Inleiding: Waarom de keuze van een hydraulische cilinder belangrijk is
Hydraulisch cilinders zijn essentiële aandrijvingen in hydraulische systemen. De juiste keuze ervan heeft een directe invloed op de afstemming en prestaties van de apparatuur. In verschillende industriële toepassingen en onder uiteenlopende bedrijfsomstandigheden – van bewerkingen met precisiemachines tot het gebruik van zware bouwmachines – lopen de eisen die aan hydraulische cilinders worden gesteld sterk uiteen.
Een verkeerde keuze kan leiden tot een lage bedrijfsrendement van de apparatuur, veelvuldige storingen en zelfs veiligheidsrisico’s. Daarom is een wetenschappelijke en systematische selectiemethode van essentieel belang. In deze gids worden de belangrijkste elementen en stappen voor de selectie van hydraulische cilinders geanalyseerd, zodat u beschikt over een uitgebreide en praktische selectiegids.
Stap 1: Bepaal de systeemdruk P
De keuze van de druk hangt af van de belasting (F) en het type apparatuur. Daarnaast moet u rekening houden met beperkingen zoals de beschikbare ruimte voor de aandrijving, economische omstandigheden en de beschikbaarheid van onderdelen.
Wanneer de belasting vastligt, vereist een lage werkdruk grotere constructieafmetingen van de aandrijving. Bij sommige apparatuur gelden er beperkingen wat betreft de afmetingen, en vanuit het oogpunt van materiaalverbruik is dit niet rendabel. Omgekeerd geldt dat als de druk te hoog is, de eisen aan de materialen van de pomp, cilinder en kleppen, de afdichtingen en de fabricagenauwkeurigheid ook toenemen, waardoor de kosten van de apparatuur onvermijdelijk stijgen.
Algemene richtlijnen:
- Vaste installaties met minder beperkingen qua afmetingen: kies voor een lagere druk
- Mobiel machines waarbij compactheid voorop staat: kies voor een hogere druk
Drukkeuze op basis van belasting:
| Belasting (kN) | Ontwerpdruk (MPa) |
|---|
| < 5 | 0.8-1.2 |
| 5-20 | 1.5-2.5 |
| 20-50 | 2.5-3.5 |
| 50-100 | 3.5-5 |
| > 100 | > 5 |
Ontwerpdruk per type apparatuur:
| Type apparatuur | Ontwerpdruk (MPa) |
|---|
| Landbouwmachines | 10-16 |
| Werktuigmachine | 2.5-4 |
| Kunststofspuitgietmachine | 14-18 |
| Mijnbouwmachines | 21-32 |
| Bouwmachines | 16-21 |
Stap 2: Selecteer de boringdiameter D en de stangdiameter d
Nadat de ontwerpdruk (P is bekend) is gekozen en de grootte van de belasting (F) bekend is, bereken je het krachtdragende oppervlak met behulp van formules. Bereken vervolgens de boringdiameter van de cilinder op basis van het krachtdragende oppervlak.
Krachtformules:
- Stuwkracht (duwkracht): F1 = A1 × P1 × β
- Trekkracht: F2 = A2 × P2 × β
Oppervlakteberekeningen:
- A1: Drukoppervlak van de zuiger aan de stuwzijde (cm²), A1 = π/4 × D² = 0,785 × D²
- A2: Drukoppervlak van de zuiger aan de trekzijde (cm²), A2 = π/4 × (D² – d²) = 0,785 × (D² – d²)
Waar:
- D: Binnendiameter cilinder / diameter zuiger (cm)
- d: Diameter van de zuigerstang (cm)
- P1: Bedrijfsdruk aan de stuwzijde (kgf/cm²)
- P2: Bedrijfsdruk aan de zuigzijde (kgf/cm²)
- β: Belastingsgraad
Belangrijke opmerkingen:
- Het werkelijke cilindervermogen ligt lager dan het theoretische vermogen
- β-waarde voor belastingssnelheid: 80% voor toepassingen met lage traagheid, 60% voor toepassingen met hoge traagheid
Rekenvoorbeeld
Gegeven: De uitgangskracht van de cilinder bedraagt 1000 kg, de werkdruk is 70 kgf/cm²
Oplossing:
- Kracht F = 1000 kg
- Werkdruk P = 70 kgf/cm²
- Belastingsgraad β = 0,8
Stap 1: Bereken het drukoppervlak
A1 = F1 / (P1 × β) = 1000 / (70 × 0,8) = 17,86 cm²
Stap 2: Bereken de boringdiameter
A1 = π/4 × D² = 0,785 × D²
D² = 17,86 / 0,785 = 22,75 cm²
D = √22,75 = 4,8 cm = 48 mm
Resultaat: De binnendiameter van de boring moet 50 mm bedragen
Keuze van de staafdiameter
| Systeemdruk | Verhouding tussen de stangdiameters |
|---|
| P ≤ 10 MPa | d = 0,5D |
| P = 12,5 tot 20 MPa | d = 0,56D |
| P > 20 MPa | d = 0,71 D |
Hoe hoger de druk, hoe groter de vereiste stangdiameterverhouding moet zijn om de sterkte en stabiliteit te waarborgen.
