Konspekt: Siłowniki

1

Siłowniki

1. Zasada działania i systematyka konstrukcji

Siłownik, nazywany w literaturze także cylindrem hydraulicznym , jest silnikiem wyporowym.

Jego cechą szczególną jest to, że energia ciśnienia, zakumulowana w doprowadzonym do siłownika
ciekłym czynniku roboczym jest zamieniona na energię mechaniczną ruchu postępowo-zwrotnego
tłoka na drodze zwanej skokiem. Przekazywanie energii napędzanemu urządzeniu może się odbywać
za pomocą tłoczyska, nurnika lub innego elementu maszynowego.

Podział siłowników z uwagi na ich konstrukcję przedstawiono na rysunku 1.

2. Straty i sprawności

W siłowniku występują następujące straty (podobnie jak w pompach):

- objętościowe (związane z przeciekami czynnika roboczego),

Rys. 1 Siłowniki: a,b - nurnikowy, c,d - jednostronnego działania, e - teleskopowy, f -dwustronnego

działania z jednostronnym tłoczyskiem, g,h- z tłoczyskiem dwustronnym, i- z tłokami przeciw bieżnymi,
k- dwukomorowy, l- trójpołożeniowy, m- zębatkowy, n- śrubowy, o- z tłokiem wahliwym

Konspekt: Siłowniki

2

- hydrauliczne (straty ciśnienia przy przepływie oleju w kanałach siłownika)
- oraz mechaniczne (związane z tarciem mechanicznym tłoka i tłoczyska w dławnicy).

Sprawność całkowita (ogólna) siłownika wyraża stosunek mocy oddawanej na tłoczysku N

2

do mocy

doprowadzonej z czynnikiem roboczym N

1

do siłownika

1

2

N

N

C

=

η

gdzie:

60

1

rz

Q

p

N

⋅

Λ

=

[kW]; ∆p-strata ciśnienia na siłowniku, Q

rz

- rzeczywiste natężenie przepływu,

v

P

N

rz

⋅

⋅

=

−3

2

10

[kW], P

rz

- rzeczywista siła na tłoczysku , ν-prędkość tłoczyska [m/s].

Sprawność objętościową siłownika wyraża stosunek chłonności teoretycznej Q do chłonności

rzeczywistej Qrz

rz

Q

Q

=

η

.

Chłonność rzeczywista jest większa od teoretycznej o wartość przecieków występujących na tłoku
(przecieki wewnętrzne), w dławnicy i na połączeniu elementów korpusu siłownika oraz na króćcach
przyłączeniowych (przecieki zewnętrzne). Przecieki zewnętrzne w siłowniku są praktycznie
niedopuszczalne z uwagi na ochronę środowiska naturalnego.
Nowoczesne uszczelnienia (elastomery) pozwalają na prawie całkowite uniknięcie przecieków
wewnętrznych.

Sprawność hydrauliczno-mechaniczna zdefiniowana jest jako stosunek siły rzeczywistej P

rz

uzyskiwanej na tłoczysku do siły teoretycznej P (bez strat):

P

P

rz

hm

=

η

.

Sprawność całkowitą siłownika można też wyrazić iloczynem sprawności objętościowej i hydrauliczno
- mechanicznej

hm

V

m

h

V

C

η

η

η

η

η

η

⋅

=

⋅

⋅

=

.

W przypadku gdy sprawność objętościowa siłownika η

V

=1(przecieki oleju praktycznie nie występują )

to sprawność całkowita jest równa sprawności hydrauliczno - mechanicznej

hm

C

η

η

=

.

W nowoczesnych konstrukcjach siłowników sprawności objętościowe i hydrauliczne są bardzo

wysokie (bliskie jedności) a duży udział w stratach mają straty mechaniczne. Sprawność mechaniczna
siłowników zawiera się w przedziale 0.85-0.98 i jest zależna od rodzaju uszczelnień zastosowanych w
siłowniku oraz ciśnienia pracy siłownika. Jest ona również większa dla ruchu pchania niż dla ruchu
wsuwania w siłownikach dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem.

Duże siłowniki mają większe sprawności całkowite niż siłowniki mniejsze. Jest to również

charakterystyczne dla wszystkich innych urządzeń.

