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. Это 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, тогда как 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 любых приложений, требующих 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 отвинчивания 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 лет и более, а запущенный, в котором течет грязная жидкость или поцарапанный шток, может выйти из строя в течение года.