Stap 3: Selecteer „Stroke S“
Bepaal, op basis van de eisen die gelden voor het algemene ontwerp van de apparatuur of het apparaatsysteem, de installatiemethode en de slag S.
Formule voor een beroerte:
S = Werkelijke maximale werkslag (Smax) + Slagmarge (ΔS)
Waar: ΔS = ΔS1 + ΔS2 + ΔS3
Uitgangspunten voor het bepalen van de marges bij het tekenen:
- ΔS1: Tolerantiemarge bij de fabricage van de afmetingen voor de structurele installatie van het systeem
- ΔS2: Benodigde werkruimte bij de beginpositie van de cilinderslag
- ΔS3: Benodigde werkruimte aan het einde van de cilinderslag
Belangrijk: Wanneer aan hydraulische cilinders eisen worden gesteld op het gebied van de bufferfunctie, heeft de omvang van de slagreserve een directe invloed op de bufferprestaties. Het wordt aanbevolen om de slagreserve ΔS zo veel mogelijk te beperken.
Overwegingen bij een lange slag: Voor cilinders waarvan de slag de in de productcatalogi vermelde maximaal toegestane slag overschrijdt, moet een stabiliteitscontrole worden uitgevoerd op basis van de specifieke bedrijfsomstandigheden (belastingskenmerken, montagemethode, enz.)
Stap 4: Kies de bevestigingsmethode
De bevestigingswijze van de cilinder geeft aan hoe de cilinder aan de apparatuur wordt bevestigd. Nadat u de bevestigingswijze hebt bepaald, moet u de bevestigingsafmetingen controleren.
Vergelijkingstabel van bevestigingsmethoden
| Montagetype | Toepassing | Kenmerken |
|---|
| Flensmontage | Vaste opstelling, kracht op de middenas | Opties voor voor-/achter-/staartflens |
| Draaibare bevestiging | Gebogen bewegingsbanen, hoekbewegingen | Bevestigingsopties met gaffel en pen |
| Voetbevestiging | Vaste opstelling, krachtuitoefening buiten het midden | Opties voor de voor-, achter- en zijvoet |
Flensmontage
Geschikt voor vaste installaties waarbij de werkende kracht en het steunpunt op dezelfde as liggen. Mogelijke montageposities: aan de voorkant, in het midden of aan de achterkant.
- Toepassingen waarbij compressie (duwen) plaatsvindt: Bevestig aan de achterste of middelste flens
- Toepassingen waarbij spanning (trekkracht) een rol speelt: Bevestig aan de voorste of middelste flens
Trunnion-bevestiging
Geschikt voor toepassingen waarbij de inwerkende kracht ervoor zorgt dat het bewegende machineonderdeel een gebogen baan volgt binnen hetzelfde bewegingsvlak.
