Hydraulische skidcilinder met zijladerkraan: ontwerp- en foutanalyse

De Skid-cilinder is een structureel onderdeel dat werkt bij gecombineerde belasting, en niet slechts een eenvoudige actuator

A hydraulische skidcilinder van de zijladerkraan onderscheidt zich functioneel van een standaard hydraulische cilinder omdat deze zowel als actuator als als structurele geleider werkt. Zijn voornaamste taak is het in- en uitschuiven van het tussengiekgedeelte of het onderstel dat de hefvorkconstructie draagt, maar terwijl het is uitgeschoven, moeten het cilinderlichaam en de stang weerstand bieden aan de buigmoment veroorzaakt door de offsetbelasting: een belasting die een zijdelingse kracht kan produceren die gelijk is aan 30% tot 60% van het nominale hefvermogen, afhankelijk van de lengte van de giekverlenging en de lastzwaartepuntafstand . Deze gecombineerde axiale en buigbelasting is wat een skidcilinder onderscheidt van een puur axiale hydraulische cilinder op een conventionele kraan. De stangdiameter van de cilinder, de afstand tussen de stangsteunlagers en het ontwerp van de interne zuigergeleidingsring zijn allemaal ontworpen om onder belasting een rechtlijnige beweging te behouden zonder dat de stang gaat knikken of de zuiger in de loop wordt gespannen, wat beide onmiddellijk de cilinderboring zou beschadigen en een cascade van afdichtingsfouten zou veroorzaken. Een skidcilinder op een typische zijlader van 10 ton werkt bij een werkdruk tussen 180 en 250bar , met testdrukken die 375 bar bereiken, en het cilinderlichaam wordt doorgaans vervaardigd uit geslepen, koudgetrokken naadloze stalen buis conform DIN 2391 of ASTM A519 met een oppervlakteafwerking van de boring van 0,2 tot 0,4 micron Ra.

Staafdiameter en de L/R-verhouding die knikken voorkomt

De meest kritische ontwerpparameter voor een hydraulische skidcilinder van een zijladerkraan is de staafdiameter in verhouding tot de slaglengte. Wanneer de cilinder volledig is uitgeschoven, is de stang een kolom die onder druk staat slankheidsverhouding - de effectieve kolomlengte gedeeld door de draaistraal van de staafdoorsnede - moet onder de Euler-knikdrempel blijven voor de uitgeoefende belasting . Voor een skidcilinder met een slag van 1,5 meter en een stangdiameter van 60 millimeter bedraagt ​​de slankheidsverhouding onder pinned-end omstandigheden ongeveer 100:1. Als het stangsteunlager aan het uiteinde van het stangoog een effectieve zijdelingse steun biedt, wordt de effectieve lengte verminderd en neemt het knikvermogen met een factor tot vier toe in vergelijking met een ongeleide stang. Dit is de reden dat de stang van de skidcilinder altijd aan het uiteinde wordt ondersteund door een schuifblok of rolwagen die op de interne geleidingsrails van de giekconstructie loopt - het stanguiteinde kan niet zijdelings bewegen, en dit geleidingssysteem is een dragend onderdeel van het cilindersamenstel, en niet alleen een hulpmiddel bij het uitlijnen. Wanneer het geleideblok meer dan de gespecificeerde speling slijt, meestal Maximaal 0,5 tot 1,0 millimeter — het uiteinde van de stang krijgt zijdelingse vrijheid, de effectieve kolomlengte neemt toe en de cilinder werkt buiten het ontworpen knikbereik.

Verchroomde dikte en weerstand tegen putjes

De zuigerstang van een skidcilinder is verchroomd tot een minimale dikte van 20 micron voor standaardgebruik en 30 tot 50 micron voor maritieme of corrosieve omgevingen , aangebracht over een nikkelen onderlaag die de eigenlijke corrosiebarrière vormt. De chroomlaag is niet corrosiebestendig – hij is microgebarsten en poreus – maar de nikkelonderlaag sluit het stalen substraat af. Wanneer er oppervlakteroestvlekken verschijnen op de stang van een skidcilinder, geeft dit aan dat de chroomlaag is doorgesleten en dat de nikkelonderlaag is doorbroken, waardoor het staal bloot komt te liggen. Op dit punt bevindt de stang zich in de vroege stadia van falen van putvorming, en elke cyclus van uitschuiven en terugtrekken trekt het ontpitte oppervlak door de stangafdichting, waardoor de afdichtingslip wordt afgeschuurd en verontreiniging in de hydraulische vloeistof terechtkomt.