3. Zasady doboru siłowników

Algorytm doboru siłownika zależy od danych wyjściowych. Najczęściej dane są:

- zadanie jakie ma spełniać siłownik w maszynie, urządzeniu,

- wymagana maksymalna siła użyteczna, zmiany siły na drodze ruchu tłoczyska, wymagane

przyspieszenia ruchów,

- droga siłownika i czasy ruchów roboczych,

Na podstawie zadania jakie ma spełniać siłownik dobieramy jego typ i sposób mocowania siłownika
oraz sposób połączenia tłoczyska z urządzeniem.
Siłownik należy tak dobrać, aby pokonać obciążenie zewnętrzne P

rz

pochodzące od maszyny roboczej

(i ewentualnie zapewnić odpowiednie przyspieszenie ruchu, jeśli siła działa na tłok od początku ruchu).

Konspekt: Siłowniki

3

Zakładając maksymalne ciśnienie p w układzie (jakie może zapewnić generator) i znając sprawność
całkowitą siłownika ηc można obliczyć wymaganą powierzchnię czynną tłoka S z zależności:

C

rz

p

P

S

η

⋅

=

.

Powierzchnia czynna dla siłownika z dwustronnym tłoczyskiem wynosi:

)

(

4

2

2

d

D

S

−

⋅

=

π

,

gdzie: D-średnica tłoka, d-średnica tłoczyska.
W przypadku siłownika dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem powierzchnia czynna
przy wysuwaniu tłoka jest określona następująco:

,

4

2

D

S

⋅

=

π

a przy wsuwaniu tłoczyska jak dla siłownika z dwustronnym tłoczyskiem.
Z powierzchni czynnej oblicza się średnicę tłoka i przyjmuje najbliższą jego wartość (większą)
znormalizowaną oraz znormalizowaną średnicę tłoczyska.

Średnicę tłoczyska należy sprawdzić na wyboczenie wg wzoru Eulera lub Tetmajera w

zależności od sposobu mocowania siłownika i prowadzenia tłoczyska oraz od smukłości siłownika (czy
jest ona większa czy mniejsza od smukłości granicznej materiału tłoczyska). Zaleca się przyjmować
współczynnik bezpieczeństwa na wyboczenie x=3.

Skok siłownika ustala się na podstawie drogi na jakiej siła P

rz

ma być realizowana. Skoki

siłowników są znormalizowane.

Znając średnicę tłoka (z obliczonej powierzchni S tłoka) oraz skok i sposób zabudowy

siłownika w maszynie roboczej można dobrać z katalogu odpowiedni typ siłownika.

Jeśli podane są czasy ruchów siłownika, to z poniższych zależności można wyznaczyć

wymagane natężenie przepływu i dobrać pompę o odpowiedniej wydajności. Dla siłownika z
dwustronnym tłoczyskiem czasy ruchów w obu kierunkach są takie same i wynoszą:

v

H

t =

,

gdzie: H - skok siłownika,

S

Q

v =

-prędkość tłoczyska, Q - natężenie przepływu, S-powierzchnia

czynna tłoka.
Dla siłownika dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem prędkość wysuwania tłoczyska
jest mniejsza niż dla ruchu wsuwania (wynika to z różnych powierzchni czynnych tłoka dla obu
kierunków ruchu). Należy też sprawdzić dla przyjętego siłownika, czy prędkości tłoczyska są
mniejsze od dopuszczalnych podawanych przez producentów siłowników.


4. Hamowanie dobiegu tłoka

W końcowej fazie ruchu siłowników zachodzi niebezpieczeństwo uderzenia tłoka o denka

zamykające komorę roboczą cylindra. Uderzenia te byłyby tym groźniejsze, im większe masy są
związane z tłoczyskiem oraz im większe są prędkości tłoka. W celu wyeliminowania ewentualności
występowania tych uderzeń należy dokonać zmniejszenia prędkości tłoka do zera w końcowej fazie
jego skoku zanim osiągnie swe skrajne położenie.

Wyhamowanie tłoka jest konieczne przy jego prędkościach v ≥ 0,1 m/s, a najczęściej

stosowane sposoby hamowania to:

- dławienie w szczelinie pierścieniowej wykonanej w denkach siłownika,
- zawór dławiący umieszczony w denku,
- zawór dławiący umieszczony na zewnątrz siłownika.

Konspekt: Siłowniki

4

4. Uszczelnienia

Siłownik może spełniać właściwie swoją rolę w układzie tylko wówczas, gdy będzie

utrzymywał pełną szczelność zarówno zewnętrzną, jak i wewnętrzną. Wycieki zewnętrzne czynnika
roboczego mogą występować w połączeniach denek z cylindrem oraz w dławnicy tłoczyska lub
nurnika. O nieszczelnościach wewnętrznych można natomiast mówić przy tłoku oddzielającym obie
komory robocze siłownika.

