Cómo calcular la fuerza del cilindro hidráulico: conceptos básicos de empuje, tracción y tonelaje

Si alguna vez ha estado al lado de una grúa o una plataforma elevadora y se ha preguntado cuánta carga puede realmente mover un cilindro, la respuesta se reduce a una relación: la presión del aceite multiplicada por el área contra la que empuja. Ése es el núcleo del cálculo de la fuerza de cada cilindro hidráulico y, después de algunas repeticiones, se convierte en algo natural.

Construimos cilindros para grúas, plataformas aéreas de trabajo, grúas y máquinas de pilotaje, por lo que dedicamos buena parte de nuestra semana a esta aritmética. A continuación se muestra el método que realmente utilizamos, un ejemplo trabajado en unidades métricas e imperiales, y los pequeños detalles que deciden si el número en papel coincide con el número en el sitio.

La fórmula básica: fuerza es igual a presión multiplicada por área

Cada cálculo comienza con F = P × A, donde la fuerza se mide en newtons (o libras-fuerza), la presión en pascales (o psi) y el área en metros cuadrados (o pulgadas cuadradas). El único trabajo real es encontrar la zona correcta, porque un cilindro de doble efecto presenta dos zonas diferentes dependiendo de hacia dónde fluye el aceite.

Fuerza de empuje (extensión)

Cuando el aceite entra por el extremo de la tapa, actúa sobre toda la cara del pistón. Para un diámetro de orificio D, el área es A = π × D² ÷ 4. Multiplíquelo por la presión de trabajo y obtendrá la fuerza de extensión.

Fuerza de tracción (retracción)

Cuando el aceite ingresa al extremo del vástago, el propio vástago ocupa parte de la cara del pistón. Si el diámetro de la varilla es d, el área efectiva se convierte en A = π × (D² − d²) ÷ 4. Debido a que la varilla siempre elimina área, la fuerza de retracción siempre es menor que la fuerza de extensión, a menudo entre un 30 y un 45 por ciento en una relación típica entre varilla y orificio.

Mantenga las unidades consistentes. Mezclar barrararararas con pulgadas cuadradas es la fuente más común de resultados sin sentido, y una hoja de cálculo felizmente devolverá una respuesta incorrecta y segura sin anuncio.

Un ejemplo práctico que puedes seguir

Supongamos que un cilindro de doble efecto tiene un diámetro de 100milímetros, un vástago de 70 milímetros y una presión de trabajo de 200 barrasras.

1. Convierta la presión: 200 bar = 20 MPa = 20 N/milímetros².
2. Área del pistón: π × 100² ÷ 4 = 7.854 mm².
3. Área de varilla: π × 70² ÷ 4 = 3.848 mm².
4. fuerza de extensión: 20 × 7.854 = 157.080 N, o aproximadamente 157kN.
5. fuerza de retracción: 20 × (7854 − 3848) = 80 120 N, o aproximadamente 80kN.

En toneladas de fuerza, esto equivale aproximadamente a 16 toneladas de empuje y 8 toneladas de tracción, una diferencia lo suficientemente grande como para cambiar la forma en que se especifica una máquina. El mismo cilindro descrito en términos imperiales, con un diámetro de 4 pulgadas y una varilla de 2 pulgadas a 2500 psi, produce aproximadamente 31,400 libras de extensión y 23,560 libras de retracción. La proporción se mantiene idéntica, lo cual es una práctica de comprobación de cordura cuando te mueves entre conjuntos de dibujos.

Cómo conseguir el diámetro, la varilla y la presión correctas

El cálculo es tan bueno como sus entradas, y tres de ellas causan la mayoría de los errores que vemos:

• aburrido es el diámetro interno del cilindro, no el diámetro exterior del tubo ni el diámetro de la tapa del extremo.
• Diámetro de la varilla Debe medirse en la superficie cromada. El espesor del revestimiento y el desgaste son menos importantes que si se utilizará el valor nominal del dibujo.
• presión debe ser la presión de trabajo en el puerto del cilindro, no la clasificación máxima de la bomba. La configuración de una válvula de alivio es un techo, no un punto de operación.

Si solo conoce la configuración de alivio, ejecute el cálculo con ese valor para encontrar la fuerza máxima que puede generar el cilindro, luego repítalo con la presión de trabajo típica para ver qué usa la máquina en el trabajo diario. La brecha entre ambas explica a menudo por qué una máquina se siente sobrecargada en una función y marginal en otra.

Convertir fuerza en tonelaje

El lenguaje del sitio se expresa en toneladas en lugar de kilonewtons. Para convertir, divide los newtons por 9.810, ya que una tonelada-fuerza métrica equivale a 9,81kN. Los 157 kN anteriores se convierten en aproximadamente 16 toneladas, una cifra que la mayoría de los operadores pueden imaginar de inmediato.

Observe qué tonelada está utilizando. Una tonelada estadounidense equivale a 2.000 lbf, mientras que una tonelada métrica equivale a 2.205 lbf, y esa diferencia del diez por ciento tiene una forma de surgir exactamente en el momento equivocado.

¿Por qué la fuerza real es menor que la fórmula?

La fórmula describe un cilindro ideal. El hardware real pierde un poco y comprender a dónde va le ayuda a juzgar cuánto margen agregar.