Het lager- en geleidingsringsysteem in de cilinder

In een hydraulische skidcilinder van een zijladerkraan komt de zuiger niet rechtstreeks in contact met de cilinderwand. Het rijdt verder fenol- of glasgevulde PTFE-geleidingsringen die worden geïnstalleerd in groeven die machinaal in de buitendiameter van de zuiger zijn aangebracht, meestal twee geleidingsringen op een afstand van 30 tot 50 millimeter van elkaar met de zuigerafdichting ertussen geplaatst . Deze geleidingsringen absorberen de zijdelingse belastingcomponent van de gecombineerde belasting van de skidcilinder en voorkomen metaal-op-metaal contact tussen de zuiger en de loop. De stangpakking aan het uiteinde van de cilinderkop bevat een soortgelijke geleidebus - vaak een PTFE-composiet met een bronzen achterkant - die de stang ondersteunt tegen zijwaartse belasting en de concentriciteit met de stangafdichting handhaaft. De speling tussen de geleidingsringen en de cilinderboring, en tussen de stangbus en de stang, is gespecificeerd op 0,10 tot 0,25 millimeter diameter voor een cilinder met een boring van 80 tot 120 millimeter . Wanneer deze speling verdubbelt als gevolg van slijtage van de geleidingsring, begint de zuigerafdichting onder druk in de opening te extruderen, en wordt de stangafdichting onderworpen aan niet-concentrische belasting die de slijtage versnelt. Het vervangingsinterval van de geleidingsringen voor een skidcilinder bij zware containeroverslagwerkzaamheden bedraagt ​​doorgaans 3.000 tot 5.000 bedrijfsuren. Op dat moment moet de cilinder worden gedemonteerd en moeten de geleidingsringen worden gemeten en vervangen, ongeacht of de afdichtingen zichtbaar lekken.

Afdichtingsconfiguratie en de Multi-Lip Rod Seal Stack

De stangafdichting op een skidcilinder bestaat niet uit één onderdeel. Het is een gestapelde opstelling van minimaal drie functionele elementen: primaire polyurethaan U-cupafdichting die de systeemdruk vasthoudt, een secundaire bufferafdichting die de primaire afdichting beschermt tegen drukpieken en een back-up afdichtingslip biedt, en een externe afveegafdichting die vervuiling van het staafoppervlak schraapt voordat deze de afdichtingselementen bereikt . In cilinders die worden gebruikt in omgevingen met veel deeltjesvervuiling (poortgebieden met kolenstof, cement of metaalspaanders) kan een vierde element, een metalen schraperring, vóór de wisser worden geïnstalleerd om vastgehecht vuil mechanisch te verwijderen dat de elastomere wisser niet kan losmaken. De keuze van het afdichtingsmateriaal is afhankelijk van het type hydraulische vloeistof en de bedrijfstemperatuur: standaard polyurethaanafdichtingen zijn geschikt voor -30 tot 100 graden Celsius; voor toepassingen bij hoge temperaturen boven 100 graden zijn fluorkoolstofafdichtingen gespecificeerd. De meest voorkomende oorzaak van afdichtingsproblemen bij skidcilinders is dat de ruitenwisserafdichting verslechtert en ervoor zorgt dat vervuiling de primaire U-beker bereikt, die vervolgens fungeert als lepmiddel tussen de afdichtingslip en het chroomstaafoppervlak, waarbij in beide een groef wordt aangebracht.

De zuigerafdichting en interne bypass-lekkage

De zuigerafdichting, die zich op de zuiger in de cilindercilinder bevindt, scheidt de zijde met de volledige doorlaat van de cilinder van de annuluszijde. Het is typisch een Op PTFE gebaseerde getrapte afdichting met een elastomere bekrachtigingsring die voor de radiale contactkracht zorgt of een glasgevulde PTFE-slipperafdichting voor toepassingen met hogere druk. Wanneer de zuigerafdichting verslijt, stroomt er hydraulische vloeistof intern van de hogedrukzijde naar de lagedrukzijde van de zuiger, en het symptoom is cilinderdrift onder belasting: de skidslede trekt zich langzaam terug, ook al staat de regelklep in de neutrale stand. Deze interne lekkage veroorzaakt geen extern vloeistoflek en kan niet worden gediagnosticeerd via een visuele inspectie. Bij de test wordt de cilinder onder druk gezet terwijl de stang volledig is uitgeschoven en wordt de terugtrekkingssnelheid van de stang over een bepaald tijdsinterval gemeten; een driftsnelheid groter dan 5 millimeter per minuut onder nominale belasting duidt doorgaans op een zuigerafdichting die vervangen moet worden .

