Практическая последовательность расчета усилия и выбора штока, уплотнений, демпфирования и рабочих параметров
Аннотация: Подбор гидроцилиндра начинается с условий работы. Затем по нагрузке и давлению определяют диаметры поршня и штока, проверяют ход и крепление, выбирают уплотнения, рабочую жидкость и дополнительные устройства. В статье сохранены расчетный пример и числовые справочные таблицы исходного материала.
Гидроцилиндр преобразует энергию рабочей жидкости в механическое движение. Поэтому одного соответствия номинальному усилию недостаточно: цилиндр должен вписываться в машину, выдерживать условия эксплуатации и обеспечивать требуемое перемещение нагрузки. У прецизионного станка и тяжелой строительной машины эти требования существенно различаются.
Ошибочный подбор снижает эффективность, приводит к повторным отказам и создает риски для безопасности. Последовательность выбора должна связывать нагрузку со всей системой: сначала определяют режим работы, затем давление и размеры, после чего проверяют крепление, управление и защиту.
Числовые рекомендации ниже взяты из предоставленного материала и служат справочными данными для соответствующего исполнения цилиндра и применения. Неполные значения и неоднозначные обозначения вынесены в редакторские примечания.
1. Определите условия эксплуатации
До выбора серии зафиксируйте требуемые толкающее и тянущее усилия, характер движения, доступное монтажное пространство и окружающие условия. Ряд факторов одновременно влияет на уплотнения, материалы и конструктивные решения.
| Условие эксплуатации | Что проверить |
|---|---|
| Высокая точность позиционирования или движения | Для сервогидроцилиндров и других цилиндров среднего и высокого давления с требованием низкого давления страгивания проверить систему уплотнений, материалы деталей и конструктивные особенности. |
| Заданное удержание давления или требование отсутствия утечек | Оценить уплотнения и свойства материалов применительно к конкретному требованию. |
| Среднее или низкое давление при скорости возвратно-поступательного движения, указанной как ≥70–80 мм/с | Проверить уплотнения, материалы, соединительные элементы и точность сопряжений. |
| Среднее и высокое либо высокое давление при скорости, указанной как ≥100–120 мм/с | Проверить те же элементы: уплотнения, материалы, соединения и точность сопряжений. |
| Высокочастотная вибрация | Проверить свойства материалов, соединения и детали конструкции. |
| Обледенение при низкой температуре, загрязнение или высокая запыленность | Оценить уплотнения, материалы, обработку поверхности штока и общую защиту изделия. |
| Водяные брызги, кислотный или соляной туман | Проверить те же элементы, уделяя особое внимание защите поверхностей. |
Рабочая жидкость, температура и чистота
В исходном материале обычной рабочей жидкостью считается минеральное масло. При использовании другой жидкости необходимо проверить ее совместимость с уплотнениями и материалами всех деталей.
Рекомендованы противоизносные гидравлические масла № 32 и № 46. Предпочтительная температура масла составляет 20–55 °C; эксплуатация при температуре масла ниже 15 °C или выше 70 °C в источнике запрещена. Для достижения требуемого диапазона предусматривают предварительный подогрев или охлаждение. Указан также интервал замены масла 1–6 месяцев с очисткой бака и удалением загрязнений.
Поддерживайте чистоту жидкости и не допускайте ухудшения ее свойств. Источник предупреждает, что загрязнения могут засорять всасывающий фильтр, усиливать шум и сокращать ресурс насоса.
Отдельно для нормальной температуры окружающей среды или рабочей среды приведен диапазон от −20 до +80 °C. За его пределами необходимо оценивать уплотнения, материалы и систему охлаждения. Этот более широкий диапазон не отменяет указанные выше ограничения температуры масла.
2. Согласуйте давление с нагрузкой и типом машины
Отправная точка — нагрузка F. Но при выборе давления также учитывают монтажное пространство, стоимость и доступность компонентов.
При неизменной нагрузке снижение давления требует увеличения эффективной площади поршня. Цилиндр становится крупнее, что затрудняет размещение и увеличивает расход материала. Повышение давления уменьшает требуемую площадь, но усиливает требования к насосу, цилиндру, клапанам, уплотнениям и точности изготовления. Стоимость оборудования при этом может возрасти.
Для стационарного оборудования без жестких ограничений по габаритам источник рекомендует относительно низкое давление. Для мобильной техники и тяжелых нагрузок обычно требуется более высокое.