Ze względu na rodzaj pracy uszczelnienia dzieli się na uszczelnienia spoczynkowe, zwane także w
literaturze statycznymi, i na uszczelnienia ruchowe. Uszczelnienia spoczynkowe występują w
siłownikach przy uszczelnianiu denek, nieruchomo w cylindrze osadzonych tulei prowadzących
tłoczysko, a także przy uszczelnianiu przyłączy.

W obecnie produkowanych siłownikach stosuje się prawie wyłącznie uszczelnienia za pomocą
pierścieni samouszczelniających zarówno w przypadku połączeń spoczynkowych, jak i ruchowych.
Samouszczelniające działanie pierścieni polega na ich deformacji pod wpływem ciśnienia i docisku
do powierzchni uszczelnianych tym większym, im wyższe jest ciśnienie czynnika. Pierścienie
samouszczelniające wykonuje się z gumy olejoodpornej, często wzmacnianej tkaniną, oraz z
tworzyw sztucznych różnego rodzaju, aby mogły spełnić różnorodne wymagania wynikające z
warunków eksploatacji.

Na rys.3 przedstawiono przykłady rozwiązań węzłów uszczelniających połączeń spoczynkowych za
pomocą pierścieni o przekroju okrągłym, typu „O” oraz tkaninowo-gumowych pierścieni
rowkowych z gumowym pierścieniem podporowym. Pierścień o przekroju okrągłym musi być
zabudowany z pewnym zaciskiem wstępnym, który zależnie od miejsca zabudowy może być
osiowy (rys.3a,b) lub promieniowy (rys.3c,d). Rowki i wytoczenia pod pierścień muszą być więc
poprawnie zwymiarowane. Zabudowa pierścienia wg rys.3b jest korzystniejsza, ponieważ pozwala
osiągnąć większe dokładności wymiarów rowka oraz dlatego, że odkształcenia śrub mocujących
denko do cylindra nie wywierają tak szkodliwego wpływu na pracę pierścienia, jak w przypadku
zabudowy wg rys.3a. Zabudowa pierścienia zgodnie z rys.3c jest najkorzystniejsza. W cylindrach o
większych średnicach, dla których tolerancje wykonania są większe, może jednak wystąpić zbyt
duży luz między uszczelnianymi powierzchniami. Luz ten może ulegać jeszcze dalszemu

Rys. 2 Sposoby hamowania dobiegu tłoka: a,b – przez dławienie w szczelinie pierścieniowej, c – zaworu

dławiącego w denku, d – zaworu dławiącego poza siłownikiem

Konspekt: Siłowniki

5

zwiększeniu na skutek sprężystych odkształceń cylindra. Pierścień znajdujący się pod działaniem
ciśnienia będzie wówczas wpychany w szczelinę i może ulec szybkiemu uszkodzeniu.

