Como calcular a força do cilindro hidráulico: noções básicas de empurrões, puxões e tonelagem

Se você já esteve ao lado de uma ponte ou plataforma elevatória e disse que quanta carga um cilindro pode realmente mover, a resposta é resumir a uma relação: a pressão do óleo multiplicada pela área contra a qual ele empurra. Esse é o cerne de todo cálculo de força do cilindro hidráulico e, após algumas repetições, torna-se uma segunda natureza.

Construímos cilindros para plataformas aéreas de trabalho, guinchos e bate-estacas, então boa parte da nossa semana é gasta nessa aritmética. Abaixo está o método que realmente usamos, um exemplo prático em unidades métricas e imperiais, e os pequenos detalhes que decidem se o número no papel corresponde ao número no local.

A fórmula central: força é igual à área de pressão e tempos

Cada cálculo começa com F = P × A, onde a força é medida em newtons (ou libras-força), a pressão em pascal (ou psi) e a área em metros quadrados (ou polegadas quadradas). O único verdadeiro trabalho é encontrar a área correta, pois um cilindro de dupla ação apresenta duas áreas diferentes dependendo da direção em que o óleo está fluindo.

Força de Empurrão (Extensão)

Quando o óleo entra na extremidade da tampa, ele atua em toda a face do ouvido. Para um diâmetro de diâmetro D, a área é A = π × D² ÷ 4. Multiplique isso pela pressão de trabalho e você terá uma força de extensão.

Força de tração (retração)

Quando o óleo entra na extremidade da pressa, a própria pressa ocupa parte da face da audição. Se o diâmetro da pressa para d, a área efetiva se torna A = π × (D² - d²) ÷ 4. Como a pressa sempre remove área, a força de retração é sempre menor que a força de extensão, geralmente de 30 a 45 por cento em uma relação pressa-furo típica.

Mantenha as unidades consistentes. Misturar barrararara com polegadas quadradas é a fonte mais comum de resultados absurdos, e uma planilha retornará alegremente uma resposta incorreta e confiante sem avisar você.

Um exemplo prático que você pode seguir

Suponha que um cilindro de dupla ação diâmetro interno de 100 milímetros, pressa de 70 milímetros e pressão de trabalho de 200 barrasras.

1. Conversão em pressão: 200 bar = 20 MPa = 20 N/milímetros².
2. Área do escudo: π × 100² ÷ 4 = 7,854 mm².
3. Área da pressa: π × 70² ÷ 4 = 3,848 mm².
4. Força de extensão: 20 × 7.854 = 157.080 N, ou cerca de 157kN.
5. Força de retração: 20 × (7,854 - 3,848) = 80,120 N, ou cerca de 80kN.

Em toneladas de força, são aproximadamente 16 toneladas para empurrar e 8 toneladas para puxar, uma diferença grande o suficiente para mudar a forma como uma máquina é especificada. O mesmo cilindro descrito em termos imperiais, um furo de 4 polegadas e uma pressa de 2 polegadas a 2.500 psi, fornece cerca de 31.400 lbf de extensão e 23.560 lbf de retração. A proporção permanece idêntica, o que é uma seleção útil quando você alterna entre conjuntos de desenho.

Obtendo o furo, a pressa e a pressão correta

O design é tão bom quanto suas entradas, e três delas causam a maioria dos erros que vemos:

• Furo é o diâmetro interno do cano, não o diâmetro externo do tubo e nem o diâmetro da tampa.
• Diâmetro da pressa deve ser medido em superfície cromada. A espessura do revestimento e o desgaste são menos importantes do que usar o valor nominal do desenho.
• Pressão deve ser a pressão de trabalho na porta do cilindro e não a classificação máxima da bomba. A configuração de uma válvula de ruptura é um teto, não um ponto operacional.

Se você conhece apenas o ajuste de freio, faça o cálculo com esse valor para encontrar a força máxima que o cilindro pode gerar, depois repita com a pressão típica de trabalho para ver o que a máquina utiliza no trabalho diário. A lacuna entre os dois muitas vezes explica por que uma máquina parece sobrecarregada em uma função e marginal em outra.

Convertendo Força em Paranelagem

A linguagem do site funciona em toneladas e não em quilonewtons. Para conversor, a divisão dos newtons por 9,810, já que uma tonelada-força métrica equivale a 9,81kN. Os 157 kN acima equivalem a cerca de 16 toneladas, um número que a maioria dos operadores consegue imaginar imediatamente.

Observe qual tonelada você está usando. Uma tonelada americana equivale a 2.000 lbf, enquanto uma tonelada métrica equivale a 2.205 lbf, e essa diferença de dez por cento pode vir à tona exatamente no momento errado.

Por que a força real é menor que a fórmula

A fórmula descreve um cilindro ideal. O hardware real perde um pouco, e entendo para onde ele vai ajudar a avaliar quanta margem adicionar.

