Hydraulischer Zylinder - Hydraulic cylinder

Ein Hydraulikzylinder (auch als linearer Hydraulikmotor bezeichnet ) ist ein mechanischer Aktuator , der verwendet wird, um eine unidirektionale Kraft durch einen unidirektionalen Hub zu erzeugen. Es hat viele Anwendungen, insbesondere in Baumaschinen ( Technikfahrzeuge ), Fertigungsmaschinen und im Bauwesen.

Betrieb

Hydraulikzylinder beziehen ihre Kraft aus unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit , bei der es sich typischerweise um Öl handelt . Der Hydraulikzylinder besteht aus einem Zylinderfass , in dem ein Kolben an eine angeschlossene Kolbenstange hin und her bewegt. Der Zylinder wird an einem Ende durch den Zylinderboden (auch Kappe genannt) und am anderen Ende durch den Zylinderkopf (auch Stopfbuchse genannt) verschlossen, wo die Kolbenstange aus dem Zylinder austritt. Der Kolben hat Gleitringe und Dichtungen. Der Kolben teilt das Innere des Zylinders in zwei Kammern, die untere Kammer (Deckelseite) und die kolbenstangenseitige Kammer (Stangenende/Kopfende).

Flansche , Drehzapfen , Gabelköpfe und Laschen sind gängige Zylindermontageoptionen. Die Kolbenstange hat auch Befestigungsvorrichtungen, um den Zylinder mit dem Objekt oder der Maschinenkomponente zu verbinden, das oder die er drückt oder zieht.

Ein Hydraulikzylinder ist die Aktuator- oder "Motorseite" dieses Systems. Die „Generator“-Seite des Hydrauliksystems ist die Hydraulikpumpe, die dem Hydraulikzylinder einen festen oder geregelten Ölfluss zuführt, um den Kolben zu bewegen. Es gibt drei weit verbreitete Pumpentypen: hydraulische Handpumpe, hydraulische Luftpumpe und hydraulische elektrische Pumpe. Der Kolben drückt das Öl in der anderen Kammer zurück zum Reservoir. Wenn wir annehmen, dass das Öl während des Ausfahrhubs vom Deckelende her eindringt und der Öldruck im Stangenende/Kopfende ungefähr null ist, ist die Kraft F auf die Kolbenstange gleich dem Druck P im Zylinder mal der Kolbenfläche A :

${\displaystyle F=P\cdot A}$

Rückzugskraftdifferenz

Bei doppeltwirkenden Einstangenzylindern kommt es bei Umkehr von Eingangs- und Ausgangsdruck zu einem Kraftunterschied zwischen den beiden Kolbenseiten, da eine Kolbenseite von der daran befestigten Stange abgedeckt wird. Die Zylinderstange verkleinert die Kolbenfläche und reduziert die aufbringbare Kraft für den Einfahrhub.

Wenn während des Rückzugs das Öl in den Kopf (oder die Stopfbuchse) am Kolbenstangenende gepumpt wird und das Öl vom Kappenende drucklos zum Behälter zurückfließt, beträgt der Flüssigkeitsdruck im Kolbenstangenende (Zugkraft) / ( Kolbenfläche - Kolbenstangenfläche):

${\displaystyle P={\frac {F_{p}}{A_{p}-A_{r}}}}$

Dabei ist P der Flüssigkeitsdruck, F _p die Zugkraft, A _p die Kolbenstirnfläche und _Ar die Stangenquerschnittsfläche.

Bei doppeltwirkenden Doppelstangenzylindern besteht kein Kraftunterschied, wenn die Kolbenfläche auf beiden Seiten des Kopfes gleichmäßig von einer gleich großen Stange bedeckt ist. Der Zylinderkörper solcher Zylinder ist typischerweise an einer stationären Halterung befestigt.

Anwendungen

Hydraulikzylinder werden in Erdbewegungsmaschinen verwendet , um Ausleger, Stiel oder Schaufel anzuheben oder abzusenken. Diese Zylinder werden auch in hydraulischen Biegemaschinen , Blechschermaschinen, Spanplatten oder Sperrholz verwendet , die Heißpressen herstellen .