Справочное давление по нагрузке и типу машины
Справочные значения по нагрузке
| Нагрузка (т) | Рабочее давление (МПа) |
|---|---|
| 0.5 | 0.1–1 |
| 0.5–1 | 1.5–2 |
| 1–2 | 2.5–3 |
| 2–3 | 3–4 |
| 3–5 | 4–5 |
| 5 | Больше [число в источнике отсутствует] |
Справочные значения по типу машины
| Тип машины | Расчетное давление (МПа; единица выведена из контекста) |
|---|---|
| Станки для чистовой обработки, например шлифовальные | 0.8–2 |
| Станки для получистовой обработки | 3–5 |
| Продольно-строгальные станки | 2–8 |
| Протяжные станки | 8–10 |
| Сельскохозяйственные машины; малые строительные машины | 10–16 |
| Гидравлические прессы; средние и крупные экскаваторы; машины среднего размера; подъемно-транспортные машины | 20–32 |
| Геологическое оборудование; металлургические машины; путевые машины для обслуживания железных дорог | 25–100 |
В исходной таблице типов машин единица давления не напечатана. Здесь использованы МПа исходя из контекста; перед техническим применением единицу необходимо подтвердить.
В качестве предварительного ориентира источник также приводит обычно ≤21 МПа. При этом таблица типов машин содержит и более высокие давления. Следовательно, этот ориентир относится к соответствующему контексту и не является общим пределом для всех перечисленных применений.
3. Рассчитайте диаметр поршня и подберите шток
После определения расчетного давления и требуемого усилия находят эффективную площадь поршня, а затем внутренний диаметр цилиндра:
Толкающее усилие: F1 = A1 × P1 × β
Тянущее усилие: F2 = A2 × P2 × β
A1 = (π/4) × D² = 0,785 × D²
A2 = (π/4) × (D² − d²) = 0,785 × (D² − d²)
| Обозначение | Значение | Единица или определение |
|---|---|---|
| F1 | Усилие выдвижения, толкающее усилие | кгс в данной системе расчета |
| F2 | Усилие втягивания, тянущее усилие | кгс в данной системе расчета |
| A1 | Эффективная площадь поршня со стороны выдвижения | см² |
| A2 | Эффективная кольцевая площадь со стороны втягивания | см² |
| D | Внутренний диаметр цилиндра, равный диаметру поршня | см |
| d | Диаметр штока | см |
| P1 | Рабочее давление при выдвижении | кгс/см² |
| P2 | Рабочее давление при втягивании | кгс/см² |
| β | Коэффициент нагрузки, принятый в источнике | 0,8 при малой инерции; 0,6 при большой инерции |
Фактическое усилие гидроцилиндра ниже теоретического. В исходной методике это учитывается коэффициентом β = 80% для малоинерционных режимов и β = 60% для режимов с большой инерцией. После применения этого коэффициента результат уже нельзя обозначать как теоретическое усилие из таблицы.
Пример: диаметр цилиндра для усилия 1 000 кгс
В источнике указаны усилие «1 000 кг», рабочее давление 70 кгс/см² и β = 0,8. Для согласованности размерностей усилие здесь записано как 1 000 кгс.
A1 = F1 / (P1 × β)
= 1 000 / (70 × 0,8)
= 17,86 см²
D² = 17,86 / 0,785 = 22,75 см²
D = √22,75 ≈ 4,8 см = 48 мм
Выбранный стандартный диаметр: 50 мм
Выбирайте стандартный диаметр. Источник отмечает, что меньший диаметр позволяет снизить стоимость, однако требуемое усилие должно быть обеспечено.
Также приведена зависимость давления от площади:
P = 4F / (π × D²)
В ней используется площадь круглого поршня. Соблюдайте согласованность единиц и отличайте эту запись от приведенной выше формулы с явным учетом β.
Предварительное соотношение диаметров штока и поршня
| Давление P | Предварительный диаметр штока d |
|---|---|
| P ≤10 МПа | d = 0,5D |
| P = 12,5–20 МПа | d = 0,56D |
| P >20 МПа | d = 0,71D |
Для интервала 10 < P <12,5 МПа источник не задает соотношение. Этот пробел нельзя незаметно заполнять интерполяцией.
