Cylinder hydrauliczny - Hydraulic cylinder

Cylinder hydrauliczny (zwany również liniowy silnik hydrauliczny ) jest mechaniczny siłownik , który jest używany do uzyskania jednokierunkowego siłę poprzez jednokierunkowy mózgu. Ma wiele zastosowań, zwłaszcza w sprzęcie budowlanym ( pojazdy inżynieryjne ), maszynach produkcyjnych i inżynierii lądowej.

Operacja

Siłowniki hydrauliczne czerpią moc z płynu hydraulicznego pod ciśnieniem , którym zazwyczaj jest olej . Siłownik hydrauliczny składa się z lufy siłownika , w której tłok połączony z tłoczyskiem porusza się tam iz powrotem. Beczka jest zamknięta z jednej strony dnem cylindra (zwanym również kołpakiem), a z drugiej głowicy cylindra (zwanej również dławnicą), gdzie tłoczysko wychodzi z cylindra. Tłok posiada pierścienie ślizgowe i uszczelki. Tłok dzieli wnętrze cylindra na dwie komory, komorę dolną (końcówka kołpaka) i komorę boczną tłoczyska (końcówka tłoczyska/głowica).

Kołnierze , czopy , widełki i ucha są powszechnymi opcjami montażu siłowników. Tłoczysko ma również mocowania mocujące do połączenia cylindra z przedmiotem lub elementem maszyny, który pcha lub ciągnie.

Siłownik hydrauliczny jest stroną siłownika lub „silnika” tego systemu. Strona "generatora" układu hydraulicznego to pompa hydrauliczna, która dostarcza stały lub regulowany przepływ oleju do cylindra hydraulicznego, aby poruszać tłokiem. Szeroko stosowane są trzy rodzaje pomp: hydrauliczna pompa ręczna, hydrauliczna pompa powietrza i hydrauliczna pompa elektryczna. Tłok wypycha olej z drugiej komory z powrotem do zbiornika. Jeżeli przyjmiemy, że olej wpływa od końca nasadki podczas suwu wysuwania, a ciśnienie oleju na końcu tłoczyska/głowicy wynosi w przybliżeniu zero, siła F działająca na tłoczysko jest równa ciśnieniu P w cylindrze pomnożonemu przez powierzchnię tłoka A :

${\ Displaystyle F = P \ cdot A}$

Różnica siły wciągania

W przypadku cylindrów jednostronnego działania dwustronnego działania, gdy ciśnienia wejściowe i wyjściowe są odwrócone, występuje różnica sił między dwiema stronami tłoka, ponieważ jedna strona tłoka jest przykryta przez przymocowany do niego pręt. Pręt cylindra zmniejsza powierzchnię tłoka i zmniejsza siłę, która może być przyłożona do suwu cofania.

Podczas suwu wycofywania, jeśli olej jest pompowany do głowicy (lub dławnicy) na końcu tłoczyska, a olej z końcówki nasadki spływa z powrotem do zbiornika bez ciśnienia, ciśnienie płynu na końcu tłoczyska wynosi (siła ciągnąca) / ( powierzchnia tłoka - powierzchnia tłoczyska):

${\ Displaystyle P = {\ Frac {F_ {p}} {A_ {p}-A_ {R}}}}$

gdzie P to ciśnienie płynu, F _p to siła ciągnąca, A _p to powierzchnia czołowa tłoka, a _Ar to pole przekroju poprzecznego tłoczyska.

W przypadku cylindrów dwustronnego działania z podwójnym prętem, gdy powierzchnia tłoka jest równomiernie pokryta prętem o jednakowej wielkości po obu stronach głowicy, nie ma różnicy sił. Takie cylindry zazwyczaj mają korpus cylindra przymocowany do nieruchomego mocowania.

Aplikacje

Siłowniki hydrauliczne są używane w sprzęcie do robót ziemnych do podnoszenia lub opuszczania wysięgnika, ramienia lub łyżki. Cylindry te są również używane w urządzeniu do gięcia hydraulicznego , blachy ścinania maszyny, płyty wiórowe lub sklejka wytwarzania gorącej prasie .

