سیلندرهای هیدرولیکی

سیلندرهای هیدرولیکی

 

فصل سوم : سیلندرهای هیدرولیکی

۳-۱( مقدمه

امروزه موتور ها و سیلندهای هیدرولیکی اجزاء جدایی ناپذیری از سیستم هیدرولیکی می باشند .وظیفه آن ها تبدیل انرژی هیدرولیکی به انرژی مکانیکی است .در واقع سیلندر هیدرولیکی رابطی بین سیستم هیدرولیکی و ماشین است.

تفاوت سیلندرها با موتورهای هیدرولیکی در نوع حرکت آن هاست .سیلندرها حرکت خطی ایجاد می کنند و ضمن این حرکت ،نیرو منتقل می شود .

با صرف نظر از نیروی اصطکاک ،حداکثر نیروی قابل دستیابی) F( توسط سیلندر ،بستگی به حداکثر فشار کاری) p( و سطح موثر) A( دارد.

F = p × A     )۱-۳

 

اگر عملکرد ماشین شامل حرکت های خطی باشد، استفاده از سیلندر های هیدرولیکی در سیستم محرک ،مزایای زیر را دارد:

  • طراحی ساده سیستم محرک ماشین و نصب آسان
  • از آن جایی که، تبدیل حرکت دورانی به حرکت خطی نیاز نیست ،سیستم محرک دارای راندمان بالایی است.
  • استفاده از سیلندر هیدرولیکی ،اعمال نیروی حداکثر به طور پیوسته از ابتدا تا انتهای کورس را تضمین می کند .توان اعمال نیرو به راحتی توسط یک شیر کنترل فشار ،محدود می شود.
  • سرعت حرکت سیلندر بستگی به میزان جریان و سطح موثر پیستون دارد .اگر جریان ثابت بماند ،سرعت سیلندر از ابتدا تا انتهای حرکت ثابت است.
  • بسته به نوع طراحی سیلندر ،سیلندر می تواند نیروی فشاری یا نیروی کششی اعمال کند.
  • ابعاد سیلندرهای هیدرولیکی ،امکان ساخت محرک هایی با قدرت بالا و حجم کم را ایجاد می کند.

 

مهمترین وظایف سیلندرهای هیدرولیکی ،بالا بردن ،پایین آوردن ، حرکت دادن و قفل شدن بارها است.

 

۳-۲( انواع سیلندرها

بسته به عملکرد سیلندر ها ،می توان آن ها را به دو دسته تقسیم بندی کرد:

  • سیلندرهای تک عمله[۱]
  • سیلندرهای دو عمله[۲]

 

۳-۲-۱( سیلندرهای تک عمله

این سیلندر ها تنها توانایی اعمال نیرو در یک جهت را دارند .برگشت پیستون به وسیله فنر یا وزن خود پیستون و یا نیروی خارجی صورت می گیرد .این سیلندرها به طور کلی فقط یک سطح موثر دارند .

انواع آنها به شرح ذیر است:

  • سیلندرهای پلانجری[۳]
  • سیلندرهای فنردار[۴]

 

 

 

 

                                                        

الف( سیلندر پلانجری[۵]

 

 

شکل) ۳-۱( سیلندرهای پلانجری

سمت راست دارای پیستون راهنما      سمت چپ بدون پیستون راهنما

 

طراحی این سیلندر ها به گونه ای است که فقط توانایی اعمال نیروی فشاری را دارند .بسته به کاربرد ،این سیلندرها          می توانند دارای پیستون راهنما[۶] و یا فاقد آن باشند .پیستون راهنما وظیفه محدود کردن کورس سیلندر را دارد.

نیروی اعمالی این سیلندرها برای هر دو مدل ،برابر با حاصل ضرب سطح میله در فشار کاری است .کاربرد سیلندرهای پلانجری در جایی است که جهت بار اعمالی ،سیلندر را حتما به موقعیت ابتدایی خود برگرداند.به عنوان مثال در پرس های بالا رونده ،میزهای قیچی ،دستگاهای بالابر و…

اعمال فشار روی سطح موثر از طریق دهانه A صورت می گیرد .در این حالت پیستون بیرون می آید) سیلندر باز می شود(. و نیروی فشاری اعمال می شود. بازگشت پیستون به موقعیت اولیه) جمع شدن سیلندر( ،توسط وزن خود پیستون یا اعمال نیروی خارجی انجام می شود.