Vedação e guia de fricção

As vedações do ouvir, as vedações da pressa e os anéis-guia resistem ao movimento. Desgastado ou muito apertado selos aumentar esse número e um cilindro que ficou sem uso por meses geralmente se rompe a uma pressão visivelmente mais alta do que a necessidade para continuar em movimento.

Contrapressão

O óleo que sai da câmara é oposto ao que passa por mangueiras, válvulas e filtros. Essa restrição cria contrapressão que se opõe ao movimento, de modo que a força resultante é a força de pressão de trabalho menos a força do lado de retorno.

Carga lateral e dessalinização

Um cilindro empurrado para fora do eixo dobra progressivamente, a pressa fica presa na guia e o atrito aumenta acentuadamente. Este é um problema mecânico e não hidráulico, e sem pressão extra para resolver a forma limpa.

Como subsídio de planejamento, espere 5 a 15 por cento abaixo do valor teórico. Para qualquer coisa relacionada à segurança, trate o número calculado como um teto e não como uma garantia.

Escolhendo um fator de segurança

Depois de ter um número de força realista, a próxima decisão é quanta margem carregar. Não existe uma resposta universal, mas estes pontos de partida funcionam bem em máquinas móveis:

• Cargas obtidas e bem guiadas com ciclagem suave: 1,5
• Carga de choque, reversões frequentes ou terreno irregular: 2,0 e superior
• Aplicações relacionadas a pessoas: siga o padrão de máquina aplicável, que geralmente está bem acima de 2
• Cilindros de curso longo: verifique o empenamento da pressa separadamente, porque muitas vezes limita o projeto antes que a pressão diminua

Um fator de segurança generoso não é gratuito. Crescente peso, custo e calor, pelo que o objectivo é um número que reflecte o dever real e não um reflexo. É também por isso que pedimos aos clientes o ciclo de trabalho juntamente com a pressão e o diâmetro interno.

De um número a um cilindro que dura

Conhecer a força necessária é apenas o começo. O cilindro então tem que liberá-lo através de milhares de ciclos, sob poeira, chuva e oscilações de temperatura, sem que a pressa se curve ou as vedações rompam.

Em um guindaste montado em caminhão, por exemplo, a força de elevação muda continuamente à medida que o ângulo de lançamento aumenta, e o pior caso geralmente ocorre em um ângulo baixo com carga total. Dimensionar para a mídia deixaria a máquina curta exatamente quando fosse importante.

Cilindro oscilante hidráulico de caminhão montado em caminhão Ajusta o ângulo do lançamento para elevar em diversas alturas e distâncias; a opção de cilindro duplo suporta cargas mais pesadas, com considerações de dimensionamento para alterar as forças de oscilação. Ver Produto →

As plataformas tipo tesoura protegem uma reviravolta diferente: vários cilindros de elevação compartilham a carga e a força necessária por cilindro é mais elevado quando a plataforma se encontra no fundo do seu curso e o ângulo de ligação é menos favorável. Esses são os tipos de detalhes que ficam por trás as considerações de design para uma aplicação específica , e vale a pena conferir antes que o furo seja consertado.

Cilindro de elevação hidráulica da plataforma aérea de elevação em tesoura Cilindros de ação simples elevam e abaixam a plataforma com furos de amortecimento para posicionamento suave; vários cilindros unidos à carga, fazendo com que valha a pena verifique a força de ligação no pior caso. Ver Produto →

Quando o dever é incomum

O levantamento de tubos é um bom exemplo de trabalho em que a fórmula simples é apenas o começo. Os cilindros principais de elevação empurram toda uma coluna de tubo através do solo, de modo que a força necessária deve cobrir o atrito ao longo de toda a coluna, a resistência do solo na face e o peso do próprio tubo. O design ainda é pressão algumas vezes, mas a área deve ser grande e a pressão deve estar disponível continuamente durante um curso longo.

Cilindro de elevação principal hidráulico da máquina de elevação de tubos Fonte de energia central para elevação de tubos, proporcionando forte impulso e extensão precisa; o dimensionamento da força deve cobrir o atrito ao longo da coluna do tubo e a resistência da face. Ver Produto →

Em casos como este, o cilindro é projetado em torno da carga, em vez de ser selecionado em um catálogo, e o valor da força torna-se a primeira linha de uma previsão, em vez da resposta final.

Cálculos de força são uma daquelas pequenas habilidades que compensam muitas vezes o esforço. Uma vez que você possa se mover com confiança entre pressão, área e tonelagem, você poderá verificar o desenho de um fornecedor em alguns minutos, localizar um cilindro subdimensionado antes que ele chegue à máquina e explicar a um cliente que a força de tração não é a mesma que a força de impulso.

Se desejar um segundo par de olhos para um projeto, envie-nos o furo, diâmetro da pressa, pressão e um esboço da montagem. Ficamos sempre felizes em conversar sobre os números antes de qualquer coisa ser fabricada.