Выбор гидроцилиндра – как избежать ошибок

Основной функцией гидроцилиндра является преобразование давления и потока жидкости в силу и линейное движение. Гидроцилиндры используются в самых разных областях и отраслях промышленности. Это сложные устройства, включающие широкий спектр компонентов, доступных в различных размерах и конфигурациях, выполненных с использованием множества различных материалов.

Многие инженеры-проектировщики OEM-изделий действуют осторожно, чрезмерно усложняя спецификации цилиндров — это осмотрительная привычка при условии постоянно совершенствующихся технологий гидроцилиндров. Другие инженеры просто копируют предыдущую конструкцию оборудования, не совмещая факторы, которые вошли в первоначальную конструкцию, и достижения, достигнутые с тех пор. Переработка старых конструкций для аналогичной функции может сэкономить время, но при этом игнорируются технологические достижения, которые повышают эффективность гидравлических цилиндров или позволяют им двигать и выдерживать больший вес.

Инженеры должны быть в курсе новейших технологий и подходить к каждой новой конструкции с целью достижения максимально возможного уровня безопасности, эффективности и производительности. С этой целью в данной статье будет рассмотрено: когда использовать гидравлические цилиндры вместо пневматических; основные конструктивные факторы, которые следует учитывать при выборе и определении размеров гидравлических цилиндров; типичные ошибки, которых следует избегать; важные конструктивные соображения, которые часто забывают.

Гидравлика против Пневматики

Выбор между гидравлическим и пневматическим цилиндрами в первую очередь зависит от требуемой интенсивности силы. Хотя пневматические устройства в некоторых отношениях проще, они, как правило, не способны выдерживать высокие нагрузки и давать большие усилия. Пневматика может создавать силу 15 тонн или более, но, как правило, более экономично использовать гидравлику для сил свыше 2,5 тонн. Гидравлические цилиндры также создают плавное, более управляемое движение. В качестве дополнительного преимущества гидравлика может выполнять вспомогательные задачи, такие как смазка и охлаждение.

Тем не менее, поскольку доступность силы и среды является не подлежащим обсуждению фактором при проектировании гидравлической мощности, следует отметить, что правильно спроектированная и рассчитанная по размерам пневматика может обеспечить более высокую производительность, если не требуется компактная площадь.

Проектирование гидравлических цилиндров

Определяя гидравлический цилиндр, по сути, как сбалансированное действие, каждый фактор проектирования влияет на один или несколько элементов конструкции. Например, некоторые уретановые уплотнения идеальны для применения при низких температурах до -54 °C и могут выдерживать температуры до 129 °C. Другие уплотнения выдерживают температуры до 260 °C, но не выдерживают низких температур.

Хотя стандарты и руководящие указания, соответствующие ISO, являются отличной отправной точкой для проектирования гидравлических устройств, многие отрасли промышленности имеют свои собственные рекомендации.

Производители гидроцилиндров могут предложить варианты, которые увеличивают шансы, что правильно оборудованные стандартные компоненты будут соответствовать критериям разработки применения. Например, большинство производителей гидроцилиндров предлагают 19 стандартных вариантов монтажа. Стандартные компоненты имеют дополнительное преимущество: они легко доступны по всему миру, это ускоряет управление запасами и доставку запасных частей по мере износа компонентов.

Основные факторы, которые следует учитывать при выборе гидравлических цилиндров, включают в себя:

Гидравлика средней грузоподъемности учитывает большинство промышленных применений и обычно рассчитана на давление 7 МПа. Сверхмощная гидравлика широко распространена в гидравлических прессах, автомобильной промышленности и других промышленных применениях. Стандартные тяжелые гидравлические цилиндры выдерживают давление до 20 МПа. Грузоподъемность в этих тяжелых машинах зависит от площади поршня, подвергаемой манометрическому давлению. Инженеры могут достичь большей нагрузки, не жертвуя другими показателями, используя конструкции цилиндров-тандемов, а не гидроцилиндров большего диаметра или нестандартные гидроцилиндры высокого давления.

Хотя нестандартный ход гидроцилиндра может превышать 3,05 м, номинальное давление может быть проблемой. Инженеры должны определить, должны ли штоки быть толще, чтобы выдерживать нагрузку при большом ходе. При необходимости следует указывать номинальное давление при нагрузке в режиме толкания. Прогиб штока при горизонтальном применении с длинным ходом может привести к преждевременному износу направляющих гидроцилиндра. Взвешивание каждого положительного эффекта по отношению к потенциальным негативным эффектам имеет важное значение для оптимизации работы гидравлического оборудования.

