Un ghid profesional pentru proiectarea cilindrilor hidraulici: de la selecția etanșărilor la analiza toleranțelor

Cilindrul hidraulic este actuatorul unui sistem hidraulic, iar fiabilitatea sa în proiectare determină în mod direct performanța și durata de viață a întregului sistem. Acest articol analizează principiile de bază ale proiectării cilindrilor hidraulici, începând cu componentele sale cheie pentru a oferi o analiză aprofundată a aspectelor critice, cum ar fi elementele esențiale de proiectare, criteriile de selecție și controlul crucial al toleranței de fabricație a sistemelor de etanșare și ghidare.

​1. Principiul de funcționare și componentele principale​

Un cilindru hidraulic este în esență un dispozitiv care transformă energia hidraulică în energie mecanică liniară. Principalele sale componente includ:

• ​Cilindru cilindric:Recipientul sub presiune cu miez, un tub gol din oțel cu o suprafață internă de înaltă calitate.
• ​Piston și tijă de piston:Componentele de transmisie a puterii care efectuează o mișcare alternativă sub acțiunea uleiului sub presiune.
• ​Capace de capăt (cap și capac):Sigilați țeava și asigurați ghidarea și interfețele de montare.
• ​Sistem de etanșare:„Linia de salvare” a cilindrului, responsabilă pentru prevenirea scurgerilor interne și externe.
• ​Sistem de ghidare:Asigură concentricitatea pieselor mobile, rezistă la sarcini radiale și previne contactul metal pe metal.

Pe baza metodei de acționare, cilindrii se clasifică înAcțiune simplă(extinsă prin presiune, retrasă de o forță externă sau de gravitație) sauAcțiune dublă(atât extensia, cât și retragerea sunt controlate de presiunea uleiului). Această diferență fundamentală influențează direct alegerea etanșărilor pistonului.

​2. Sistemul de etanșare hidraulică: Funcție, selecție și aranjament​

Etanșările sunt clasificate în „dinamice” (între piese cu mișcare relativă) și „statice” (între piese fixe).

​2.1 Explicația principalelor etanșări dinamice:​

• ​Garnitura pistonului:Etanșarea dinamică critică previne scurgerile interne prin piston.
  • ​Etanșare tip U-Cup:O etanșare cu acțiune simplă; presiunea face ca buza să se extindă și să intre în contact cu suprafețele de contact. Cilindrii cu acțiune dublă necesită două cupe în formă de U instalate spate în spate.
  • ​Etanșare cu acțiune dublă (etanșare compusă):De obicei, constă dintr-un energizator elastomer și un inel glisant (de exemplu, PTFE). PTFE oferă un coeficient de frecare foarte scăzut și o durată lungă de viață, potrivită pentru aplicații de mare viteză și presiune ridicată. Versiunile de înaltă calitate integreazăinele anti-extrudaresă reziste la presiuni extreme (de exemplu, 690 bar).
  • ​Inel O cu inele de rezervă:Potrivit doar pentru aplicații de joasă presiune (<100 bar).Inele de rezervăsunt esențiale pentru a preveni forțarea materialului de etanșare moale în spațiul componentei sub presiune ridicată - fenomen cunoscut sub numele de „eșec prin extrudare”.
• ​Etanșare tijă:Etanșarea principală a sistemului, situată în capacul frontal, care previne scurgerile de ulei sub presiune în atmosferă. De obicei, o etanșare cu acțiune simplă, precum o cupă în formă de U.
• ​Etanșare tampon:Poziționată înaintea etanșării tijei, scopul său nu este de a asigura o etanșare perfectă, ci de a amortiza vârfurile de presiune, protejând astfel etanșarea principală a tijei și prelungindu-i durata de viață. De obicei, este fabricată dintr-un material mai moale decât etanșarea principală.
• ​Garnitură de ștergător (răzuitor):Prima linie de apărare, situată pe partea exterioară a capacului terminal. Raclează contaminanții de pe tija pistonului în timp ce se retrage, protejând toate componentele interne.

​2.2 Etanșări statice:Se utilizează între conexiuni fixe (de exemplu, tija pistonului la piston, capacul de capăt la cilindru), de obicei inele O.

