מדריך מקצועי לתכנון צילינדרים הידראוליים: מבחירת אטמים ועד ניתוח סבילות

הצילינדר ההידראולי הוא המפעיל של מערכת הידראולית, ואמינות התכנון שלו קובעת ישירות את הביצועים ואת חיי השירות של המערכת כולה. מאמר זה מתעמק בעקרונות הליבה של תכנון צילינדרים הידראוליים, החל במרכיביו המרכזיים כדי לספק ניתוח מעמיק של היבטים קריטיים כגון יסודות התכנון, קריטריוני הבחירה ובקרת סבילות ייצור קריטית של מערכות האיטום וההנחיה שלו.

​1. עקרון עבודה ורכיבים מרכזיים​

גליל הידראולי הוא למעשה מכשיר הממיר אנרגיה הידראולית לאנרגיה מכנית לינארית. רכיביו העיקריים כוללים:

• ​קנה צילינדר:כלי הלחץ הליבה, צינור פלדה חלול עם משטח פנימי גימור גבוה.
• ​בוכנה ומוט בוכנה:רכיבי העברת הכוח המבצעים תנועה הדדית תחת פעולת שמן בלחץ.
• ​מכסי קצה (ראש ומכסה):אטום את הקנה וספק הנחיה וממשקי הרכבה.
• ​מערכת איטום:"קו ההצלה" של הצילינדר, האחראי על מניעת דליפות פנימיות וחיצוניות.
• ​מערכת הנחיה:מבטיח את קונצנטריות החלקים הנעים, עומד בעומסים רדיאליים ומונע מגע מתכת במתכת.

בהתבסס על שיטת ההפעלה, צילינדרים מסווגים כיחיד-פעולה(נמתח על ידי לחץ, נסוג על ידי כוח חיצוני או כוח משיכה) אופעולה כפולה(גם הפיזור וגם הנסיגה נשלטות על ידי לחץ שמן). הבדל מהותי זה משפיע ישירות על בחירת אטמי הבוכנה.

​2. מערכת האיטום ההידראולית: תפקוד, בחירה וסידור​

אטמים מסווגים כ"דינמיים" (בין חלקים בתנועה יחסית) ו"סטטיים" (בין חלקים קבועים).

​2.1 הסבר על אטמים דינמיים מרכזיים:​

• ​אטם בוכנה:האטם הדינמי הקריטי מונע דליפה פנימית על פני הבוכנה.
  • ​אטם U-Cup:אטם חד-פעולי; לחץ גורם לשפה להתרחב ולגעת במשטחים המחברים. צילינדרים דו-פעוליים דורשים שני כוסות U המותקנות גב אל גב.
  • ​אטם כפול פעולה (אטם מורכב):מורכב בדרך כלל ממפעיל אלסטומר וטבעת הזזה (למשל, PTFE). PTFE מציע מקדם חיכוך נמוך מאוד וחיי שירות ארוכים, מתאים ליישומים במהירות גבוהה ובלחץ גבוה. גרסאות מתקדמות משלבותטבעות נגד שחוללעמוד בלחצים קיצוניים (למשל, 690 בר).
  • ​טבעת O עם טבעות גיבוי:מתאים רק ליישומים בלחץ נמוך (<100 בר).טבעות גיבויחיוניים כדי למנוע את איבוד החומר הרך לתוך פער הרכיב תחת לחץ גבוה - תופעה המכונה "כשל שחול".
• ​אטם מוט:אטם המערכת הראשי, הממוקם במכסה הקדמי, המונע דליפת שמן בלחץ לאטמוספירה. בדרך כלל אטם בעל פעולה יחידה כמו כוס U.
• ​אטם חיץ:ממוקם לפני אטם המוט, מטרתו אינה לספק אטימה מושלמת אלא לרכך קפיצות לחץ, ובכך להגן על אטם המוט הראשי ולהאריך את חייו. הוא עשוי בדרך כלל מחומר רך יותר מהאטם הראשי.
• ​אטם מגב (מגרד):קו ההגנה הראשון, הממוקם בצד החיצוני ביותר של מכסה הקצה. הוא מגרד מזהמים ממוט הבוכנה כשהוא נסוג, ומגן על כל הרכיבים הפנימיים.

​2.2 אטמים סטטיים:משמש בין חיבורים קבועים (למשל, מוט בוכנה לבוכנה, מכסה קצה לקנה), בדרך כלל טבעות O.

​2.3 טבעות מדריך:תפקידם הואהדרכה, לא איטוםעשויים מחומרים בעלי חיכוך נמוך ועמידים בפני שחיקה (למשל, פוליאמיד, PTFE), הם נושאים עומסים רדיאליים ומונעים מגע ישיר בין מתכת למתכת. בוכנות משתמשות לעתים קרובות בטבעות הנחיה בשני הקצוות ליציבות אופטימלית.