Verontreiniging van hydraulische vloeistoffen en de kwetsbaarheid van de skidcilinder

De skidcilinder op een zijladerkraan werkt horizontaal, en deze oriëntatie maakt hem kwetsbaarder voor bepaalde verontreinigingsgerelateerde faalwijzen dan een verticaal gemonteerde cilinder. In een verticale cilinder helpt de zwaartekracht de deeltjesverontreiniging naar de bodem van de cilinder te laten zakken, weg van de zuigerafdichting. Bij een horizontale skidcilinder wordt de De vervuiling blijft over de volledige lengte van de loopboring hangen, en elke slag sleept de deeltjes over het gehele contactoppervlak van de afdichting . Wanneer de stang is uitgeschoven, wordt hij blootgesteld aan stof en vocht uit de omgeving, en elke terugtrekkingscyclus trekt wat zich op het stangoppervlak heeft afgezet in de wisserafdichting. De filtratie van het hydraulisch systeem moet ervoor zorgen dat de vloeistof zuiver blijft ISO 4406 18/16/13 of beter voor een skidcilinder die in een haven- of industriële omgeving werkt , waarbij het retourfilter deeltjes opvangt tot een absolute grootte van 10 micron. Een filteromloopindicator die wordt genegeerd of een filterelement dat niet op het gespecificeerde interval wordt vervangen, brengt de afdichtingen van de skidcilinder in direct contact met schurende deeltjes die de levensduur van de afdichting met 50% tot 70% verkorten in vergelijking met een cilinder die met schone vloeistof werkt.

Staaf rechtheid en de tolerantie die afdichtingsschade voorkomt

De zuigerstang van de hydraulische skidcilinder van een zijladerkraan moet een rechtheidstolerantie behouden die vaak wordt gespecificeerd maar zelden in het veld wordt geverifieerd nadat de cilinder in gebruik is geweest. De standaard rechtheidstolerantie voor een nieuwe skidcilinderstang is 0,2 millimeter per meter staaflengte, gemeten als totale indicatorwaarde op het middelpunt van de staaf, terwijl de staaf aan beide uiteinden wordt ondersteund . Een stang die verbogen is – meestal als gevolg van een zijdelingse botsing met de skidslede of door het bedienen van de kraan terwijl de giek overbelast is en de skidcilinder gedeeltelijk uitgeschoven – zal deze tolerantie overschrijden. Een gebogen staaf oefent bij elke slag een cyclische zijbelasting uit op de stangbus en afdichting, waardoor een karakteristiek slijtagepatroon ontstaat: de stangbus slijt in een ovale vorm en de stangafdichting ontwikkelt een lek dat alleen op één specifieke stand van de stangverlenging optreedt: de positie waar het gebogen gedeelte door de afdichting gaat. Het controleren van de rechtheid van de stang met een meetklok en V-blokken is een diagnostische stap die moet worden uitgevoerd wanneer een skidcilinder kort na vervanging een onverklaarbare afdichtingsfout vertoont, omdat een gebogen stang een nieuwe afdichtingsset binnen enkele weken na installatie zal vernietigen.

Montage-uitlijning en de zijbelasting die nooit is ontworpen

De skidcilinder wordt tussen de hoofdgiekconstructie van de kraan en de glijdende skidslede gemonteerd via vastgezette gaffelbevestigingen aan beide uiteinden. Als deze twee bevestigingspunten niet binnen de aangegeven tolerantie op dezelfde as zijn uitgelijnd, wordt de cilinder onderworpen aan een permanente zijbelasting die op de stanglagers en zuigergeleiders inwerkt, zelfs als de cilinder niet onder werkbelasting staat . De uitlijningstolerantie voor een skidcilinderinstallatie is doorgaans: ±0,5 millimeter coaxialiteit tussen de montagepennen aan het ton- en stangeind over de volledige slaglengte . Een verkeerde uitlijning kan ontstaan ​​tijdens de eerste montage, of kan zich in de loop van de tijd ontwikkelen als de kraanconstructie vermoeid raakt, als lasnaden vervormen of als de geleidingsrails van de skidslede ongelijkmatig slijten. De diagnostische indicator voor een verkeerde uitlijning van de montage is een cilinder die lekt uit de stangafdichting of ongelijkmatige slijtage van de stangbussen vertoont ondanks een rechte stang, schone vloeistof en correct gespecificeerde afdichtingen. De corrigerende actie bestaat uit het loskoppelen van het stanguiteinde, het meten van de uitlijning tussen de penboringen en de cilinder halverwege de slag met behulp van een strak draad- of laseruitlijngereedschap, en het opvullen of machinaal bewerken van de montagebeugels om de uitlijning binnen de specificatie te brengen.

