Come calcolare la forza del cilindro idraulico: nozioni di base su spinta, trazione e tonnellaggio

Se vi siete mai trovati accanto a una gru o a una piattaforma elevatrice e vi siete chiesti quanto carico può realmente spostare un cilindro, la risposta si riduce a una relazione: la pressione dell'olio moltiplicata per l'area contro cui spinge. Questo è il cuore del calcolo della forza di ogni cilindro idraulico e dopo alcune ripetizioni diventa una seconda natura.

Costruiamo cilindri per gru, piattaforme di lavoro aeree, carri attrezzi e piattaforme di palificazione, quindi buona parte della nostra settimana è dedicata a questa aritmetica. Di seguito è riportato il metodo che utilizziamo effettivamente, un esempio pratico sia in unità metriche che imperiali, e i piccoli dettagli che decidono se il numero sulla carta corrisponde al numero sul posto.

La formula fondamentale: la forza è uguale alla pressione per l'area

Ogni calcolo inizia con F = P × A, dove la forza è misurata in newton (o libbre-forza), la pressione in pascal (o psi) e l'area in metri quadrati (o pollici quadrati). L'unico vero lavoro è trovare la zona corretta, perché un cilindro a doppio effetto ne presenta due diverse a seconda della direzione in cui scorre l'olio.

Forza di spinta (estensione)

Quando l'olio entra nell'estremità del cappuccio, agisce su tutta la faccia del pistone. Per un diametro del foro D, l'area è A = π × D² ÷ 4. Moltiplicatela per la pressione di esercizio e otterrete la forza di estensione.

Forza di trazione (retrazione)

Quando l'olio entra nell'estremità dello stelo, lo stelo stesso occupa parte della faccia del pistone. Se il diametro dello stelo è d, l'area effettiva diventa A = π × (D² − d²) ÷ 4. Poiché lo stelo rimuove sempre area, la forza di retrazione è sempre inferiore alla forza di estensione, spesso dal 30 al 45% su un tipico rapporto stelo-alesaggio.

Mantieni le unità coerenti. La barrarara mista con i pollici quadrati è la fonte più comune di risultati senza senso e un foglio di calcolo restituirà felicemente una risposta sicura e sbagliata senza avvisarti.

Un esempio pratico che puoi seguire

Supponiamo che un cilindro a doppio effetto abbia un alesaggio di 100 mm, uno stelo di 70 mm e una pressione di esercizio di 200 bar.

1. Convertire la pressione: 200 bar = 20 MPa = 20 N/mm².
2. Area pistone: π × 100² ÷ 4 = 7.854 mm².
3. Area asta: π × 70² ÷ 4 = 3.848 mm².
4. Forza di estensione: 20 × 7.854 = 157.080 N, ovvero circa 157 kN.
5. Forza di retrazione: 20 × (7.854 − 3.848) = 80.120 N, o circa 80 kN.

In tonnellate di forza, ovvero circa 16 tonnellate di spinta e 8 tonnellate di trazione, una differenza abbastanza grande da cambiare il modo in cui viene specificata una macchina. Lo stesso cilindro descritto in termini imperiali, con alesaggio da 4 pollici e stelo da 2 pollici a 2.500 psi, fornisce circa 31.400 lbf di estensione e 23.560 lbf di retrazione. Il rapporto rimane identico, il che è un pratico controllo di integrità quando ci si sposta tra i set di disegni.

Ottenere il giusto foro, asta e pressione

Il calcolo è valido tanto quanto i suoi input e tre di essi causano la maggior parte degli errori che vediamo:

• Noio è il diametro interno del cilindro, non il diametro esterno del tubo e non il diametro del fondello.
• Diametro asta deve essere misurato sulla superficie cromata. Lo spessore della placcatura e l'usura sono entrambi meno importanti rispetto all'utilizzo del valore nominale di disegno.
• Pressione deve essere la pressione di esercizio all'attacco del cilindro, non la potenza massima della pompa. L'impostazione di una valvola di sicurezza è un limite massimo, non un punto operativo.

Se conosci solo l'impostazione dello scarico, esegui il calcolo con quel valore per trovare la forza massima che il cilindro può generare, quindi ripetilo con la pressione di esercizio tipica per vedere cosa utilizza la macchina nel lavoro quotidiano. Il divario tra i due spesso spiega perché una macchina sembra sovradimensionata in una funzione e marginale in un’altra.

Conversione della forza in tonnellaggio

Il linguaggio del sito funziona su tonnellate anziché su kilonewton. Per convertire, dividi i newton per 9.810, poiché una tonnellata-forza metrica equivale a 9,81 kN. I 157 kN di cui sopra diventano circa 16 tonnellate, un valore che la maggior parte degli operatori può immaginare immediatamente.

Guarda quale tonnellata stai utilizzando. Una tonnellata americana è 2.000 lbf mentre una tonnellata metrica è 2.205 lbf, e quella differenza del dieci per cento tende a emergere esattamente nel momento sbagliato.

Perché la forza reale è inferiore alla formula

La formula descrive un cilindro ideale. L'hardware reale perde un po' e capire dove va ti aiuta a giudicare quanto margine aggiungere.

