Profesjonalny przewodnik po projektowaniu cylindrów hydraulicznych: od wyboru uszczelnienia do analizy tolerancji

Siłownik hydrauliczny jest elementem wykonawczym układu hydraulicznego, a jego niezawodność konstrukcyjna bezpośrednio decyduje o wydajności i trwałości całego układu. Niniejszy artykuł omawia podstawowe zasady projektowania siłowników hydraulicznych, zaczynając od ich kluczowych komponentów, aby zapewnić dogłębną analizę kluczowych aspektów, takich jak podstawowe założenia konstrukcyjne, kryteria wyboru oraz kluczowa kontrola tolerancji produkcyjnych układów uszczelnień i prowadzenia.

​1. Zasada działania i główne komponenty​

Siłownik hydrauliczny to zasadniczo urządzenie, które zamienia energię hydrauliczną na liniową energię mechaniczną. Jego główne elementy obejmują:

• ​Lufa cylindryczna:​​Naczynie ciśnieniowe rdzenia, pusta stalowa rura o starannie wykończonej powierzchni wewnętrznej.
• ​Tłok i tłoczysko:​Elementy układu przeniesienia napędu, które wykonują ruch posuwisto-zwrotny pod wpływem oleju pod ciśnieniem.
• ​Zaślepki (głowa i zaślepka):​Uszczelnij lufę i zapewnij interfejsy prowadzące i montażowe.
• ​System uszczelniający:​„Linia życia” cylindra, odpowiadająca za zapobieganie wyciekom wewnętrznym i zewnętrznym.
• ​System naprowadzania:​Zapewnia współosiowość ruchomych części, wytrzymuje obciążenia promieniowe i zapobiega kontaktowi metalu z metalem.

Ze względu na sposób działania cylindry klasyfikuje się jako:Jednostronnego działania(rozciągnięty pod wpływem nacisku, skurczony pod wpływem siły zewnętrznej lub grawitacji) lubDwustronnego działania(zarówno wysuwanie, jak i cofanie tłoka jest kontrolowane przez ciśnienie oleju). Ta zasadnicza różnica ma bezpośredni wpływ na dobór uszczelnień tłoka.

​2. Układ uszczelnienia hydraulicznego: funkcja, dobór i układ​

Uszczelnienia dzielimy na „dynamiczne” (pomiędzy częściami poruszającymi się względnym ruchem) i „statyczne” (pomiędzy częściami nieruchomymi).

​2.1 Wyjaśnienie kluczowych uszczelnień dynamicznych:​​

• ​Uszczelka tłoka:​Krytyczne uszczelnienie dynamiczne zapobiegające wewnętrznemu przeciekowi przez tłok.
  • ​Uszczelka typu U-Cup:​Uszczelnienie jednostronnego działania; pod wpływem ciśnienia warga rozszerza się i styka z powierzchniami styku. Cylindry dwustronnego działania wymagają dwóch uszczelek U-kształtnych zamontowanych tyłem do siebie.
  • ​Uszczelnienie dwustronnego działania (uszczelnienie złożone):​Zazwyczaj składa się z elastomerowego elementu aktywującego i pierścienia ślizgowego (np. PTFE). PTFE oferuje bardzo niski współczynnik tarcia i długą żywotność, co czyni go odpowiednim do zastosowań wymagających dużej prędkości i wysokiego ciśnienia. Wersje high-end są zintegrowane.pierścienie antywyciskowe​ aby wytrzymać ekstremalne ciśnienia (np. 690 bar).
  • ​Pierścień uszczelniający z pierścieniami zapasowymi:​Nadaje się wyłącznie do zastosowań niskociśnieniowych (<100 bar).Pierścienie zapasowesą niezbędne, aby zapobiec wtłoczeniu miękkiego materiału uszczelniającego do szczeliny między elementami pod wpływem wysokiego ciśnienia — zjawiska znanego jako „niepowodzenia podczas wytłaczania”.
• ​Uszczelnienie pręta:​Główne uszczelnienie układu, znajdujące się w przedniej pokrywie, zapobiega wyciekaniu oleju pod ciśnieniem do atmosfery. Zazwyczaj jest to uszczelnienie jednostronnego działania, takie jak uszczelka typu U-Cup.
• ​Uszczelnienie buforowe:​Umieszczony przed uszczelnieniem tłoczyska, jego zadaniem nie jest zapewnienie idealnego uszczelnienia, lecz tłumienie skoków ciśnienia, chroniąc w ten sposób główne uszczelnienie tłoczyska i wydłużając jego żywotność. Zazwyczaj jest wykonany z bardziej miękkiego materiału niż uszczelnienie główne.
• ​Uszczelka wycieraczki (skrobak):​Pierwsza linia obrony, zlokalizowana na zewnętrznej stronie zaślepki, usuwa zanieczyszczenia z tłoczyska podczas jego cofania, chroniąc wszystkie elementy wewnętrzne.