Таблицы теоретического усилия выдвижения и втягивания
Для удобства исходная общая таблица разделена на две. Диаметры цилиндра и штока указаны в мм, давление в заголовках — в кгс/см². В оригинале усилие обозначено «кг»; числа сохранены без изменений и в контексте усилия трактуются как кгс. Коэффициент β не учтен. Некоторые исходные значения требуют проверки.
Теоретическое усилие втягивания, тянущее (кгс)
Давление в каждом столбце: кгс/см². D — внутренний диаметр цилиндра; d — диаметр штока.
| D (мм) | d (мм) | 30 | 50 | 70 | 100 | 140 | 160 | 210 | 250 | 315 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 40 | 20 | 282 | 470 | 658 | 940 | 1316 | 1504 | 1974 | 2360 | 2970 |
| 50 | 25 | 441 | 435 | 1029 | 1470 | 2058 | 2352 | 3087 | 3680 | 4640 |
| 63 | 30 | 723 | 1205 | 1687 | 2410 | 3374 | 3856 | 5601 | 6030 | 7600 |
| 80 | 40 | 1131 | 1885 | 2633 | 3770 | 5278 | 6032 | 7917 | 9430 | 11880 |
| 100 | 50 | 1767 | 2946 | 4124 | 5891 | 8247 | 9425 | 12370 | 14730 | 18560 |
| 125 | 60 | 2833 | 4722 | 6611 | 9444 | 13222 | 15110 | 19830 | 23610 | 29750 |
| 150 | 70 | 4147 | 6911 | 9675 | 13822 | 19351 | 22115 | 29026 | 34560 | 43550 |
| 180 | 80 | 6126 | 10210 | 14295 | 20421 | 28589 | 32674 | 42884 | 51000 | 64320 |
| 200 | 100 | 7067 | 11781 | 16493 | 23562 | 32987 | 37699 | 49480 | 58900 | 74200 |
| 250 | 140 | 10108 | 16847 | 23586 | 33694 | 47172 | 53910 | 70757 | 84250 | 106100 |
| 300 | 180 | 13572 | 22620 | 31667 | 45239 | 63335 | 72382 | 95002 | 113100 | 142500 |
| 320 | 200 | 14700 | 24500 | 34300 | 49000 | 68600 | 78400 | 102900 | 122500 | 154400 |
| 350 | 220 | 17500 | 29100 | 40700 | 58200 | 81500 | 93100 | 122200 | 145500 | 183300 |
| 400 | 280 | 19200 | 32000 | 44900 | 64100 | 89700 | 102600 | 134600 | 160000 | 201900 |
Теоретическое усилие выдвижения, толкающее (кгс)
Давление в каждом столбце: кгс/см². D — внутренний диаметр цилиндра; d — диаметр штока.
| D (мм) | d (мм) | 30 | 50 | 70 | 100 | 140 | 160 | 210 | 250 | 315 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 40 | 20 | 378 | 630 | 882 | 1260 | 1764 | 2016 | 2646 | 3150 | 3960 |
| 50 | 25 | 588 | 980 | 1372 | 1960 | 2744 | 3136 | 4116 | 4910 | 6190 |
| 63 | 30 | 936 | 1560 | 2184 | 3120 | 4368 | 4992 | 6552 | 7800 | 9820 |
| 80 | 40 | 1509 | 2515 | 3521 | 5030 | 7052 | 8248 | 10563 | 12570 | 15830 |
| 100 | 50 | 2356 | 3927 | 5498 | 7854 | 11100 | 12566 | 16493 | 19640 | 24740 |
| 125 | 60 | 3682 | 6136 | 8590 | 12272 | 17180 | 19625 | 25770 | 30680 | 38660 |
| 150 | 70 | 5301 | 8835 | 12369 | 17670 | 24738 | 28272 | 37107 | 44200 | 55680 |
| 180 | 80 | 7634 | 12724 | 17813 | 25447 | 35626 | 40715 | 53439 | 63600 | 80160 |
| 200 | 100 | 9425 | 15708 | 21991 | 31416 | 43982 | 50266 | 65974 | 78500 | 99000 |
| 250 | 140 | 14726 | 22544 | 31562 | 49088 | 68723 | 72141 | 94685 | 122700 | 154600 |
| 300 | 180 | 21206 | 35343 | 49480 | 70686 | 98960 | 113097 | 118440 | 176700 | 222700 |
| 320 | 200 | 24100 | 40210 | 56300 | 80400 | 112600 | 128700 | 168900 | 201000 | 253400 |
| 350 | 220 | 28800 | 48200 | 67300 | 96000 | 134700 | 154000 | 202000 | 240600 | 303000 |
| 400 | 280 | 37700 | 62800 | 88000 | 125700 | 176000 | 201000 | 264000 | 314200 | 395800 |
4. Рассматривайте ход и крепление совместно
Необходимое перемещение определяет рабочий ход. Допуски монтажных размеров и положения в начале и конце движения определяют дополнительный запас:
S = Smax + ΔS
ΔS = ΔS1 + ΔS2 + ΔS3
Smax — фактический максимальный рабочий ход; ΔS1 компенсирует погрешности изготовления монтажных размеров системы; ΔS2 обеспечивает необходимый запас в начале хода; ΔS3 — в конце.
