Kako izračunati silu cilindra: formula, primjeri i praktični savjeti

Hidraulički cilindar je multiplikator sile u najjednostavnijem mogućem smislu: mala pumpa i skroman provrt mogu pomaknuti teret koji nijedna posada ljudi ne može pomaknuti rukom. Aritmetika koja stoji iza tog množenja je kratka - jedna formula, jedan izračun površine i nekoliko pretvorbi jedinica - ali upravo se tu krije većina pogrešaka u određivanju veličine. Bilo da provjeravate cilindar kraka dizalice, dizalicu sa škarama ili cilindar dizalice za instalaciju cijevi, istih nekoliko koraka daje vam pouzdan odgovor.

Temeljni odnos u jednoj liniji

Sila je jednaka tlaku pomnoženom s površinom na koju tlak djeluje: F = P × A. Tlak je pritisak hidrauličke tekućine po jedinici površine, a površina klipa je površina koju mora pritisnuti. Udvostručite jedan i udvostručite snagu; udvostručite oboje i dobit ćete četiri puta više.

U metričkoj praksi, najčišći par je megapaskal i kvadratni milimetar. Budući da je jedan megapaskal jedan newton po kvadratnom milimetru, rezultat je izravno izražen u newtonima — podijelite s 1000 i imate kilonewtone. U carskoj praksi, funte po kvadratnom inču pomnožene s kvadratnim inčima daju funte sile bez ikakve pretvorbe.

Vrijednosti koje ćete najčešće susresti prilikom pretvorbe između sustava:

• 1 bar = 0,1 MPa = 100 kPa, otprilike 14,5 psi
• 1 MPa = 10 bara, otprilike 145 psi
• 1 kvadratni inč = 645,16 kvadratnih milimetara
• 1 kilonewton je otprilike 224,8 funti sile
• 1 tona sile je otprilike 9,81 kilonjutona

Zapišite jedinice prije nego što počnete. Većina pogrešnih odgovora koje vidimo nisu pogrešne formule; to su stupci uneseni u jednadžbu koja očekuje megapaskale, ili milimetri uneseni u jednadžbu koja očekuje centimetre.

Gurni i povuci Rijetko se podudaraju

Pri produženom hodu puni tlak pumpe djeluje na cijelo područje provrta, tako da je područje π/4 × D², gdje je D promjer provrta. Pri hodu uvlačenja tekućina vidi samo područje u obliku prstena oko šipke, tako da je efektivna površina π/4 × (D² − d²), gdje je d promjer šipke. Šipka zauzima metal koji pritisak ne može dosegnuti.

Uzmite cilindar promjera 100 mm sa šipkom od 70 mm koja radi pri 20 MPa. Površina punog provrta je oko 7854 mm², što daje otprilike 157 kN potiska. Područje prstena je oko 4.006 mm², što daje otprilike 80 kN vučne sile - jedva polovicu. Cilindar koji s autoritetom podiže teret može biti prilično pitom kada isti teret mora povući natrag.

Ovo je važno kad god radno opterećenje promijeni smjer tijekom ciklusa: preklopna ruka koja vuče i gura, cilindar za niveliranje koji mora držati platformu prema dolje kao i prema gore ili noga stabilizatora koja se mora povući protiv otpora. Veličina na slabijoj strani, ne na jačoj.

Djelotvoran primjer koji možete slijediti

Pretpostavimo da stroj treba ravnomjerno podizati 8 tona, a rasterećenje pumpe postavljeno je na 20 MPa. Evo slijeda kroz koji bismo prošli s kupcem.

1. Pretvorite opterećenje: 8 tona × 9,81 = oko 78,5 kN.
2. Dodajte radnu marginu. Faktor od 1,5 pokriva trenje brtve, protutlak i male gubitke tlaka u crijevima i priključcima, dajući oko 118 kN.
3. Podijelite s tlakom kako biste pronašli traženu površinu: 118 000 N ÷ 20 N/mm² = 5 900 mm².
4. Izvucite provrt: kvadratni korijen od (4 × 5900 ÷ π) je oko 86,7 mm, tako da je sljedeća standardna veličina 90 mm, što daje 6362 mm² i otprilike 127 kN pri punom tlaku.
5. Provjerite kraj šipke i hod. Ako teret povuče tijekom uvlačenja, provjerite područje prstena. Ako je hod dugačak, a opterećenje tlačno, provjerite izvijanje šipke prije nego što prihvatite provrt — vitka šipka može otkazati znatno ispod teorijskog potiska cilindra.

Taj posljednji korak je mjesto gdje se teorija susreće s praksom. Cilindar može biti dovoljno jak i još uvijek biti pogrešan cilindar, jer se šipka ponaša kao stup pod pritiskom i njegovo sigurno opterećenje naglo pada kako duljina hoda raste.

Od teorije do snage koju zapravo dobivate

Broj iz F = P × A je teorijski. Stvarni učinak je nešto niži, a vrijedi znati zašto. Trenje brtve, trenje vodilice i pritisak potreban da se ulje potisne natrag u spremnik, sve to ima veliki značaj. Za većinu mobilnih strojeva, učinkovitost od 0,85 do 0,95 primijenjena na teoretsku brojku približava vas stvarnosti, s većim cilindrima i višim tlakom koji se nalazi prema donjem kraju tog raspona.

Korisni oblik jednadžbe je: neto sila = (prošireni tlak × površina provrta) − (tlak u povratnom vodu × površina prstena) − trenje. Srednji dio je lako zaboraviti, a može biti značajan u krugovima s ograničenim povratnim protokom ili protutežnim ventilima.