 

ب( سیلندر با بازگشت فنری

این سیلندر ها در جایی کاربرد دارند که نیروی بازگرداننده خارجی موجود نباشد .فنر بازگرداننده می تواند داخل سیلندر یا خارج آن و یا به عنوان قطعه ای مجزا در خارج از آن نصب شود .فنر تنها توانایی انجام کورس محدود و نیروی محدود را دارد .این فنر ها معمولا در سیلندر های کوچک مورد استفاده قرار می گیرند .

کاربرد این سیلندر ها در گیره ها یا ابزار مونتاژ و تعمیر می باشند.

  • سیلندر تک عمله فشاری:

 

 

شکل) ۳-۲( سیلندر تک عمله فشاری

        سمت راست دارای فنر خارجی     سمت چپ دارای فنر داخلی

 

با توجه به شکل) ۲-۳(، با اعمال فشار به دهانه A ،سیلندر باز شده و نیروی فشاری اعمال می شود .جمع شدن سیلندر توسط فنر انجام می شود.

شکل) ۳-۳( سیلندر تک عمله کششی

سمت راست دارای فنر خارجی     سمت چپ دارای فنر داخلی

با توجه به شکل) ۳-۳(،در این حالت با اعمال فشار به دهانه B ،پیستون به سمت داخل حرکت می کند و نیروی کششی اعمال می شود .بازگشت پیستون به موقعیت اولیه )باز شدن سیلندر( توسط فنر انجام می شود.

۳-۲-۲( سیلندرهای دو عمله

این سیلندرها دارای دو سطح موثر هستند .این سطوح می توانند متفاوت و یا برابر باشند .این سیلندرها دارای دو دهانه اتصال می باشند که این دهانه ها ،توسط پیستون از هم تفکیک شده اند.

با ورود روغن به هر کدام ااز دهانه های A و  B ،سیلندر توانایی اعمال نیروی کششی و یا فشاری را دارد .این سیلندرها بسیار کاربرد دارند و در اکثر صنایع مورد استفاده قرار می گیرند.

این سیلندرها به دو گروه تقسیم می شوند:

الف( سیلندرهای تک میله ای) سیلندرهای تفاضلی( ب( سیلندرهای دو میله ای

 

الف( سیلندرهای تک میله ای

در این سیلندرها پیستون به یک میله با قطر کوچکتر از پیستون متصل است .علت نام گذاری آن ها به عنوان “سیلندرهای تفاضلی”، وجود دو سطح موثر با اندازه های متفاوت می باشد.

نسبت سطح پیستون به سطح حلقوی سمت میله را با ф نشان می دهند. حداکثر نیروی فشاری توسط این سیلندر در باز شدن ،به سطح پیستون و فشار کاری بستگی دارد .حداکثر نیروی کششی توسط این سیلندر در جمع شدن ،به سطح حلقوی سمت میله و فشار کاری بستگی دارد .این به معنی بزرگتر بودن نیروی اعمالی در باز شدن با نسبت ф ،از نیروی اعمالی در جمع شدن می باشد.

 

برای باز شدن سیلندر به اندازه یک طول مشخص ،نسبت به جمع شدن سیلندر به همان طول ،به حجم بیشتری از روغن نیاز داریم .علت آن اختلاف حجم محفظه های دو سمت پیستون به علت اختلاف سطح دو سمت پیستون است.نتیجتاً در یک دبی ثابت ،سرعت های متفاوتی برای جمع شدن و باز شدن سیلندر داریم.نسبت سرعت با نسبت سطح)ф( رابطه معکوس دارد.

سطح بزرگتر  =>   سرعت کمتر  ،نیروی بیشتر سطح کوچکتر =>  سرعت بیشتر ، نیروی کمتر

 

ب( سیلندرهای دو میله ای

 

در این سیلندرها پیستون از طرفین به دو میله با قطرهای کوچکتر متصل است .در طراحی اصلی ،قطر دو میله برابر است .حداکثر نیروی اعمالی بستگی به اندازه سطح حلقوی) که در دو سمت پیستون یکسان است( و حداکثر فشار کاری دارد .این به معنی اعمال نیروهای یکسان در دو جهت می باشد .به علت تساوی سرعت پیستون در دو جهت برابر است.

