Sådan beregnes cylinderkraft: formel, eksempler og praktiske tips

En hydraulisk cylinder er en kraftmultiplikator i den enklest mulige forstand: En lille pumpe og en beskeden boring kan flytte en last, som ingen besætning af mennesker kunne flytte med hånden. Regnestykket bag denne multiplikation er kort - en formel, en arealberegning og et par enhedsomregninger - men det er også præcis, hvor de fleste størrelsesfejl gemmer sig. Uanset om du tjekker en kranbomcylinder, en sakseløfter eller en donkraftcylinder for en rørinstallation, giver den samme håndfuld trin dig et pålideligt svar.

Kerneforholdet på én linje

Kraft er lig med tryk ganget med det område, som trykket virker på: F = P × A. Tryk er hydraulikvæskens tryk pr. overfladeenhed, og stempelarealet er, hvor meget overflade den skal skubbe imod. Dobbelt en og du fordobler kraften; fordoble begge, og du får fire gange så meget.

I metrisk praksis er den reneste parring megapascal og kvadratmillimeter. Fordi en megapascal er en newton pr. kvadratmillimeter, lander resultatet direkte i newton - divider med 1.000, og du har kilonewton. I kejserlig praksis giver pounds per square inch ganget med square inches pounds af kraft uden nogen konvertering overhovedet.

De værdier, du oftest vil møde, når du konverterer mellem systemer:

• 1 bar = 0,1 MPa = 100 kPa, ca. 14,5 psi
• 1 MPa = 10 bar, cirka 145 psi
• 1 kvadrattomme = 645,16 kvadratmillimeter
• 1 kilonewton er omkring 224,8 punds kraft
• 1 ton-kraft er cirka 9,81 kilonewtons

Skriv enhederne ned, før du starter. De fleste forkerte svar, vi ser, er ikke forkerte formler; de er søjler, der føres ind i en ligning, der forventer megapascal, eller millimeter, der føres ind i en, der forventer centimeter.

Skub og træk matcher sjældent

På forlængelsesslaget virker fuldt pumpetryk på hele boringsarealet, så arealet er π/4 × D², hvor D er boringsdiameteren. Ved tilbagetrækningsslaget ser væsken kun det ringformede område omkring stangen, så det effektive areal er π/4 × (D² − d²), hvor d er stangens diameter. Stangen optager metal, som trykket ikke kan nå.

Tag en 100 mm boringscylinder med en 70 mm stang, der kører ved 20 MPa. Det fulde boreareal er omkring 7.854 mm², hvilket giver en trykkraft på omkring 157 kN. Ringarealet er omkring 4.006 mm², hvilket giver omkring 80 kN træk - knap halvdelen. En cylinder, der løfter en last med autoritet, kan være ret tam, når den skal trække den samme last tilbage.

Dette betyder noget, når arbejdsbelastningen skifter retning under en cyklus: en foldearm, der både trækker og skubber, en nivelleringscylinder, der skal holde en platform nede såvel som op, eller et stabilisatorben, der skal trækkes tilbage mod modstand. Størrelse på den svagere side, ikke den stærkere.

Et udført eksempel, du kan følge

Antag, at en maskine skal hæve 8 tons støt, og pumpeaflastningen er indstillet til 20 MPa. Her er den sekvens, vi ville gå igennem med en kunde.

1. Omregn belastningen: 8 tons × 9,81 = ca. 78,5 kN.
2. Tilføj en arbejdsmargen. En faktor på 1,5 dækker tætningsfriktion, modtryk og de små tryktab i slanger og fittings, hvilket giver omkring 118 kN.
3. Divider med tryk for at finde det nødvendige areal: 118.000 N ÷ 20 N/mm² = 5.900 mm².
4. Tilbage ud af boringen: kvadratroden af ​​(4 × 5.900 ÷ π) er omkring 86,7 mm, så den næste standardstørrelse op er 90 mm, hvilket giver 6.362 mm² og cirka 127 kN ved fuldt tryk.
5. Tjek stangenden og slaget. Hvis belastningen trækker under tilbagetrækning, skal du verificere annulusområdet. Hvis slaget er langt, og belastningen er kompressiv, skal du kontrollere, at stangen knækker, før du accepterer boringen - en slank stang kan svigte et godt stykke under cylinderens teoretiske tryk.

Det sidste trin er, hvor teori møder praksis. En cylinder kan være stærk nok og stadig være den forkerte cylinder, fordi stangen opfører sig som en søjle under kompression og dens sikre belastning falder kraftigt i takt med at slaglængden vokser.

Fra teori til den kraft, du faktisk får

Tallet fra F = P × A er teoretisk. Reelt output er lidt lavere, og det er værd at vide hvorfor. Tætningsfriktion, styrefriktion og det nødvendige tryk for at skubbe olie tilbage til tanken tager alt sammen en bid. For de fleste mobile maskiner får en effektivitet på 0,85 til 0,95 anvendt på det teoretiske tal dig tæt på virkeligheden, med større cylindre og højere tryk, der sidder i den nedre ende af dette område.