​3. פרמטר עיצוב קריטי: ניתוח פער וסבילות בשיחול​

זוהי מהות תכנון הצילינדר וקובעת ישירות את אורך חיי האטם.

• ​פער שחול (E-Gap):המרווח הרדיאלי המרבי המותר בין הבוכנה לקדח הצילינדר (או בין מוט הבוכנה למכסה הקצה). מרווח גדול מדי עלול לגרום לשפת האטם להיבלט לתוך המרווח תחת לחץ גבוה, מה שמוביל לכשל קבוע.
• ​פער E מקסימלי מותר:ערך זה תלוי ב-חומר אטם, קשיות, לחץ עבודה וטמפרטורה, ויש לקבלם מגיליון הנתונים של יצרן האטם. לדוגמה, אטם ספציפי עשוי לאפשר פער של 0.6 מ"מ ב-100 בר, אך רק 0.2 מ"מ ב-350 בר.
• ​ניתוח סבילות בפועל:​
  1. הגדירו סבולות רכיבים: לדוגמה, קדח הצילינדר הוא לרוב H7, מוט הבוכנה הוא לרוב f8.
  2. ​קחו בחשבון את התרחיש הגרוע ביותר (מצב חומרי מינימלי - LMC):זהו הזמן שבו הבוכנה נמצאת בקוטר הקטן ביותר שלה וקדח הצילינדר נמצא בגודלו.
  3. ​חישוב מידות עיצוב לאחור:כדי להבטיח שהפער המקסימלי האפשרי לא יעלה על פער ה-E, יש לחשב את קוטר הבוכנה המינימלי המותר על סמך גודל הקדח המקסימלי האפשרי. בהתאם לכך, סבולות הייצור של הבוכנה מוגדרות.

​4. דרישות ייצור וטיפול פני השטח​

• ​קוטר צילינדר:גימור פני השטח חייב להיות Rz 0.4 - 2 מיקרון, בדרך כלל מושג על ידי השחזה או ליטוש רולר.
• ​מוט בוכנה:גימור פני השטח חייב להיות Ra 0.4 - 2 מיקרון. הוא חייב להיותמוקשה (קשיות ≥ 50 HRC, עומק 1.2-2.5 מ"מ)ומצופה כרום קשה (20-30 מיקרון)כדי להבטיח עמידות בפני שחיקה וקורוזיה.

​5. דוגמת עיצוב ולוגיקת סידור​

דוגמה לכך היא צילינדר דו-פעולי בעל קיבולת של 20 טון ולחץ עבודה של 100 בר (קוטר: 180 מ"מ, מוט: 80 מ"מ):

1. ​בחירת אטם בוכנה:אטמי U-cup חסכוניים וזמינים בקלות, מותקנים גב אל גב.
2. ​הנחיית בוכנה:טבעות הנחיית בוכנה ייעודיות ממוקמות בשני קצוות הבוכנה, כאשר האטמים נמצאים ביניהן. סידור זה מספק יציבות הנחייה אופטימלית ומבטיח שטבעות ההנחיה יהיו משומנות תמיד.
3. ​סידור קצה המוט (מהחוץ פנימה):​
   • ​אטם מגב​
   • ​אטם מוט​
   • ​חותם חיץ(לא הכרחי לחלוטין בדוגמה זו, מוצג להמחשה)
   • ​טבעת מדריך מוט​

​מַסְקָנָה​

תכנון מוצלח של צילינדרים הידראוליים הוא תהליך הנדסי שיטתי שחייב לדבוק בהיגיון הליבה הבא:

1. ​הגדר את תנאי ההפעלה:קבע לחץ, מהירות, עומס, סביבה וכו'.
2. ​בחירת רכיבים מדויקת:בחרו את פתרונות האיטום וההכוונה המתאימים בהתאם לתנאים. מומלץ מאוד להתייעץ עם קטלוגים ומדריכי יישום של יצרנים גדולים (למשל, SKF, Parker).
3. ​חישוב מדויק:בצעו ניתוח סבילות קפדני כדי להבטיח ש"פער האקסטרוזיה" עומד בדרישות תחת כל וריאציות הייצור.
4. ​בקרת ייצור קפדנית:ציין והבטח דרישות טיפול פני השטח וקשיות עבור רכיבים קריטיים.

על ידי יישום שיטתי של עקרונות אלה, ניתן לתכנן צילינדרים הידראוליים יעילים, אמינים ועמידים לאורך זמן.