برای کاربردهای خاص ،سیلندر دو میله ای با قطرهای متفاوت وجود دارند.

در این مدل ،نیرو و سرعت شبیه به سیلندر تفاضلی ،به نسبت سطوح حلقوی)ф( بستگی دارد.

۳-۲-۳( سیلندرهای خاص

در بعضی مواقع جهت استفاده از سیلندر های تک عمله و دو عمله نیاز به طراحی خاصی از آن ها هستیم .رایج ترین حالت ،نیاز به ایجاد یک کورس بلند توسط سیلندر است در حالی که فضای نصب محدود می باشد و یا زمانی که نیاز به ایجاد یک نیروی بزرگ داریم در حالی که قطر پیستون محدودیت دارد. بنابراین مدل های خاصی برای پاسخگویی طراحی شده اند.

الف( سیلندر های جفتی[۷]

در این سیلندرها ،دو سیلندر دو عمله پشت سر هم نصب شده اند .میله یکی از آنها به انتهای پیستون سیلندر دیگر متصل است و به آن فشار وارد می کند .با استفاده از این مدل سطح موثر افزایش می یابد و نیروی بزرگتری بدون افزایش فشار کاری ،با یک قطر کوچکتر از سیلندر قابل دستیابی است.البته در این مدل افزایش طول باید مد نظر قرار گیرد.

ب( سیلندر های تلسکوپی[۸]

تفاوت این مدل با مدل های ساده ،حجم کوچکتر آن ها جهت نصب) در وضعیت جمع شده( ،نسبت به یک سیلندر ساده با همان طول کورس است .

فضای نصب به علت استفاده از چند پیستون و میله توخالی که در داخل یکدیگر حرکت می کنند ،کوچک می شود .در این حالت طول میله ها برابر با طول کورس کامل سیلندر تقسیم بر تعداد مرحله ها به اضافه طول ناشی از ضخامت ها ،طول گایدها ،عرض آببندها و اتصالات می باشد.به همین دلیل فضای نصب تنها به اندازه بسیار کوچکی از سیلندر تک مرحله ای ساده بزرگتر است.

طول وضعیت جمع شده این سیلندرها بین ۲۵/۰ تا ۵/۰ برابر طول باز شده آن ها می باشد.بسته به میزان فضای نصب این سیلندرها به صورت ۲، ۳، ۴ و ۵ مرحله ای موجود هستند.

سیلندرهای تلسکوپی در بالابرهای هیدرولیکی ،در ماشین آلات حمل بار ،آنتن ها و … استفاده می شوند.

                                                        

 سیلندر تلسکوپی تک عمله

اگر دهانه A سیلندر تحت فشار قرار گیرد میله ها به ترتیب باز    می شوند .فشار در هر مرحله ،به میزان بار و سطح موثر در آن مرحله بستگی دارد .بنابراین مجموعه ای که دارای بزرگترین سطح موثر است ابتدا باز می شود .در یک فشار و جریان ثابت ،سیلندر در ابتدای حرکت ،با بیشترین نیرو و کمترین سرعت باز می شود و در انتهای حرکت دارای کمترین نیرو و بیشترین سرعت است .

برای محاسبات طراحی باید نیروی پیستون با کوچکترین سطح موثر در نظر گرفته شود.

در سیلندر تلسکوپی تک عمله ،ترتیب جهت جمع شدن عکس جهت باز شدن است .پیستون دارای کوچکترین سطح موثر به موقعیت خود بر می گردد.

 

 سیلندر تلسکوپی دو عمله

در سیلندرهای تلسکوپی دو عمله ،پیستون ها همانند سیلندرهای تلسکوپی تک عمله باز می شوند ولی ترتیب جمع شدن پیستون ها بستگی به سطح حلقوی سمت میله آن ها و بار خارجی اعمالی دارد.

