Полное руководство по гидравлическим цилиндрам: как они работают, типы и характеристики

Что такое гидравлический цилиндр? Короткий ответ

A гидравлический цилиндр представляет собой механический привод — по сути, металлическую трубку с поршнем внутри — который использует гидравлическую жидкость под давлением для создания линейной силы и движения, преобразуя энергию давления жидкости непосредственно в прямолинейную механическую силу. Поскольку гидравлическая жидкость практически несжимаема, цилиндр, достаточно маленький, чтобы его можно было держать двумя руками, может генерировать силу в десятки тысяч фунтов. Именно поэтому гидравлические приводы доминируют в тяжелом оборудовании, где важны как компактный размер, так и огромная сила.

Вы найдете гидравлические цилиндры везде, где машина должна толкать, тянуть или поднимать с высокой точностью: стрелы экскаваторов, кузова самосвалов, заводские прессы, мачты вилочных погрузчиков и шасси самолетов — все они основаны на одном и том же основном принципе. В таблице ниже дается краткий обзор, прежде чем мы посмотрим, как они работают, как подобрать размер и какой тип подходит для какой работы.

Как работает гидроцилиндр: закон Паскаля в действии

Каждый гидравлический цилиндр работает по закону Паскаля: давление, приложенное к замкнутой жидкости, передается одинаково во всех направлениях по всей этой жидкости. Гидравлический насос подает масло под давлением и направляет его через порт в одну сторону цилиндра. Масло под давлением давит на поршень, и поскольку жидкость не может сжиматься, почти вся энергия насоса преобразуется непосредственно в линейную силу на штоке.

Основные компоненты

• Ствол (цилиндрическая трубка) — отточенная бесшовная стальная трубка, в которой находится поршень и находится гидравлическое давление.
• Поршень — внутренний диск, разделяющий две напорные камеры; жидкость, нажимая на обе стороны, перемещает стержень
• Шток поршня - обычно из холоднокатаной стали с твердым хромированием, соединяющий поршень с грузом снаружи ствола.
• Торцевые крышки (конец крышки и конец стержня/сальник) — герметизируют концы цилиндра и направляют стержень.
• Уплотнения — уплотнения поршня, уплотнения штока и грязесъемники, предотвращающие внутренние и внешние утечки.
• Порты — резьбовые отверстия, к которым подключаются гидравлические шланги для подачи и выхода жидкости под давлением.

Многие цилиндры также оснащены амортизацией — коническим плунжером возле конца поршня, который ограничивает поток жидкости на последней доле хода в дюйме, замедляя поршень до того, как он достигнет торцевой крышки. Это снижает механические удары и шум, которые в противном случае возникали бы каждый раз, когда цилиндр достигает полного выдвижения или втягивания.

Расчет силы гидравлического цилиндра: формула и рабочий пример

Сила гидравлического цилиндра подчиняется одной формуле: Сила (фунт-сила) = Давление (PSI) × Площадь поршня (²²) , где площадь поршня рассчитывается как π × (диаметр отверстия ÷ 2)². Это соотношение является причиной того, почему гидравлические приводы могут быть намного меньше, чем пневматические или электрические для той же работы: гидравлические системы обычно работают при давлении от 2000 до 3000 фунтов на квадратный дюйм, а цеховой воздух работает при давлении примерно от 100 до 150 фунтов на квадратный дюйм, поэтому гидравлическому цилиндру требуется лишь часть площади поршня для создания той же силы.

Возьмите цилиндр с диаметром отверстия 4 дюйма и давлением 2000 фунтов на квадратный дюйм. Площадь поршня равна π × (4 ÷ 2)² = 12,57 квадратных дюймов. Умножьте это на 2000 фунтов на квадратный дюйм, и цилиндр создаст силу в 25 133 фунта при выдвижении — более 12,5 тонн от поршня размером меньше обеденной тарелки. В таблице ниже показано, как быстро воздействуют на весы с диаметром отверстия при одном и том же давлении.

