Расчет толкающего и тягового усилия гидравлического цилиндра: руководство по выбору OEM-производителей

I. Почему толкающая и тянущая силы — не одно и то же

Когда инженер OEM запрашиваетгидравлический цилиндркоторый может «толкать 10 тонн» или «тянуть 10 тонн», первый вопрос заключается в том, требуется ли эта сила со стороны полнопроходного ствола или со стороны штока. Дифференциальный гидроцилиндр имеет полную площадь поршня с одной стороны и кольцевую область с другой. Стержень занимает часть площади со стороны стержня, поэтому доступная сила тяги ниже при том же давлении.

Эту разницу легко упустить, когда цилиндр для замены выбирается по наружному диаметру или старому номеру детали. Именно поэтому цилиндр, который имеет достаточную номинальную мощность, может не обеспечить необходимую силу в фактическом направлении движения.

В этом руководстве объясняется логика расчета, используемая для первоначальной проверки OEM. Оно не заменяет полное проектирование машины, структурную проверку, проверку гидравлической цепи или оценку безопасности.

II. Три входных параметра, с которых начинается расчет

2.1 Диаметр отверстия

Отверстие или диаметр поршня определяет полную площадь поршня, подвергающуюся давлению. Больший диаметр цилиндра может создать большую теоретическую силу при том же давлении, но он также меняет объем масла, требуемый расход для заданной скорости, размер цилиндра и требования к монтажу.

2.2 Диаметр стержня

Диаметр стержня влияет на силу тяги, поскольку стержень занимает площадь со стороны стержня. Это также влияет на соединение штока, нагрузку на направляющую, доступный зазор и то, как цилиндр справляется со сжатием или растяжением. Стержень нельзя выбрать только по силе тяги; ход, монтаж, направление и фактический путь нагрузки также имеют значение.

2.3 Эффективное гидравлическое давление

Используйте давление, которое фактически имеется в цилиндре во время требуемого движения, а не только максимальную настройку сброса давления насоса. Потери давления через клапаны, шланги, фитинги и другие компоненты могут снизить давление, подаваемое в цилиндр. Последовательность работы машины должна определять расчетное давление, используемое для первого расчета.

III. Основные формулы «толкай и тяни»

Для первого прохода расчета с использованием согласованных единиц:

Сила нажатия:

Сила тяги:

Где:

• F---теоретическая сила цилиндра.
• P--эффективное давление в цилиндре.
• А_поршень---полная площадь поршня.
• А_род-- площадь поперечного сечения стержня.

Для круглого сечения:

Если давление введено в фунтах на квадратный дюйм, а диаметр в дюймах, результат будет в фунтах-силах. Если давление введено в паскалях, а диаметр в метрах, результат будет в ньютонах. Поддерживайте единообразие системы единиц от начала до конца.

Эти уравнения описывают теоретическую гидравлическую силу. Они не учитывают автоматически трение уплотнения, трение направляющей, механические потери, перепад давления, угол нагрузки, ускорение, прогиб конструкции или коэффициент запаса прочности.

IV. Рабочий пример без претензии на продукт

Предположим, инженер проверяет цилиндр с помощью:

• 3-дюймовое отверстие
• 1,5-дюймовый стержень
• Эффективное давление 2000 фунтов на квадратный дюйм

Полная площадь поршняявляется:

Площадь стержня составляет:

Таким образом, теоретические значения первого прохода таковы:

Разница не является производственным браком. Он исходит из области смещения стержня со стороны стержня. Пример предназначен только для обучения расчетам; это не рейтинг конкретного продукта или машины HCIC.

V. Почему первый расчет не является окончательным выбором

5.1 Механическое преимущество меняет требуемую силу цилиндра

Нагрузка не всегда действует непосредственно вдоль осевой линии цилиндра. Рычаг, рычажное соединение, шарнир или ножничное устройство могут увеличивать или уменьшать усилие, необходимое в различных положениях. Инженер должен рассчитать худшую точку движения, а не только стартовую позицию.

Угол между цилиндром и ведомым элементом также имеет значение. Цилиндр может иметь высокую теоретическую силу, но низкую составляющую силы под определенным углом. Чертеж, показывающий путь и положение груза, более полезен, чем один номер груза.

5.2 Статическая сила отличается от стартовой и движущей силы.

Освобождение груза, его ускорение и перемещение с постоянной скоростью — это разные условия. Трение уплотнения, сопротивление направляющей, инерция и сопротивление материала могут привести к тому, что начальная сила превысит силу, необходимую во время плавного участка хода.

Для такого оборудования, как эжекторы, уплотнители, грейферы и подъемные механизмы, покупатель должен описать, когда возникает наибольшая сила и может ли груз заклинить или измениться во время хода.

