В отличие от гидромоторов, которые постоянно вращают рабочий орган машины или оборудования, поворотные гидроцилиндры обеспечивают угловое перемещение исполнительного гидромеханизма до 360°. В некоторых исполнениях поворот может достигать нескольких оборотов выходного вала. 

Поворотные цилиндры развивают очень высокие крутящие моменты – до 100000 Нм. Угловая скорость поворота зависит от величины расхода подаваемой рабочей жидкости. Поворотные гидроцилиндры можно разделить на следующие виды: реечные, пластинчатые и винтовые.

Реечные и поворотные цилиндры

Реечные гидроцилиндры используются в машинах и оборудовании для поворота рабочих органов относительно их оси на угол менее 360°, обычно до 270-280°.

При этом они развивают большой крутящий момент и хорошо воспринимают высокую инерционную нагрузку, возникающую при повороте (разгоне / торможении) массивного оборудования относительно вертикальной оси. Реечные цилиндры преобразовывают поступательное движение поршня в угловое перемещение выходного вала за счет зубчатого механизма.



Рис. 1. Схема реечного гидроцилиндра

1 – корпус; 2 – крышка; 3 – поршень; 4 – шток с зубчатой рейкой; 5 – шестерня выходного вала

На рис. 1 показана конструктивная схема реечного гидроцилиндра. Он состоит из цилиндрического корпуса 1 с установленными внутри него двумя поршнями 3. Поршни жестко соединены между собой штоком, на поверхности которого выполнена зубчатая рейка.

Она входит в зацепление с шестерней выходного вала, установленного в корпусе. Корпус 1, крышки 2 и торцевые поверхности поршней 3 образуют рабочие полости реечного цилиндра. При движении потока рабочей жидкости в левую полость (рис. 1) поршень смещается вправо.

Шток зубчатой реечной поверхностью поворачивает шестерню выходного вала против часовой стрелки. При направлении потока рабочей жидкости в противоположную полость выходной вал меняет направление своего поворота.

Крутящий момент на выходном валу определяется силой, развиваемой поршнем, и радиусом делительной окружности шестерни. В свою очередь, величина силы зависит от рабочей площади поршня и давления в гидроцилиндре. Часто реечные цилиндры выполняются без выходного вала.

В средней части корпуса вырезается эллиптическая полость для обеспечения сцепления зубчатой рейки с шестерней оси поворота, которая располагается в корпусе поворотной колонки рабочего оборудования. Эти механизмы широко используются в механизмах поворота рабочих органов бортовых гидроманипуляторов.



Рис. 3. Схема бортового гидроманипулятора с реечным гидромеханизмом поворота

1 – опорное устройство бортового гидроманипулятора; 2 – поворотная колонка крана-манипулятора; 3 – реечный гидромеханизма поворота

На рис. 3 показана схема гидроманипулятора с реечным гидромеханизмом поворота. Опорное устройство бортового манипулятора 1 жестко крепится к раме автомобиля. Движение поворотной колонки 2, на которой установлена стрела манипулятора и ее секции, осуществляется реечным цилиндром механизма поворота 3.



Рис. 4. Типовой бортовой гидроманипулятор с реечным гидромеханизмом поворота

На рис. 4 показан типовой бортовой гидроманипулятор, установленный на задней части рамы автомобиля. На фото хорошо виден реечный гидроцилиндр.

На мощных моделях бортовых гидроманипуляторов реечные гидромеханизмы устанавливаются попарно с обеих сторон шестерни оси поворота колонки. В результате крутящий момент увеличивается вдвое, обеспечивается хорошее центрирование зубчатой передачи.

Пластинчатые поворотные гидроцилиндры

Пластинчатые поворотные цилиндры состоят из цилиндрического корпуса (статора) и ротора, установленного на выходном валу. На роторе жестко закреплена пластина, которая делит внутреннее пространство на две рабочие полости. Схема пластинчатого поворотного гидромеханизма показана на рис. 5.



