Hidrolik sistem çalışma basınçlarındaki artışlar, bireysel bileşen tasarım ayrıntılarını daha da önemli hale getirir. Hidrolik söz konusu olduğunda "yüksek basınç" terimi oldukça özneldir. En katı tanımlar arasında, 10.000 psi'yi aşan çalışma basıncına sahip herhangi bir sistem bulunur. Belki daha genel bir yorum, bu tartışma için varsayılacak olan 6.000 psi'dir. Bu makalede, yüksek sistem basıncı, bazı yeni ekskavatör işlevlerinde basınç ayarı olan 6.000 psi (410 bar) olarak tanımlanacaktır.
6.000 psi'de çalışan bir sistem, 6.000 psi'lik çalışma basıncının iki ila üç katı olan kısa basınç artışları görecektir. Bu, bileşenlerin 8.000 saatlik (yaklaşık dört yıl) makul bir hizmet ömrü için 12.000 ila 18.000 psi (827 ila 1.241 bar) basınç yükselmelerini barındırması gerektiği ve 2000 saatten daha kısa bir sürede (yaklaşık bir yıllık hizmet) arızalanmaması gerektiği anlamına gelir.
Kapsamlı öğrenme deneyimlerimin çoğu, tomruk ve inşaat ekipmanı ataşmanlarıyla çalışmaktan olduğu için, verdiğim örnekler bu endüstrilerden. Silindirleri belirttiğimden farklı kullandığı için müşteriyi suçlamamayı seçtim ve herhangi bir kötü tasarım seçimi için tam garanti sorumluluğunu kabul ettim. Birkaç silindir garanti kapsamında birkaç kez onarıldı ve birkaç silindir hurdaya çıkarıldı ve kendi kendine dayatılan bir yıllık veya 2.000 saatlik garantiyi karşılamak için tamamen yeni tasarımlar uygulandı.
1. Bu kesit çizim, yüksek basınçlı bir hidrolik silindirin ana bileşenlerini göstermektedir.
Hidrolik Silindir Tasarım Hususları
Silindirle gerçekte ne yapılıyor ve silindir nasıl yükleniyor? Tasarımcı, bir makine veya ataşman tasarlarken, ünitenin ne yapması ve nasıl yapılması gerektiği konusunda bir fikre sahiptir. Makineyi farklı bir operatöre teslim ettiğiniz anda uygulama, görev döngüsü ve çalışma parametreleri değişti. Bazı durumlarda, değişiklik, işlerin başarısız olmaya başlaması için yeterlidir. Sıklıkla, bir silindir, doğrudan kontrol yoluyla mümkün olandan çok daha büyük olan, iş kaynaklı bir yüke maruz kalacaktır.
Hidrolik Silindirin yük tutma valflerine ihtiyacı olacak mı?
Bir silindiri yerinde tutmak için hem karşı denge valfleri hem de pilot kumandalı çek valfler kullanılır ve her iki valf de çalışırken silindir bileşenleri üzerinde ek yükler oluşturabilir. Bazı yük tutma valfi ayarları, pilot bağlantı noktasındaki geri basınçla artırılır.
Hidrolik Silindir stroku nedir?
Kısa stroklu bir silindirin tipik olarak burkulma yükü tasarımı ile ilgilenmesi gerekmez. Uzun stroklu bir silindir, burkulma yükü hesaplamasının yapılmasını gerektirecektir. Burkulma hesaplamaları için NFPA standardı T3.6.37 R1-2010'u kullanın.
Hidrolik Silindir ne kadar hızlı hareket edecek?
Silindirin hareket edeceği hız veya silindire giren akış, port ve sıhhi tesisat boyutunu belirlemek için dikkate alınmalıdır. Bu hız, gerektiğinde minder tasarımında da önemlidir. Hidrolik Silindirde Uygun delik ve Pim çapı nedir?
Doğru delik ve çubuk boyutunu seçmek, silindirin belirlenmesi en zor yönü olabilir. Bunun nedeni, uzatma ve geri çekme sırasında ihtiyaç duyulan kuvvetler, gereken strok ve pim merkezinin mesafesinin karşılanması zorunluluğudur.
Silindirin yastıklamaya ihtiyacı varsa, bu, delik veya çubuk boyutu gereksinimlerini değiştirebilir. Bazen tüm tasarım ihtiyaçlarını karşılamak için daha büyük bir delik ve çubuk gerekebilir. Piston-çubuk arayüzü, piston sabitleme ihtiyaçları ve çubuğun burkulması gibi yapısal gereksinimlerin yanı sıra kuvveti karşılamak için pistonun bir tarafının daha düşük bir basınçta çalışması gerekebilir.