5.3 Давление — это не то же самое, что сила, действующая на нагрузку

Показания давления возле насоса могут не совпадать с давлением в отверстии цилиндра. Длина шланга, фитинги, направляющие клапаны, регуляторы расхода и противодавление — все это влияет на доступное давление. Надежный расчет должен определить, где измеряется давление и при каких условиях эксплуатации.

5.4 Сжатие и растяжение штока требуют различных проверок.

Удилище, нагруженное на сжатие, может потребовать проверки устойчивости стержня, особенно при длинном ходе или плохо направляемом устройстве. Стержень, нагруженный на растяжение, может контролироваться различными ограничениями по соединению и материалу. Эта статья не заменяет расчет потери устойчивости или проверку конструкции; он отделяет вычисление площади сил от этих дополнительных проверок.

VI. Сила, скорость и объем масла взаимосвязаны

Увеличенное отверстие может увеличить силу, но также увеличивает объем масла, необходимый для перемещения поршня на заданный ход. Для заданной скорости требуемый расход зависит от эффективной площади камеры и скорости поршня. Сторона штока имеет другой объем на единицу длины, чем полнопроходная сторона.

Это создает компромисс в дизайне:

• Большая площадь отверстия может обеспечить большую теоретическую силу.
• Большая площадь требует большего потока при той же линейной скорости.
• Стержень большего размера уменьшает площадь тягового усилия, но может улучшить устойчивость стержня к нагрузке приложения.
• Более длинный ход увеличивает объем масла, длину установки и важность направления.

Поэтому цилиндр должен рассчитываться так, чтобы насос, клапан, резервуар, шланг, монтаж и машинный цикл составляли одну систему.

VII. Практичный рабочий процесс выбора OEM

1. Определите направление нагрузки: Укажите, должен ли цилиндр толкать, тянуть или создавать обе силы.
2. Составьте карту пути загрузки:Нарисуйте шарниры, рычаги, шарниры, направляющие и положения нагрузки.
3. Определите худшую позицию:Рассчитайте необходимую силу там, где геометрия наименее благоприятна.
4. Установите эффективное давление: Используйте давление, доступное в цилиндре во время соответствующего машинного цикла.
5. Выберите предварительное отверстие:Используйте всю площадь поршня для расчета усилия и проверьте требуемый запас силы.
6. Выберите стержень:Проверьте силу тяги, сжатие или натяжение, ход, крепление и направление.
7. Проверьте скорость и расход:Убедитесь, что ГНС и клапаны могут обеспечить необходимую скорость движения.
8. Проверьте конверт:Сравните длину во втянутом и выдвинутом состоянии, порты, штифты, кронштейны и зазор для обслуживания.
9. Проверьте безопасность и структуру:Проверьте крепления, сварные детали, направляющие, упоры и ограждения под реальной нагрузкой.
10. Уточните у производителя цилиндра:Отправьте данные приложения до окончательного утверждения производства.

VIII. Что отправить для получения предложения по гидравлическому цилиндру

Полезный запрос OEM должен включать:

• Требуемая сила толкания и сила тяги
• Направление нагрузки и продолжительность нагрузки
• Рабочее давление в цилиндре
• Требуемая скорость и время цикла
• Предпочтения по диаметру отверстия, штоку и ходу, если они уже определены.
• Монтажные размеры в выдвинутом и втянутом состоянии
• Способ крепления: штифты, скобы или стержневые проушины.
• Угол нагрузки и чертеж рычажного механизма
• Рабочая температура и окружающая среда
• Информация о гидравлической жидкости и клапанах
• Количество, сменная модель или ссылка на чертеж

Чем полнее путь нагрузки, тем легче отличить проблему с размером цилиндра от проблемы конструкции, рычажного механизма или гидравлической цепи.

IX. Заключение

Гидравлический цилиндрРасчет толкающей и тяговой силы начинается с трех основных входных данных: диаметр отверстия, диаметр штока и эффективное давление. Полная площадь поршня определяет силу толкания первого прохода, тогда как шток уменьшает эффективную площадь и, следовательно, силу тяги.

Этот расчет — только начало. Угол рычажного механизма, пусковое сопротивление, скорость, потеря давления, нагрузка на шток, монтаж, направление и конструкция машины определяют, подходит ли цилиндр для реального применения. Покупатели OEM, которые предоставляют полный путь нагрузки и гидравлические данные, могут получить более полезное предложение, чем покупатели, которые предоставляют только номер усилия.

X. О HCIC

HCIC разрабатывает и производит гидравлические цилиндры, гидравлические силовые агрегаты и сопутствующие компоненты для транспортных средств, мусороперерабатывающего, строительного и промышленного оборудования. Техническую пригодность следует проверять на соответствие фактической конструкции машины и применимым требованиям безопасности.