Sådan beregnes hydraulisk cylinderkraft: Grundlæggende skub, træk og tonnage

Hvis du nogensinde har stået ved siden af en kran eller en løfteplatform og undret dig over, hvor meget belastning en cylinder virkelig kan flytte, kommer svaret ned på ét forhold: trykket af olien ganget med det område, den skubber imod. Det er hjertet i enhver beregning af hydraulisk cylinderkraft, og efter et par gentagelser bliver det en anden natur.

Vi bygger cylindre til kraner, lifte, trækvogne og pælerigge, så en god del af vores uge bliver brugt på dette regnestykke. Nedenfor er den metode, vi faktisk bruger, et gennemarbejdet eksempel i både metriske og imperiale enheder, og de små detaljer, der afgør, om tallet på papiret matcher tallet på stedet.

Kerneformlen: Kraft er lig med Tryk Times Area

Hver beregning begynder med F = P × A, hvor kraft måles i newton (eller pund-kraft), tryk i pascal (eller psi) og areal i kvadratmeter (eller kvadrattommer). Det eneste rigtige arbejde er at finde det rigtige område, fordi en dobbeltvirkende cylinder præsenterer to forskellige afhængigt af hvilken vej olien flyder.

Trykkraft (forlængelse)

Når olie kommer ind i hættens ende, virker den på stemplets fulde overflade. For en borediameter D er arealet A = π × D² ÷ 4. Multiplicer det med arbejdstrykket, og du har forlængelseskraften.

Trækkraft (tilbagetrækning)

Når olie kommer ind i stangenden, optager selve stangen en del af stempelfladen. Hvis stangens diameter er d, bliver det effektive areal A = π × (D² − d²) ÷ 4. Fordi stangen altid fjerner areal, er tilbagetrækningskraften altid lavere end forlængelseskraften, ofte med 30 til 45 procent på et typisk forhold mellem stang og boring.

Hold enhederne konsekvente. Blanding af bar med kvadrattommer er den mest almindelige kilde til nonsensresultater, og et regneark vil med glæde returnere et sikkert, forkert svar uden at advare dig.

Et udført eksempel, du kan følge

Antag, at en dobbeltvirkende cylinder har en 100 mm boring, en 70 mm stang og et arbejdstryk på 200 bar.

1. Konverter trykket: 200 bar = 20 MPa = 20 N/mm².
2. Stempelareal: π × 100² ÷ 4 = 7.854 mm².
3. Stangareal: π × 70² ÷ 4 = 3.848 mm².
4. Forlængelsekraft: 20 × 7.854 = 157.080 N, eller omkring 157 kN.
5. Tilbagetrækningskraft: 20 × (7.854 − 3.848) = 80.120 N, eller omkring 80 kN.

I tons kraft, der er omkring 16 tons skubbe og 8 tons træk, en forskel, der er stor nok til at ændre, hvordan en maskine er specificeret. Den samme cylinder beskrevet i kejserlige termer, en 4 tommer boring og 2 tommer stang ved 2.500 psi, giver omkring 31.400 lbf forlængelse og 23.560 lbf tilbagetrækning. Forholdet forbliver identisk, hvilket er en praktisk fornuftskontrol, når du bevæger dig mellem tegnesæt.

At få boring, stang og tryk rigtigt

Beregningen er kun så god som dens input, og tre af dem forårsager de fleste af de fejl, vi ser:

• Bore er den indvendige diameter af cylinderen, ikke den udvendige diameter af røret og ikke diameteren af endehætten.
• Stang diameter skal måles på kromoverfladen. Belægningstykkelse og slitage betyder begge mindre end at bruge den nominelle tegningsværdi.
• Tryk skal være arbejdstrykket ved cylinderporten, ikke pumpens maksimale værdi. En aflastningsventilindstilling er et loft, ikke et driftspunkt.

Hvis du kun kender aflastningsindstillingen, skal du køre beregningen med den værdi for at finde den maksimale kraft, cylinderen kan generere, og derefter gentage den med det typiske arbejdstryk for at se, hvad maskinen bruger i daglig drift. Gabet mellem de to forklarer ofte, hvorfor en maskine føles overbygget i én funktion og marginal i en anden.

Konvertering af kraft til tonnage

Sitesproget kører på tons i stedet for kilonewtons. For at konvertere skal du dividere newton med 9.810, da en metrisk ton-kraft er lig med 9,81 kN. De 157 kN ovenfor bliver omkring 16 tons, hvilket er et tal, de fleste operatører umiddelbart kan forestille sig.

Se hvilket ton du bruger. Et amerikansk ton er 2.000 lbf, mens et metrisk ton er 2.205 lbf, og den ti procents forskel har en måde at dukke op på præcis det forkerte tidspunkt.

Hvorfor den virkelige kraft er lavere end formlen

Formlen beskriver en ideel cylinder. Ægte hardware taber lidt, og at forstå, hvor det går, hjælper dig med at vurdere, hvor meget margin du skal tilføje.