Teile

Ein Hydraulikzylinder besteht aus folgenden Teilen:

Zylinderlauf

Die Hauptfunktion des Zylinderkörpers besteht darin, den Zylinderdruck zu halten. Das Zylinderrohr besteht meist aus gehonten Rohren. Gehonte Rohre werden aus geeigneten kaltgezogenen nahtlosen Stahlrohren (CDS-Rohren) oder überzogenen Dornrohren (DOM) hergestellt. Das gehonte Rohr ist ohne weitere ID-Bearbeitung für Hydraulikzylinder einsatzbereit. Die Oberflächengüte der Zylindertrommel beträgt typischerweise 4 bis 16 Mikrozoll. Das Honverfahren und das Schäl- und Rollierverfahren (SRB) sind die beiden Hauptverfahren zur Herstellung von Zylinderrohren. Der Kolben bewegt sich im Zylinder hin und her. Der Zylinderlauf verfügt über eine glatte Innenfläche, eine hohe Präzisionstoleranz, eine lange Lebensdauer usw.

Zylinderfuß oder Kappe

Die Hauptfunktion der Kappe besteht darin, die Druckkammer an einem Ende zu umschließen. Die Kappe wird durch Schweißen, Gewinde, Bolzen oder Zuganker mit dem Körper verbunden. Kappen dienen auch als Zylinderbefestigungskomponenten [Kappenflansch, Kappenzapfen, Kappenkopf]. Das Kentern wird anhand der Biegespannung bestimmt. Zwischen Kappe und Zylinder wird eine statische Dichtung / O-Ring verwendet (außer Schweißkonstruktion).

Zylinderkopf

Die Hauptfunktion des Kopfes besteht darin, die Druckkammer vom anderen Ende her zu umschließen. Der Kopf enthält eine integrierte Stangendichtung oder die Option, eine Stopfbuchse aufzunehmen. Der Kopf wird über Gewinde, Bolzen oder Zuganker mit dem Körper verbunden. Zwischen Kopf und Zylinder wird eine statische Dichtung / ein O-Ring verwendet.

Kolben

Die Hauptfunktion des Kolbens besteht darin, die Druckzonen innerhalb des Laufs zu trennen. Der Kolben ist mit Nuten bearbeitet, um Elastomer- oder Metalldichtungen und Lagerelemente zu passen . Diese Dichtungen können einfachwirkend oder doppeltwirkend sein. Der Druckunterschied zwischen den beiden Seiten des Kolbens bewirkt, dass der Zylinder aus- und einfährt. Zur Übertragung der Linearbewegung wird der Kolben mit der Kolbenstange über Gewinde, Bolzen oder Muttern befestigt.

Kolbenstange

Die Kolbenstange ist typischerweise ein hartverchromtes Stück kaltgewalzten Stahls, das am Kolben befestigt ist und sich vom Zylinder durch den Stangenkopf erstreckt. Bei Zylindern mit Doppelstangenende hat der Aktuator eine Stange, die sich von beiden Seiten des Kolbens und aus beiden Enden des Zylinders erstreckt. Die Kolbenstange verbindet den hydraulischen Aktuator mit dem arbeitenden Maschinenteil. Diese Verbindung kann als Maschinengewinde oder als Befestigungsaufsatz ausgeführt sein. Die Kolbenstange ist hochgeschliffen und poliert, um eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten und Leckagen zu verhindern.

Stopfbuchse

Der Zylinderkopf ist mit Dichtungen ausgestattet, um zu verhindern, dass das unter Druck stehende Öl an der Schnittstelle zwischen der Stange und dem Kopf vorbeiläuft. Dieser Bereich wird als Stopfbuchse bezeichnet. Der Vorteil einer Stopfbuchsbrille besteht in der einfachen Entfernung und dem einfachen Austausch der Dichtung. Die Stopfbuchse enthält eine Primärdichtung, eine Sekundärdichtung/Pufferdichtung, Lagerelemente, einen Abstreifer/Abstreifer und eine statische Dichtung. In einigen Fällen, insbesondere bei kleinen Hydraulikzylindern, werden die Stangenstopfbuchse und die Lagerelemente aus einem einzigen integralen bearbeiteten Teil hergestellt.

