Siłowniki
1. Zasada działania i systematyka konstrukcji
Siłownik, nazywany w literaturze tak\
e cylindrem hydraulicznym , jest silnikiem wyporowym.
Jego cechą szczególną jest to, \
e 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 mo\
e się odbywać
za pomocą tłoczyska, nurnika lub innego elementu maszynowego.
Podział siłowników z uwagi na ich konstrukcję przedstawiono na rysunku 1.
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 bie\
nymi,
k- dwukomorowy, l- trójpoło\
eniowy, m- zębatkowy, n- śrubowy, o- z tłokiem wahliwym
2. Straty i sprawności
W siłowniku występują następujące straty (podobnie jak w pompach):
- objętościowe (związane z przeciekami czynnika roboczego),
Konspekt: Siłowniki
1
- hydrauliczne (straty ciśnienia przy przepływie oleju w kanałach siłownika)
- oraz mechaniczne (związane z tarciem mechanicznym tłoka i tłoczyska w dławnicy).
Sprawność całkowita (ogólna) siłownika wyra\
a stosunek mocy oddawanej na tłoczysku N2 do mocy
doprowadzonej z czynnikiem roboczym N1 do siłownika
N2
�C =
N1
�p �" Qrz
gdzie: N1 = [kW]; "p-strata ciśnienia na siłowniku, Qrz- rzeczywiste natę\
enie przepływu,
60
N2 = 10-3 �" Prz �" v [kW], Prz- rzeczywista siła na tłoczysku , �-prędkość tłoczyska [m/s].
Sprawność objętościową siłownika wyra\
a stosunek chłonności teoretycznej Q do chłonności
rzeczywistej Qrz
Q
� = .
Qrz
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 Prz
uzyskiwanej na tłoczysku do siły teoretycznej P (bez strat):
Prz
�hm = .
P
Sprawność całkowitą siłownika mo\
na te\
wyrazić iloczynem sprawności objętościowej i hydrauliczno
- mechanicznej
�C = �V �"�h �"�m =�V �"�hm .
W przypadku gdy sprawność objętościowa siłownika �V=1(przecieki oleju praktycznie nie występują )
to sprawność całkowita jest równa sprawności hydrauliczno - mechanicznej
�C =�hm .
W nowoczesnych konstrukcjach siłowników sprawności objętościowe i hydrauliczne są bardzo
wysokie (bliskie jedności) a du\
y udział w stratach mają straty mechaniczne. Sprawność mechaniczna
siłowników zawiera się w przedziale 0.85-0.98 i jest zale\
na od rodzaju uszczelnień zastosowanych w
siłowniku oraz ciśnienia pracy siłownika. Jest ona równie\
większa dla ruchu pchania ni\
dla ruchu
wsuwania w siłownikach dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem.
Du\
e siłowniki mają większe sprawności całkowite ni\
siłowniki mniejsze. Jest to równie\

charakterystyczne dla wszystkich innych urządzeń.
3. Zasady doboru siłowników
Algorytm doboru siłownika zale\
y od danych wyjściowych. Najczęściej dane są:
- zadanie jakie ma spełniać siłownik w maszynie, urządzeniu,
- wymagana maksymalna siła u\
yteczna, 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 nale\
y tak dobrać, aby pokonać obcią\
enie zewnętrzne Prz pochodzące od maszyny roboczej
(i ewentualnie zapewnić odpowiednie przyspieszenie ruchu, jeśli siła działa na tłok od początku ruchu).
Konspekt: Siłowniki
2
Zakładając maksymalne ciśnienie p w układzie (jakie mo\
e zapewnić generator) i znając sprawność
całkowitą siłownika �c mo\
na obliczyć wymaganą powierzchnię czynną tłoka S z zale\
ności:
Prz
S = .
p �"�C
Powierzchnia czynna dla siłownika z dwustronnym tłoczyskiem wynosi:
Ą
2
S = �" (D2 - d ) ,
4
gdzie: D-średnica tłoka, d-średnica tłoczyska.
W przypadku siłownika dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem powierzchnia czynna
przy wysuwaniu tłoka jest określona następująco:
Ą
S = �" D2 ,
4
a przy wsuwaniu tłoczyska jak dla siłownika z dwustronnym tłoczyskiem.
Z powierzchni czynnej oblicza się średnicę tłoka i przyjmuje najbli\
szą jego wartość (większą)
znormalizowaną oraz znormalizowaną średnicę tłoczyska.
Średnicę tłoczyska nale\
y sprawdzić na wyboczenie wg wzoru Eulera lub Tetmajera w
zale\
ności 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 Prz ma być realizowana. Skoki
siłowników są znormalizowane.
Znając średnicę tłoka (z obliczonej powierzchni S tłoka) oraz skok i sposób zabudowy
siłownika w maszynie roboczej mo\
na dobrać z katalogu odpowiedni typ siłownika.
Jeśli podane są czasy ruchów siłownika, to z poni\
szych zale\
ności mo\
na wyznaczyć
wymagane natę\
enie przepływu i dobrać pompę o odpowiedniej wydajności. Dla siłownika z
dwustronnym tłoczyskiem czasy ruchów w obu kierunkach są takie same i wynoszą:
H
t = ,
v
Q
gdzie: H - skok siłownika, v = -prędkość tłoczyska, Q - natę\
enie przepływu, S-powierzchnia
S
czynna tłoka.