Bevestiging met staartbeugel (meest gebruikelijk):
- Enkele gaffel: Voor bewegingen binnen ±3° in één bewegingsvlak
- Dubbele gaffel: Voor elke hoek in één bewegingsvlak; houd rekening met het knikken van de zuigerstang bij een duwkracht bij een lange slag
Bevestiging met pinnen (voor/midden/achter):
- Bevestiging met middelste pen: De meest voorkomende variant, waarmee het evenwicht in elke positie tussen de uiteinden kan worden bewaard
- Bevestiging met pen aan de achterzijde: Vergelijkbaar met de selectiemethode met dubbele gaffel
- Bevestiging aan de voorste pen: Geschikt voor cilinders met een kleinere stangdiameter; beperk de slag tot 5 keer de boringdiameter
Bevestiging aan de voet
Geschikt voor vaste installaties waarbij het montagevlak niet in hetzelfde vlak ligt als de middenas van de cilinder. Er moet worden gezorgd voor een juiste positionering en bevestiging van het geïnstalleerde onderdeel, evenals voor een passende belastingsgeleiding, om overmatige zijdelingse belasting op de zuigerstang te voorkomen.
Stap 5: Selecteer de eindpositiebuffer
Kies onder de volgende omstandigheden voor demping aan beide uiteinden of aan één uiteinde:
- Wanneer de cilinderzuiger de volledige slag aflegt met een terugloopsnelheid van meer dan 100 mm/s: kies voor demping aan beide uiteinden
- Wanneer de snelheid in één richting of de terugloopsnelheid > 100 mm/s is bij het naderen van het einde van de slag: kies voor demping aan één kant of aan beide kanten
- Overige specifieke arbeidsvoorwaarden
Stap 6: Kies het poorttype en de diameter
Haventypen: Binnendraad, flens en andere speciale uitvoeringen – afhankelijk van de aansluitwijze van de systeemleidingen.
Keuzebeginsel voor de diameter van de poort: Wanneer het debiet in de verbindingsleiding tussen het systeem en de cilinder bekend is, mag de stroomsnelheid van het medium door de aansluiting in het algemeen niet hoger zijn dan 5 m/s.
Stap 7: Cilinder met ingebouwde kleppen
Drukhandhaving: Schuifafsluiters vertonen spelinglekkage en kunnen de druk slechts gedurende korte tijd handhaven. Voeg voor drukhandhaving een stuur-terugslagklep toe aan het circuit.
Cilinder “steun”: Sluit bij verticale hydraulische cilinders de stuur- en terugslagklep aan op het circuit van de onderste kamer om wegglijden te voorkomen.
Cilinderslot: Wanneer de richtklep in de neutrale stand staat, sluiten twee stuur-naar-terugslagkleppen volledig af, waardoor beide cilinderkamers worden afgedicht.
Stap 8: Selectie van speciale bedrijfsomstandigheden
Werkmedium:
- Het gebruikelijke medium is minerale olie
- Aanbevolen: 32# en 46# hydraulische olie met slijtagebescherming
- Optimale olietemperatuur: 20-55 °C
- Gebruik het apparaat niet bij temperaturen onder 15 °C of boven 70 °C
- Vervang de hydraulische olie om de 1 tot 6 maanden en maak de olietank schoon
Omgeving/mediumtemperatuur:
- Normale temperatuur van het werkmedium: -20 °C tot +80 °C
- Houd er rekening mee dat er buiten dit bereik gevolgen kunnen zijn voor de afdichting, de materialen en de koelsystemen
Hoge operationele nauwkeurigheid:
Houd bij servo- of middelhoge-druksystemen met lage startdrukvereisten rekening met de gevolgen voor de afdichting, de materialen en het gedetailleerde ontwerp.
Geen lekkage:
Houd bij cilinders met specifieke eisen ten aanzien van drukbehoud rekening met de gevolgen voor de afdichting en de materiaaleigenschappen.
Omgeving met hoogfrequente trillingen:
Houd rekening met de gevolgen voor de materiaaleigenschappen, de verbindingsconstructies en het gedetailleerde ontwerp.
Invriezen bij lage temperaturen of een vervuilde omgeving:
Omgevingen met veel stof, watersproeien, zure nevel of zoutnevel – houd rekening met de gevolgen voor de afdichting, de materialen, de oppervlaktebehandeling van de zuigerstang en de productbescherming.
