Основные тенденции в механической инженерии: односторонние и двусторонние цилиндры

В машиностроении цилиндры служат основным компонентом поршневых двигателей, и их принципы работы напрямую влияют на выходную мощность и эффективность системы. В зависимости от того, как рабочая жидкость взаимодействует с поршнем, цилиндры обычно делятся на цилиндры одностороннего и двустороннего действия. Понимание этих двух типов цилиндров — их рабочих механизмов, применений и эволюции в различных типах двигателей — имеет решающее значение для специалистов по машиностроению.

Цилиндры одностороннего действия имеют относительно простую конструкцию, при которой рабочая жидкость оказывает усилие только на одну сторону поршня. Это означает, что поршень генерирует мощность только в одном направлении, в то время как его возвратное движение зависит от внешних сил, таких как сопротивление нагрузки, пружины, синхронизированное движение от других цилиндров или инерция маховика. Преимуществами этой конструкции являются структурная простота, более низкие производственные затраты и простота обслуживания.

Цилиндры одностороннего действия широко используются в различных поршневых двигателях. В двигателях внутреннего сгорания, таких как бензиновые и дизельные двигатели, цилиндры одностороннего действия используются практически повсеместно. Они также встречаются во внешних двигателях внутреннего сгорания, таких как двигатели Стирлинга и некоторые паровые машины. Помимо двигателей, эти цилиндры обычно используются в насосах и гидравлических приводах.

Работа цилиндров одностороннего действия проста. Когда рабочая жидкость (сжатый воздух или пар) входит в цилиндр, она толкает поршень в одном направлении для выработки энергии. Когда подача жидкости прекращается или исчерпывается, внешние силы возвращают поршень в исходное положение. Например, в базовом пневматическом цилиндре одностороннего действия сжатый воздух входит с одного конца, чтобы протолкнуть поршень вперед, в то время как внутренняя пружина возвращает его, когда давление воздуха сбрасывается. Такие цилиндры идеально подходят для применений, требующих быстрого, прерывистого движения, таких как пневматические штампы или зажимы.

• Двигатели внутреннего сгорания: Бензиновые и дизельные двигатели используют цилиндры одностороннего действия в качестве стандартной конфигурации, где давление сгорания толкает поршни вниз, в то время как вращение коленчатого вала и движение других цилиндров облегчают возврат.
• Двигатели Стирлинга: Некоторые версии этих двигателей внешнего сгорания используют конструкции одностороннего действия с пружинами или противовесами для возврата поршня.
• Насосы: Цилиндры одностороннего действия приводят в движение поршни насосов для перекачки жидкости, примером чего являются ручные водяные насосы.
• Гидравлические приводы: Они генерируют мощную однонаправленную тягу для таких применений, как домкраты.

В отличие от своих односторонних аналогов, цилиндры двустороннего действия позволяют рабочей жидкости попеременно создавать давление на обе стороны поршня, обеспечивая двунаправленную выработку энергии для превосходного управления и эффективности. Эта конструкция требует прохода штока на одном конце цилиндра с уплотнительными механизмами, такими как сальники, для предотвращения утечки жидкости.

Хотя цилиндры двустороннего действия преобладают в паровых машинах, они менее распространены в других типах двигателей, но широко используются в гидравлических и пневматических системах, требующих двунаправленной генерации силы, например, в экскаваторах и кранах.

Цилиндры двустороннего действия работают через два порта, расположенных на противоположных сторонах поршня. Жидкость, входящая в один порт, приводит в движение поршень, в то время как она выходит из противоположного порта, причем процесс меняется местами при изменении направления потока жидкости. В пневматических версиях сжатый воздух, входящий с любого конца, точно контролирует направление и скорость движения поршня.

• Паровые машины: Они обычно используют цилиндры двустороннего действия для повышения выходной мощности и эффективности, при этом попеременная подача пара приводит во вращение коленчатый вал.
• Гидравлические приводы: Необходимы для оборудования, требующего двунаправленной силы, такого как ковши экскаваторов и стрелы кранов.
• Пневматические приводы: Используются в автоматизированных системах для управления механическими руками и клапанами.

Ранние паровые машины, такие как атмосферные и балочные двигатели, преимущественно использовали цилиндры одностороннего действия, подходящие для однонаправленных силовых применений, таких как откачка шахт. Однако разработка вращающегося балочного двигателя Джеймса Уатта подчеркнула важность цилиндров двустороннего действия для более плавной подачи мощности в механических приводах. Двигатели высокого давления Ричарда Тревитика позже утвердили конструкции двустороннего действия в качестве стандарта паровых машин, хотя некоторые высокоскоростные варианты вновь ввели принципы одностороннего действия со встроенными крейцкопфами, исключающими штоки поршней — концепция, напоминающая конструкции двигателей внутреннего сгорания.

В отличие от паровых машин, почти все двигатели внутреннего сгорания используют цилиндры одностороннего действия со встроенными поршнями, содержащими пальцы поршневых пальцев шатунов. Это исключает крейцкопфы и штоки поршней, способствуя эффективной смазке картера — критически важной для охлаждения поршня и предотвращения локального перегрева.

Малые двухтактные бензиновые двигатели используют компрессию в картере, используя нижнюю часть поршня в качестве воздушного компрессора, сохраняя при этом классификацию одностороннего действия для выработки энергии. Ранние газовые двигатели, такие как конструкция Этьена Ленуара 1860 года, изначально имитировали конфигурации двустороннего действия паровых машин, но быстро перешли к конструкциям одностороннего действия из-за соображений нагрузки на подшипники и требований к камере сгорания.

Заметными исключениями были чрезвычайно большие газовые двигатели для воздуходувок доменных печей и дизельные двигатели двустороннего действия Burmeister & Wain 1930-х годов, некоторые агрегаты которых выдавали 24 000 лошадиных сил. Однако конструкции двигателей внутреннего сгорания двустороннего действия оставались редкими, с заметными неудачами, такими как двигатели H.O.R. в подводных лодках США 1930-х годов, что привело к замене их обычными агрегатами одностороннего действия.

Гидравлические цилиндры — механические приводы, приводимые в действие маслом под давлением — служат для различных применений, особенно в строительной технике, производственном оборудовании и проектах гражданского строительства, используя как односторонние, так и двусторонние принципы в зависимости от эксплуатационных требований.

Цилиндры одностороннего и двустороннего действия представляют собой два фундаментальных инженерных решения, каждое из которых предлагает различные преимущества для конкретных применений. В то время как конструкции одностороннего действия превосходны в экономичных однонаправленных применениях, двусторонние варианты обеспечивают превосходное управление и эффективность для двунаправленных операций. Непрерывные технологические достижения обеспечивают постоянные инновации в конструкции цилиндров, обеспечивая все более эффективные и надежные решения для выработки энергии в различных отраслях.