Niebezpieczeństwo to usuwa pierścień rozprężny z tworzyw sztucznych - najczęściej teflonowy -
współpracujący ze zwykłym pierścieniem typu O, odcinając mu dostęp do szczeliny (rys.3d). Węzeł
uszczelniający wg rys.3e znajduje również zastosowanie jako uszczelnienie zewnętrznych powierzchni
tulei prowadzących tłoczysko lub nurnik.
Na rys.3e, f podano przykłady połączeń spoczynkowych cylindra z denkiem, uszczelnionych
tkaninowo-gumowymi pierścieniami rowkowymi. Właściwy pierścień uszczelniający jest uzupełniony
dodatkowym pierścieniem podporowym, służącym do rozpierania warg pierścienia właściwego i
zwiększenia w ten sposób ich docisku do powierzchni uszczelnianych. Pierścień podporowy może być
luźny lub wulkanizowany z pierścieniem rowkowym. Oba pierścienie tworzą uszczelnienie mało
wrażliwe na zmiany luzów między łączonymi elementami i dlatego nadają się do siłowników o dużych
średnicach oraz narażonych na częste uderzeniowe wzrosty ciśnień z jakimi należy się liczyć np. w
ciężkich maszynach roboczych. Na rys.4 zestawiono typowe przykłady uszczelnień tłoczysk
proponowane przez firmę MARTIN MERKEL KG . Pierścień wg rys. 4a, z metalowym pierścieniem
podporowym, jest stosowany obecnie bardzo rzadko. Zadaniem pierścienia podporowego miało być
bowiem przeciwstawienie się cofaniu pierścienia właściwego przy ruchu powrotnym tłoczyska.
Ponieważ i w tej fazie pracy siłownika w cylindrze panuje nadciśnienie, wynikające z oporów
przepływu czynnika, wystarczające do tego, aby zapobiec zabieraniu pierścienia przez tłoczysko, więc
stosowanie pierścieni podporowych nie znajduje uzasadnienia. Obecnie produkowane pierścienie
rowkowe są tak ukształtowane, że również podczas rozruchu nie ma niebezpieczeństwa uszkodzeń
tylnej czołowej jego powierzchni w wyniku uderzeń o dno cylindra.
Współczesny pierścień rowkowy tego typu przedstawiono na rys.4b. Wykonuje się go zwykle z
jednorodnego elastomeru i dobrze pracuje on nawet przy wyższych ciśnieniach. Pierścień wg rys.4c w
tylnej części wzmocniono tkaniną, w wyniku czego stał się bardziej odporny na niszczące
oddziaływanie szczelin. Część tylna uszczelki spełnia także rolę zasobnika smaru, poprawiając warunki
współpracy pierścienia uszczelniającego z powierzchnią tłoczyska. Współcześnie najczęściej jednak
stosuje się tkaninowo-gumowe pierścienie rowkowe z gumowym pierścieniem podporowym. Docisk
wstępny do powierzchni uszczelnianych zapewnia od czoła pierścień podporowy, znajdujący się pod
naporem czynnika roboczego. W ciężkich warunkach eksploatacji cylindrów, wyrażających się
wyższymi od normalnych temperaturami, powtarzającymi się okresowo uderzeniowymi wzrostami
ciśnień, przy dużych częstotliwościach włączenia oraz przy większych prędkościach tłoka, pierścienie
rowkowe mogą okazać się mało trwałe. W tych wypadkach znacznie lepiej sprawdzają się

Rys.3 Uszczelnienia spoczynkowe w siłownikach: a-d – pierścieniami o przekroju okrągłym, e,f –

pierścieniami rowkowymi

Konspekt: Siłowniki

6

uszczelnienia pakietowe typu V (rys. 4e) lub wargowe (rys. 4f). W uszczelnieniach pakietowych typu
V między trzema właściwymi pierścieniami tkaninowymi znajdują się zwykle pierścienie z tworzyw






















sztucznych. Uszczelnienie wg rys.4f składa się z dwu pierścieni wargowych oraz pierścieni
podporowego i ciśnieniowego. Stosowane jest bardzo często w siłownikach nurnikowych pras.
Właściwe uszczelnienia tłoczysk i nurników uzupełniają dodatkowe pierścienie zgarniające
montowane w czołowej części denka (rys.4). Zadaniem ich jest usuwanie zanieczyszczeń z
powierzchni tłoczysk i nurników. Pierścienie te wykonuje się najczęściej z odpornych na ścieranie
mieszanek z kauczuku syntetycznego.

Rys. 5

Na rys. 5 podano przykłady uszczelnień tłoka. Podstawową zasadą uszczelnienia tłoka jest zachowanie
symetrii uszczelnień (aby zapewnić szczelność przy obciążeniu tłoka z obu stron). Na rys. 5a podano
przykład zastosowania symetrycznie względem osi tłoka usytuowanych pierścieni rowkowych,
tkaninowo-gumowych z gumowym pierścieniem podporowym. Na rys.5b przedstawiono przykład
uszczelnienia za pomocą wieloelementowych, tkaninowo-gumowych pierścieni typu V, podobnych

Rys.4 Sposoby uszczelniania tłoczysk: a- pierścień rowkowy z metalowym pierścieniem podporowym, b-

pierścień rowkowy, c- pierścień rowkowy wzmocniony, d- pierścień rowkowy z gumowym pierścieniem
podporowym, e- uszczelnienie pakietowe typu V, f- uszczelnienie pakietowe wargowe