Почему сила втягивания ниже

При обратном ходе жидкость прижимается к штоку поршня, а сам шток занимает часть этой поверхности, уменьшая доступную площадь. При использовании того же цилиндра диаметром 4 дюйма со штоком диаметром 1 дюйм площадь поперечного сечения штока составит 0,79 квадратных дюймов, а на стороне штока останется 11,78 квадратных дюймов. При тех же 2000 фунтов на квадратный дюйм сила втягивания падает примерно до 23 562 фунтов — примерно на 6% меньше, чем сила выдвижения. Вот почему в спецификациях цилиндров указано отдельное усилие удлинения и втягивания.

Цилиндры одностороннего и двустороннего действия

Гидравлические цилиндры делятся на две функциональные категории в зависимости от способа их движения.

Цилиндры одностороннего действия

Цилиндры одностороннего действия применяют гидравлическую силу только в одном направлении, через один порт. Что-то еще — сила тяжести, вес груза или внутренняя пружина — возвращает поршень в исходное положение после сброса давления. Их проще монтировать и, как правило, они дешевле, что делает их распространенными в кузовах самосвалов, простых домкратах и ​​других устройствах, где сама нагрузка обеспечивает возвратную силу.

Цилиндры двустороннего действия

Цилиндры двустороннего действия используют два порта и могут применять гидравлическую силу в обоих направлениях. — выдвижение и втягивание под действием силы, поэтому они составляют большинство цилиндров промышленного и мобильного оборудования. Они обеспечивают более быстрое время цикла, более точное позиционирование и настоящую тяговую силу, а не просто толкание, что делает их стандартным выбором для стрел экскаваторов, пресс-цилиндров и любого оборудования, требующего повторяемого, контролируемого движения в обоих направлениях.

• Порты: одностороннего действия используется 1 порт; двойного действия использует 2 порта
• Обратный ход: одностороннего действия опирается на силу тяжести или пружину; двойного действия с гидравлическим приводом
• Типичное применение: подходят для самосвалов и простых подъемников одностороннего действия; двойного действия для экскаваторов, прессов и кранов
• Стоимость и контроль: одностороннего действия проще и дешевле; для двойного действия требуется гидрораспределитель, но он обеспечивает гораздо более точное управление.

Тяга, сварные и телескопические цилиндры: выбор правильной конструкции

Помимо того, как движется цилиндр, его физическая конструкция определяет, какое давление он может выдержать, насколько легко его можно отремонтировать и где он поместится.

Цилиндры с рулевой тягой

В цилиндрах с рулевыми тягами используются от четырех до двадцати стальных стержней с резьбой, проходящих по всей длине цилиндра, для фиксации торцевых крышек на месте. Созданные в соответствии со стандартами Национальной ассоциации гидравлической энергетики (NFPA), они полностью взаимозаменяемы между производителями и могут быть разобраны с помощью обычных гаечных ключей для ремонта в полевых условиях. Их компромисс огромен: при давлении выше примерно 3000 фунтов на квадратный дюйм сами рулевые тяги могут слегка растягиваться, что приводит к «дыханию» уплотнений и возможным утечкам, что ограничивает их использование в приложениях с самым высоким давлением.

Сварные (фрезерные) цилиндры

Сварные цилиндры навсегда приваривают торцевые крышки к стволу, полностью исключая рулевые тяги. Компактная и прочная конструкция обычно выдерживает давление 5000 фунтов на квадратный дюйм и более. , что делает его основным выбором для стрел экскаваторов, крановых стрел и другого мобильного оборудования в условиях ограниченного пространства и высокого давления. Компромисс заключается в другом: без отвинчивающихся рулевых тяг сварному цилиндру обычно требуются специальные инструменты или даже токарный станок для полного восстановления.