Dichtungen

Die Dichtungen werden nach Zylinderarbeitsdruck, Zylinderdrehzahl, Betriebstemperatur , Arbeitsmedium und Anwendung betrachtet/ausgelegt . Kolbendichtungen sind dynamische Dichtungen und können einfach oder doppelt wirkend sein. Im Allgemeinen eignen sich Elastomerdichtungen aus Nitrilkautschuk , Polyurethan oder anderen Materialien am besten für Umgebungen mit niedrigeren Temperaturen, während Dichtungen aus Fluorcarbon Viton für höhere Temperaturen besser geeignet sind. Metallische Dichtungen sind ebenfalls erhältlich und allgemein verwendetes Gusseisen als Dichtungsmaterial. Stangendichtungen sind dynamische Dichtungen und im Allgemeinen einfachwirkend. Die Verbindungen der Stangendichtungen sind Nitrilkautschuk , Polyurethan oder Fluorcarbon Viton . Abstreifer/Abstreifer werden verwendet, um Verunreinigungen wie Feuchtigkeit, Schmutz und Staub zu entfernen, die zu umfangreichen Schäden an Zylinderwänden, Stangen, Dichtungen und anderen Komponenten führen können. Die übliche Verbindung für Wischer ist Polyurethan. Metallische Schaber werden für Anwendungen bei Minustemperaturen und Anwendungen verwendet, bei denen sich Fremdstoffe auf der Stange ablagern können. Die Lagerelemente/Verschleißbänder werden verwendet, um den Kontakt von Metall zu Metall zu eliminieren. Die Verschleißbänder sind gemäß den Anforderungen an die Seitenlast ausgelegt. Die Hauptkomponenten für Verschleißbänder sind gefülltes PTFE , gewebeverstärktes Polyesterharz und Bronze

Andere Teile

Es gibt viele Komponenten, die den inneren Teil eines Hydraulikzylinders bilden. Alle diese Teile bilden zusammen eine voll funktionsfähige Komponente.

• Zylinderbodenanschluss
• Kissen
• Duktile Köpfe mit Innengewinde
• Kopfdrüsen
• Polypak-Kolben
• Zylinderkopfkappen
• Schaftkappen
• Augenhalterungen/Gabelkopfhalterungen
• Abnehmbare MP-Halterungen
• Rod Eyes / Rod Gabelkopf
• Drehstifte
• Kugelförmige Kugelbuchsen
• Sphärisches Stabauge
• Ausrichtkoppler
• Anschlüsse und Armaturen

Einfachwirkend vs. doppeltwirkend

• Einfachwirkende Zylinder sind wirtschaftlich und einfachste Konstruktion. Hydraulikflüssigkeit tritt durch eine Öffnung an einem Ende des Zylinders ein, die die Stange durch einen Flächenunterschied verlängert. Eine externe Kraft, interne Rückzugsfeder oder Schwerkraft führt die Kolbenstange zurück.
• Doppeltwirkende Zylinder haben an jedem Ende oder an jeder Seite des Kolbens einen Anschluss, der mit Hydraulikflüssigkeit für das Ein- und Ausfahren versorgt wird.

Designs

In der Industrie werden hauptsächlich zwei Bauarten von Hydraulikzylindern verwendet: Zylinder mit Zugstange und Zylinder mit geschweißtem Gehäuse.

Spurstangenzylinder

Hydraulikzylinder in Zugstangenausführung verwenden hochfeste Stahlgewindestangen, um die beiden Endkappen am Zylinderrohr zu halten. Sie werden am häufigsten in industriellen Fabrikanwendungen gesehen. Zylinder mit kleiner Bohrung haben normalerweise 4 Zugstangen, und Zylinder mit großer Bohrung können bis zu 16 oder 20 Zugstangen erfordern, um die Endkappen unter den enormen erzeugten Kräften zu halten. Zylinder mit Zugstangen können zu Wartungs- und Reparaturzwecken vollständig zerlegt werden und sind nicht immer anpassbar.

Die National Fluid Power Association (NFPA) hat die Abmessungen von hydraulischen Zugstangenzylindern standardisiert. Dadurch können Zylinder verschiedener Hersteller innerhalb der gleichen Halterungen ausgetauscht werden.