Cihazın kullanım ömrü boyunca silindirin göreceği yan yükler nelerdir? Son derece doğru bir model için yükü veya yük vektörlerini belirlemek zor olabilir, ancak sağlam bir tasarım oluşturmayı düşünüyorsanız bu verileri belirlemek önemlidir. Bazı tasarımlar, yeterli yan boşluk, kendi kendine hizalama yetenekleri veya her ikisinin de ankraj ve pim-eklem tasarımına dahil edilmesi gereken yeterli montaj esnekliği gerektirecektir. Mümkünse, silindir pim bağlantılarındaki sapmayı belirlemek için yapının sonlu elemanlar analizini (FEA) yapın.
Pim bağlantıları yeterli mi?
Pim-mafsal tasarımının hem silindir uçlarına hem de silindir tarafından çalıştırılan pim ankrajlarına uygulanması gerekir. Bom pivot mafsalları için sadece silindir tarafından oluşturulan yüklere değil, aynı zamanda burulma yükü gibi diğer sistem yüklerine de bakmanız gerekecektir. Silindir pimleri için, iş kaynaklı yükler olabilecek silindirin göreceği maksimum yük için tasarım yapmanız gerekir. Burçlara veya burçlara 6,000 psi öngörülen alan yüklemesi kullanıyoruz. Mümkün olduğunda pim çapının yaklaşık iki katı uzunluğunda bir burç uzunluğu kullanmanızı öneririz. Sabit iğne deliği genişliği, pim çapının 0,75 ila 1,25 katı olmalıdır. Uzun, küçük çaplı pimler ve burçlar, kısa, büyük çaplı olanlardan daha fazla bükülme eğilimindedir ve bu nedenle, silindirin ömrü boyunca üretim ve bakımı daha pahalı hale getirecektir.
Hidrolik Silindirin hareket uçlarından birinde veya her ikisinde bir yavaşlama yastığına ihtiyacı var mı?
Birçok uygulamada silindirin strok sonunda yavaşlatılması gerekli değildir. Uygulamanın yüksek atalet yükleri varsa ve hız kontrolü geri bildirimi yoksa, silindire yavaşlama yastıkları inşa etmek ucuz bir çözüm olabilir. Yeterli bir yastık tasarlamak, uygulamanın ve kontrol edilecek yüklerin iyi anlaşılmasını gerektirecektir. Bir silindiri yumuşatmak için silindirden çıkan yağı ölçmenin bir yolu olmalıdır. Yağ akışını ölçmenin ve yastık basıncını kontrol etmenin birkaç yöntemi vardır. Yükü yavaşlatan alanı artırmak için genellikle pistonu portu kapatmak için kullanırız. Pistonun yastıklanan tarafa zıt tarafındaki basınç, yavaşlatılan kütleye ilavedir ve tasarım sırasında dikkate alınmalıdır.
Çubuk-Piston Arayüz
Belki de yüksek basınçlı silindir tasarımının yönetilmesi en zor alanı, çubuk-piston ara yüzüdür. Bir silindirin iç çapı ve rot çapı genellikle önceki düşük basınçlı tasarımdan seçilir. Bu, tutturucu veya arayüz alanı çok küçükse arayüzü erken arızaya meyilli hale getirebilir.
Şekil 2, 5 inçlik yüksek basınçlı bir hidrolik silindirden pistonları gösterir. delik ve 3-in. bir kütük kıskacından uzun çubuk. Bu silindir kısa strokludur ve aşırı yan yüke sahip değildir, ancak namluya sabit bir şekilde yerleştirilmiş pilotla çalıştırılan bir çek valf içerir. Bu, silindire giden bir hortumun arızalanması durumunda yükün düşmesini önler. Operatörler bazen kıskacı çalıştırır, böylece silindir dişlere karşı hareket eden yüksek uzama kuvvetlerini görür. Ayrıca kıskaçları kütükleri çekmek için de kullanabilirler, böylece silindirin kapak ucu, feci bir arıza meydana gelmeden önce yaklaşık 20.000 psi'ye kadar olan basınçları görür.