Dla siłownika dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem prędkość wysuwania tłoczyska
jest mniejsza ni\
dla ruchu wsuwania (wynika to z ró\
nych powierzchni czynnych tłoka dla obu
kierunków ruchu). Nale\
y te\
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 groz
niejsze, im większe masy są
związane z tłoczyskiem oraz im większe są prędkości tłoka. W celu wyeliminowania ewentualności
występowania tych uderzeń nale\
y dokonać zmniejszenia prędkości tłoka do zera w końcowej fazie
jego skoku zanim osiągnie swe skrajne poło\
enie.
Wyhamowanie tłoka jest konieczne przy jego prędkościach v e" 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
3
Rys. 2 Sposoby hamowania dobiegu tłoka: a,b  przez dławienie w szczelinie pierścieniowej, c  zaworu
dławiącego w denku, d  zaworu dławiącego poza siłownikiem
4. Uszczelnienia
Siłownik mo\
e 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 mo\
na natomiast mówić przy tłoku oddzielającym obie
komory robocze siłownika.
Ze względu na rodzaj pracy uszczelnienia dzieli się na uszczelnienia spoczynkowe, zwane tak\
e w
literaturze statycznymi, i na uszczelnienia ruchowe. Uszczelnienia spoczynkowe występują w
siłownikach przy uszczelnianiu denek, nieruchomo w cylindrze osadzonych tulei prowadzących
tłoczysko, a tak\
e 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 wy\
sze jest ciśnienie czynnika. Pierścienie
samouszczelniające wykonuje się z gumy olejoodpornej, często wzmacnianej tkaniną, oraz z
tworzyw sztucznych ró\
nego rodzaju, aby mogły spełnić ró\
norodne 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 zale\
nie od miejsca zabudowy mo\
e 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, poniewa\
pozwala
osiągnąć większe dokładności wymiarów rowka oraz dlatego, \
e 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, mo\
e jednak wystąpić zbyt
du\
y luz między uszczelnianymi powierzchniami. Luz ten mo\
e ulegać jeszcze dalszemu
Konspekt: Siłowniki
4
zwiększeniu na skutek sprę\
ystych odkształceń cylindra. Pierścień znajdujący się pod działaniem
ciśnienia będzie wówczas wpychany w szczelinę i mo\
e ulec szybkiemu uszkodzeniu.
Rys.3 Uszczelnienia spoczynkowe w siłownikach: a-d  pierścieniami o przekroju okrągłym, e,f 
pierścieniami rowkowymi
Niebezpieczeństwo to usuwa pierścień rozprę\
ny z tworzyw sztucznych - najczęściej teflonowy -
współpracujący ze zwykłym pierścieniem typu O, odcinając mu dostęp do szczeliny (rys.3d). Węzeł
uszczelniający wg rys.3e znajduje równie\
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, słu\
ącym do rozpierania warg pierścienia właściwego i
zwiększenia w ten sposób ich docisku do powierzchni uszczelnianych. Pierścień podporowy mo\
e być
luz
ny lub wulkanizowany z pierścieniem rowkowym. Oba pierścienie tworzą uszczelnienie mało
wra\
liwe na zmiany luzów między łączonymi elementami i dlatego nadają się do siłowników o du\
ych
średnicach oraz nara\
onych na częste uderzeniowe wzrosty ciśnień z jakimi nale\
y się liczyć np. w
cię\
kich 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.
Poniewa\
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, \
e równie\
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 wy\
szych 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 tak\
e 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 cię\
kich warunkach eksploatacji cylindrów, wyra\
ających się
wy\
szymi od normalnych temperaturami, powtarzającymi się okresowo uderzeniowymi wzrostami
ciśnień, przy du\
ych częstotliwościach włączenia oraz przy większych prędkościach tłoka, pierścienie
rowkowe mogą okazać się mało trwałe. W tych wypadkach znacznie lepiej sprawdzają się
Konspekt: Siłowniki
5
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
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
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 obcią\
eniu 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
Konspekt: Siłowniki
6
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 umo\
liwiające dobre smarowanie
współpracujących powierzchni oraz nacisk wstępny gwarantujący szczelność w stanie nieobcią\
onym
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 monta\
u 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 równie\
pierścienie prowadzące 3, eliminujące
do zera luz między nimi a ścianką cylindra, wynikający równie\
z odkształceń sprę\
ystych cylindra
pod obcią\
eniem. Pierścień ślizgowy nie ma więc mo\
liwości wypływania do szczeliny. Uszczelnienia
te odznaczają się małymi współczynnikami tarcia i du\
ą trwałością, eliminują całkowicie
niebezpieczeństwo występowania drgań relaksacyjnych (stick-slip), wymagają jednak chropowatości
Ra nie większych ni\
1,5 �m. Małogabarytowe uszczelnienie wg rys.5e, równie\
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 obcią\
enie nominalne 16 MPa.
Rys. 6 Siłownik dwustronnego działania produkowany w Zakładach Elementów Hydrauliki Siłowej
w Lubaniu Śląskim
Cylinder jest zespawany z głowicą tylną, wyposa\
oną w wahliwe ło\
ysko 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, umo\
liwiając nieskrępowane napełnienie
komory roboczej. Taki sam system przyjęto równie\
do hamowania dobiegu tłoka do dławnicy. W
ukośnie względem osi tłoczyska usytuowanym otworze kulka spełnia rolę zaworu zwrotnego.
Konspekt: Siłowniki
7