Если требуется демпфирование, общий запас желательно свести к практически необходимому минимуму: он непосредственно влияет на работу демпфирования. Для длинноходных цилиндров, превышающих допустимый ход серии, и специальных режимов проверяют устойчивость с учетом нагрузки и крепления. Очень короткий ход также необходимо сверять с минимальным значением, допустимым для выбранной серии и исполнения крепления.
Фланцевое крепление: совместите оси нагрузки и опоры
Передний, промежуточный и задний фланцы обеспечивают неподвижное крепление, когда линия действия силы совпадает с осью опоры.
Положение фланца выбирают по преобладающей нагрузке: сжатие при выдвижении либо растяжение при втягивании. Источник рекомендует задний или промежуточный фланец для толкающей нагрузки, передний или промежуточный — для тянущей. Окончательное решение должно учитывать компоновку машины и продольную устойчивость цилиндра при длинном ходе под сжимающей нагрузкой.
Шарнирное крепление: обеспечьте следование механизму
Задняя проушина, задняя вилка с двумя щеками, а также передние, промежуточные и задние цапфы применяются, когда приводимое звено движется по криволинейной траектории в одной плоскости. При угловом перемещении поворачивающее действие зависит от усилия цилиндра, плеча рычага и угла между рычагом и креплением цилиндра.
Проушины и вилки. В источнике перечислены задние одиночные проушины, задние вилки, приварные проушины и приварные вилки. Задняя проушина — распространенный вариант для ограниченного бокового углового отклонения. Единица угла в оригинале неоднозначна; см. примечания. На заднем и штоковом концах возможны сферические подшипники скольжения с учетом допустимой сжимающей нагрузки.
Задняя вилка допускает разные углы в одной плоскости движения. При длинном ходе и толкающей нагрузке необходимо оценивать боковые усилия и изгиб, связанные с собственным весом цилиндра и схемой нагружения штока.
Цапфы. Часто применяют неподвижные промежуточные цапфы. Их положение между передним и задним концами выбирают для уравновешивания веса цилиндра либо по компоновке. Цапфы должны воспринимать срез, а не изгиб. Применяют жесткие опоры одинаковой длины с общей осью; подшипники располагают как можно ближе к заплечикам цапф, чтобы уменьшить изгибные напряжения.
Задние цапфы выбирают по принципам, близким к задней вилке. Передние цапфы подходят для подъема с относительно небольшим плечом по сравнению с промежуточной или задней шарнирной опорой. При длинном ходе учитывают вес подвешенного цилиндра. Для такого переднего цапфового крепления источник рекомендует ход не более 5 диаметров цилиндра.
Крепление на лапах: учитывайте опрокидывающий момент
Передние, задние и приварные лапы дают неподвижное крепление, плоскость которого смещена относительно оси цилиндра. Возникающий опрокидывающий момент создает значительную боковую нагрузку на шток при недостаточно жестком закреплении или неправильном направлении нагрузки.
Точно позиционируйте и надежно закрепляйте опоры, обеспечивая надлежащие направляющие для нагрузки. В источнике также выделены торцевое и боковое расположения лап.
5. Определите демпфирование, присоединения и функции клапанов
Демпфирование в конце хода
В исходном материале указаны три случая:
- Поршень проходит полный ход в обоих направлениях со скоростью выше 100 мм/с: требуется демпфирование с двух сторон.
- Поршень подходит к крайнему положению в одном направлении со скоростью выше 100 мм/с: выбирают демпфирование на соответствующей стороне либо с двух сторон.