Geschweißter Karosseriezylinder

Geschweißte Zylinder haben keine Spurstangen. Der Lauf ist direkt mit den Endkappen verschweißt. Die Ports sind mit dem Lauf verschweißt. Die vordere Stangenstopfbuchse wird normalerweise in das Zylinderrohr eingeschraubt oder mit diesem verschraubt. Dadurch können die Kolbenstangenbaugruppe und die Stangendichtungen für den Service ausgebaut werden.

Zylinder mit geschweißtem Körper haben eine Reihe von Vorteilen gegenüber Zylindern mit Zugstangen. Geschweißte Zylinder haben einen schmaleren Körper und oft eine kürzere Gesamtlänge, sodass sie sich besser in die engen Maschinengrenzen einfügen. Geschweißte Zylinder erleiden keinen Ausfall durch Zugstangendehnung bei hohen Drücken und langen Hüben. Das geschweißte Design eignet sich auch zur Anpassung. Der Zylinderkörper lässt sich einfach um spezielle Funktionen erweitern, darunter spezielle Anschlüsse, kundenspezifische Halterungen, Ventilverteiler usw.

Der glatte Außenkörper geschweißter Zylinder ermöglicht auch die Konstruktion von mehrstufigen Teleskopzylindern.

Hydraulikzylinder mit geschweißten Karosserien dominieren den Markt für mobile Hydraulikgeräte wie Baumaschinen ( Bagger , Bulldozer und Straßenplaner) und Flurförderzeuge (Gabelstapler, Teleskoplader und Hebebühnen). Sie werden auch von der Schwerindustrie in Kränen, Bohrinseln und großen Geländefahrzeugen für den oberirdischen Bergbau eingesetzt.

Kolbenstangenkonstruktion

Die Kolbenstange eines Hydraulikzylinders arbeitet sowohl innerhalb als auch außerhalb des Zylinders und folglich sowohl innerhalb als auch außerhalb der Hydraulikflüssigkeit und der umgebenden Atmosphäre.

Beschichtungen

Am Außendurchmesser der Kolbenstange sind verschleiß- und korrosionsbeständige Oberflächen erwünscht. Die Oberflächen werden häufig mit Beschichtungstechniken wie Verchromen (Nickel), Lunac 2+ Duplex, Laser Cladding, PTA-Schweißen und Thermisches Spritzen aufgebracht. Diese Beschichtungen können auf die gewünschte Oberflächenrauheit (Ra, Rz) endbearbeitet werden, wo die Dichtungen optimale Leistung erbringen. Alle diese Beschichtungsverfahren haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Aus diesem Grund spielen Beschichtungsexperten eine entscheidende Rolle bei der Auswahl des optimalen Oberflächenbehandlungsverfahrens zum Schutz von Hydraulikzylindern.

Zylinder werden unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen eingesetzt und das macht es zu einer Herausforderung, die richtige Beschichtungslösung zu finden. Bei Baggerarbeiten kann es zu Stößen durch Steine ​​oder andere Teile kommen, in Salzwasserumgebungen zu extremen Korrosionsangriffen, bei Offshore-Zylindern, die in Kombination mit Salzwasser Biegungen und Stößen ausgesetzt sind, und in der Stahlindustrie treten hohe Temperaturen auf usw Es gibt keine einzige Beschichtungslösung, die alle spezifischen betrieblichen Verschleißbedingungen erfolgreich bekämpft. Jede Technik hat ihre eigenen Vor- und Nachteile.

Länge

Kolbenstangen sind im Allgemeinen in Längen erhältlich, die auf die Anwendung zugeschnitten sind. Da die gewöhnlichen Stäbe einen weichen oder unlegierten Stahlkern haben, können ihre Enden geschweißt oder für ein Schraubengewinde bearbeitet werden .

Kräfteverteilung auf Bauteile

Die Kräfte auf die Kolbenfläche und die Kolbenkopfhalterung variieren je nach verwendetem Kolbenkopfhalterungssystem.