Guarnizione e attrito della guida

Le guarnizioni del pistone, le guarnizioni dello stelo e gli anelli di guida resistono al movimento. Indossato o troppo stretto sigilli spingendo questa cifra verso l'alto, un cilindro rimasto inutilizzato per mesi spesso si rompe a una pressione notevolmente più alta di quella necessaria per continuare a muoversi.

Contropressione

L'olio che esce dalla camera opposta deve viaggiare attraverso tubi, valvole e filtri. Questa restrizione crea una contropressione che si oppone al movimento, quindi la forza netta è la forza di pressione di esercizio meno la forza sul lato di ritorno.

Carico laterale e disallineamento

Un cilindro spinto fuori asse si piega leggermente, l'asta si incastra nella guida e l'attrito aumenta bruscamente. Si tratta di un problema meccanico piuttosto che idraulico e nessuna quantità di pressione aggiuntiva lo risolve in modo pulito.

Come indennità di pianificazione, prevedere dal 5 al 15% in meno rispetto al valore teorico. Per qualsiasi cosa relativa alla sicurezza, considera il numero calcolato come un tetto piuttosto che come una garanzia.

Scelta di un fattore di sicurezza

Una volta ottenuta una cifra di forza realistica, la decisione successiva riguarda quanto margine trasportare. Non esiste una risposta universale, ma questi punti di partenza funzionano bene nelle macchine mobili:

• Carichi stabili e ben guidati con pedalata dolce: 1.5
• Carico d'urto, inversioni frequenti o terreno irregolare: 2.0 e superiore
• Applicazioni che coinvolgono persone: seguire lo standard macchina applicabile, che di solito è ben superiore a 2
• Cilindri a corsa lunga: controllare separatamente la deformazione dello stelo, perché spesso limita il progetto prima che lo faccia la pressione

Un fattore di sicurezza generoso non è gratuito. Aggiunge peso, costo e calore, quindi l'obiettivo è un numero che rifletta il compito reale piuttosto che un riflesso. Questo è anche il motivo per cui chiediamo ai clienti il ​​ciclo di lavoro insieme alla pressione e al diametro.

Da un numero a un cilindro che dura

Conoscere la forza richiesta è solo l'inizio. Il cilindro deve quindi erogarlo per migliaia di cicli, nella polvere, nella pioggia e negli sbalzi di temperatura, senza che lo stelo si pieghi o le guarnizioni trasmettano.

Su una gru montata su autocarro, ad esempio, la forza di orzata cambia continuamente all'aumentare dell'angolo del braccio e, nel caso peggiore, di solito si verifica con un angolo basso e a pieno carico. Il dimensionamento nella media lascerebbe la macchina corta esattamente quando conta.

Cilindro di manovra idraulico per gru montata su camion Regola l'angolo del braccio per il sollevamento a diverse altezze e distanze; l'opzione a doppio cilindro supporta carichi più pesanti, con considerazioni sul dimensionamento per modificare le forze di orzata. Visualizza il prodotto →

I sollevatori a forbice apportano una svolta diversa: diversi cilindri di sollevamento condividono il carico e la forza richiesta per cilindro è massima quando la piattaforma si trova al fondo della sua corsa e l'angolo di collegamento è meno favorevole. Questi sono i dettagli che stanno dietro le considerazioni di progettazione per un'applicazione specifica , e vale la pena controllarli prima che la noia venga riparata.

Cilindro di sollevamento idraulico della piattaforma aerea dell'ascensore di forbici I cilindri a semplice effetto sollevano e abbassano la piattaforma con fori di smorzamento per un posizionamento regolare; più cilindri condividono il carico, rendendo utile controllare la forza di collegamento nel caso peggiore. Visualizza il prodotto →

Quando il dovere è insolito

Il pipe jacking è un buon esempio di lavoro in cui la semplice formula è solo l'inizio. I cilindri di sollevamento principali spingono un'intera serie di tubi attraverso il terreno, quindi la forza richiesta deve coprire l'attrito lungo l'intera stringa, la resistenza del terreno sulla parte frontale e il peso del tubo stesso. Il calcolo è ancora pressione per area, ma l'area deve essere grande e la pressione deve essere disponibile in modo continuo per una corsa lunga.

Cilindro di sollevamento principale idraulico della macchina per il sollevamento di tubi Fonte di energia principale per il sollevamento di tubi, che fornisce forte spinta ed estensione precisa; il dimensionamento della forza deve coprire l'attrito lungo la batteria di tubi e la resistenza frontale. Visualizza il prodotto →

In casi come questo, il cilindro è progettato in base al carico anziché essere selezionato da un catalogo e il valore della forza diventa la prima riga di una specifica anziché la risposta finale.

Il calcolo della forza è una di quelle piccole abilità che ripagano più volte lo sforzo. Una volta che sei in grado di muoverti con sicurezza tra pressione, area e tonnellaggio, puoi controllare in pochi minuti il ​​disegno di un fornitore, individuare un cilindro sottodimensionato prima che raggiunga la macchina e spiegare a un cliente perché la forza di trazione non è la stessa della forza di spinta.

Se desideri un secondo paio di occhi su un calcolo, inviaci l'alesaggio, il diametro dello stelo, la pressione e uno schizzo del montaggio. Siamo sempre lieti di discutere i numeri prima che venga prodotto qualsiasi cosa.