- Иные специальные условия требуют демпфирования.
Вид присоединения и проходное сечение
Присоединения с внутренней резьбой, фланцевые и специальные исполнения выбирают по системе трубопроводов.
Проходное сечение определяют после установления расхода в соединительной линии. Источник обычно ограничивает скорость жидкости в порте значением 5 м/с и требует учитывать соотношение скоростей выдвижения и втягивания.
Удержание давления, поддержание нагрузки и гидравлическая блокировка
Золотниковые распределители имеют утечки через зазоры, поэтому в источнике они рассматриваются как средство лишь кратковременного удержания давления. Для длительного удержания можно добавить гидрозамок — управляемый обратный клапан с плотным закрытием запорного элемента на седле.
В вертикальном цилиндре утечки через клапаны и трубопроводы могут привести к опусканию поршня и штока под собственным весом. Гидрозамок в линии нижней полости позволяет удерживать поршень и связанные с ним части, например ползун, от опускания.
Для гидравлической блокировки описаны два управляемых обратных клапана. При нейтральном положении распределителя оба закрываются, запирая жидкость в двух полостях и препятствуя перемещению под действием внешней силы.
6. Завершите подбор уплотнениями и дополнительными устройствами
Соотнесите качество уплотнений с последствиями отказа
Особое внимание требуется при специальных режимах, заданных требованиях к качеству, влиянии отказа на безопасность, крупных экономических потерях и затрудненной замене. Для цилиндров, поставляемых в составе экспортируемого оборудования, также могут действовать особые требования.
Источник рекомендует поручить профильному инженеру изготовителя выбор известных уплотнений с хорошей взаимозаменяемостью и доступностью закупки с учетом условий эксплуатации.
Предусмотрите удаление воздуха в местах его скопления
С учетом рабочего положения цилиндра устройства выпуска воздуха обычно располагают в верхних точках его скопления в концевых зонах обеих полостей. Удаление воздуха помогает предотвратить скачкообразное движение, защитить уплотнения и уменьшить ухудшение свойств жидкости.
Организуйте дренаж скапливающегося масла
Если наружные утечки недопустимы, длинный ход или отдельные режимы могут приводить к скоплению масла за грязесъемником. Дренажное отверстие в месте скопления отводит масло до того, как оно начнет вытекать наружу при длительной работе.
7. Сформируйте согласованную спецификацию
Полная спецификация связывает расчет усилия с конструкцией установки. Сначала укажите давление, стандартный диаметр цилиндра, диаметр штока, ход и крепление. Затем задайте демпфирование, присоединения, функции клапанов, совместимость жидкости, уплотнения, защиту поверхности, выпуск воздуха и дренаж.
Совместно проверьте устойчивость при длинном ходе и особые условия среды. Обеспечение требуемого усилия — лишь одна часть подбора цилиндра, который подходит машине и надежно работает.
Редакторские примечания к исходным данным
- Неполная таблица давления по нагрузке: последний заголовок нагрузки — «5», а соответствующая ячейка давления содержит только «больше» без числа. Эти особенности сохранены.
- Несогласованности таблицы усилий: все различимые числа сохранены. Например, для диаметра 50 мм/штока 25 мм при 50 кгс/см² указано тянущее усилие 435, а при 30 кгс/см² в той же строке — 441. Эти значения требуют проверки, а не скрытой корректировки.
- Единицы усилия: в оригинале указаны «кг» или «килограммы». В расчетах здесь используются кгс, исходное обозначение таблицы оговорено отдельно.
- Неоднозначная единица угла: в абзаце о проушине напечатано «±3°C», хотя речь идет об угловом движении. По контексту возможно ±3°, но единицу и допустимый угол необходимо подтвердить.
- Температура и скорость: раздельные диапазоны температуры масла и среды сохранены. Интервальные пороги ≥70–80 мм/с и ≥100–120 мм/с также сохранены без выбора одного конкретного порога.
- Пробел в соотношении диаметров и очень короткий ход: отсутствие данных для 10–12,5 МПа отмечено. Исходный пункт об очень коротком ходе представляет собой незаконченное предложение; здесь он отражен только как необходимость проверить допустимый минимум.
Для получения информации о производстве гидроцилиндров, проектах и услугах свяжитесь с командой Elephant Machinery.
Связаться с командой