Stručni vodič za dizajn hidrauličnih cilindara: Od odabira brtve do analize tolerancije

Hidraulički cilindar je aktuator hidrauličkog sustava, a pouzdanost njegovog dizajna izravno određuje performanse i vijek trajanja cijelog sustava. Ovaj članak istražuje temeljna načela dizajna hidrauličkog cilindra, počevši od njegovih ključnih komponenti, kako bi pružio dubinsku analizu kritičnih aspekata kao što su osnove dizajna, kriteriji odabira i ključna kontrola tolerancije proizvodnje njegovih sustava brtvljenja i vođenja.

​1. Princip rada i ključne komponente​

Hidraulički cilindar je u biti uređaj koji pretvara hidrauličku energiju u linearnu mehaničku energiju. Njegove glavne komponente uključuju:

• ​Cijev cilindra:Jezgra tlačne posude, šuplja čelična cijev s visoko obrađenom unutarnjom površinom.
• ​Klip i klipnjača:Komponente prijenosa snage koje izvode klipno gibanje pod djelovanjem ulja pod tlakom.
• ​Završne kapice (glava i kapa):Zatvorite cijev i osigurajte smjernice i montažne sučelja.
• ​Sustav brtvljenja:"Spasilačka cilindar" cilindra, odgovorna za sprječavanje unutarnjeg i vanjskog curenja.
• ​Sustav navođenja:Osigurava koncentričnost pokretnih dijelova, podnosi radijalna opterećenja i sprječava kontakt metala s metalom.

Na temelju načina aktiviranja, cilindri se klasificiraju kaoJednostruki(prošireno pritiskom, uvučeno vanjskom silom ili gravitacijom) iliDvostruko djelovanje(i izvlačenje i uvlačenje kontroliraju se tlakom ulja). Ova temeljna razlika izravno utječe na odabir brtvi klipa.

​2. Hidraulički sustav brtvljenja: Funkcija, odabir i raspored​

Brtve se kategoriziraju kao "dinamične" (između dijelova s ​​relativnim kretanjem) i "statičke" (između fiksnih dijelova).

​2.1 Objašnjenje ključnih dinamičkih brtvi:​​

• ​Brtva klipa:Kritično dinamičko brtvilo sprječava unutarnje curenje preko klipa.
  • ​U-kuhinjsko brtvilo:Jednostruko djelujuća brtva; tlak uzrokuje širenje usne i dodirivanje spojnih površina. Dvostruko djelujući cilindri zahtijevaju dvije U-obloge ugrađene jedna uz drugu.
  • ​Dvostruko djelujuća brtva (kompozitna brtva):Obično se sastoji od elastomernog energizera i kliznog prstena (npr. PTFE). PTFE nudi vrlo nizak koeficijent trenja i dugi vijek trajanja, pogodan za primjene velike brzine i visokog tlaka. Vrhunske verzije integrirajuprstenovi protiv ekstruzijeizdržati ekstremne pritiske (npr. 690 bara).
  • ​O-prsten s rezervnim prstenovima:Pogodno samo za primjene niskog tlaka (<100 bara).Rezervni prstenovi​su bitni kako bi se spriječilo da se materijal mekog brtve pod visokim tlakom utisne u razmak komponente - fenomen poznat kao "kvar ekstruzijom".
• ​Brtva šipke:Primarna brtva sustava, smještena u prednjem čepu, koja sprječava curenje ulja pod tlakom u atmosferu. Obično je to brtva jednostrukog djelovanja poput U-oblika.
• ​Zaštitna brtva:Postavljena prije brtve klipnjače, njegova svrha nije osigurati savršeno brtvljenje, već prigušiti skokove tlaka, čime se štiti glavna brtva klipnjače i produžuje njezin vijek trajanja. Obično je izrađena od mekšeg materijala od glavne brtve.
• ​Brtva brisača (strugač):​Prva linija obrane, smještena na krajnjoj vanjskoj strani završnog poklopca. Struže nečistoće s klipnjače dok se ona uvlači, štiteći sve unutarnje komponente.

​2.2 Statičke brtve:Koristi se između fiksnih spojeva (npr. klipnjača i klip, krajnji poklopac i cijev), obično O-prstenovi.