2. Bu dört görüntü, bir kütük kıskacında kullanılan yüksek basınçlı bir hidrolik silindirin (5 inç delik, 3 inç uzun çubuk) üç farklı çubuk-piston tasarımını göstermektedir. Daha büyük bir somun ve konik çubuk-piston arayüzünün kullanılması, yüksek basınçlı sivri uçlardan kaynaklanan arızaları önledi.
Şekil 2a, 1985'te geliştirdiğim 5.000 psi tasarımı göstermektedir. Pistonu yerinde tutmak için 1½-NF somun kullanır. Şekil 2b'de gösterildiği gibi, çubuk-piston arayüz alanı soğuk şekillendirilmiştir. Çubuk ve piston yatak bölgesi çeliğin akma noktasının üzerinde yüklendiğinde, pistonun gevşemesine ve daha fazla hasar oluşturmasına neden olan malzeme hareketi meydana geldi. 5.000 psi piston tasarımında yeterince büyük bir diş yoktu, bu nedenle çubuk dişlerin sonunda kırıldı. Ayrıca, çubuk yatak alanı çok küçüktü ve pistonun çubuk üzerinde soğuk şekillendirmesine izin veriyordu.
Şekil 2c, 2000'li yılların başında dişli bir piston ile geliştirilen rekabetçi bir tasarımı göstermektedir. Şekil 2c'deki pistonun iç dişli alanı, daha da küçük bir çubuk yatak alanına sahiptir. Montaj için dişte boşluk olmalıdır. Bu boşluk ve pistonu sıkmanın kenetleme kuvveti, pistonun diğer tasarımlardan daha kısa sürede çubuk üzerinde soğuk şekillendirmesine izin verecektir. Dişlerdeki sapma, pistonun gevşemesine ve gösterildiği gibi çubukta kırılmaya neden olur.
Şekil 2d, 1990'ların sonunda 1¾-NF somunla geliştirilen 6.000 psi'lik tasarımımı göstermektedir. Daha büyük bir bağlantı elemanına ek olarak, daha büyük bir yatak alanı için konik bir arayüz kullanır. Ani basınç yükselmelerine karşı ek koruma için pistonu 6.000 psi tasarımda 4150 HT'ye yükselttik. Bazı kullanıcılar her üç tasarımı da belirtiyor ve 6.000 psi'lik çubuk-piston arayüzünde hiçbir zaman bir arıza yaşamadı. Mevcut 6.000 psi tasarımının sınırlamaları yaklaşık 18.000 psi'dir; bu, namlunun akacağı veya pilotla çalıştırılan çek valfin yine de başarısız olacağı zamandır.
Hidrolik Silindir Bileşenleri için Hususlar
Çubuk-piston ara yüzeyindeki yüksek gerilim ile, çubuk ve piston için kullanılan malzemelerin benzer bir sertliğe, yüksek darbe kabiliyetine sahip olması gerekir ve düşük sıcaklıklarda yüksek bir Charpy darbe değeri gerektirebilir. Bu, silindiri düşük sıcaklıklarda kullanırken gereklidir. Namlu, yüksek akma mukavemetine, iyi kaynaklanabilirliğe ve yeterli darbe kabiliyetine sahip bir malzemeden yapılmalıdır. Kaynak yapılacak parçalarda serbest işleme elemanları içeren malzemeler kullanmayınız. Bu serbest işleme elemanları, bunlarla sınırlı olmamak üzere kükürt, kurşun, manganez, kalsiyum, selenyum, tellür ve bizmut içerir.
3. Namlu şişmesi 4 inç olarak ölçülür. ½-inç ile delik çelik boru. kalın duvar. Namlu şişmesi, conta ömrünü azaltabilir.
Duvar kalınlığı seçimi, conta arızasını önlemek için namlu şişmesini yeterince düşük tutacak kadar kalın olmalıdır. Şekil 3, 4 inçlik namlu şişmesini gösterir. 5 inçlik ID namlusu. OD. Namlu şişmesi, piston ve namlu arasındaki boşluğu artırarak conta ömrünü azaltabilir. Bu, namluya temas eden elemanın veya elemanların çapını artırarak sızdırmazlık oluğu hacminin artmasına neden olur.
Baş bezi bağlantısı—Baş bezini namluya takmak için birçok farklı yöntem kullanılabilir. En güvenilir tasarım, kör uçtaki basınçla uzatıldığında silindirin gördüğü maksimum yükün yanı sıra durma yükünü de kaldıracaktır. Silindirin bir uzatma sert durdurması varsa, durdurma yükü sıfırdır. Silindirin sürdüğü yapının hareketini durdurması gerekiyorsa, bu hesaplanmalı ve uzatma kuvvetine eklenmelidir. Ekskavatör bomu ve kepçe silindirleri durumunda bu kuvvetler önemli olabilir.