Części

Siłownik hydrauliczny składa się z następujących części:

Beczka cylindryczna

Główną funkcją korpusu butli jest utrzymanie ciśnienia butli. Lufa cylindra jest w większości wykonana z honowanych rur. Rury honowane są produkowane z rur bez szwu ciągnionych na zimno (CDS) lub rur ciągnionych na trzpieniu (DOM). Szlifowane rury są gotowe do użycia w cylindrach hydraulicznych bez dalszej obróbki ID. Wykończenie powierzchni cylindra cylindra wynosi zwykle od 4 do 16 mikrocali. Gładzenia procesu i skórowania i Roller nagniatania (SRB) procesu są dwa główne typy procesów wytwarzania rury cylindra. Tłok porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym w cylindrze. Beczka cylindra charakteryzuje się gładką powierzchnią wewnętrzną, wysoką tolerancją precyzyjną, trwałością w użytkowaniu itp.

Podstawa cylindra lub nasadka

Główną funkcją nasadki jest zamknięcie komory ciśnieniowej na jednym końcu. Kołpak jest połączony z korpusem za pomocą spawania, gwintowania, śrub lub prętów ściągających. Zaślepki pełnią również funkcję elementów montażowych cylindra [kołnierz kołpaka, czop kołpaka, strzemiączko kołpaka]. Wywrotka jest określana na podstawie naprężenia zginającego. Uszczelnienie spoczynkowe / O-ring jest stosowany między nasadką i korpusu (z wyjątkiem konstrukcja spawana).

Głowica cylindra

Główną funkcją głowicy jest zamknięcie komory ciśnieniowej z drugiego końca. Głowica zawiera zintegrowany układ uszczelnienia pręta lub możliwość przyjęcia dławnicy uszczelniającej. Głowica jest połączona z korpusem za pomocą gwintów, śrub lub cięgien. Pierścień uszczelniający O-statyczny / stosuje się pomiędzy głowicą i beczki.

Tłok

Główną funkcją tłoka jest oddzielenie stref ciśnienia wewnątrz lufy. Tłok jest obrabiany maszynowo z rowkami pasującymi do elastomerowych lub metalowych uszczelek i elementów łożyskowych. Uszczelki te mogą być jednostronnego lub dwustronnego działania. Różnica ciśnień pomiędzy obiema stronami tłoka powoduje wysuwanie i chowanie się cylindra. Tłok jest połączony z tłoczyskiem za pomocą gwintów, śrub lub nakrętek w celu przeniesienia ruchu liniowego.

Tłoczysko

Tłoczysko jest zwykle twardym, chromowanym kawałkiem stali walcowanej na zimno, który mocuje się do tłoka i rozciąga się od cylindra przez głowicę drążka. W cylindrach z podwójnym prętem siłownik ma pręt wystający z obu stron tłoka i wychodzący z obu końców lufy. Tłoczysko łączy siłownik hydrauliczny z elementem maszyny wykonującym pracę. To połączenie może mieć postać gwintu maszynowego lub mocowania montażowego. Tłoczysko jest mocno szlifowane i polerowane, aby zapewnić niezawodne uszczelnienie i zapobiec wyciekom.

Uszczelka dławika

Głowica cylindra jest wyposażona w uszczelki zapobiegające wyciekaniu oleju pod ciśnieniem poza granicę między tłoczyskiem a głowicą. Ten obszar nazywa się gruczołem fok. Zaletą dławnicy uszczelniającej jest łatwy demontaż i wymiana uszczelnienia. Dławik uszczelniający zawiera uszczelnienie pierwotne, uszczelnienie wtórne/uszczelnienie buforowe, elementy łożyskowe, zgarniacz/zgarniacz i uszczelnienie statyczne. W niektórych przypadkach, zwłaszcza w małych cylindrach hydraulicznych, dławnica pręta i elementy łożyskowe są wykonane z jednej integralnej części obrabianej.

