ил.

Способ последовательного пневмогидравлического усиления в усилителе, состоящем из силового и рабочего цилиндров, штоковая полость силового цилиндра имеет гидравлическое сообщение с поршневой полостью рабочего цилиндра через перекрываемый канал, способ включает две последовательные стадии - работу усилителя на низком давлении, при которой воздействуют сжатым воздухом на рабочую жидкость, содержащуюся в штоковой полости силового цилиндра, при открытом гидравлическом сообщении последней с поршневой полостью рабочего цилиндра, и работу усилителя на высоком давлении, при которой подают сжатый воздух в поршневую полость силового цилиндра и одновременно соединяют с атмосферой штоковую его полость и перекрывают указанное гидравлическое сообщение, отличающийся тем, что воздействие сжатого воздуха на рабочую жидкость осуществляют через промежуточную среду, промежуточная среда выполнена в виде кольцевой мембраны, плотно закрепленной в штоковой полости силового цилиндра с возможностью ее деформации и перемещения центральной части вдоль штока, или жидкости, не смешиваемой с рабочей жидкостью, обладающей низкой растворимостью в ней воздуха, низкой летучестью ее паров, низкой смачиваемостью контактирующих с ней материалов, или кольцевой пластины и сильфона, соединенных между собой, установленных плотно в штоковой полости силового цилиндра с возможностью перемещения кольцевой пластины вдоль штока.