Kafayı namluya vidalamayı önermiyorum. Basınç yükseldikçe namluyu şişirir ve diş açıklığını artırır, bu da diş aşınmasına neden olacak ve silindirin hizmet ömrünü azaltacak harekete izin verir. Namlu veya salmastra somunları, duvar kalınlığı için uygun boyuttaysa çalışır. Acme veya kare dişlerin kullanılmasına da yardımcı olur. Destek dişleri keskin bir ince kesite sahiptir, bu nedenle diğer diş formlarından daha zayıf olabilirler. Bir kapak vidası halkası kullanmak, uygun şekilde tasarlanırsa iyi sonuç veren yaygın bir yöntemdir.
Bağlantı elemanları tarafından sıkıştırılan flanşın kalınlığı, yükleme sırasında bükülmeyecek kadar kalın olmalıdır. 5K silindir tasarımı, marjinal olarak yeterince kalın olan flanşlara sahipti. Sonuç olarak, silindir hareketinin sonunda yüksek kuvvetlerin olduğu bir uygulamada, sapma, baş ve kapak vidalarının diğer uygulamalara göre daha erken arızalanmasına neden oldu. Çoğu uygulama için cıvata çapından iki kat daha kalın bir flanş kullanmak genellikle yeterli olacaktır.
Kaynak prosedürleri—Yüksek basınçlı hidrolik silindirlerde birçok farklı nedenden dolayı kaynak hataları yaygındır, ancak ben yalnızca daha yaygın olanları ele alacağım ve bazı onarım bilgileri sağlayacağım:
Kaynak pahı, doğru tel çıkıntısına ve koruyucu gaz kontrolüne izin vermelidir, ancak artan kaynak süresini ve sonuçta kaynak kaynaklı bozulmayı önlemek için gerekenden daha büyük olmamalıdır.
Yüksek basınçlı silindirlerin geliştirilmesinin başlarında, kaynak hatalarından biri, yanlış akma dayanımına sahip dolgu malzemelerinin kullanılmasıydı. Yüksek basınçlı silindirler için çoğu boru, 70.000 psi'den daha büyük bir akma mukavemetine ihtiyaç duyar. Bu, 80.000 psi verim veya daha yüksek bir dolgu malzemesi gerektirecektir. E80 teli tipik olarak iyi bir seçimdir.
Kaynağın kaynaktan dolayı çok fazla gerilmemesini sağlamak için çok geçişli darbeli püskürtme kaynak prosedürü kullanmanızı öneririm. Bu aynı zamanda parçaların bozulmasını da azaltacaktır. Namlu borusu ve kapak ucunun birleştiği yerde küçük bir temas alanı olmalıdır. Bu nedenle, namlunun değiştirilmesi gerekiyorsa, namlu pilotu ve kapak ucunda işlenen yerleştirme omzu kaynak çıkarıldıktan sonra da mevcut olacaktır. Bu, kaynağın çapının namludan daha büyük olmasını gerektirir, bu da bazı uygulamalarda çalışmayabilir.
Hidrolik silindirlerde kaynak onarımı, yağ doygunluğu nedeniyle zor olabilir. Düşük hidrojenli kaynak malzemeleri, yağla kirlenmiş metalleri sızdırmaz hale getirmez. İlk geçiş, bir çırpma hareketi kullanılarak 6010 veya 6011 çubuk çubukla yapılmalıdır. Yapısal bütünlük için daha yüksek mukavemetli dolgu malzemeleri kullanan kapak geçişleri gereklidir.
Yüksek Basınçlı Sızdırmazlığın Zorlukları
Çubuğu ve pistonu sızdırmaz hale getirmek ve yönlendirmek için seçilen malzemeler, yüksek basınçlı silindir tasarımının en zor kısmı olabilir. Otoyol dışı ekipman silindirleri, çalışma sırasında conta ömrünü azaltacak çok yüksek basınç artışlarına maruz kalabilir. Kademeli veya bindirmeli aşınma halkalarının, sıfır yarık boşluklu burçların veya aşınma halkalarının doğru kullanımı, tampon contalardan daha iyi bir çözüm olabilir. Tampon keçeler, yüksek basınçlı yağı rot keçesine sıkıştırarak erken rot keçesi arızasına neden olabilir. Ekstrüzyonu azaltmak için çubuk contanın arkasında bir yedek halka, tüm silindirler için iyi bir seçenektir.