Tætnings- og styrefriktion

Stempeltætninger, stangtætninger og styreringe modstår alle bevægelse. Slidt eller for stramt sæler skub dette tal op, og en cylinder, der har stået ubrugt i flere måneder, bryder ofte væk ved et mærkbart højere tryk, end den behøver for at blive ved med at bevæge sig.

Modtryk

Olie, der forlader det modsatte kammer, skal bevæge sig gennem slanger, ventiler og filtre. Den begrænsning skaber modtryk, som modarbejder bevægelsen, så nettokraften er arbejdstrykkraften minus retursidekraften.

Sidebelastning og fejljustering

En cylinder skubbet af aksen bøjer lidt, stangen binder sig i styret, og friktionen stiger kraftigt. Dette er et mekanisk problem snarere end et hydraulisk, og intet ekstra tryk løser det rent.

Som et planlægningstillæg skal du forvente 5 til 15 procent under den teoretiske værdi. For alt sikkerhedsrelateret skal du behandle det beregnede antal som et loft frem for en garanti.

Valg af en sikkerhedsfaktor

Når du har et realistisk krafttal, er den næste beslutning, hvor meget margin du skal bære. Der er ikke noget universelt svar, men disse udgangspunkter fungerer godt i mobile maskiner:

• Stadig, velstyret belastning med skånsom cykling: 1,5
• Stødbelastning, hyppige vendinger eller ujævnt underlag: 2,0 og derover
• Ansøgninger, der involverer mennesker: Følg den gældende maskinstandard, som normalt er et godt stykke over 2
• Cylindre med lang slaglængde: Tjek stangbukning separat, fordi det ofte begrænser designet, før trykket gør det

En generøs sikkerhedsfaktor er ikke gratis. Det tilføjer vægt, omkostninger og varme, så målet er et tal, der afspejler den reelle pligt snarere end en refleks. Det er også derfor, vi beder kunderne om duty cycle sideløbende med tryk og boring.

Fra et tal til en cylinder, der holder

At kende den nødvendige kraft er kun begyndelsen. Cylinderen skal derefter levere den gennem tusindvis af cyklusser, i støv-, regn- og temperatursvingninger, uden at stangen bukker eller sælerne græder.

På en lastbilmonteret kran ændres f.eks. løftekraften kontinuerligt, når bomvinklen stiger, og det værste tilfælde kommer normalt i en lav vinkel med fuld last. Dimensionering til gennemsnittet ville efterlade maskinen kort, præcis når det betyder noget.

Lastbilmonteret kran Hydraulisk Luffing Cylinder Justerer bomvinklen til løft i forskellige højder og afstande; dobbelt-cylindret mulighed understøtter tungere belastninger, med dimensioneringsovervejelser for ændrede luffekræfter. Se produkt →

Sakselifte bringer en anden drejning: Flere løftecylindre deler belastningen, og den kraft, der kræves pr. cylinder, er størst, når platformen sidder i bunden af sin vandring, og forbindelsesvinklen er mindst gunstig. Det er den slags detaljer, der sidder bagved designovervejelserne for en specifik applikation , og de er værd at tjekke før boringen er fikset.

Hydraulisk løftecylinder til sakseløfter Enkeltvirkende cylindre hæver og sænker platformen med dæmpningshuller for jævn positionering; flere cylindre deler belastningen, hvilket gør den værste koblingskraft værd at tjekke. Se produkt →

Når pligten er usædvanlig

Pipe jacking er et godt eksempel på et job, hvor den simple formel kun er begyndelsen. Hoveddonkraftcylindrene skubber en hel rørstreng gennem jorden, så den nødvendige kraft skal dække friktion langs hele strengen, jordmodstand ved forsiden og vægten af ​​selve røret. Beregningen er stadig tryk gange areal, men arealet skal være stort, og trykket skal være tilgængeligt kontinuerligt over et langt slag.

Rørdonkraftmaskine Hydraulisk hoveddonkraftcylinder Kernestrømkilde til jacking af rør, der giver stærk fremdrift og præcis forlængelse; kraftdimensionering skal dække friktion langs rørstrengen og flademodstand. Se produkt →

I tilfælde som dette er cylinderen designet omkring lasten i stedet for valgt fra et katalog, og krafttallet bliver den første linje i en specifikation i stedet for det endelige svar.

Kraftberegninger er en af ​​de små færdigheder, der betaler indsatsen mange gange. Når du trygt kan bevæge dig mellem tryk, areal og tonnage, kan du fornuft tjekke en leverandørs tegning på få minutter, få øje på en underdimensioneret cylinder, inden den når maskinen, og forklare en kunde, hvorfor trækkraften ikke er den samme som skubbekraften.

Hvis du gerne vil have et ekstra par øjne på en beregning, så send os boring, stangdiameter, tryk og en skitse af monteringen. Vi er altid glade for at tale tallene igennem, før noget bliver fremstillet.