油圧シリンダのクッションのサイズ設定: ストローク終了時の減速度と圧力スパイクを制御する方法

I. 問題: 高速シリンダがエンドキャップ疲労を被る理由

とき油圧シリンダー数トンの機構を 0.1 ～ 0.2 m/s (4 ～ 8 インチ/秒) を超える速度で動かし、その質量をシリンダーのエンドキャップに対して突然デッドストップさせ、巨大な破壊的衝撃を発生させます。

多くの機器設計者は、メイン システムのリリーフ バルブを 3,000 psi に設定することでアクチュエータ全体が保護されると想定しています。実際には、ピストンが一次出口ポートを通過してクッション ゾーンに入ると、閉じ込められたオイルには、校正されたニードル バルブまたは精密オリフィスという小さな逃げ道が 1 つだけあります。

クッションの形状が小さすぎたり、不適切に調整されている場合、クッション スピアの背後に閉じ込められた減速圧力が数ミリ秒間で簡単に 6,000 ～ 10,000 psi (400 ～ 700 bar) にまで上昇する可能性があります。

このような激しい圧力過渡現象は、数千サイクルにわたって次のような結果をもたらします。

• シリンダー後部キャップの亀裂と溶接フランジの破損
• ヘッドグランドシールの吹き抜けとロッドワイパーリテーナーの変形
• 伸びたタイロッドと慢性的なバレル O リングの押し出し
• かじりまたは傷が付いたクッション スピアおよび嵌合ブッシュ

II.どうやって油圧シリンダクッションワークス

内部の油圧クッションは、短い減速ストローク sc (通常 20 ～ 40 mm または 0.75 ～ 1.5 インチ) にわたって、閉じ込められた量のオイルを制限されたオリフィスに強制的に通過させることにより、移動質量の運動エネルギー (およびポンプからの継続的な推進力) を熱に変換します。

適切に設計されたクッション アセンブリには、次の 3 つの主要な機械要素が含まれています。

1. クッションスピア (またはプランジャー):ピストン上の精密機械加工された突起により、メイン流体ポートがエンド キャップ キャビティに入る際に閉鎖されます。
2. 調整可能なニードルバルブ:メンテナンス技術者が実際の動作サイクル速度とオイル粘度に基づいて排気流量を微調整できるようにする計量オリフィス。
3. 逆フリーフローチェックバルブ:スプリング式のボールまたはフラッパーにより、ストローク反転時にシリンダー内への完全な無制限の流れが可能になり、遅れのない即時離脱速度が保証されます。

段階的なクッションのエネルギーと圧力の計算シリンダーの破裂または疲労のしきい値を超えることなく、内部クッションが負荷を安全に処理できるかどうかを判断するには、吸収される総エネルギーを計算します。

ステップ 1: 移動質量の運動エネルギーを計算する

                                                                                  Ek = 1/2 m v²

どこ：

m = 総移動質量 (ピストン、ロッド、付属品、外部積載量を含む (kg または lb))

v = クッションスピアがキャビティに係合した瞬間の最大速度 (m/s または in/s)

ステップ 2: 減速中に推進仕事を追加する

減速中にポンプの流れが継続すると、システム圧力がクッション ストローク sc 全体にわたってピストンを押し続けます。

                                                               Wprop = Fprop × sc = (Psys × アピストン) × sc

どこ：

Psys = 駆動システム圧力 (Pa または psi)

アピストン = 駆動側の有効面積 (m² または in²)

sc = クッションスピアの有効長さ (m または in)

ステップ 3: 吸収する総エネルギー

                                                                        Etotal = Ek + Wprop ± Wgravity

(垂直または傾斜で移動する場合は、重力仕事 mg sc sinθ を加算または減算します)。

ステップ 4: 平均トラップクッション圧力を計算する

必要な平均減速力 Fdec は次のとおりです。

                                                                                  Fdec = Etotal / sc

結果として生じるクッションチャンバー Pcushion 内の平均油圧は次のようになります。

                                                                              クッション = Fdec / クッション

ここで、Acussion は、クッション ポケット内に閉じ込められた油柱の環状領域 (Abore − Aspear または Arod) です。

エンジニアリングの経験則: 最初の槍の進入時のピーク過渡圧力は、通常、計算された平均クッション圧力の 1.5 ～ 2.2 倍に達します。計算されたピークがシリンダーの最大定格疲労圧力の 1.5 倍を超える場合は、外部比例減速バルブまたはより長いカスタム クッション スピアが必要です。

Ⅲ．クッション付きシリンダーを破壊するよくある現場ミス

1. ニードル バルブを完全に戻す (流量ゼロ): ストローク終了時のノイズを排除しようとするオペレーターが、ニードル バルブを完全に閉じることがあります。これにより、クッションポケットに完全な油圧ロックが発生し、オイルがスピアクリアランスを越えて押し出され、ヘッドグランドシールが吹き飛ばされます。

2. 自由回転カートの水平慣性の無視: 設計者は駆動圧力のみを計算し、10 トンの回転カートの運動エネルギーを無視しています。たとえ低圧力であっても、高い慣性により内部クッションが潰れてしまいます。

3. 水グリコールまたは高粘度の冷油を使用した標準クッションの使用: 粘度の高い液体または低粘度の耐火性液体は、計量ニードルを通る流れを大幅に変化させ、冬の朝の始動時に深刻な過圧を引き起こします。

4. 液体の脱気の無視: クッション内に侵入したスポンジ状の空気を含んだオイルはバネのように圧縮され、跳ね返り、ディーゼル音、および不規則な減速を引き起こします。

IV.カスタムクッションシリンダーのサイズを調整する際に送信するもの

HCIC に設計されたクッション付きシリンダーをリクエストする場合は、以下を提供してください。

• 総移動質量（シリンダロッドおよび取り付け工具を含む）
• 動作速度プロファイル（定常速度、加速度、接近速度）
• 利用可能なクッションストローク長の制約
• 使用流体の種類、使用温度範囲、システムリリーフバルブの設定
• 取り付け方向 (水平、垂直上、垂直下、または傾斜円弧)

V. 技術的境界およびエンジニアリングに関する免責事項

上で示したクッションの計算は、剛体力学に基づいた基本的なサイズ推定値を提供します。実際のピーク動圧は、作動油の体積弾性率、ライン静電容量、ニードルオリフィスの吐出係数、およびバルブの応答時間によって異なります。最終的な機器設計は、圧力トランスデューサーのテストと過渡シミュレーションを通じて検証する必要があります。*

VI.カスタム設計のクッション ソリューションについては HCIC にお問い合わせください

HCIC は、世界中の高衝撃用途向けにカスタマイズされたクッションプロファイルを備えたカスタム産業用および移動式油圧シリンダーを設計しています。