Conta oluğunda hareket için çok fazla alan conta ömrünü kısaltabilir. Doldurulmuş conta malzemeleri yüksek basınç altında parçalanma, bileşenleri çizme ve hidrolik yağı kirletme eğilimindedir. Cam dolgulu malzeme, camın ana malzemeye bağlandığı yerlerde genellikle kırılgandır ve bağlar bozulduğunda camı hidrolik sisteme bırakır.
4. Erken conta arızası örnekleri: aşırı basınçtan sadece 300 saatlik çalışmadan sonra üretan contada ekstrüzyon hasarı (a); onarım sırasında silindir deliğinin yetersiz honlanmasından kaynaklanan ekstrüzyon hasarı (b); ve namlu şişmesi, contanın yivdeki eksenel hareketi veya yanlış yiv boyutları (c ve d) nedeniyle diş açma. Ayrıca, genişleticinin yanlarında oluk (e) içinde eksenel hareket kanıtı gösteren doldurulmuş malzeme kırılmasının bir örneği gösterilmektedir.
Sızdırmazlık malzemesinin PV değeri (basınç × hız), yüksek basınçlı sızdırmazlık için önemli bir husustur. Piston ve çubuk tertibatı hareket ederken, conta yüzeyi çalışma boşluğu olmayan bir yatak haline gelir ve sıvı baypasını durdurmak için neredeyse kuru çalışması gerekir. Her sızdırmazlık malzemesi, farklı temas eden malzemelere göre farklı bir PV değerine sahip olacaktır.
Sıkıştırma seti—Çoğu elastomer, donma noktasının altına soğutulduğunda ve günlük çalışma sıcaklığına yükseltildiğinde artan sıkıştırma ayarına sahiptir. Birçok O-ring oluğu, döngüsel sıcaklık sıkıştırma setine izin verecek boyutlara sahip değildir. O-ringlerin statik uygulamalarda toz toplamaya yetecek kadar nemli olduğunu görürseniz, bu sızıntı muhtemelen döngüsel sıcaklık-sıkıştırma setinden kaynaklanmaktadır.
Boyut değişikliği—Elastomerler, çelikten daha yüksek bir termal genleşme katsayısına sahiptir. Bu, contanın soğukken çelikten daha fazla küçüleceği ve sıcakken daha fazla genişleyeceği anlamına gelir. Conta oluğu boyutlarıyla ilgili olarak, en yüksek sıcaklıkta olduğu kadar en düşük çalışma sıcaklığında da elastomerin boyutunun ne olacağını düşünmek önemlidir. Çok az hacim veya çok fazla hacim conta ömrünü azaltabilir.
Conta arızaları—Ekstrüzyon, kemirme ve kırılma yaygın arızalardır. Şekil 4a, bir üretan contaya uygulanan aşırı basınçtan 300 saatten daha kısa çalışma süresinde bir ekstrüzyon örneğini göstermektedir. Şekil 4b, onarım sırasında piston çapını artırmadan temizlemek için bir silindirin honlanmasından kaynaklanan bir conta ekstrüzyon örneğini gösterir. 4c ve 4d şekilleri, kemirmenin örnekleridir. Kemirmeye namlu şişmesi, contanın yivdeki eksenel hareketi veya yanlış yiv boyutları neden olabilir. Şekil 4e, doldurulmuş malzeme kırılmasına bir örnektir; genişleticinin yanları, oyukta eksenel hareket kanıtı gösterir.
Hidrolik Silindir Montajı
Hidrolik bileşenleri monte ederken, makinede kullanılan hidrolik sıvı ile uyumlu yağlar veya gresler kullanın. Mineral esaslı katkı maddeleri veya kıvam arttırıcılar içeren malzemeleri tercih etmeyin. Bu gereksinimleri karşılamak için Polyurea bazlı bir gres kullanıyoruz.
Daha yüksek çalışma basınçlarıyla başa çıkmak için bir silindiri yeniden tasarlama görevi ile karşı karşıya kaldığınızda, arızalı bileşenleri tersine mühendislik yapmak ve yeni tasarımları nitelendirmek için FEA veya diğer simülasyon araçlarını kullanın. Bileşen tasarımının, malzeme seçiminin, conta seçiminin veya montaj yönteminin 5.000 psi'de çalışması, 6.000 psi'de iyi performans göstereceğini garanti etmediğini unutmayın.