Каждый инженер имеет свое собственное определение «чрезмерной скорости». Как хорошее практическое правило, стандартные уплотнения гидравлического цилиндра легко справляются со скоростью до 1 м в секунду. Порог допуска для стандартных уплотнений составляет примерно две трети от этой скорости. Часто стандартное уплотнение с низким коэффициентом трения является лучшим выбором для высокоскоростных применений. Но и здесь то, что вы получаете в одном аспекте производительности, вы теряете в другом. Чем выше скорость жидкости, тем выше температура, поэтому при таком выборе важно учитывать влияние более высоких температур на всю гидравлическую систему.

Гидравлические цилиндры, использующие стандартные компоненты, могут работать при температурах от 260 °C до −54 °C. Но температуры влияют на конструкцию компонентов цилиндров. Применения, требующие экстремальных температур на одном или обоих концах термометра, требуют глубоких знаний о взаимозависимости отдельных компонентов, чтобы получить наилучший баланс краткосрочных и долгосрочных характеристик. Например, при применении на открытом воздухе на крайнем севере уплотнения и металлические детали сжимаются из-за экстремальных температур.

Вспомогательные компоненты, такие как переключатели, также могут зависеть от факторов окружающей среды. Например, компактные гидравлические цилиндры использовались в высокотемпературных применениях, а канавки в алюминиевом корпусе цилиндра использовались для переключателей. В рамках применения магнитные зажимы высокой силы перемещали готовые штампы в цеху. Производитель заметил, что переключатели не активируются в определенных местах. Когда гидроцилиндры были сняты с матрицы, переключатели снова начали работать. Инженеры обнаружили, что магнитное поле, которое создается зажимами, мешает работе переключателей.

В зависимости от способа установки и крепления гидроцилиндры можно разделить на два типа: 1) гидроцилиндры жестко закрепленные; 2) гидроцилиндры шарнирные.

Жестко закрепленные гидроцилиндры имеют следующие виды крепления: на лапах, крепление на основании головок, фланец и передней головки, фланец посередине, фланец у задней головки, крепление неподвижным штоком, крепление при помощи удлиненных шпилек, на резьбе у передней головки, на цапфах.

При способе крепления на лапах, лапы могут быть расположены у основания гидроцилиндра или по его оси, могут располагаться у головки гидроцилиндра или у гильзы. Они могут быть выполненными за одно целое с головкой или гильзой, а также съемными. В гидроцилиндрах с прямоугольными головками можно обойтись вообще без лап, так как основанием для крепления могут служить сами головки, в которых просверлены крепежные отверстия.

При торцовом креплении гидроцилиндра используют фланец, который располагают у передней головки, посредине или у задней головки. У гидроцилиндра со шпильками торцовое крепление может быть осуществлено при помощи шпилек, скрепляющих головки с гильзой, однако в этом случае шпильки должны быть удлинены. В некоторых случаях гидроцилиндры крепятся на цапфах. При этом необходимо иметь на гильзе один или два бурта. Гидроцилиндр устанавливается буртами в седле и сверху на бурты надевают хомут, который крепится с цапфе болтами.

В строительных и дорожных машинах, на тракторах, горных машинах и многих других применяют гидроцилиндры с шарнирным креплением. Шарнирное гидравлическое оборудование бывает следующих видов: с проушиной у задней головки, с вилкой у задней головки, с цапфой у передней головки, с цапфой посредине, с цапфой у задней головки, с шаровой опорой у задней головки, с шаровой опорой у задней головки, с шаровой опорой у гильзы. Проушина, вилка, цапфа, шаровая опора могут быть за одно целое с головкой (гильзой) или съемными.

Часто для предохранения гидроцилиндра от изгиба в заднюю проушину вставляют сферический подшипник. Этот тип шарнира приближается к шаровому. Цапфы у передней и задней головок обычно изготавливаются сварными. Цапфы посредине могут быть приварены к гильзе, а так же съемными.

Многие ожидания производительности, на первый взгляд, требуют специальных креплений. Но, немного поработав над конструкцией, они могут быть адаптированы к существующим вариантам креплений, иногда с небольшими изменениями, облегчающими замену и снижающими затраты.

Диаметр связан с рабочим давлением. Величина толкающего или растягивающего усилия определяет необходимый размер цилиндра. Например, раньше оборудование для сталелитейного и алюминиевого завода часто требовало нестандартных размеров цилиндров и штоков. Сегодня практически каждое промышленное требование может быть удовлетворено с помощью стандарта ISO-совместимых компонентов.

OEM-инженеры, вероятно, запрашивают индивидуальные размеры поршневого штока чаще, чем любой другой компонент гидравлического цилиндра. То, что не всегда учитывается, это простой факт, что усилия толкания  или тяги никогда не зависит от длины хода. Поршневые штоки при сжатии или растяжении имеют тенденцию рассеивать силу нелинейно.

Использование дорогостоящих материалов, таких как нержавеющая сталь или легированная сталь, для штоков является распространенным примером чрезмерной инженерии. В большинстве экстремальных применений хромирование придает достаточно коррозионной стойкости, необходимой для обеспечения долговечности штока.