Uszczelki

Uszczelnienia są brane pod uwagę / projektowane zgodnie z ciśnieniem roboczym cylindra, prędkością cylindra, temperaturą roboczą, medium roboczym i zastosowaniem. Uszczelnienia tłokowe są uszczelnieniami dynamicznymi i mogą być jednostronnego lub dwustronnego działania. Ogólnie rzecz biorąc, uszczelki elastomerowe wykonane z kauczuku nitrylowego , poliuretanu lub innych materiałów są najlepsze w środowiskach o niższych temperaturach, podczas gdy uszczelki wykonane z fluorocarbonu Viton są lepsze w wyższych temperaturach. Dostępne są również uszczelnienia metalowe i powszechnie stosowane żeliwo jako materiał uszczelnienia. Uszczelnienia prętowe są uszczelnieniami dynamicznymi i generalnie działają jednokierunkowo. Mieszanki uszczelnień prętów to kauczuk nitrylowy , poliuretan lub fluorocarbon Viton . Wycieraczki/skrobaki służą do usuwania zanieczyszczeń, takich jak wilgoć, brud i kurz, które mogą powodować rozległe uszkodzenia ścian cylindrów, prętów, uszczelek i innych elementów. Powszechną mieszanką do wycieraczek jest poliuretan. Skrobaki metalowe są używane do zastosowań w temperaturach poniżej zera i zastosowań, w których ciała obce mogą osadzać się na pręcie. Elementy łożyska/taśmy ścieralne służą do wyeliminowania kontaktu metalu z metalem. Taśmy ścieralne są zaprojektowane zgodnie z wymaganiami dotyczącymi obciążenia bocznego. Głównymi związkami używanymi do produkcji opasek są wypełniony PTFE , żywica poliestrowa wzmocniona tkaniną i brąz

Inne części

Istnieje wiele części składowych, które tworzą wewnętrzną część cylindra hydraulicznego. Wszystkie te elementy łączą się, tworząc w pełni działający element.

• Przyłącze podstawy butli
• Poduszki
• Głowice sferoidalne z gwintem wewnętrznym
• Gruczoły głowy
• Tłoki Polypak
• Nakładki na głowicę cylindra
• Butt Plates
• Wsporniki oczne/Wsporniki strzemiączkowe
• Odłączane uchwyty MP
• Rod Eyes / Rod Clevis
• Piny obrotowe
• Kuliste tuleje kulkowe
• Kuliste oko pręta
• Łącznik wyrównujący
• Porty i armatura

Jednostronnego działania kontra dwustronnego działania

• Siłowniki jednostronnego działania są ekonomiczne i mają najprostszą konstrukcję. Płyn hydrauliczny wpływa przez otwór na jednym końcu cylindra, który wydłuża pręt dzięki różnicy powierzchni. Siła zewnętrzna, wewnętrzna sprężyna powrotna lub grawitacja przywracają tłoczysko.
• Cylindry dwustronnego działania mają port na każdym końcu lub boku tłoka, zasilany płynem hydraulicznym zarówno do wciągania, jak i wysuwania.

Projekty

W przemyśle stosowane są przede wszystkim dwa główne style konstrukcji cylindrów hydraulicznych: cylindry typu drążek kierowniczy i cylindry spawane typu nadwozia.

Siłownik drążka kierowniczego

Cylindry hydrauliczne w stylu pręta ściągającego wykorzystują gwintowane stalowe pręty o wysokiej wytrzymałości, które utrzymują dwie zaślepki na bębnie cylindra. Najczęściej spotyka się je w zastosowaniach przemysłowych w fabrykach. Cylindry o małym otworze zwykle mają 4 drążki ściągające, a cylindry o dużym otworze mogą wymagać nawet 16 lub 20 drążków ściągających, aby utrzymać kołpaki końcowe pod działaniem ogromnych sił. Cylindry typu drążek kierowniczy można całkowicie zdemontować w celu serwisowania i naprawy i nie zawsze można je dostosować.

Narodowe Stowarzyszenie Fluid Moc (NFPA) ma znormalizowane wymiary cylindrów cięgno hydraulicznych. Umożliwia to wymianę siłowników różnych producentów w ramach tych samych mocowań.

