Предотвращение коробления штока поршня в гидроцилиндрах

Маттиас Авад объясняет, как конструкторы-механики могут использовать высокопрочную специальную сталь для штока поршня для повышения устойчивости гидравлических цилиндров к продольному изгибу.

Гидравлические цилиндры с высокой точностью управляют тяжелыми нагрузками в строительных машинах, подъемном оборудовании, сельскохозяйственной технике, ветряных турбинах и других отраслях промышленности. Их проектировщики должны позаботиться о том, чтобы поршневые штоки сопротивлялись короблению, когда гидравлические цилиндры подвергаются сжимающим усилиям.

Потеря устойчивости — это внезапная и непредсказуемая форма отказа с серьезными последствиями. Оно возникает из-за чрезмерной нагрузки в режиме толкания – поэтому при проектировании поршневых штоков инженеры уделяют пристальное внимание сжимающим напряжениям.

В цилиндрах одностороннего действия, обеспечивающих толкающую силу, шток поршня подвергается сжатию. Его конструкция должна обеспечивать удержание осевого напряжения ниже критического порога потери устойчивости.

Цилиндры двустороннего действия также должны быть способны противостоять усталости, которая может возникнуть в результате многих тысяч циклов чередования сжатия и растяжения. Эти циклы создают повышенное напряжение вокруг микроскопических дефектов, что приводит к распространению трещин и возможному выходу из строя. Усталость обычно возникает в местах с уменьшенным поперечным сечением, например, в корнях или галтелях резьбы, а также в дефектах сварных соединений.

Тщательный выбор стали может снизить риск выхода из строя из-за коробления и усталости. При проектировании цилиндров с тонкими стержнями инженеры могут применять теорию Эйлера, которая представляет собой модель упругого изгиба. Однако для менее тонких стержней теория Эйлера сильно переоценивает сопротивление продольному изгибу, и инженеры могут защититься от продольного изгиба, обратившись к материалам с более высоким пределом текучести.

Эта практика была интегрирована в нормы проектирования колонн в строительной отрасли с помощью методологий Американского института стальных конструкций (AISC) и Европейской конвенции по стальным конструкциям (ECCS).

Кроме того, полезным ресурсом является стандарт крана прЕН 13001-3-6А. Он включает в себя процесс оценки прочности гидравлических цилиндров на продольный изгиб и метод расчета эффективной длины штока поршня. Эффективная длина зависит от того, подсоединен ли цилиндр только на самых концах или имеет опору посередине у сальника.

Специально для гидравлики были разработаны специальные стали для штоков поршней, такие как Cromax 180X и Cromax 280X компании Ovako. Cromax 180X выпускается в виде твердохромированного прутка и изготовлен на основе среднеуглеродистой микролегированной стали. Он имеет минимальный предел текучести 500 Н/мм2 благодаря тщательному контролю за легирующей смесью и обработкой. Это сравнимо с 305 Н/мм2 для марки C45E.

Более высокий предел текучести означает, что шток поршня лучше выдерживает изгиб. Таким образом, конструктор может уменьшить диаметр штока поршня, уменьшив вес всего цилиндра.

В качестве альтернативы они могут заменить шток поршня C45E идентичным штоком Cromax 180X, чтобы передать большую нагрузку с тем же запасом прочности против коробления, при условии, что цилиндр рассчитан на более высокую силу/давление.

Инженеры могут сравнивать различные марки стали поршневого штока с помощью программы прогнозирования штока поршня, которая является частью инструмента Steel Navigator на веб-сайте Ovako. Прогнозатор штока поршня дает представление о том, как различные марки влияют на устойчивость к продольному изгибу с использованием методов AISC и ECCS.

Инженеры могут использовать моделирование усталости для разработки поршневых штоков двойного действия. Как правило, усталостная прочность увеличивается с увеличением прочности материала стержня на растяжение. Гарантированная ударная вязкость также может потребоваться для применений, критически важных для безопасности.

При прочих равных условиях более высокая прочность на разрыв Cromax 180X обеспечивает значительно лучшие усталостные характеристики, чем C45E. Как и в случае с устойчивостью к продольному изгибу, использование Cromax 180X может либо позволить уменьшить размер поршневого штока, либо повысить усталостную долговечность при том же размере штока.