Tlak također zahtijeva brigu. Postavka sigurnosnog ventila je gornja granica, a ne obećanje. Tijekom brzog produženja, zahtjev za protokom može premašiti pumpu i tlak u sustavu pasti, tako da sila dostupna u trenutku kada vam je potrebna može biti niža nego što sugerira kataloški izračun. Sustave koji drže teret dulje vrijeme, kao što su cilindri potpora, treba provjeriti na sposobnost držanja, kao i sposobnost pomicanja.

Veličina provrta i teoretski potisak na prvi pogled

Tablica ispod je brza provjera ispravnosti za uobičajene veličine provrta. Vrijednosti pretpostavljaju površinu punog provrta na produženom hodu i zanemaruju trenje, pa ih tretirajte kao gornju granicu, a ne radni kapacitet.

Kako se ove brojke prikazuju u stvarnim strojevima

Formula je univerzalna, ali inputi nisu. Na dizalici montiranoj na kamion, zadatak cilindra za podizanje je da drži granu u radnom radijusu, a sila koju osjeća ovisi o kutu grane koliko i o teretu koji visi s kuke. Kako se grana diže, krak momenta cilindra se mijenja, tako da isto podizanje može zahtijevati vrlo različite pritiske. Zbog toga su cilindri za luffing geometrijom i montažom određeni jednako pažljivo kao i provrtom.

Hidraulički cilindar dizalice montiran na kamion Funkcija: Podešavanje kuta grane: Kroz produženje i uvlačenje cilindra za podizanje, grana se može naginjati gore i dolje kako bi zadovoljila potrebe dizanja na različitim visinama... Pogledajte proizvod →

Dizalice sa škarama nalaze se na drugom kraju spektra. Cilindar za podizanje radi preko poluge čija se mehanička prednost kontinuirano pomiče kako se platforma diže, tako da se najveća sila šipke često pojavljuje u blizini potpuno spuštenog položaja, a ne na punoj visini. Tipični su veliki provrt, skroman tlak i kratak hod, a izračun se mora ponoviti na nekoliko točaka krivulje dizanja.

Hidraulički cilindar za podizanje zračne platforme sa škarama Pojedinosti o cilindrima za dizanje s jednostrukim djelovanjem s rupama za prigušivanje za nesmetan uspon i spuštanje, plus raspon provrta, šipki i hoda prilagođenih izračunima platforme za podizanje sa škarama. Pogledajte proizvod →

Dizanje cijevi gura proračun do krajnjih granica. Glavni cilindri za dizanje guraju cijev kroz tlo protiv otpora tla i trenja zida, često pri nekoliko stotina tona potiska tijekom dugog hoda. Ovdje je proračun sile prvo postavljen uvjetima na tlu, a zatim hidraulikom, a cilindar mora stalno isporučivati ​​taj potisak bez savijanja. Možete vidjeti kako se ti zahtjevi razlikuju u rasponu hidraulički cilindri za strojeve za zabijanje pilota .

Stroj za dizanje cijevi Hidraulički glavni cilindar za dizanje Osnovni izvor energije za dizanje cijevi, pružajući snažan potisak, stabilan pogon i preciznu kontrolu istezanja, s otpornošću na visoki tlak i brtvljenjem za teški kontinuirani rad. Pogledajte proizvod →

Pogreške koje vrijedi izbjegavati

• Korištenje područja provrta za hod uvlačenja, što prenaglašava vučnu silu za 30 do 50 posto na tipičnim omjerima šipki.
• Tretiranje tlaka sigurnosnog ventila kao kontinuirano dostupnog radnog tlaka.
• Zaboravljanje povratnog tlaka u krugovima s protutežom ili mjernim ventilima.
• Dimenzioniranje samo za opterećenje i ignoriranje izvijanja šipke kod dugotrajnih kompresijskih primjena.
• Miješanje bara, megapaskala i psi unutar jednog izračuna.
• Ne ostavlja marginu za trenje brtve, promjene viskoznosti uzrokovane temperaturom ili trošenje tijekom radnog vijeka.

Pitanja koja čujemo od dizajnera

Koja je najkraća verzija formule?

Sila u njutnima jednaka je tlaku u megapaskalima pomnoženom s površinom u kvadratnim milimetrima. Sve ostalo je obraćenje i ispravljanje.

Zašto se moja izmjerena sila razlikuje od izračunate?

Obično trenje, protutlak ili očitanje mjerača nizvodno od ograničenja. Provjerite tlak na otvoru cilindra pod opterećenjem, a ne na pumpi.

Koliko marže trebam dodati?

Za stabilna industrijska opterećenja, 1,25 do 1,5 je razumna početna točka. Za udarna opterećenja, rad na otvorenom ili funkcije držanja kritične za sigurnost, idite više i potvrdite ispitivanjem.

Gradimo hidrauličke cilindre u Zhejiangu od 2004. godine, a većina pitanja o snazi ​​na koja odgovaramo dolaze od inženjera na pola puta kroz dizajn, a ne na početku. Ako želite drugi par očiju na brojevima, pošaljite nam opterećenje, hod, pritisak koji očekujete i kako je cilindar montiran — to je obično dovoljno da vam kažemo je li provrt koji ste odabrali udoban ili marginalan. Za više informacija o povezivanju cilindra s aplikacijom, naše bilješke o ključna razmatranja dizajna pri odabiru hidrauličkog cilindra su dobro mjesto za nastavak.