1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29866
(51) F15B 15/22 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2014/0536.1
(22) 18.04.2014
(45) 15.05.2015, бюл. №5
(72) Иванов Константин Самсонович
(73) Некоммерческое акционерное общество
"Алматинский университет энергетики и связи"
(56) Артоболевский И.И., Привод поршня
гидравлического пресса, Механизмы в современной
технике/Справочное пособие - М.:Наука, с.737, 1981
(54) ПРИВОД ПОРШНЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
МЕХАНИЗМА
(57) Изобретение относится к машиностроению, а
именно к приводам машин, и может быть
использовано в качестве гидравлического силового
регулируемого привода. Такой привод может быть
использован для подачи пуансона гидравлического
пресса или силовой головки агрегатного станка, для
перемещения рабочего органа в транспортных,
горных, строительных, дорожных, путевых,
мелиоративных и сельскохозяйственных машинах,
на судах, летательных и подводных аппаратах, в
подъёмно-транспортных механизмах при
переменном технологическом сопротивлении на
рабочем органе.
Привод поршня гидравлического механизма,
содержит насос и гидравлическую систему подачи
жидкости в выходной гидроцилиндр.
Гидравлическая система подачи жидкости
выполнена в виде входного гидроцилиндра с
активным и пассивным блоками из двух поршней,
один из которых размещен во входном, а другой - в
выходном гидроцилиндре, а давление в
гидравлической системе подачи жидкости
поддерживается гидравлическим аккумулятором.
Особый режим работы гидравлического привода
имеет место при превышении предельной нагрузки
на рабочем поршне, приводящем к остановке
поршня. Этот режим движения имеет место при
трогании с места (старте) механизма, или при
заклинивании исполнительного механизма,
приводимого в движение гидроцилиндром.
Заклинивание исполнительного механизма,
например шасси самолета, может привести к
катастрофе. Для преодоления возросшего усилия
сопротивления при заклинивании исполнительного
механизма представляется возможным создать
вибрационное воздействие жидкости на рабочий
поршень гидроцилиндра. С этой целью привод
насоса должен включать автоматическую
бесступенчатую зубчатую передачу с упругими
связями колес в блоках солнечных и
эпициклических колес. Такой привод обеспечивает
передачу упругих импульсов на рабочий поршень в
виде вибраций. Вибрационное силовое воздействие
на исполнительный механизм при его остановке в
результате заклинивания создает дополнительные
возможности преодоления возросших нагрузок и
выхода из заклинивания. (19)KZ(13)A4(11)29866

2. 29866
2
Изобретение относится к машиностроению, а
именно к приводам машин, и может быть
использовано в качестве гидравлического силового
регулируемого привода. Такой привод может быть
использован для подачи пуансона гидравлического
пресса или силовой головки агрегатного станка, для
перемещения рабочего органа в транспортных,
горных, строительных, дорожных, путевых,
мелиоративных и сельскохозяйственных машинах,
на судах, летательных и подводных аппаратах, в
подъёмно-транспортных механизмах при
переменном технологическом сопротивлении на
рабочем органе.
Известен механизм гидравлического пресса,
который содержит гидропривод траверзы с верхним
штампом и управляющий паровой механизм,
изменяющий автоматически усилие нажатия
траверсы при начале рабочего хода. (Артоболевский
И.И. Механизмы в современной технике/
Справочное пособие. - М.: Наука, 1981, Т 7. с.738).
Недостаток: невозможность регулирования
давления жидкости в заданных пределах рабочего
хода в зависимости от технологического
сопротивления.
Известен гидропривод механизма шасси
самолета, обеспечивающий выдвижение шасси и
предотвращение жестких ударов в конце рабочего
хода путем автоматического дросселирования
(Артоболевский И.И. Механизмы в соврёменной
технике/ Справочное пособие. - М.: Наука, 1981,
Т 7. с.739).
Недостаток: отсутствие возможности
преодоления перегрузок в пределах всего рабочего
хода при выдвижении шасси из-за
эксплуатационных неисправностей.
Известна конструкция гидропривода в виде
гидроцилиндра), содержащая корпус, полый
поршень со штоком и размещённый в полости
пружинный шток, компенсатор ударных нагрузок
(Патент RU №2031258, МПК F15B 15/22, опубл.
20.03.1995).
Недостатком гидроцилиндра является
невозможность силового регулирования движения
поршня при переменной технологической нагрузке,
а также сложность конструкции гидравлического
демпфера для компенсации ударных нагрузок.