Friccion de sello y guia

Los sellos del pistón, los sellos del vástago y los anillos guía resisten el movimiento. Desgastado o demasiado apretado sellos Si se aumenta esta cifra, un cilindro que ha estado sin usar durante meses a menudo se rompe a una presión notable más alta de la que necesita para seguir en movimiento.

contrapresión

El aceite que sale de la cámara opuesta tiene que viajar a través de mangueras, válvulas y filtros. Esa restricción crea una contrapresión que se opone al movimiento, por lo que la fuerza neta es la fuerza de presión de trabajo menos la fuerza del lado de retorno.

Carga lateral y desalineación

Un cilindro empujado fuera del eje se dobla ligeramente, la varilla se atasca en la guía y la fricción aumenta bruscamente. Este es un problema mecánico más que hidráulico, y ninguna presión adicional lo soluciona limpiamente.

Como complemento de planificación, espere entre un 5 y un 15 por ciento menos que el valor teórico. Para cualquier cosa relacionada con la seguridad, trate el número calculado como un límite máximo y no como una garantía.

Elegir un factor de seguridad

Una vez que tenga una cifra de fuerza realista, la siguiente decisión es cuánto margen llevará. No existe una respuesta universal, pero estos puntos de partida funcionan bien en maquinaria móvil:

• Cargas estables y bien guiadas con ciclos suaves: 1,5
• Carga de choque, retrocesos frecuentes o terreno irregular: 2.0 y superior
• Aplicaciones que involucran personas: siga el estándar de máquina aplicable, que suele ser muy superior a 2
• Cilindros de carrera larga: verifique el pandeo de la varilla por separado, porque a menudo limita el diseño antes de que lo haga la presión.

Un factor de seguridad generoso no es gratuito. Agrega peso, costo y calor, por lo que el objetivo es un número que refleja el deber real más que un reflejo. Por eso también solicitamos a los clientes el ciclo de trabajo junto con la presión y el diámetro interior.

De un numero a un cilindro que dura

Conocer la fuerza necesaria es sólo el comienzo. Luego, el cilindro tiene que entregarlo a lo largo de millas de ciclos, en medio del polvo, la lluvia y los cambios de temperatura, sin que la varilla se doble ni las juntas lloren.

En una grúa montada en camión, por ejemplo, la fuerza de abatimiento cambia continuamente a medida que aumenta el ángulo de la pluma, y ​​en el peor de los casos suele llegar con un ángulo bajo con carga completa. El tamaño promedio dejaría la máquina corta exactamente cuando es importante.

Cilindro abatible hidráulico para grúa montada en camión Ajusta el ángulo de la pluma para levantar a diferentes alturas y distancias; La opción de doble cilindro soporta cargas más pesadas, con consideraciones de tamaño para cambiar las fuerzas de abatimiento. Ver producto →

Los elevadores de tijera aportan un giro diferente: varios cilindros de elevación comparten la carga, y la fuerza requerida por el cilindro es mayor cuando la plataforma se encuentra en la parte inferior de su recorrido y el ángulo de articulación es el menos favorable. Este es el tipo de detalles que se esconden detrás. las consideraciones de diseño para una aplicación específica , y vale la pena revisarlos antes de reparar el orificio.

Cilindro de elevación hidráulico de plataforma aérea de elevación de tijera Los cilindros de simple efecto suben y bajan la plataforma con orificios de amortiguación para un posicionamiento suave; varios cilindros comparten la carga, lo que hace que valga la pena comprobar la fuerza de varillaje en el peor de los casos. Ver producto →

Cuando el deber es inusual

El levantamiento de tuberías es un buen ejemplo de un trabajo en el que la fórmula simple es sólo el comienzo. Los cilindros de elevación principales empujan una sarta entera de tubería a través del suelo, por lo que la fuerza requerida tiene que cubrir la fricción a lo largo de toda la sarta, la resistencia del suelo en la cara y el peso de la tubería misma. El cálculo sigue siendo presión multiplicada por el área, pero el área debe ser grande y la presión debe estar disponible continuamente durante un recorrido largo.

Cilindro de elevación principal hidráulico de la máquina de elevación de tuberías Fuente de energía central para elevación de tuberías, que proporciona un fuerte empuje y una extensión precisa; El dimensionamiento de la fuerza debe cubrir la fricción a lo largo de la sarta de tubería y la resistencia de la cara. Ver producto →

En casos como éste, el cilindro se diseña en torno a la carga en lugar de seleccionarse de un catálogo, y la cifra de fuerza se convierte en la primera línea de una especificación en lugar de la respuesta final.

Los cálculos de fuerza son una de esas pequeñas habilidades que recompensan el esfuerzo con creces. Una vez que pueda moverse con confianza entre presión, área y tono, podrá verificar el plano de un proveedor en unos minutos, detectar un cilindro de tamaño insuficiente antes de que llegue a la máquina y explicarle a un cliente por qué la fuerza de tracción no es la misma que la fuerza de empuje.

Si desea un segundo par de ojos para un cálculo, envíenos el orificio, el diámetro de la varilla, la presión y un boceto del montaje. Siempre nos complace analizar los números antes de fabricar algo.