Stap 9: Selectie van de afdichtingskwaliteit
Bij bijzondere bedrijfsomstandigheden, specifieke kwaliteitseisen of storingen in het afdichtingssysteem van hydraulische cilinders met ernstige gevolgen (die de veiligheid in gevaar brengen, moeilijk te vervangt zijn of grote economische verliezen met zich meebrengen), of bij speciale eisen voor cilinders die bestemd zijn voor de export, wordt aanbevolen dat professionele ingenieurs van de fabrikant, op basis van de bedrijfsomstandigheden, bekende afdichtingsmerken aanbevelen die een goede uitwisselbaarheid bieden en gemakkelijk te verkrijgen zijn.
Stap 10: Selectie van andere kenmerken
Ontluchtingsklep: Afhankelijk van de werkpositie van de cilinder, die doorgaans is ingesteld op het hoogste punt waar de lucht zich uiteindelijk ophoopt in de eindkamer van beide holtes. Nadat de lucht is afgevoerd, voorkomt dit kruipen, worden de afdichtingen beschermd en wordt de afbraak van de olie vertraagd.
Lekpoort: In werkomgevingen waar het lekken van olie naar buiten strikt verboden is, moet – vanwege een lange cilinderslag of bepaalde bedrijfsomstandigheden die tijdens het gebruik tot olieophoping achter de stofafdichting leiden – een afvoergat worden aangebracht op de plaats waar de olie zich ophoopt.
Samenvatting van de selectiechecklist
Controleer het volgende voordat u uw keuze voor een hydraulische cilinder definitief vastlegt:
- [ ] Systeemdruk bepaald op basis van de belasting en het type apparatuur
- [ ] Boringdiameter berekend op basis van de vereiste krachten en drukken
- [ ] De diameter van de stang wordt bepaald op basis van de werkdruk
- [ ] Slag bepaald met voldoende speling voor tolerantie en positionering
- [ ] Gekozen bevestigingswijze voor uw toepassing (flens/draaipunt/voet)
- [ ] Buffer wordt geselecteerd als de zuigersnelheid hoger is dan 100 mm/s
- [ ] Type en afmeting van de aansluiting, afgestemd op de vereiste doorstroming
- [ ] Aan speciale eisen voldaan (temperatuur, nauwkeurigheid, lekkage)
- [ ] Afdichtingskwaliteit die past bij de kriticiteit en de toegankelijkheid voor onderhoud
Veelgestelde vragen
Hoe bereken ik de boring van een hydraulische cilinder?
Gebruik de formule A1 = F / (P × β), waarbij F de benodigde kracht is, P de werkdruk en β de belastingsfactor (doorgaans 0,8 voor toepassingen met een lage traagheid). Bereken vervolgens D aan de hand van A1 = 0,785 × D².
Wat is het verband tussen druk en stangdiameter?
Voor P ≤ 10 MPa is de staafdiameter d = 0,5D; voor P = 12,5-20 MPa is d = 0,56D; voor P > 20 MPa is d = 0,71D.
Wanneer moet ik een buffer op hydraulische cilinders gebruiken?
Kies voor dubbelzijdige demping wanneer de zuigersnelheid in beide richtingen hoger is dan 100 mm/s. Kies voor enkelzijdige demping wanneer slechts in één richting een hoge snelheid wordt bereikt bij het naderen van het einde van de slag.
Wat is de beste bevestigingsmethode voor gebogen bewegingen?
Een draaibare bevestiging (met gaffel of pen) is het meest geschikt voor gebogen bewegingsbanen. Een enkele gaffel is geschikt voor bewegingen binnen ±3°; een dubbele gaffel maakt elke hoek in één vlak mogelijk.
Welke hydraulische vloeistof wordt aanbevolen voor hydraulische cilinders?
De hydraulische olie 32# of 46# met slijtagewerende eigenschappen wordt aanbevolen. De optimale bedrijfstemperatuur ligt tussen 20 en 55 °C.
Conclusie
Bij de keuze van een hydraulische cilinder moet systematisch rekening worden gehouden met verschillende factoren, waaronder druk, boring, stangdiameter, slag, bevestigingswijze en bijzondere bedrijfsomstandigheden. Door het stapsgewijze selectieproces te volgen dat in deze handleiding wordt beschreven, kunt u ervoor zorgen dat de hydraulische cilinder optimaal is afgestemd op uw apparatuur.
Een juiste keuze garandeert de prestaties van de apparatuur, vermindert storingen en verlengt de levensduur van het systeem.