Известен гидравлический привод,
предназначенный для агрегатных станков и
автоматических линий для управления
гидроцилиндрами силовых столов подачи, со
схемой управления, обеспечивающей преодоление
переменной силы сопротивления на рабочем органе
(Патент RU №2148196, МПК F15В 15/22, опубл.
27.04.2000).
Недостатком гидропривода является
необходимость использования сложной системы
управления для силового регулирования движения
рабочего органа при переменной технологической
нагрузке.
Ближайшим по технической сущности к
изобретению является привод поршня (механизм)
гидравлического пресса Привод поршня для
выполнения рабочего хода содержит насос и
гидравлическую систему подачи жидкости в
выходной (нижний) гидроцилиндр к поршню. Этот
привод принят за прототип ((Артоболевский И.И.
Механизмы в современной технике/ Справочное
пособие. - М.: Наука, 1981, Т 7. с.737).
Недостатком прототипа является движение
поршня с постоянной скоростью в течение всего
рабочего хода независимо от силы сопротивления
движению. Это приводит к необходимости
определять требуемую мощность привода по
максимальной силе сопротивления, которая в
технологическом процессе может иметь
кратковременный характер действия. При этом
происходит завышение требуемой мощности
привода.
С другой стороны имеет место снижение
производительности пресса из-за относительно
малой скорости движения поршня при малой силе
сопротивления.
Во многих случаях технологический процесс
требует адаптации скорости движения к силе
сопротивления во избежание брака в работе,
связанного с неравномерным нарастанием
напряжений в обрабатываемом изделии при
постоянной скорости движения поршня.
Режим работы гидравлического привода связан с
работой клапанов. При этом оптимальная работа
привода без отказов зависит от регулировки
клапанов. На работу клапанов влияют такие
факторы как температура, скорость движения
жидкости, износ клапанов. Клапаны в значительной
степени снижают надежность работы
гидравлического привода и могут служить
причиной отказов и аварийных ситуаций. Особенно
важна безопасная надежная работа клапанов
гидравлической системы транспортной машины
(автомобиля, самолета). В существующих
гидравлических приводах необходимость
использования клапанов определяется жестким
режимом работы гидравлической системы с одной
степенью свободы. В таком режиме имеет место
жесткая взаимосвязь входного и выходного
перемещений.
Наиболее оптимальным вариантом работы
привода является полное использование входной
мощности в течение всего рабочего хода и
обеспечение плавного изменения напряжений в
обрабатываемом изделии. Для этого привод поршня
должен обеспечивать скорость его перемещения,
обратно пропорциональную силе сопротивления
движению.
Задача изобретения: обеспечение движения
поршня со скоростью обратно пропорциональной
силе сопротивления движению.
Для достижения технического результата привод
поршня гидравлического механизма, содержащий
насос и гидравлическую систему подачи жидкости в
выходной гидроцилиндр, согласно изобретению,
гидравлическая система подачи жидкости
выполнена в виде входного гидроцилиндра с
активным и пассивным блоками из двух поршней,
один из которых размещен во входном, а другой - в
выходном гидроцилиндре, а давление в

3. 29866
3
гидравлической системе подачи жидкости
поддерживается гидравлическим аккумулятором.
Привод поршня гидравлического механизма
изображен на фиг.1. Он содержит насос 1, входной
цилиндр 2, активный блок поршней 3, пассивный
блок поршней 4, основной выходной цилиндр 5,
выходной поршень 6, гидравлический аккумулятор
7.
Во время работы при остановленном выходном
поршне 6 насос 1 перемещает жидкость во входном
цилиндре 2 по замкнутому кругу со скоростью V и
создает скоростной напор H, преодолевающий
сопротивление пружины гидравлического
аккумулятора. При этом насос создает запас
потенциальной энергии, равный работе силы
сопротивления пружины на ее перемещении, а
потенциальная энергия затем переходит в
кинетическую энергию движения жидкости. Работа
А силы сопротивления пружины определяет запас
потенциальной энергии пружины
А = су2
/2, где с - жесткость пружины, у -
перемещение точки приложения силы на пружине.
Кинетическая энергия жидкости, перемещаемой
пружиной
Т = mV2
/2, где m - масса жидкости,
перемещаемой от гидравлического аккумулятора к
насосу. Так как во время работы энергия,
подводимая к насосу непрерывно переходит в
потенциальную энергию пружина гидравлического
аккумулятора, а потенциальная энергия переходит в
кинетическую, то А = Т, то есть
сy2
/2 = mV2
/2. Обозначим k2
=c/m, k —
интенсивность потенциальной энергии пружины
(частота собственных колебаний). Тогда связь
между параметрами перехода потенциальной
энергии в кинетическую будет иметь вид
ky=V.