​2.3 Vodilice:Njihova funkcija jesmjernice, a ne brtvljenjeIzrađeni od materijala s niskim trenjem i otporni na habanje (npr. poliamid, PTFE), podnose radijalna opterećenja i sprječavaju izravan kontakt metala s metalom. Klipovi često koriste vodeće prstenove na oba kraja za optimalnu stabilnost.

​3. Kritični parametar dizajna: Analiza ekstruzijskog razmaka i tolerancije​

To je bit dizajna cilindra i izravno određuje vijek trajanja brtve.

• ​Ekstruzijski razmak (E-razmak):Maksimalni dopušteni radijalni razmak između klipa i provrta cilindra (ili između klipnjače i završnog poklopca). Preveliki razmak može uzrokovati istiskivanje brtvene usne u razmak pod visokim tlakom, što dovodi do trajnog kvara.
• ​Maksimalni dopušteni E-razmak:Ova vrijednost ovisi omaterijal brtve, tvrdoća, radni tlak i temperatura, i moraju se dobiti iz podatkovnog lista proizvođača brtve. Na primjer, određena brtva može dopustiti razmak od 0,6 mm pri 100 bara, ali samo 0,2 mm pri 350 bara.
• ​Analiza tolerancije u praksi:​
  1. Definirajte tolerancije komponenti: npr. provrt cilindra je često H7, klipnjača je često f8.
  2. ​Razmotrite najgori mogući scenarij (uvjet najmanje materijala – LMC):To je kada je klip najmanjeg promjera, a provrt cilindra najvećeg.
  3. ​Izračunajte dimenzije dizajna unatrag:Kako bi se osiguralo da maksimalni mogući razmak ne prelazi E-razmak, minimalni dopušteni promjer klipa mora se izračunati na temelju maksimalne moguće veličine provrta. Proizvodne tolerancije za klip se zatim definiraju u skladu s tim.

​4. Zahtjevi za proizvodnju i površinsku obradu​

• ​Provrt cilindra:Površinska obrada mora biti Rz 0,4 – 2 μm, što se obično postiže honanjem ili valjcima.
• ​Klipnjača:​Površinska obrada mora biti Ra 0,4 – 2 μm. Mora bitikaljeno (tvrdoća ≥ 50 HRC, dubina 1,2-2,5 mm)itvrdo kromirano (20-30 μm)kako bi se osigurala otpornost na habanje i koroziju.

​5. Primjer dizajna i logika rasporeda​

Korištenje dvosmjernog cilindra s kapacitetom od 20 tona i radnim tlakom od 100 bara (provrt: 180 mm, klipnjača: 80 mm) kao primjer:

1. ​Odabir brtve klipa:Isplative i lako dostupne U-brtve, ugrađene jedna uz drugu.
2. ​Vođenje klipa:Namjenski vodeći prstenovi klipa postavljeni su na oba kraja klipa, s brtvama između. Ovaj raspored osigurava optimalnu stabilnost vođenja i osigurava da su vodeći prstenovi uvijek podmazani.
3. ​Raspored krajeva klipnjače (izvana prema unutra):​
   • ​Brtva brisača​
   • ​Brtva šipke​
   • ​Puferska brtva(nije nužno potrebno u ovom primjeru, prikazano radi demonstracije)
   • ​Vodilica šipke​

​Zaključak​

Uspješno projektiranje hidrauličkog cilindra je sustavni inženjerski proces koji se mora pridržavati sljedeće osnovne logike:

1. ​Definirajte radne uvjete:Odredite tlak, brzinu, opterećenje, okolinu itd.
2. ​Precizan odabir komponenti:Odaberite odgovarajuća rješenja za brtvljenje i vođenje na temelju uvjeta. Preporučuje se konzultiranje kataloga i vodiča za primjenu glavnih proizvođača (npr. SKF, Parker).
3. ​Precizan izračun:Izvršite rigoroznu analizu tolerancije kako biste osigurali da "razmak ekstruzije" ispunjava zahtjeve u svim proizvodnim varijacijama.
4. ​Stroga kontrola proizvodnje:Odredite i osigurajte zahtjeve za površinsku obradu i tvrdoću za kritične komponente.

Sustavnom primjenom ovih načela mogu se konstruirati hidraulički cilindri koji su učinkoviti, pouzdani i dugotrajni.