اگر دهانه B تحت فشار قرار گیرد ،ابتدا پیستون دارای بزرگترین سطح حلقوی ،به موقعیت اولیه خود برمی گردد .

شکل) ۳-۹( سیلندر تلسکوپی دو عمله

۳-۳ ( اصول طراحی

طراحی سیلندرهای هیدرولیکی بستگی به دامنه کاربردش دارد .طراحی سیلندرها بر اساس بهبود عملکرد آن ،در یک کارایی خاص بوده است.

برای ابزار آلات ماشینی ،ماشین آلات نقلیه ،ماشین آلات راه سازی ،صنایع فولاد و … سیلندرهای متنوعی طراحی شده است. به طور کلی دو طرح موجود است.

  • سیلندر دارای میله استحکامی[۹]
  • سیلندر های پیچی و جوشی[۱۰]

 

۳-۳-۱( سیلندر دارای میله استحکامی

این سیلندر از درپوش انتهایی) ۱( ،پوسته) ۲( ،سرسیلندر) ۳(، میله های استحکامی ، پیستون) ۴( ،میله پیستون) ۵( ،بوش هادی[۱۱] )۶( و قطعه اتصالی که در اینجا فلنج) ۷( می باشد ،تشکیل شده است.

سرسیلندر ،پوسته و درپوش های انتهایی با یکدیگر مونتاژ شده و توسط ۴ عدد میله استحکامی ،محکم شده اند.

آب بند پیستون) ۱۰( ،جهت آب بندی سطح) ۸( از سطح میله پیستون) ۹( نصب شده است.

جهت دستیابی به حرکت هموار بدون لغزیدن-چسبیدن [۱۲] در فشارها و سرعت های پایین ،انتخاب نوع آب بند ،کیفیت سطح داخلی پوسته ،کیفیت سطح میله و جنس بوش هادی) گاید( ،مهم است.

 شکل)۳-۱۱( نمای برشی سیلندر دارای میله استحکامی

 

اطلاعات فنی مهم:

فشارکاری :                             حداکثر bar 105 )بسته به قطر پیستون.( قطر پیستون :                    ۳۲ تا ۲۰۰ میلی متر.

قطر میله پیستون :  ۱۸ تا ۱۴۰ میلی متر.

                                                        

۳-۳-۲( سیلندر پیچی و جوشی

 

 

        شکل)۳-۱۲( سیلندر دارای کپه انتهایی جوش شده و سر سیلندر پیچی

 

 

نمای برشی شکل) ۳-۱۳( ،یک سیلندر با درپوش انتهایی جوشی و سر سیلندر پیچی را نشان می دهد. این سیلندرها برای تحمل فشارهای بسیار بالا) bar 250 تا bar 350 ( طراحی شده اند و بسیار محکم هستند. آب بندی پیستون توسط           آب بندهای) ۱( انجام می شود. بوش راهنمای) ۲( ،در سایزهای کوچک، خشک است ولی در سایزهای بزرگ ،روغن کاری   می شود.

 شکل)۳-۱۳( نمای برشی سیلندر با اتصال جوشی درپوش انتهایی و سر سیلندر پیچی

 

اطلاعات فنی مهم:

حداکثر bar 350 فشار کاری:
            ۴۰ تا ۳۲۰ میلی متر قطر پیستون:
            ۲۰ تا ۲۲۰ میلی متر قطر دسته پیستون:
   

 

 

 

 

۳-۴( روش های نصب

روش های مختلف نصب ،مستقل از نوع طراحی سیلندر ،بسیار مهم است.روش نصب ،قطر میله پیستون و میزان بار ،بر روی طول کورس مجاز سیلندر اثر می گذارند. سیلندرها برای اعمال نیروی کششی و نیروی فشاری طراحی شده اند و باید از اعمال نیروی برشی یا تحت کشش قرار گرفتن سیلندر) منظور کشش پوسته است .در اعمال نیروی کششی ،میله پیستون تحت کشش قرار می گیرد(. جلوگیری شود.