Wenn ein Sicherungsring (oder ein nicht vorgespanntes System) verwendet wird, ist die Kraft, die zum Trennen des Kolbenbodens und der Zylinderwellenschulter wirkt, der aufgebrachte Druck multipliziert mit der Fläche des Kolbenbodens. Der Kolbenkopf und die Wellenschulter werden getrennt und die Last wird vollständig von der Kolbenkopfhalterung abgefangen.

Bei Verwendung eines vorgespannten Systems ist die Kraft zwischen Zylinderschaft und Kolbenboden zunächst der Vorspannwert der Kolbenbodenhalterung. Sobald Druck ausgeübt wurde, verringert sich diese Kraft. Der Kolbenboden und die Zylinderschaftschulter bleiben in Kontakt, es sei denn, der aufgebrachte Druck multipliziert mit der Kolbenbodenfläche überschreitet die Vorspannung.

Die maximale Kraft, die der Kolbenkopfhalter erfährt, ist die größere aus Vorspannung und aufgebrachtem Druck multipliziert mit der gesamten Kolbenkopffläche. Die Belastung des Kolbenbodenhalters ist größer als die äußere Belastung, was auf die reduzierte Schaftgröße zurückzuführen ist, die durch den Kolbenboden verläuft. Das Vergrößern dieses Abschnitts der Welle verringert die Belastung des Halters.

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Seitenbelastung ist ein ungleicher Druck, der nicht auf der Zylinderstange zentriert ist. Diese außermittige Belastung kann in extremen Fällen zum Verbiegen der Stange führen, führt jedoch häufiger zu Undichtigkeiten, da sich die kreisförmigen Dichtungen in eine ovale Form verziehen. Es kann auch die Bohrung um die Stange und die innere Zylinderwand um den Kolbenboden beschädigen und vergrößern, wenn die Stange seitlich fest genug gedrückt wird, um die Dichtungen vollständig zusammenzudrücken und zu verformen, um einen Metall-auf-Metall-Schabkontakt herzustellen.

Die Belastung durch seitliche Belastung kann direkt durch die Verwendung von internen Anschlagrohren reduziert werden, die die maximale Auszugslänge reduzieren, einen gewissen Abstand zwischen Kolben und Bohrungsdichtung lassen und die Hebelwirkung erhöhen, um einem Verziehen der Dichtungen entgegenzuwirken. Doppelkolben verteilen auch die Kräfte der seitlichen Belastung und reduzieren gleichzeitig die Hublänge. Alternativ können externe Gleitführungen und Scharniere die Last tragen und seitliche Belastungskräfte reduzieren, die direkt auf den Zylinder wirken.

Zylindermontagemethoden

Auch die Montagemethoden spielen eine wichtige Rolle bei der Zylinderleistung. Im Allgemeinen sind feste Halterungen auf der Mittellinie des Zylinders am besten für eine geradlinige Kraftübertragung und zur Vermeidung von Verschleiß geeignet. Gängige Befestigungsarten sind:

Flanschaufnahmen -Sehr fest und steif, aber haben wenig Toleranz für Fehlausrichtung. Experten empfehlen Kappenendbefestigungen für Schubbelastungen und Stangenendbefestigungen, bei denen eine große Belastung die Kolbenstange unter Spannung setzt. Drei Typen sind rechteckiger Kopfflansch, quadratischer Kopfflansch oder rechteckiger Kopf. Flanschhalterungen funktionieren optimal, wenn die Montagefläche an einem Maschinenträgerelement befestigt wird.

Seitlich montierte Zylinder – Einfach zu installieren und zu warten, aber die Halterungen erzeugen ein Drehmoment, wenn der Zylinder Kraft auf eine Last ausübt, was den Verschleiß erhöht. Um dies zu vermeiden, geben Sie bei seitlich montierten Zylindern einen Hub an, der mindestens der Bohrungsgröße entspricht (starke Belastung führt dazu, dass kurze Hub- und große Zylinder instabil werden). Seitenhalterungen müssen gut ausgerichtet und die Last unterstützt und geführt werden.

Mittellinien-Stollenhalterungen – absorbieren Kräfte auf der Mittellinie und erfordern Passstifte, um die Stollen zu sichern, um eine Bewegung bei höherem Druck oder unter Stoßbedingungen zu verhindern. Passstifte halten es an der Maschine, wenn es mit hohem Druck oder unter Stoßbelastung betrieben wird.