Spawany cylinder korpusu

Spawane cylindry korpusu nie mają cięgien. Lufa jest przyspawana bezpośrednio do zaślepek. Porty są przyspawane do lufy. Dławnica przedniego pręta jest zwykle wkręcana lub przykręcana do lufy cylindra. Pozwala to na demontaż zespołu tłoczyska i uszczelek tłoczyska do serwisu.

Butle ze spawanym korpusem mają wiele zalet w porównaniu z butlami z cięgnami. Spawane cylindry mają węższy korpus i często krótszą całkowitą długość, dzięki czemu lepiej pasują do ciasnych przestrzeni maszyn. Spawane cylindry nie ulegają awarii z powodu rozciągania cięgien przy wysokich ciśnieniach i długich skokach. Spawana konstrukcja również nadaje się do personalizacji. Do korpusu butli można łatwo dodać specjalne funkcje, w tym specjalne porty, niestandardowe mocowania, kolektory zaworowe i tak dalej.

Gładki korpus spawanych butli umożliwia również projektowanie wielostopniowych butli teleskopowych.

Siłowniki hydrauliczne ze spawanymi nadwoziami dominują na rynku mobilnych urządzeń hydraulicznych, takich jak sprzęt budowlany ( koparki , spychacze i równiarki drogowe) oraz sprzęt do transportu materiałów (wózki widłowe, ładowarki teleskopowe i bramy podnoszone). Są również wykorzystywane przez przemysł ciężki w dźwigach, platformach wiertniczych i dużych pojazdach terenowych do naziemnych operacji górniczych.

Budowa tłoczyska

Tłoczysko cylindra hydraulicznego działa zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz beczki, a w konsekwencji zarówno w płynie hydraulicznym, jak i otaczającej atmosferze, jak i poza nim.

Powłoki

Pożądane są powierzchnie odporne na zużycie i korozję na zewnętrznej średnicy tłoczyska. Powierzchnie są często nakładane przy użyciu technik powlekania, takich jak chromowanie (niklowanie), Lunac 2+ duplex, Laser Cladding, spawanie PTA i natryskiwanie termiczne. Powłoki te mogą być wykończone do pożądanej chropowatości powierzchni (Ra, Rz), gdzie uszczelnienia zapewniają optymalną wydajność. Wszystkie te metody powlekania mają swoje specyficzne zalety i wady. Z tego powodu eksperci od powłok odgrywają kluczową rolę w wyborze optymalnej procedury obróbki powierzchni w celu ochrony cylindrów hydraulicznych.

Butle są używane w różnych warunkach operacyjnych, co sprawia, że ​​znalezienie odpowiedniego rozwiązania w zakresie powłok jest wyzwaniem. Podczas pogłębiania mogą wystąpić uderzenia kamieni lub innych części, w środowisku słonej wody, występują ekstremalne ataki korozji, w cylindrach przybrzeżnych narażonych na zginanie i uderzenie w połączeniu ze słoną wodą, a w przemyśle stalowym występują wysokie temperatury itp. Nie ma jednego rozwiązania w zakresie powłok, które skutecznie zwalcza wszystkie specyficzne warunki eksploatacyjne. Każda technika ma swoje zalety i wady.

Długość

Pręty tłokowe są zazwyczaj dostępne w długościach przyciętych w zależności od zastosowania. Ponieważ zwykłe pręty mają rdzeń ze stali miękkiej lub miękkiej, ich końce mogą być spawane lub obrabiane na gwint śrubowy .

Rozkład sił na podzespoły

Siły działające na powierzchnię czołową tłoka i uchwyt głowicy tłoka różnią się w zależności od zastosowanego systemu mocowania głowicy tłoka.

W przypadku zastosowania pierścienia zabezpieczającego (lub dowolnego układu bez obciążenia wstępnego), siła działająca na oddzielenie denka tłoka od kołnierza wału cylindra jest równa przyłożonemu ciśnieniu pomnożonemu przez powierzchnię denka tłoka. Głowica tłoka i kołnierz wału rozdzielą się, a obciążenie zostanie w pełni przejęte przez element ustalający głowicy tłoka.