Revisieprocedures en de kritische demontagevolgorde

Het herbouwen van de hydraulische skidcilinder van een zijladerkraan volgt een specifieke volgorde die schade aan de nieuw geïnstalleerde componenten voorkomt. Voordat de demontage begint, moet de cilinder moet volledig ingetrokken zijn en de hydraulische leidingen moeten afgedekt zijn om vloeistofverlies en binnendringen van verontreiniging te voorkomen . De stangwartel wordt losgeschroefd met behulp van een pensleutel of een gefabriceerde sleutel die in de sleutelgaten van de pakkingbus grijpt - nooit een pijptang, die de pakkingring vervormt en een lekpad creëert. Het stang- en zuigersamenstel wordt uit de loop teruggetrokken met behulp van een gecontroleerde bovenliggende lift, en de zuiger wordt onmiddellijk ondersteund op V-blokken om te voorkomen dat het staafgewicht de stang buigt bij de zuigerdraadverbinding. De borgmoer van de zuiger wordt verwijderd - deze wordt vaak vastgezet met Loctite en moet worden verwarmd tot 150 graden Celsius om los te komen - en de zuiger en pakkingbus worden van de stang geschoven. De boring van de loop wordt geïnspecteerd met een endoscoop om te scoren, en voor elke kras dieper dan 0,5 millimeter die met een vingernagel kan worden gevoeld, moet de loop worden aangescherpt of vervangen. De nieuwe afdichtingen worden geïnstalleerd met behulp van speciaal gemaakte installatiehulzen die voorkomen dat de afdichtingslippen tijdens het opnieuw monteren worden gesneden door de scherpe randen van de stangdraden en de poortopeningen van de loop. De borgschroefdraden van de pakkingbus en de schroefdraad van de zuigermoer worden gereinigd en gecoat met een anti-vastloopmiddel, en de pakkingbus wordt aangedraaid volgens de specificaties van de fabrikant, meestal 200 tot 400 Newtonmeter voor een cilinder met een boring van 100 millimeter . Na de montage wordt de cilinder vijf keer bij lage druk rondgedraaid om de afdichtingen te laten zitten, en vervolgens getest bij volledige systeemdruk, waarbij wordt geobserveerd op externe lekkage en stangafwijking.

Diagnose tussen cilinderstoring en lekkage van regelklep

Wanneer een skidslede onder belasting wegdrijft, kan de oorzaak een interne cilinderlekkage zijn, of het kan de directionele regelklep zijn die de cilinder van stroom voorziet. De twee aandoeningen veroorzaken identieke symptomen – de wagen beweegt wanneer deze stil zou moeten blijven staan ​​– maar vereisen totaal verschillende corrigerende maatregelen. De definitieve diagnostische procedure is de cilinderisolatietest: terwijl de cilinder onder belasting staat, worden de hydraulische leidingen bij de cilinderpoorten losgekoppeld en afgedekt met JIC- of ORFS-afsluitpluggen die geschikt zijn voor de systeemdruk . Als het driften van de wagen onmiddellijk stopt wanneer de leidingen worden afgedekt, bevindt de lekkage zich in de regelklep, omdat de afgedekte cilinder druk vasthoudt. Als de drift doorgaat terwijl de leidingen zijn afgedekt, is de lekkage intern in de cilinder, via de zuigerafdichting. Voor het uitvoeren van deze test zijn strikte veiligheidsmaatregelen vereist: de last moet onafhankelijk worden ondersteund voordat een hydraulische leiding wordt losgekoppeld, en de afsluitpluggen moeten geschikt zijn voor de volledige systeemdruk, inclusief drukpieken. Het vervangen van een plug met een lager vermogen of een geïmproviseerde plug kan resulteren in het vrijkomen van catastrofale vloeistof onder hoge druk.

Preventief onderhoud dat de levensduur van de skidcilinder verlengt tot voorbij het standaardinterval

De levensduur van de hydraulische skidcilinder van een zijladerkraan is recht evenredig met de consistentie van drie preventieve onderhoudsacties. Ten eerste, het blootliggende gedeelte van de zuigerstang moet vóór elke dienst worden schoongeveegd met een pluisvrije doek , of na een periode waarin de kraan langer dan vier uur stil heeft gestaan. Atmosferisch stof dat zich tijdens perioden van inactiviteit op de stang afzet, wordt tijdens de eerste terugtrekkingscyclus in de ruitenwisserafdichting gezogen en verzamelt zich in de afdichtingsholte. Ten tweede, de Filterelementen voor hydraulische vloeistof moeten worden vervangen volgens een schema dat is gebaseerd op de indicatie van het drukverschil, niet op kalenderbasis —een filter dat zijn bypass-druk na 1500 uur bereikt, moet na 1500 uur worden vervangen, en niet na het kalenderinterval van 2000 uur. Ten derde, de De speling van het geleideblok aan het uiteinde van de stang moet bij elk groot onderhoudsinterval met voelmaatjes worden gemeten en de blokken moeten worden vervangen of afgesteld voordat de speling de door de cilinderfabrikant opgegeven maximumwaarde overschrijdt. Deze laatste actie wordt vaak over het hoofd gezien omdat de geleideblokken worden beschouwd als onderdeel van de kraanconstructie in plaats van als onderdeel van de cilinder, maar hun functie is een integraal onderdeel van de knikweerstand van de cilinder en de levensduur van de afdichting.