​2.3 Inele de ghidare:Funcția lor esteîndrumare, nu sigilareFabricate din materiale cu frecare redusă și rezistență la uzură (de exemplu, poliamidă, PTFE), acestea suportă sarcini radiale și previn contactul direct metal pe metal. Pistoanele folosesc adesea inele de ghidare la ambele capete pentru o stabilitate optimă.

​3. Parametru critic de proiectare: Analiza golurilor de extrudare și a toleranțelor​

Aceasta este esența proiectării cilindrilor și determină în mod direct durata de viață a etanșării.

• ​Spațiu de extrudare (E-Gap):Jocul radial maxim admisibil dintre piston și alezajul cilindrului (sau dintre tija pistonului și capacul final). Un joc excesiv poate determina extrudarea buzei de etanșare în joc sub presiune ridicată, ducând la defecțiuni permanente.
• ​Distanță maximă admisă între e-uri:Această valoare depinde dematerialul de etanșare, duritatea, presiunea de lucru și temperaturași trebuie obținute din fișa tehnică a producătorului etanșării. De exemplu, o anumită etanșare poate permite un spațiu de 0,6 mm la 100 bar, dar numai 0,2 mm la 350 bar.
• ​Analiza toleranței în practică:​
  1. Definiți toleranțele componentelor: de exemplu, alezajul cilindrului este adesea H7, tija pistonului este adesea f8.
  2. ​Luați în considerare scenariul cel mai defavorabil (Starea cea mai puțin materială – LMC):Acesta este momentul în care pistonul are diametrul cel mai mic, iar alezajul cilindrului este cel mai mare.
  3. ​Retrocalcularea dimensiunilor de proiectare:Pentru a se asigura că jocul maxim posibil nu depășește jocul E, diametrul minim admis al pistonului trebuie calculat pe baza dimensiunii maxime posibile a alezajului. Toleranțele de fabricație pentru piston sunt apoi definite în consecință.

​4. Cerințe de fabricație și tratare a suprafețelor​

• ​Alezajul cilindrului:Finisajul suprafeței trebuie să fie Rz 0,4 – 2 μm, obținut de obicei prin honuire sau lustruire cu rola.
• ​Tija pistonului:Finisajul suprafeței trebuie să aibă Ra 0,4 – 2 μm. Trebuie să fiecălit prin cementare (Duritate ≥ 50 HRC, adâncime 1,2-2,5 mm)șiplacat cu crom dur (20-30 μm)pentru a asigura rezistența la uzură și coroziune.

​5. Exemplu de design și logică de aranjare​

Folosind ca exemplu un cilindru cu dublă acțiune cu o capacitate de 20 de tone și o presiune de lucru de 100 bar (alezaj: 180 mm, tijă: 80 mm):

1. ​Selecția etanșării pistonului:Garnituri în formă de U, eficiente din punct de vedere al costurilor și ușor de găsit, instalate spate în spate.
2. ​Ghidare piston:Segmente de ghidare dedicate pentru piston sunt plasate la ambele capete ale pistonului, cu garniturile între ele. Această configurație oferă o stabilitate optimă a ghidării și asigură că segmentele de ghidare sunt întotdeauna lubrifiate.
3. ​Aranjamentul capetelor de tijă (de la exterior la interior):​
   • ​Garnitură de ștergător​
   • ​Garnitură de tijă​
   • ​Garnitură tampon(nu este strict necesar în acest exemplu, este prezentat pentru demonstrație)
   • ​Inel de ghidare a tijei​

​Concluzie​

Proiectarea cu succes a unui cilindru hidraulic este un proces ingineresc sistematic care trebuie să respecte următoarea logică de bază:

1. ​Definiți condițiile de operare:Determinați presiunea, viteza, sarcina, mediul etc.
2. ​Selecție precisă a componentelor:Alegeți soluțiile de etanșare și ghidare adecvate în funcție de condiții. Consultarea cataloagelor și a ghidurilor de aplicare de la principalii producători (de exemplu, SKF, Parker) este foarte recomandată.
3. ​Calcul precis:Efectuați o analiză riguroasă a toleranțelor pentru a vă asigura că „distanța de extrudare” îndeplinește cerințele în toate variantele de fabricație.
4. ​Control strict al fabricației:Specificați și asigurați cerințele de tratament al suprafeței și de duritate pentru componentele critice.

Prin aplicarea sistematică a acestor principii, se pot proiecta cilindri hidraulici eficienți, fiabili și de lungă durată.