Schwenkmontagen -Absorb Kraft auf die Zylindermittellinie und ließ den Zylinderwechsel Ausrichtung in einer Ebene. Gängige Typen sind Gabelköpfe, Drehzapfenhalterungen und Gelenklager. Da diese Halterungen ein Schwenken eines Zylinders ermöglichen, sollten sie mit ebenfalls schwenkbaren Stangenenden verwendet werden. Gabelköpfe können in jeder Ausrichtung verwendet werden und werden allgemein für kurze Hübe und Zylinder mit kleiner bis mittlerer Bohrung empfohlen.

Spezielle Hydraulikzylinder

Teleskopzylinder

Die Länge eines Hydraulikzylinders ist die Summe aus Hub, Kolbendicke, Boden- und Kopfdicke und Länge der Anschlüsse. Oft passt diese Länge nicht in die Maschine. Dabei wird die Kolbenstange auch als Kolbenrohr und eine zweite Kolbenstange verwendet. Diese Art von Zylindern werden Teleskopzylinder genannt . Wenn wir einen normalen Stangenzylinder einstufig nennen, sind Teleskopzylinder mehrstufige Einheiten von zwei, drei, vier, fünf oder mehr Stufen. Im Allgemeinen sind Teleskopzylinder viel teurer als normale Zylinder. Die meisten Teleskopzylinder sind einfachwirkend (Druck). Doppeltwirkende Teleskopzylinder müssen speziell konstruiert und hergestellt werden.

Kolbenzylinder

Ein Hydraulikzylinder ohne Kolben oder mit einem Kolben ohne Dichtungen wird als Plungerzylinder bezeichnet. Ein Kolbenzylinder kann nur als Druckzylinder verwendet werden; die maximale Kraft ist die Kolbenstangenfläche multipliziert mit dem Druck. Dies bedeutet, dass ein Kolbenzylinder im Allgemeinen eine relativ dicke Kolbenstange hat.

Differentialzylinder

Ein Differenzialzylinder verhält sich beim Ziehen wie ein normaler Zylinder. Muss der Zylinder jedoch schieben, wird das Öl von der Kolbenstangenseite des Zylinders nicht in den Vorratsbehälter zurückgeführt, sondern gelangt auf die Unterseite des Zylinders. Auf diese Weise fährt der Zylinder viel schneller, aber die maximale Kraft, die der Zylinder ausüben kann, ist wie bei einem Kolbenzylinder. Ein Differenzialzylinder kann wie ein normaler Zylinder hergestellt werden, und es wird nur eine spezielle Steuerung hinzugefügt.

Der obige Differentialzylinder wird auch als regenerativer Zylindersteuerkreis bezeichnet. Dieser Begriff bedeutet, dass der Zylinder ein doppeltwirkender Hydraulikzylinder mit einer Stange ist. Der Steuerkreis umfasst ein Ventil und eine Rohrleitung, die während des Ausfahrens des Kolbens das Öl von der Stangenseite des Kolbens zur anderen Seite des Kolbens leitet, anstatt zum Reservoir der Pumpe. Das Öl, das auf die andere Seite des Kolbens geleitet wird, wird als regeneratives Öl bezeichnet.

Positionserkennung "intelligenter" Hydraulikzylinder

Hydraulikzylinder mit Positionserkennung machen eine hohle Zylinderstange überflüssig. Stattdessen erfasst ein externer Messbalken mit Hall-Effekt- Technologie die Position des Zylinderkolbens. Dies wird durch die Anordnung eines Permanentmagneten innerhalb des Kolbens erreicht. Der Magnet propagiert ein Magnetfeld durch die Stahlwand des Zylinders und liefert ein Ortungssignal an den Sensor.

Terminologie

In den Vereinigten Staaten bezieht sich die gängige Verwendung auf die gesamte Baugruppe aus Zylinder, Kolben und Kolbenstange (oder mehr) zusammen als "Kolben", was falsch ist. Stattdessen ist der Kolben das kurze, zylindrische Metallbauteil, das die beiden Teile des Zylinderrohrs im Inneren trennt.

Verweise