Jeśli używany jest system z obciążeniem wstępnym, siła między wałem cylindra a głowicą tłoka jest początkowo wartością napięcia wstępnego ustalacza głowicy tłoka. Po przyłożeniu nacisku siła ta zmniejszy się. Głowica tłoka i ramię wału cylindra pozostaną w kontakcie, chyba że przyłożone ciśnienie pomnożone przez powierzchnię głowicy tłoka przekroczy napięcie wstępne.

Maksymalna siła, jaką dostrzeże element ustalający głowicy tłoka, jest większa z wartości obciążenia wstępnego i przyłożonego ciśnienia pomnożonego przez pełną powierzchnię głowicy tłoka. Obciążenie ustalacza głowicy tłoka jest większe niż obciążenie zewnętrzne, co jest spowodowane zmniejszoną wielkością wału przechodzącego przez głowicę tłoka. Zwiększenie tej części wałka zmniejsza obciążenie ustalacza.

Ładowanie boczne

Obciążenie boczne to nierówne ciśnienie, które nie jest wyśrodkowane na pręcie cylindra. To odkształcenie poza środkiem może w skrajnych przypadkach prowadzić do wygięcia pręta, ale częściej powoduje nieszczelność z powodu wypaczenia okrągłych uszczelek do owalnego kształtu. Może również uszkodzić i powiększyć otwór wokół pręta i wewnętrzną ściankę cylindra wokół głowicy tłoka, jeśli pręt zostanie dociśnięty na boki wystarczająco mocno, aby całkowicie ścisnąć i odkształcić uszczelki, aby uzyskać kontakt z metalem o metal.

Obciążenie boczne można bezpośrednio zredukować za pomocą wewnętrznych rurek oporowych, które zmniejszają maksymalną długość wysuwu, pozostawiając pewną odległość między tłokiem a uszczelnieniem otworu i zwiększając dźwignię, aby zapobiec wypaczaniu się uszczelek. Podwójne tłoki rozkładają również siły bocznego obciążenia, jednocześnie zmniejszając długość skoku. Alternatywnie, zewnętrzne prowadnice ślizgowe i zawiasy mogą podtrzymywać obciążenie i zmniejszać boczne siły obciążające wywierane bezpośrednio na cylinder.

Metody montażu butli

Metody montażu również odgrywają ważną rolę w wydajności siłownika. Ogólnie rzecz biorąc, stałe mocowania na osi cylindra są najlepsze do przenoszenia siły w linii prostej i unikania zużycia. Typowe rodzaje montażu to:

Mocowania kołnierzowe — bardzo mocne i sztywne, ale mają niewielką tolerancję na niewspółosiowość. Eksperci zalecają mocowania na końcach kołpaków do obciążeń wzdłużnych i mocowania na końcach tłoczyska, gdzie duże obciążenie powoduje naprężenie tłoczyska. Trzy typy to łeb prostokątny kołnierz, łeb kwadratowy kołnierz lub prostokątny łeb. Mocowania kołnierzowe działają optymalnie, gdy powierzchnia montażowa jest przymocowana do elementu nośnego maszyny.

Siłowniki montowane z boku — łatwe do zainstalowania i serwisowania, ale mocowania wytwarzają moment obrotowy, gdy siłownik przykłada siłę do obciążenia, zwiększając zużycie. Aby tego uniknąć, należy określić skok co najmniej tak długi, jak średnica otworu dla cylindrów z mocowaniem bocznym (duże obciążenie powoduje zwykle krótki skok, a cylindry z dużym otworem są niestabilne). Mocowania boczne muszą być dobrze wyrównane, a ładunek podparty i prowadzony.

Mocowania z występami w linii środkowej — pochłaniają siły na linii środkowej i wymagają kołków ustalających, aby zabezpieczyć występy, aby zapobiec ruchowi przy wyższych ciśnieniach lub w warunkach wstrząsów. Kołki ustalające utrzymują go na maszynie podczas pracy pod wysokim ciśnieniem lub pod obciążeniem udarowym.