Необходимая прочность штока часто упускается из виду при выборе его диаметра для гидравлического цилиндра.

Для применений, требующих равных усилий с обеих сторон поршня, стандартный цилиндр двойного действия, использующий давление для расширения и втягивания цилиндра, в сочетании с четырехходовым распределительным клапаном для направления давления на головку или торцевую крышку, почти всегда предпочтительнее, чем индивидуальные решения. Опытный изготовитель цилиндров будет знаком с каждой возможной конфигурацией узла цилиндра и непредвиденными последствиями индивидуальной настройки отдельных компонентов по сравнению с сочетанием стандартных цилиндров для творческих способов удовлетворения необычных требований к производительности.

Это одна из областей, где стандартные параметры настолько обширны, что настройка требуется редко. Кроме того, стандартные резьбы могут быть выполнены в дюймовом или метрическом формате. Как правило, каждый доступный диаметр доступен в четырех различных стилях конца штока.

Даже в тех редких случаях, когда модификации кажутся необходимыми, важно учитывать влияние модификаций на аксессуары. Относительно небольшой компромисс производительности, возникающий в результате стандартизации концов стержней, почти всегда гарантируется универсальностью, которую они предоставляют.

Даже небольшая модификация, такая как резьба малого размера, может потребовать специального инструмента для нестандартного шага, что приводит к задержкам, расходам и невозможности быстрого сопряжения с дополнительными компонентами.

Стандартные корпуса гидроцилиндров изготовлены из обычной или хромированной стали и могут применяться в большинстве случаев. Использование легированных сталей, нержавеющей стали или латуни широко распространено в специальных применениях, например в водянистой среде.

Опытные производители гидравлических систем предлагают уплотнения, которые соответствуют всему диапазону температур и типов жидкостей, и могут помочь инженерам найти уплотнения, которые будут точно соответствовать требованиям применения.

Когда дело доходит до безопасности, инженеры допускают три распространенных ошибки: не учитывают фактор безопасности при определении размеров цилиндров; предполагают, что определенные аксессуары являются устройствами безопасности, когда они не являются таковыми;  использование неправильной резьбы или стиля соединения для данного применения.

В калибровочных цилиндрах фактор безопасности, также называемый фактором тяги, должен быть включен в конструкцию. Например, если у вас будет нагрузка в 50 кг, вы не должны использовать цилиндр, способный толкать 50 кг, потому что это точка равновесия нагрузки, и он не будет двигаться. Если вы используете гидроцилиндр с усилием 55 кг, ваша конструкция может изначально работать, но через пару месяцев может оказаться, что гидроцилиндр не работает. Это может быть связано с потерей давления, износом уплотнения, повышенным трением или множеством других проблем.

Когда речь идет о стандартах безопасности, распространенным заблуждением является то, что штоковые замки (или тормоза) являются подходящими устройствами безопасности. Но они не классифицируются как таковые. Защитные устройства часто идут в дополнение к цилиндру, а не встраиваются в него. Поскольку цилиндр создает движение, невозможно добавить что-либо в цилиндр, что предотвратит разрыв конца штока и остановит движение. Инженеры-проектировщики должны использовать предохранители, установленные параллельно с цилиндром, которые остановят движение в чрезвычайных ситуациях.

Целью каждой конструкции крепления для гидравлического цилиндра является обеспечение того, чтобы крепление поглощало усилие, стабилизировало гидравлику и улучшало рабочие характеристики.

Каждое промышленное применение уникально, и в спецификации гидравлического цилиндра задействовано много вспомогательных компонентов. Энергопоглощающие подушки, блоки подушек, рекуперативные контуры могут способствовать повышению производительности гидравлических систем в зависимости от требований к производительности данного применения.

Если вы используете центрирующую муфту, вам необходимо убедиться в том, что она выдерживает нужную нагрузку. Также бывают случаи, когда цилиндр с большим диаметром имеет небольшой шток, поэтому он может не иметь необходимой прочности на растяжение, чтобы выдерживать данную нагрузку. В таком случае, должны быть рассмотрены другие материалы. Например, вместо отливки используйте механически обработанную деталь, такую ​​как вилка штока, или используйте нержавеющую сталь, чтобы увеличить прочность на растяжение. В некоторых случаях вам нужен более прочный аксессуар для указанного цилиндра.

Конечно, бывают ситуации, когда для получения правильного цилиндра требуется некоторые вариации размеров компонента, материала или конфигурации. Однако гораздо чаще,  партнерские отношения с опытными инженерами по применению гидроцилиндров на ранних стадиях процесса проектирования экономят время и деньги, обеспечивая при этом, чтобы гидроцилиндр выполнял свои функции максимально эффективно и как можно дольше.