Телескопические цилиндры

Телескопические цилиндры вставляют друг в друга от двух до шести ступеней постепенного уменьшения размера, поэтому цилиндр, который втягивается на несколько футов, может выдвигаться в несколько раз большей длины. Это делает их стандартным выбором для кузовов самосвалов, прицепов-самосвалов и других устройств, требующих длинного хода с минимальной длиной во втянутом состоянии. Большинство телескопических цилиндров одностороннего действия; Существуют версии двойного действия, но они требуют индивидуальной разработки и стоят значительно дороже.

Распространенное применение гидравлических цилиндров в различных отраслях промышленности

Гидравлические цилиндры используются везде, где машина нуждается в контролируемой линейной силе: от небольших сервисных домкратов до самого крупного оборудования, когда-либо созданного. На больших карьерных экскаваторах обычно используются цилиндры стрелы с диаметром отверстия 10 дюймов и более, и при типичном давлении в системе они могут генерировать силу более 100 тонн для перемещения одного ковша с материалом.

• Строительные и землеройные работы — цилиндры стрелы, рукояти и ковша на экскаваторах; цилиндры отвала и рыхлителя на бульдозерах; цилиндры выносных опор и стрелы на мобильных кранах
• Сельское хозяйство — цилиндры стрелы и наклона погрузчика на тракторах, цилиндры подъема жатки на комбайнах, рулевые цилиндры на сочлененной технике.
• Погрузочно-разгрузочные работы — цилиндры мачты и наклона на вилочных погрузчиках, подъемные цилиндры на ножничных подъемниках, приводы в отклоняющих устройствах конвейеров.
• Производство — гидравлические прессы, литьевые струбцины, штамповочное и формовочное оборудование.
• Морской и морской флот — рулевые механизмы, стабилизаторы и цилиндры люков на судах; палубное оборудование на нефтяных вышках
• Отходы и транспорт — телескопические цилиндры на самосвалах, прицепах и мусороупаковщиках.

Выбор подходящего гидроцилиндра: основные характеристики, которые следует проверить

Подбор цилиндра для конкретной задачи сводится к определению краткого списка технических характеристик, прежде чем вы его закажете или спроектируете.

Технические характеристики, которые необходимо определить перед заказом

1. Требуемая сила — рассчитайте по формуле Сила = Давление × Площадь как для выдвижения, так и для втягивания, а также добавьте запас прочности как минимум на 20 % выше максимальной ожидаемой нагрузки.
2. Диаметр отверстия и штока — большее отверстие увеличивает силу при том же давлении; Диаметр стержня влияет на устойчивость к продольному изгибу при длинных ходах
3. Длина хода — общий необходимый путь перемещения плюс зазор для полного втягивания.
4. Стиль крепления — распространенные варианты включают кронштейны, цапфы, фланцы и опоры, выбираемые в зависимости от того, как груз поворачивается или выравнивается.
5. Рабочее давление и совместимость системы — убедитесь, что номинальное давление баллона соответствует номинальному давлению насоса и клапана в системе или превышает его.
6. Материал уплотнений — уплотнения из нитрила (Buna-N) подходят для стандартных систем минерального масла, а уплотнения из полиуретана и витона выдерживают более высокие температуры и более агрессивные жидкости.

Правильные значения силы и давления имеют большее значение, чем любое другое решение. Цилиндр меньшего размера, работающий при номинальном пределе давления, не имеет запаса мощности на случай скачков нагрузки, трения или частичного засорения фильтра. , все из которых распространены в реальной работе.

Техническое обслуживание, продлевающее срок службы цилиндра

Большинство отказов гидроцилиндров связано с загрязненной жидкостью или повреждением поверхности штока, а не с самим цилиндром. Поддержание чистоты гидравлической жидкости, поскольку мелкие частицы забивают шток и уплотнения изнутри наружу, защита открытых штоков от грязи и ударов, а также замена уплотнений при первых признаках внешней утечки - все это значительно продлевает срок службы. Ухоженный промышленный цилиндр может проработать десять и более лет, а запущенный, в котором течет грязная жидкость или поцарапанный шток, может выйти из строя в течение года.