Mocowania obrotowe — zaabsorbuj siłę na osi cylindra i pozwól, aby cylinder zmienił wyrównanie w jednej płaszczyźnie. Typowe typy obejmują widełki, mocowania czopowe i łożyska sferyczne. Ponieważ te mocowania umożliwiają obracanie się cylindra, powinny być używane z załącznikami do końca pręta, które również się obracają. Mocowania widełkowe mogą być używane w dowolnej orientacji i są ogólnie zalecane do krótkich skoków oraz cylindrów o małej i średniej średnicy.

Specjalne siłowniki hydrauliczne

Cylinder teleskopowy

Długość cylindra hydraulicznego to suma skoku, grubość tłoka, grubość dna i głowicy oraz długość połączeń. Często ta długość nie mieści się w maszynie. W tym przypadku tłoczysko jest również wykorzystywane jako lufa tłoka, a drugi tłoczysko jest używany. Tego rodzaju cylindry nazywane są cylindrami teleskopowymi . Jeśli nazwiemy normalny cylinder prętowy jednostopniowy, cylindry teleskopowe to wielostopniowe jednostki składające się z dwóch, trzech, czterech, pięciu lub więcej stopni. Generalnie cylindry teleskopowe są znacznie droższe niż normalne cylindry. Większość siłowników teleskopowych to siłowniki jednostronnego działania (pchające). Siłowniki teleskopowe dwustronnego działania muszą być specjalnie zaprojektowane i wyprodukowane.

Cylinder nurnikowy

Cylinder hydrauliczny bez tłoka lub z tłokiem bez uszczelek nazywany jest cylindrem nurnikowym. Cylinder nurnikowy może być używany tylko jako cylinder pchający; maksymalna siła to powierzchnia tłoczyska pomnożona przez ciśnienie. Oznacza to, że ogólnie cylinder nurnikowy ma stosunkowo grube tłoczysko.

Siłownik różnicowy

Siłownik mechanizmu różnicowego działa podczas ciągnięcia jak normalny siłownik. Jeśli jednak cylinder musi naciskać, olej od strony tłoczyska cylindra nie wraca do zbiornika, ale trafia do dolnej części cylindra. W ten sposób cylinder porusza się znacznie szybciej, ale maksymalna siła jaką może dać cylinder jest jak cylinder nurnikowy. Siłownik różnicowy może być wyprodukowany jak normalny cylinder i dodaje się tylko specjalne sterowanie.

Powyższy cylinder różnicowy jest również nazywany obwodem sterowania cylindra regeneracyjnego. Termin ten oznacza, że ​​cylinder jest cylindrem hydraulicznym z pojedynczym prętem, dwustronnego działania. W obwodzie sterowania znajduje się zawór i orurowanie, które podczas wysuwania tłoka przewodzi olej ze strony tłoczyska na drugą stronę tłoka zamiast do zbiornika pompy. Olej, który jest doprowadzany na drugą stronę tłoka, nazywany jest olejem regeneracyjnym.

Siłownik hydrauliczny „inteligentny” z czujnikiem położenia

Siłowniki hydrauliczne z czujnikiem położenia eliminują potrzebę stosowania wydrążonego pręta siłownika. Zamiast tego zewnętrzny „pasek” wykorzystujący technologię Hall Effect wykrywa położenie tłoka cylindra. Odbywa się to poprzez umieszczenie magnesu trwałego w tłoku. Magnes rozprowadza pole magnetyczne przez stalową ściankę cylindra, dostarczając sygnał lokalizacyjny do czujnika.

Terminologia

W Stanach Zjednoczonych popularne użycie odnosi się do całego zespołu cylindra, tłoka i tłoczyska (lub więcej) łącznie jako „tłok”, co jest nieprawidłowe. Zamiast tego tłok jest krótkim, cylindrycznym elementem metalowym, który oddziela od wewnątrz dwie części lufy cylindra.

Bibliografia