Обозначим у = Н, где Н — деформация пружины,
определяющая скоростной напор. Тогда скоростной
напор
H = V/k.
Скоростной напор позволяет определить
давление p2, создаваемое во входном цилиндре 2
p2=F/s7, где - площадь поршня гидравлического
аккумулятора, F = сН – сила сопротивления
пружины. Тогда
р2 = сV / ks7.
Можно принять V = πdn/60, где n - число
оборотов насоса, d - средний диаметр рабочего
колеса насоса.
Давление р2 определяет силу, передаваемую на
активный блок поршней и давление в выходном
цилиндре 5
p5=p2s32/s35,
где s32, s35 - площади поршней блока 3 в
цилиндре 2 и в цилиндре 5.
Активный блок поршней является движущим
звеном в цилиндре 5, так как s32>s35. Он движется
вправо, создает давление р5 в выходном цилиндре 5
и перемещает влево пассивный блок поршней 4, в
котором s42<s45, где s42,s45 — площади поршней
блока 4 в цилиндре 2 и в цилиндре 5.
Давление р5 создаёт также стартовое усилие на
основном выходном поршне 6
R8=p5s6
После освобождения неподвижного поршня 6 от
тормозных усилий или от ограничений его
подвижности начинается его движение, и механизм
привода переходит в состояние с двумя степенями
свободы.
При этом в цилиндре 5 имеет место уравнение
взаимосвязи расходов жидкости
s35V3=s6V6+s45V4, (1)
V3,V4,V6 — скорости движения звеньев 3, 4, 6.
Умножим уравнение (1) на давление р5, получим
связь параметров по принципу возможных
перемещений F3V3=R6V6+R4V4, (2)
где F3 - движущая сила, R6,R4 - силы
сопротивления.
В цилиндре 2 движущими звеньями, подающими
жидкость в цилиндр, являются насос 1 и блок
поршней 4, звеном сопротивления, забирающим
жидкость из цилиндра, является блок поршней 3.
Уравнение взаимосвязи расходов жидкости
имеет вид
v1 +s42V4 = s32V3, (3)
где v1 - расход жидкости в насосе.
Умножим уравнение (3) на давление р2, получим
связь параметров по принципу возможных
перемещений
N1+R4V4=F3V3.(4)
Вычтем из уравнения (4) уравнение (2), получим
N1 = R6V6. (5)
Из формулы (5) следует
V6 = N1/R6.(6)
Это означает, что выходной поршень 6 движется
со скоростью, обратно пропорциональной силе
сопротивления движению. То есть имеет место
силовая адаптация привода к переменной выходной
нагрузке при постоянной входной мощности.
Особый режим работы гидравлического привода
имеет место при превышении предельной нагрузки
на рабочем поршне, приводящем к остановке
поршня. Этот режим движения имеет место при
трогании с места (старте) механизма, или при
заклинивании исполнительного механизма,
приводимого в движение гидроцилиндром.
Заклинивание исполнительного механизма,
например шасси самолета, может привести к
катастрофе. Для преодоления возросшего усилия
сопротивления при заклинивании исполнительного
механизма представляется возможным создать
вибрационное воздействие жидкости на рабочий
поршень гидроцилиндра. С этой целью привод
насоса должен включать автоматическую
бесступенчатую зубчатую передачу с упругими
связями колес в блоках солнечных и
эпициклических колес. Такой привод обеспечивает
передачу упругих импульсов на рабочий поршень в
виде вибраций. Вибрационное силовое воздействие
на исполнительный механизм при его остановке в
результате заклинивания создает дополнительные
возможности преодоления возросших нагрузок и
выхода из заклинивания.

4. 29866
4
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Привод поршня гидравлического механизма,
содержащий насос и гидравлическую систему
подачи жидкости в выходной гидроцилиндр,
отличающийся тем, что гидравлическая система
подачи жидкости выполнена виде входного
гидроцилиндра с активным и пассивным блоками из
двух поршней, один из которых размещен во
входном, а другой в выходном гидроцилиндре, а
давление в гидравлической системе подачи
жидкости поддерживается гидравлическим
аккумулятором.
Верстка Р. Талькенов
Корректор К. Сакалова