Калькулятор гидроцилиндра: усилие, расход, скорость и диаметр

Как рассчитать гидроцилиндр

Начните с задачи: какая сила нужна на рабочем ходе, на какое расстояние и с какой скоростью должен перемещаться шток. Для существующего цилиндра измерьте диаметр поршня D, диаметр штока d и рабочий ход L. Наружный диаметр корпуса вместо D использовать нельзя.

При выдвижении масло действует на полную площадь поршня. При втягивании шток занимает часть этой площади. Поэтому одинаковые давление и расход дают разное усилие и разную скорость в двух направлениях.

A = πD² / 4
B = π(D² − d²) / 4

A: площадь поршня. B: кольцевая площадь со стороны штока. В формулах СИ диаметры подставляют в метрах, площади получают в м².

Fвых = η(pA − p₀B)
Fвх = η(pB − p₀A)

p: давление подачи, p₀: противодавление в противоположной полости, оба в Па. Результат в ньютонах. При η = 1 получаем гидравлический баланс сил, при p₀ = 0 формула упрощается до F = pA для активной площади.

v = Q / Aактивная
Q = vAактивная

v в м/с, Q в м³/с. Подача 1 л/мин соответствует 1/60 000 м³/с. Слив рассчитывается по противоположной площади: Qслив = vAпротивоположная.

t = L / v · V = AактивнаяL
P = pQ

Время полного хода t в секундах, объём V в м³. Для привычных единиц мощность на входе цилиндра P[кВт] = p[бар] × Q[л/мин] / 600. Оценка на валу насоса: P / ηₙ.

Перевод единиц: 1 МПа = 10 бар; 1 бар = 100 000 Па; 1 кН = 1 000 Н; 1 тс = 9 806,65 Н. Тонна-сила обозначает силу, а не массу груза. Для подъёма нужно дополнительно учесть кинематику, вес подвижных частей, трение и ускорение.

Подбор диаметра и давления

Переключитесь на «Подобрать диаметр», задайте требуемое усилие, направление рабочего хода и давление. Калькулятор решит тот же баланс сил относительно площади поршня. Диаметр штока остаётся заданным: его прочность и устойчивость этим подбором не определяются.

Режим «Найти давление» решает баланс сил для заданной геометрии. Коэффициент запаса умножает требуемое усилие. Значение 1 не добавляет запаса; нужный коэффициент назначают по условиям работы. Расчётное давление нельзя автоматически считать допустимым для имеющегося цилиндра.

Пример: цилиндр 100 / 56 × 500 мм

Поршень 100 мм, шток 56 мм, ход 500 мм. Давление 160 бар, фактическая подача 20 л/мин, слив без противодавления. Коэффициенты равны 100%, пауз нет.

Площади: 78,540 см² со стороны поршня и 53,910 см² со стороны штока.
Выдвижение: 125,66 кН, примерно 12,81 тс. Скорость 42,44 мм/с, полный ход за 11,78 с.
Втягивание: 86,26 кН, примерно 8,80 тс. Скорость 61,83 мм/с, полный ход за 8,09 с.
За ход заполняются 3,927 л поршневой или 2,695 л штоковой полости.
При втягивании на слив выходит 29,14 л/мин, хотя насос подаёт 20 л/мин. Это важно при выборе распределителя и обратной линии.
Мощность на входе 5,33 кВт. При общем КПД насоса 85% оценка на его валу составит 6,27 кВт без дополнительных потерь в гидролиниях.

Что проверить перед изготовлением

Этот расчёт помогает сравнить варианты и сформулировать техническое задание. Для рабочего проекта потребуются проверка штока на продольный изгиб, напряжений в корпусе, креплений и резьб, расчёт динамики и торможения, подбор уплотнений и гидросхемы.

Температура, вязкость масла, внутренние утечки, трение покоя и перепады на клапанах меняют фактическую работу. Регенеративные схемы, цилиндры с двумя штоками и телескопические цилиндры здесь не моделируются. При отрицательном балансе сил показанная по расходу скорость не означает, что цилиндр сможет двигаться.

Вопросы о расчёте

Почему на обратном ходе усилие меньше?

Площадь штока вычитается из полной площади поршня. При одинаковом давлении рабочая площадь меньше, поэтому уменьшается сила. При одинаковом расходе скорость, наоборот, растёт.

Можно ли увеличить усилие, поставив более производительный насос?

Больший расход в первую очередь увеличивает скорость. Усилие связано с давлением и площадями. Замена насоса без проверки мощности привода, клапанов и допустимых параметров оборудования не гарантирует нужную силу.

Какой диаметр вводить, если известен только размер трубы?

Нужен диаметр поршня, соответствующий рабочему внутреннему диаметру цилиндра. Наружный размер трубы без толщины стенки не позволяет его определить. Используйте чертёж, паспорт или результаты измерений.

Что означает противодавление?

Это давление в полости, из которой уходит масло. Оно может возникать из-за сопротивления обратной линии, распределителя или регулирующего клапана. Его действие на противоположную площадь уменьшает доступную силу.

Можно ли сразу выбрать электродвигатель по показанной мощности?

Нет. Здесь есть только предварительная оценка по давлению, фактическому расходу и введённому КПД насоса. Для выбора двигателя дополнительно учитывают потери гидросхемы, пуски, режим работы, перегрузки и требования к приводу.

Почему калькулятор не выбирает готовый шток автоматически?

Одного усилия недостаточно. Нужны длина в выдвинутом положении, условия закрепления, поперечные нагрузки, материал и режим работы. Поэтому диаметр штока задаётся отдельно, а проверка устойчивости остаётся частью проектирования.

Методика и источники

Основа расчёта: баланс давления и силы, геометрия рабочих площадей и неразрывность потока. Базовые зависимости и перевод единиц сверены с инженерным каталогом Parker HY18-1000, страницы 16 и 21. Различие теоретической силы и силы с потерями поясняется в справочнике HAWE.

η в этой модели является задаваемым коэффициентом уменьшения результирующей силы. Он не заменяет модель трения конкретных уплотнений. Расчёт не использует нейросеть и выполняется в вашем браузере; исходные числа передаются в обращение только по вашему действию.

Калькулятор гидроцилиндра

Исходные данные

Расход и скорость

Выдвижение

Втягивание