En nyttig form for ligningen er: nettokraft = (udvid tryk × boreareal) − (returlinjetryk × ringareal) − friktion. Den mellemste sigt er let at glemme, og den kan have betydning for kredsløb med begrænset returløb eller modvægtsventiler.

Tryk kræver også pleje. Aflastningsventilindstillingen er et loft, ikke et løfte. Under hurtig forlængelse kan flowbehovet løbe ud af pumpen, og systemtrykket falder, så den kraft, der er tilgængelig i det øjeblik, du har brug for den, kan være lavere end katalogberegningen antyder. Systemer, der holder en last i lange perioder, såsom støttebenscylindre, bør kontrolleres for både holdeevne og bevægelighed.

Borestørrelse og teoretisk tryk på et blik

Tabellen nedenfor er en hurtig fornuftskontrol for almindelige borestørrelser. Værdier antager det fulde boreareal på forlængelsesslaget og ignorerer friktion, så behandle dem som en øvre grænse snarere end en arbejdskapacitet.

Hvordan disse tal udspiller sig i rigtige maskiner

Formlen er universel, men input er det ikke. På en lastbilmonteret kran er svejsecylinderens opgave at holde bommen i en arbejdsradius, og den kraft, den mærker, afhænger lige så meget af bommens vinkel som af lasten, der hænger fra krogen. Når bommen stiger, ændres cylinderens momentarm, så det samme løft kan kræve meget forskellige tryk. Det er grunden til, at lamelcylindre er specificeret ved geometri og montering lige så omhyggeligt som ved boring.

Lastbilmonteret kran Hydraulisk Luffing Cylinder Funktion: Justering af bomvinklen: Gennem forlængelsen og tilbagetrækningen af laftecylinderen kan bommen vippe op og ned for at imødekomme løftebehov i forskellige højder... Se produkt →

Sakselifte sidder i den anden ende af spektret. Løftecylinderen arbejder gennem en forbindelse, hvis mekaniske fordel skifter kontinuerligt, når platformen hæver sig, så den højeste stangkraft optræder ofte nær den fuldstændigt sammenklappede position i stedet for i fuld højde. Stor boring, beskedent tryk og et kort slag er typiske, og beregningen skal gentages på flere punkter i løftekurven.

Hydraulisk løftecylinder til sakseløfter Detaljer enkeltvirkende løftecylindre med dæmpningshuller for jævn op- og nedstigning, plus bore-, stang- og slagområder, der passer til beregninger af sakseløfteplatform. Se produkt →

Rørløftning presser beregningen til dets grænse. Hoveddonkraftcylindre driver rør gennem jorden mod jordmodstand og vægfriktion, ofte med flere hundrede tons tryk over et langt slag. Her er kraftbudgettet sat af jordforholdene først og hydraulikken dernæst, og cylinderen skal levere det tryk gentagne gange uden at knække. Du kan se, hvordan disse krav adskiller sig på tværs af rækken af hydrauliske cylindre til pælemaskiner .

Rørdonkraftmaskine Hydraulisk hoveddonkraftcylinder Kernestrømkilde til jacking af rør, der leverer stærk fremdrift, stabil fremdrift og præcis forlængelseskontrol, med højtryksmodstand og tætning til hård kontinuerlig drift. Se produkt →

Fejl der er værd at undgå

• Brug af boreareal til et tilbagetrækningsslag, som overdriver trækkraften med 30 til 50 procent på typiske stangforhold.
• Behandling af aflastningsventilens tryk som kontinuerligt tilgængeligt arbejdstryk.
• Glemmer returledningstryk på kredsløb med modvægt eller doseringsventiler.
• Dimensionering til belastningen alene og ignorer stangbukning ved langslags, kompressive applikationer.
• Blanding af bar, megapascal og psi i én beregning.
• Efterlader ingen margen for tætningsfriktion, temperaturdrevne viskositetsændringer eller slid i løbet af levetiden.

Spørgsmål vi hører fra designere

Hvad er den korteste version af formlen?

Kraft i newton er lig med tryk i megapascal ganget med arealet i kvadratmillimeter. Alt andet er konvertering og korrektion.

Hvorfor adskiller min målte kraft sig fra den beregnede?

Normalt friktion, modtryk eller en måleraflæsning taget nedstrøms for en restriktion. Kontroller trykket ved cylinderporten under belastning i stedet for ved pumpen.

Hvor meget margin skal jeg tilføje?

For konstant industribelastning er 1,25 til 1,5 et fornuftigt udgangspunkt. For stødbelastninger, udendørs brug eller sikkerhedskritiske holdefunktioner, gå højere og bekræft med test.

Vi har bygget hydrauliske cylindre i Zhejiang siden 2004, og de fleste af de kraftspørgsmål, vi besvarer, kommer fra ingeniører midtvejs i et design snarere end ved starten. Hvis du gerne vil have endnu et par øjne på tallene, så send os belastningen, slaglængden, trykket, du forventer, og hvordan cylinderen er monteret - det er normalt nok til, at vi kan fortælle dig, om den boring, du har valgt, er komfortabel eller marginal. For mere baggrund om at matche en cylinder til en applikation, vores noter om vigtige designovervejelser, når du vælger en hydraulisk cylinder er et godt sted at fortsætte.