El cilindre hidràulic és l'actuador d'un sistema hidràulic, i la seva fiabilitat de disseny determina directament el rendiment i la vida útil de tot el sistema. Aquest article aprofundeix en els principis bàsics del disseny de cilindres hidràulics, començant pels seus components clau per proporcionar una anàlisi en profunditat d'aspectes crítics com ara els elements essencials del disseny, els criteris de selecció i el control crucial de la tolerància de fabricació dels seus sistemes de segellat i guia.
1. Principi de funcionament i components bàsics
Un cilindre hidràulic és essencialment un dispositiu que converteix l'energia hidràulica en energia mecànica lineal. Els seus components principals inclouen:
- Cilindre de barril:El recipient a pressió central, un tub d'acer buit amb una superfície interna d'alt acabat.
- Pistó i biela:Els components de transmissió de potència que realitzen un moviment alternatiu sota l'acció d'oli a pressió.
- Tapes finals (capçal i tapa):Segellar el canó i proporcionar guia i interfícies de muntatge.
- Sistema de segellat:La "línia de vida" del cilindre, responsable d'evitar fuites internes i externes.
- Sistema de guia:Assegura la concentricitat de les peces mòbils, suporta càrregues radials i evita el contacte metall amb metall.
Segons el mètode d'accionament, els cilindres es classifiquen com aSimple efecte(estès per pressió, retractat per una força externa o la gravetat) oDoble acció(tant l'extensió com la retracció es controlen mitjançant la pressió de l'oli). Aquesta diferència fonamental influeix directament en la selecció dels segells del pistó.
2. El sistema de segellat hidràulic: funció, selecció i disposició
Els segells es classifiquen en "dinàmics" (entre peces amb moviment relatiu) i "estàtics" (entre peces fixes).
2.1 Explicació dels segells dinàmics clau:
- Segell del pistó:El segell dinàmic crític que evita les fuites internes a través del pistó.
- Segell de copa en U:Un segell d'efecte simple; la pressió fa que el llavi s'expandeixi i entri en contacte amb les superfícies d'acoblament. Els cilindres de doble efecte requereixen dues ventoses en U instal·lades una contra l'altra.
- Segell de doble acció (segell compost):Normalment consisteix en un energitzador d'elastòmer i un anell lliscant (per exemple, PTFE). El PTFE ofereix un coeficient de fricció molt baix i una llarga vida útil, adequada per a aplicacions d'alta velocitat i alta pressió. Les versions d'alta gamma integrenanells antiextrusióper suportar pressions extremes (per exemple, 690 bar).
- Junta tòrica amb anells de reserva:Només apte per a aplicacions de baixa pressió (<100 bar).Anells de reservasón essencials per evitar que el material de segellat tou sigui forçat a l'interior del component sota alta pressió, un fenomen conegut com a "falla d'extrusió".
- Segell de vareta:El segell principal del sistema, situat a la tapa frontal, que evita que l'oli pressuritzat s'escapi a l'atmosfera. Normalment és un segell d'acció simple com una tapa en U.
- Segell amortidor:Col·locat abans del segellat de la vareta, el seu propòsit no és proporcionar un segellat perfecte sinó esmorteir els pics de pressió, protegint així el segellat principal de la vareta i allargant-ne la vida útil. Normalment està fet d'un material més tou que el segellat principal.
- Segell de netejador (rascador):La primera línia de defensa, situada al costat més extern de la tapa final. Raspa els contaminants de la vareta del pistó mentre es retrau, protegint tots els components interns.
2.2 Segells estàtics:S'utilitza entre connexions fixes (per exemple, vareta de pistó a pistó, tapa final a canó), normalment juntes tòriques.
2.3 Anelles guia:La seva funció ésguia, no segellatFabricats amb materials de baixa fricció i resistents al desgast (per exemple, poliamida, PTFE), suporten càrregues radials i eviten el contacte directe metall amb metall. Els pistons sovint utilitzen anells guia a tots dos extrems per a una estabilitat òptima.
3. Paràmetre crític de disseny: anàlisi de toleràncies i separacions d'extrusió
Aquesta és l'essència del disseny del cilindre i determina directament la vida útil del segellat.
- Espai d'extrusió (E-Gap):El joc radial màxim admissible entre el pistó i el forat del cilindre (o entre la vareta del pistó i la tapa del tancament). Un joc excessiu pot fer que el llavi del segell s'extrudeixi dins del joc sota alta pressió, provocant una fallada permanent.
- Espai E màxim permès:Aquest valor depèn de lamaterial del segellat, duresa, pressió de treball i temperatura, i s'ha d'obtenir de la fitxa tècnica del fabricant del segell. Per exemple, un segell específic pot permetre un espai de 0,6 mm a 100 bar, però només 0,2 mm a 350 bar.
- Anàlisi de tolerància a la pràctica:
- Definiu les toleràncies dels components: per exemple, el diàmetre del cilindre sovint és H7, la vareta del pistó sovint és f8.
- Considereu el pitjor escenari (Least Material Condition – LMC):Això és quan el pistó té el seu diàmetre més petit i el diàmetre del cilindre és el més gran.
- Calcular les dimensions del disseny a posteriori:Per garantir que el joc màxim possible no superi el joc E, el diàmetre mínim admissible del pistó s'ha de calcular en funció de la mida màxima possible del diàmetre. Les toleràncies de fabricació del pistó es defineixen en conseqüència.
4. Requisits de fabricació i tractament de superfícies
- Diàmetre del cilindre:L'acabat superficial ha de ser de Rz 0,4 – 2 μm, normalment aconseguit mitjançant brunyit o brunyit amb corró.
- vareta de pistó:L'acabat superficial ha de ser de Ra 0,4 – 2 μm. Ha de serendurit per cementació (duresa ≥ 50 HRC, profunditat 1,2-2,5 mm)icromat dur (20-30 μm)per garantir la resistència al desgast i a la corrosió.
5. Exemple de disseny i lògica d'ordenació
Utilitzant un cilindre de doble efecte amb una capacitat de 20 tones i una pressió de treball de 100 bar (diàmetre: 180 mm, vareta: 80 mm) com a exemple:
- Selecció de segells de pistó:Segells en U econòmics i fàcilment disponibles, instal·lats esquena contra esquena.
- Guia del pistó:A banda i banda del pistó hi ha anells guia dedicats, amb els segells entremig. Aquesta disposició proporciona una estabilitat de guia òptima i garanteix que els anells guia estiguin sempre lubricats.
- Disposició de l'extrem de la vareta (de fora cap a dins):
- Segell de netejador
- Segell de vareta
- Segell de memòria intermèdia(no és estrictament necessari en aquest exemple, es mostra com a demostració)
- Anell guia de vareta
Conclusió
El disseny reeixit d'un cilindre hidràulic és un procés d'enginyeria sistemàtic que ha de seguir la següent lògica bàsica:
- Definir les condicions de funcionament:Determinar la pressió, la velocitat, la càrrega, l'entorn, etc.
- Selecció precisa de components:Trieu les solucions de segellat i guia adequades en funció de les condicions. Es recomana consultar catàlegs i guies d'aplicació dels principals fabricants (per exemple, SKF, Parker).
- Càlcul precís:Realitzeu una anàlisi de tolerància rigorosa per garantir que el "buit d'extrusió" compleixi els requisits en totes les variacions de fabricació.
- Control estricte de fabricació:Especificar i garantir els requisits de tractament superficial i duresa per als components crítics.
Aplicant sistemàticament aquests principis, es poden dissenyar cilindres hidràulics que siguin eficients, fiables i duradors.
Data de publicació: 09 d'octubre de 2025