عمومی ترین روشهای نصب در شکل) ۳-۱۴( تا شکل) ۳-۲۰( اورده شده است

  • انتهای سیلندر دارای لولای گردان[۱۳] – چشمی انتهایی میله[۱۴] دارای لولای گردان : توانایی حرکت محوری در صفحه چرخش لولا

 

 شکل)۳-۱۴(  اتصال نوع اول

 

  • انتهای سیلندر دارای لولای گردان – چشمی انتهایی میله دارای لولای کروی[۱۵] : توانایی هم محور شدن[۱۶] در صورت دقت پایین برای نصب محور درون چشمی

 

 

 شکل)۳-۱۵( اتصال نوع دوم

                                                        

  • انتهای سیلندر دارای لولای کروی – چشمی انتهایی میله دارای لولای کروی : علاوه بر حرکت محوری توانایی حرکت عرضی نسبت به صفحه چرخش لولا

 

 

       شکل)۳-۱۶( اتصال نوع سوم

 

  • سر سیلندر دارای اتصال فلنجی : حرکت عمودی تحت بار فشاری یا کششی – در حالت بارگذاری ،پیچ ها نباید تحت فشار باشند.

 

 شکل)۳-۱۷(  اتصال نوع چهارم

  • انتهای سیلندر دارای اتصال فلنجی: حرکت عمودی تحت بار فشاری یا کششی-  در حالت بارگذاری ،پیچ ها نباید تحت فشار باشند.

 

 شکل)۳-۱۸(  اتصال نوع پنجم

  • اتصال لولایی روی بدنه سیلندر[۱۷] : جهت نصب عمودی و افقی – محل لولا قابل تغییر است – وسط سیلندر بهترین موقعیت برای نصب لولا از لحاظ تعادل وزنی و کاهش فشار روی یاتاقان ها است.

 

               شکل)۳-۱۹( اتصال نوع ششم

 

  • اتصال پایه دار[۱۸] : در این حالت از محور سیلندر روی سطح اتصال ،گشتاور اعمال می شود – پیچ ها باید از بار برشی حفاظت شوند – برای جبران بار اعمالی به سیلندر باید از یاتاقان کمکی استفاده شود.

 شکل)۳-۱۹(  اتصال نوع هفتم

۳-۵ ( کمانش[۱۹]

هنگام استفاده از سیلندر های هیدرولیکی با طول کورس بلند ،امکان ایجاد کمانش وجود  دارد .جهت محاسبه کمانش ،دو گروه زیر را در نظر می گیرند:

  • کمانش غیر الاستیک که از روش “تتماجرز[۲۰]” محاسبه می شود.
  • کمانش الاستیک که از طریق معادله “اویلر” محاسبه می شود.

 

برای محاسبه کمانش سیلندرهای هیدرولیکی از معادله اویلر لستفاده می شود .کمانش برای میله پیستون رخ می دهد .

در بار اعمالی K ،برای میله پیستون ،کمانش رخ می دهد.

 

ماکزیموم بار اعمالی : ۳-۳(

Sk  :

طول آزاد کمانش)cm(        مدول الاستیسیته) ۲E :    ) kp/cm  )برای فولاد (  ۶۱۰ . ۱٫۲ = ممان اینرسی )۲J :          )cm

)برای مقطع دایره ای شکل(

ضریب ایمنی) بین ۵/۲ تا ۵/۳(           : S

 

 

طول آزاد کمانش را می توان با توجه به جدول صفحه بعد برای انواع بارگذاری های مختلف در نظر گرفت.

استحکام کمکی ناشی از پوسته سیلندر بر میله پیستون  ،در محاسبات لحاظ نشده است .این امر باعث ایجاد یک حاشیه ایمنی  ،برای بار محاسبه شده در روش های معمول نصب ،می شود .در روشهای نصب غیر متعارف ،باید تنش های برشی منجر به خمش در محاسبات لحاظ شود.