Рис. 5. Схема пластинчатого поворотного цилиндра

R – радиальная сила; Ri – гидравлические радиальные силы от действия давления

Поток рабочей жидкости, поступая, например, в левую полость гидроцилиндра (рис. 5, а), воздействует на пластину и поворачивает ротор против часовой стрелки. При работе противоположной полости выходной вал меняет направление своего движения (рис. 5, б).

Этот тип гидромеханизма обеспечивает угол поворота выходного вала на величину до 280°. Следует отметить, что давление в рабочей полости воздействует на поверхность ротора и создает значительную радиальную силу.

Она формируется в результате сложения множества гидравлических сил, возникающих от действия давления на точечные площади цилиндрической поверхности ротора.

Радиальную силу воспринимают подшипники выходного вала. Эта сила меняет свою величину в течение рабочего цикла. Когда пластина находится в крайнем исходном положении, она минимальная.

Но при повороте ротора увеличивается площадь его цилиндрической поверхности, на которую воздействует давление рабочей жидкости. Максимального значения радиальная сила достигает в тот момент, когда ротор из своего крайнего исходного положения повернется на угол 180°.

В этой позиции ротора площадь его цилиндрической поверхности, на которую воздействует давление рабочей жидкости, максимальная (см. схему на рис. 5, а). При повороте ротора на угол более 180° площадь его цилиндрической поверхности (в рабочей полости) продолжает увеличиваться.

Однако направления (векторы) гидравлических сил, действующих на цилиндрическую поверхность ротора, меняются на встречные. В результате они частично компенсируют друг друга, и величина результирующей радиальной силы становится меньше. В конце хода пластины радиальная сила минимальна (см. схему на рис. 5, б).

Крутящий момент на выходном валу определяется рабочей площадью пластины, радиусом приложения силы, т.е. расстоянием от оси поворота вала до средней линии рабочей поверхности пластины, и величиной давления. При использовании ротора с двойной пластиной развиваемый крутящий момент увеличится в 2 раза, но угол поворота выходного вала составит менее 180°.



Рис. 6. Схема поворотного цилиндра с двумя рабочими пластинами

На рис. 6 показана схема поворотного гидромеханизма с двумя рабочими пластинами. Здесь рабочие полости попарно соединены. Такая конструкция обеспечивает разгрузку выходного вала от действия радиальных сил со стороны нагруженных рабочих полостей.

Некоторые модели могут содержать три пластины. В этом случае развиваемый крутящий момент значительно увеличивается, но угол поворота выходного вала становится заметно меньше.

Винтовые гидроцилиндры

Винтовые поворотные цилиндры состоят из цилиндрического корпуса, поршня и вращающегося вала, на поверхности которого выполнена винтовая канавка. Поршень не имеет жесткой связи с вращающимся валом.

На его внутренней поверхности установлен стержневой выступ, который входит в винтовую канавку. Вращающийся вал опирается на подшипники в его корпусе. Схема винтового поворотного гидроцилиндра показана на рис. 8.



Рис. 8. Схема винтового цилиндра

При подаче гидравлической жидкости в рабочую полость поршень двигается поступательно. Стержень поршня, скользя по поверхности винтовой канавки, поворачивает выходной вал. Фактически это устройство является классической механической передачей «винт-гайка».

В качестве гайки здесь используется поршень, а винтом является поворотный вал. В реальных конструкциях винтовые канавки выполняются многорядными, а вращающиеся валы – многоступенчатыми.

Такие решения позволяют минимизировать размеры и массу гидромеханизмов при передаче больших крутящих моментов и увеличить диапазон поворота выходного вала. Отдельные исполнения этих агрегатов обеспечивают поворот вала свыше 360° на несколько оборотов.

Некоторые исполнения имеют два выходных вала, которые в зависимости от направления винтовых канавок могут поворачиваться в одну или разные стороны.

Также применяются различные конструкции данных гидромеханизмов. Они широко используются в промышленном оборудовании, но с развитием номенклатуры самоходных машин и сменных рабочих органов они все больше находят применение и в мобильной технике.