Konspekt: Siłowniki

7

pod względem kształtu i materiału do uszczelnień tłoczyska wg rys.4e. Na rys.5c,d,e przedstawiono
konstrukcje specjalnych uszczelnień wieloelementowych stosowanych przy wysokich ciśnieniach,
osiągających nawet 63 MPa. Uszczelnienia te mają budowę symetryczną, a więc mogą pracować w obu
kierunkach. Uszczelnienie wg rys.5c składa się z jednorodnego pierścienia gumowego 1 i dwóch
wulkanizowanych z nim tkaninowo-gumowych pierścieni podporowych 2. Pierścień wewnętrzny ma
na powierzchniach - wewnętrznej i zewnętrznej - rowkowania umożliwiające dobre smarowanie
współpracujących powierzchni oraz nacisk wstępny gwarantujący szczelność w stanie nieobciążonym
siłownika. Wyciskaniu uszczelnienia do szczeliny między gładzią cylindra a tłokiem zapobiegają
pierścienie prowadzące 3 z twardych tworzyw sztucznych. Wszystkie pierścienie są rozcięte w celu
ułatwienia montażu na tłoku. Na rys. 5d przedstawiono układ uszczelniający produkowany i stosowany
w siłownikach przez firmę HUNGER. Uszczelnienie składa się z poliuretanowego pierścienia
wewnętrznego 1, pierścienia ślizgowego 2 oraz dwóch pierścieni prowadzących 3. Pierścień ślizgowy
jest wykonany z policzterofluoroetylenu PTFE z domieszką brązu, natomiast pierścienie prowadzące -
czystej mieszaniny tworzyw sztucznych. Elastyczny pierścień wewnętrzny 1 zapewnia docisk wstępny
pierścienia ślizgowego i pierścieni prowadzących do gładzi cylindrowej. Pod wpływem ciśnienia
pierścień wewnętrzny jest odkształcany w kierunku osiowym, powodując dociskanie pierścienia 2 do
ścianki cylindra. Takiemu samemu działaniu podlegają również pierścienie prowadzące 3, eliminujące
do zera luz między nimi a ścianką cylindra, wynikający również z odkształceń sprężystych cylindra
pod obciążeniem. Pierścień ślizgowy nie ma więc możliwości wypływania do szczeliny. Uszczelnienia
te odznaczają się małymi współczynnikami tarcia i dużą trwałością, eliminują całkowicie
niebezpieczeństwo występowania drgań relaksacyjnych (stick-slip), wymagają jednak chropowatości
Ra nie większych niż 1,5 µm. Małogabarytowe uszczelnienie wg rys.5e, również produkcji firmy
HUNGER, składa się z pierścienia ślizgowego 1, współpracującego z pierścieniem typu O oraz dwóch
pierścieni zamykających 3. Funkcję uszczelnienia spełnia pierścień ślizgowy, który jest dociskany
wstępnie do gładzi cylindrowej elastycznym pierścieniem o przekroju okrągłym. Pierścień ślizgowy
jest wykonany z mieszanki PTFE, natomiast pierścienie zamykające - z twardszego tworzywa
sztucznego o dobrych własnościach ślizgowych nawet przy tarciu suchym. Na rys. 6 przedstawiono
konstrukcję siłownika dwustronnego działania na obciążenie nominalne 16 MPa.

Cylinder jest zespawany z głowicą tylną, wyposażoną w wahliwe łożysko oczkowe, a w części
przedniej zamknięty tuleją prowadzącą i nakrętką. Tłoczysko jest uszczelnione pierścieniem
rowkowym z dodatkowym pierścieniem podporowym oraz chronione za pomocą pierścienia
zgarniającego. Tłok jest uszczelniony dwoma pierścieniami rowkowymi typu U. Do wszystkich
pozostałych uszczelnień spoczynkowych zastosowano pierścienie o przekroju okrągłym. Siłownik
ma dwustronnie hamowany dobieg tłoka za pomocą szczelin dławiących. Po stronie głowicy tylnej
tłoczysko jest zakończone czopem, który - wchodząc do otworu głowicy - tworzy szczelinę
dławiącą. Kulkowy zawór zwrotny zabudowany wewnątrz czopa jest wówczas zamknięty. Przy
ruchu wysuwowym tłoczyska zawór ten otwiera się, umożliwiając nieskrępowane napełnienie
komory roboczej. Taki sam system przyjęto również do hamowania dobiegu tłoka do dławnicy. W
ukośnie względem osi tłoczyska usytuowanym otworze kulka spełnia rolę zaworu zwrotnego.

Rys. 6 Siłownik dwustronnego działania produkowany w Zakładach Elementów Hydrauliki Siłowej

w Lubaniu Śląskim