۳-۶ ( ضربه گیر دو انتهای سیلندر هیدرولیکی[۲۱]

در سرعت های بالای سیلندر ،کاهش سرعت آن در دو انتهای سیلندر ضروری است .منظور ،کاهش سرعت از مقدار اولیه تا توقف کامل یا ترمز کردن است. انرژی جنبشی که برای توقف جذب شود برابر است با:

)۴-۳

جرم متحرک       m :

سرعت کورس    v :

ظرفیت جذب انرژی توسط بدنه سیلندر محدود است و بستگی به جنس آن و محدوده ی الاستیک آن دارد .در صورتی که سرعت از m/s 1/0 تجاوز نماید ،باید تدابیری جهت کاهش سرعت در دو انتها صورت گیرد .شکل) ۳-۲۰( ،نمای برشی ضربه گیر  هیدرولیکی سمت پیستون که قابلیت تنظیم نیز دارد را نشان می دهد.

شکل) ۳-۲۰( ضربه گیر انتهایی سمت پیستون سیلندر هیدرولیکی

 

در شکل ،درپوش انتهایی) ۱( ،پوسته) ۲( و پیستون) ۳( مشاهده می شود .جهت ایجاد اثر ضربه گیری ،پیستون در انتهای خود به صورت پله ای طراحی شده است .با حرکت پیستون به سمت انتهای سیلندر و ورود بوش انتهایی) ۴( به درپوش انتهایی )۱( ،سطح مقطع خروج روغن از محفظه) ۵( ،کاهش می یابد و نهایتا به طور کامل بسته می شود .در این حالت با ادامه حرکت پیستون  ،روغن مجبور است از مجرای) ۶( و از طریق گلویی قابل تنظیم) ۷( ،خارج شود .می توان میزان ضربه گیری را با شیر گلویی) ۷( تنظیم کرد به این صورت که با کاهش سطح مقطع گلویی تاثیر ضربه گیری شدیدتری ،خواهیم داشت.

جهت بازگشت بدون قید پیستون از انتها ،شیر یکطرفه) ۸( تعبیه شده است .در بازگشت ،روغن از طریق شیر یکطرفه ،بای پس می شود.

      شکل) ۳-۲۱( نماد سیلندر دارای ضربه گیر انتهایی

                                                        

۳-۷( عملگرهای چرخشی[۲۲]

 

 

           شکل) ۳-۲۲( عملگر چرخشی نوع پیستونی

 

در این عملگرها با اعمال فشار هیدرولیکی ،از شافت خروجی حرکت چرخشی دریافت می کنیم. زاویه چرخش این عملگرها محدود است و در برخی از مدل ها ثابت و در برخی قابل تنظیم است .به خاطر زاویه محدود  ،دامنه کاربرد کمی دارند.

عملگرها به خاطر ساختمان فشرده و طراحی بسیار محکم آن ها ،در جاهایی با شرایط کاری بسیار سخت کاربرد دارند .این عملگرها دارای انواع مختلفی هستند .مانند : تیغه ای ،پیستونی ،پیچی و…

در شکل) ۳-۲۳( نمای برشی یک عملگر چرخشی از نوع پیستونی را نمایش می دهد.

 

 

           شکل) ۳-۲۳( نمای برشی عملگر چرخشی از  نوع پیستونی

 

این عملگر از بدنه) ۱( ،پیستون دو عمله) ۲( که به صورت دنده شانه ای طراحی شده است و چرخ دنده پینیون) ۳( ،تشکیل شده است .قسمت میانی پیستون که به صورت دنده شانه است با چرخ دنده درگیر می شود .اگر به یک سمت پیستون فشار اعمال شود ،پیستون حرکت کرده و باعث چرخش چرخ دنده می شود .

گشتاور عملگر بستگی به فشار اعمالی وارده و سرعت چرخش آن ،بستگی به دبی ورودی به آن دارد .

طول کورس پیستون را می توان توسط پیچ) ۴( ،محدود کرد.

                                                        

در این نوع عملگر ،گشتاور اعمالی در طول کورس ثابت است .انواع دیگری از عملگرها وجود دارند که حداکثر گشتاور اعمالی در زوایای مختلف ،متفاوت است.

 

 

 شکل) ۳-۲۴( نماد عملگر چرخشی

حداکثر ۱۸۰ درجه  حداکثر N.m 26500  حداکثر bar 160

 

 

 

 

 

 

اطلاعات فنی مهم:

زاویه چرخش:

گشتاور:

فشار کاری:

 

دانلود فایل : ۰۳-فصل سوم

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

3 × 4 =