​2.2 Uszczelnienia statyczne:​Stosowane między stałymi połączeniami (np. tłoczysko-tłok, zaślepka-cylinder), zwykle pierścienie uszczelniające typu O.

​2.3 Pierścienie prowadzące:​Ich funkcją jestprowadzenie, a nie uszczelnianieWykonane z materiałów o niskim tarciu i odporności na zużycie (np. poliamidu, PTFE), przenoszą obciążenia promieniowe i zapobiegają bezpośredniemu kontaktowi metalu z metalem. Tłoki często posiadają pierścienie prowadzące na obu końcach dla zapewnienia optymalnej stabilności.

​3. Krytyczny parametr projektu: analiza szczeliny wytłaczania i tolerancji​

Stanowi to istotę konstrukcji cylindra i bezpośrednio decyduje o trwałości uszczelnienia.

• ​Szczelina wytłaczania (E-Gap):​Maksymalny dopuszczalny luz promieniowy między tłokiem a otworem cylindra (lub między tłoczyskiem a pokrywą końcową). Nadmierny luz może spowodować wtłoczenie wargi uszczelniającej w szczelinę pod wysokim ciśnieniem, co prowadzi do trwałego uszkodzenia.
• ​Maksymalna dopuszczalna szczelina E:​Wartość ta zależy odmateriał uszczelnienia, twardość, ciśnienie robocze i temperaturai należy je uzyskać z karty katalogowej producenta uszczelki. Na przykład, konkretna uszczelka może dopuszczać szczelinę 0,6 mm przy ciśnieniu 100 barów, ale tylko 0,2 mm przy ciśnieniu 350 barów.
• ​Analiza tolerancji w praktyce:​​
  1. Określ tolerancje komponentów: np. średnica cylindra to często H7, tłoczysko to często f8.
  2. ​Rozważ najgorszy scenariusz (warunek najmniejszej ilości materiałów – LMC):​Dzieje się tak, gdy tłok ma najmniejszą średnicę, a otwór cylindra jest największy.
  3. ​Oblicz wymiary projektu wstecz:​Aby zapewnić, że maksymalna możliwa szczelina nie przekroczy szczeliny E, minimalną dopuszczalną średnicę tłoka należy obliczyć na podstawie maksymalnego możliwego rozmiaru otworu. Następnie określa się tolerancje produkcyjne tłoka.

​4. Wymagania dotyczące produkcji i obróbki powierzchni​

• ​Średnica cylindra:​Wykończenie powierzchni musi wynosić Rz 0,4 – 2 μm, co zwykle uzyskuje się przez honowanie lub polerowanie wałkiem.
• ​Tłoczysko:​​ Wykończenie powierzchni musi mieć Ra 0,4 – 2 μm. Musi być ​utwardzane powierzchniowo (twardość ≥ 50 HRC, głębokość 1,2-2,5 mm)​ichromowane na twardo (20-30 μm)​aby zapewnić odporność na zużycie i korozję.

​5. Przykład projektu i logika aranżacji​

Jako przykład wykorzystano siłownik dwustronnego działania o udźwigu 20 ton i ciśnieniu roboczym 100 barów (średnica otworu: 180 mm, tłoczysko: 80 mm):

1. ​Wybór uszczelki tłoka:​​Ekonomiczne i łatwo dostępne uszczelki typu U-cup, montowane tyłem do siebie.
2. ​Prowadzenie tłoka:​Dedykowane pierścienie prowadzące tłoka umieszczone są na obu końcach tłoka, a uszczelki pomiędzy nimi. Takie rozwiązanie zapewnia optymalną stabilność prowadzenia i gwarantuje, że pierścienie prowadzące są zawsze nasmarowane.
3. ​Układ końcówki drążka (od zewnątrz do wewnątrz):​​
   • ​Uszczelka wycieraczki​
   • ​Uszczelnienie pręta​
   • ​Uszczelka buforowa(w tym przykładzie nie jest to konieczne, pokazano to dla celów demonstracyjnych)
   • ​Pierścień prowadzący pręta​

​Wniosek​

Udany projekt cylindra hydraulicznego to systematyczny proces inżynieryjny, który musi być zgodny z następującą podstawową logiką:

1. ​Zdefiniuj warunki operacyjne:​Określ ciśnienie, prędkość, obciążenie, środowisko itp.
2. ​Precyzyjny dobór komponentów:​Wybierz odpowiednie rozwiązania uszczelnień i prowadnic w zależności od warunków. Zaleca się zapoznanie z katalogami i poradnikami aplikacyjnymi czołowych producentów (np. SKF, Parker).
3. ​Dokładne obliczenia:​Przeprowadź rygorystyczną analizę tolerancji, aby upewnić się, że „szczelina wytłaczania” spełnia wymagania wszystkich wariantów produkcyjnych.
4. ​Ścisła kontrola produkcji:​​ Określanie i zapewnianie wymagań dotyczących obróbki powierzchni i twardości kluczowych komponentów.

Dzięki systematycznemu stosowaniu tych zasad można projektować wydajne, niezawodne i trwałe cylindry hydrauliczne.