طراحی سیلندر جداره نازک :

آنالیز تنش در سیلندر جداره نازک طبق فرضیات زیر انجام می شود:

اثر انحنای دیواره سیلندر هیدرولیک نادیده گرفته شده است.

تنش های کششی به طور یکنواخت در طول دیواره توزیع شده است.

اثر محدود شدن سیلندر توسط درب سر و ته نادیده گرفته شده است.

همانطور که در تصویر نشان داده شده است، هرگاه یک سیلندر تحت فشار داخلی قرار گیرد، احتمال ترکیدن و آسیب سیلندر به صورت طولی یا به صورت شعاعی وجود دارد. از این رو زمانی که سیلندر جداره نازک تحت فشار داخلی قرار می گیرد باید بتواند در برابر 2 نوع تنش کششی مقاومت نماید.

a) تنش شعاعی
b) تنش محوری

تنش شعاعی :  فرض کنید سیلندر جداره نازک در معرض فشار داخلی قرار گرفته است. تنش کششی در راستای مماس بر محیط سیلندر، تنش شعاعی (پیرامونی) نامیده می شود.

در شکل زیر یک تنش کششی طولی می بینیم.

P : فشار ( Kg⁄cm^2 )
d : قطر داخلی ( cm )
T : ضخامت سیلندر ( cm )
f_t : تنش شعاعی ( Kg⁄cm^2 )

تنش کششی در جهت محور لوله، تنش طولی نامیده می شود. این تنش در بخش پیرامونی CD در شکل زیر نشان داده شده است.

f : تنش محوری ( f_t ) می تواند با f نشان داده شود.

پوسته نازک کروی:

گاهی اوقات درپوش انتهای سیلندر هیدرولیک، کروی شکل می باشد. هنگامی که پوسته نازک کروی تحت اثر فشار داخلی حاصل از تنش کششی دیواره سیلندر قرار می گیرد، ضخامت پوسته طبق معادله زیر محاسبه می گردد.

طراحی سیلندر جداره ضخیم : 

در مورد سیلندرهای نازک، تنش به صورت یکنواخت در طول دیواره (پوسته) توزیع می شود، اما در سیلندرهای ضخیم اینچنین نیست. نحوه توزیع تنش در سیلندرهای ضخیم به شرح زیر می باشد:

حداکثر تنش شعاعی معمولا برابر فشار داخلی می باشد و حداکثر این تنش در سطح داخلی سیلندر می باشد.

برای محاسبه تنش مماسی چهار معادله زیر به کار می رود.

1)معادله لاما

معادله لاما برای طراحی سیلندرهایی به کار می رود که از مواد شکننده ساخته شده اند و به حداکثر تنش در تئوری شکست بستگی دارد و می تواند در مورد سیلندرهای باز و بسته به کار رود.

2)معادله برینی

معادله برینی به حداکثر کرنش در تئوری شکست بستگی دارد. طبق این معادله، شکست زمانی رخ می دهد که کرنش تا حد محدودی برسد. بنابراین نظریه، ضخامت دیواره سیلندر برابر است با :

این معادله معمولا برای سیلندرهای ته باز ( استوانه های با انتهای باز) که از مواد انعطاف پذیر مانند لوله تفنگ ساخته شده اند، استفاده می شود.

3)معادله کالوارین

این معادله شبیه معادله برینی می باشد. اما برای سیلندرهای ته بسته که از مواد انعطاف پذیر ساخته شده اند، استفاده می شود. بنابراین معادله ضخامت دیواره سیلندر برابر است با:

4)معادله بارلوز

این معادله معمولا برای لوله های روغن تحت فشارهای بالا و لوله های گاز به کار برده می شود. طبق این معادله ضخامت سیلندر برابر است با :

طراحی درب ته سیلندر هیدرولیک :

درب ته سیلندر هیدرولیک ممکن است رزوه، پیچ جوشکاری یا به صورت قطعه ای داخل پوسته سیلندر نصب شود. هنگامی که درب ته به شکل پهن باشد. حداقل ضخامت آن می تواند توسط فرمول تجربی محاسبه شود.

راه عملی انتخاب لوله سیلندر هیدرولیک :

با استفاده از معادلات مختلف و نظریه های ذکر شده بالا پارامترهای لوله سیلندر هیدرولیک را محاسبه می کنیم. اما با استفاده از نظریه و معادله اگر به ابعاد غیر استانداردی در لوله سیلندری برسیم، ممکن است به آسانی آن را در بازار پیدا نکنیم و ساخت اندازه هایی غیر معمول همیشه در تولید پر هزینه و دشوار است. از این رو در پاراگراف زیر در رابطه با پارامترهای استاندارد سیلندر و اندازه هایی که در صنعت و بازار به راحتی در دسترس می باشند، صحبت می کنیم.

قطر داخلی سیلندر تحت استاندارد ISI :

استاندارد هند ( IS : 8208-1976 ) اندازه های قطر داخلی سیلندر را به صورت زیر توصیه می کند.

8 ، 10 ، 20 ، 25 ، 25 ، 32 ،40 ، 50 ، 63 ، 80 ، 100 ، 125 ، 160 ، 200 ، 250 ، 320 ، 400 . از این رو در صورت امکان می توانیم قطر داخلی را طبق استاندارد ISI انتخاب کنیم.

شناسه سیلندر تحت عنوان شماره ترجیحی :

اگر با محاسبه به اندازه ای بین دو اندازه استاندارد ISI برسیم اندازه کوچکتر از استاندارد و اندازه بزرگتر از استاندارد اماکن پذیر نمی باشد. در چنین مواردی ما در خصوص تطبیق اندازه قطر داخلی با مجموعه اعداد مورد نظر از قبیل R_5 ، R_10 ، R_20 ، R_40 یا اندازه های مشتق شده از آن تصمیم گیری می کنیم.

شناسه سیلندر لوله های بدون درز :

اگر اندازه قطر داخلی سیلندر را که در مجموعه شماره ترجیحی پایه یافتیم، گرد کنیم ممکن است آن سایز در بازار موجود نباشد. ساخت یک لوله با استفاده از ابزار داخل تراشی کار آسانی نمی باشد و اگر طول لوله مورد نظر بلند باشد، ساخت آن غیر ممکن می باشد. از این رو باید اندازه های استاندارد موجود در بازار را بدانیم. طراحی و نقشه کشی ما باید بر اساس این اندازه باشد تا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه و امکان پذیر باشد. استاندارد ASTM در جهان معروف بوده و به رسمیت شناخته می شود از این رو لوله های ساخته شده طبق این استاندارد دارای کیفیت خوب و به راحتی در دسترس شرکت های داخلی و بین المللی می باشد.

ASTM بسیاری از اندازه های قطر داخلی را تعریف کرده است. برای هر قطر، 10 ضخامت مختلف تعریف شده و آن را جدول ضخامت نامیده اند. آن ها به هر جدول یک عدد داده اند، مانند 10 ، 20 ، 30 ، 40 ، 60 ، 80 ، 100 ، 140 ، 160 . از هر 10 جدول، ما عموما از جداول 80 و 160 در هیدرولیک استفاده می کنیم. در اندیکس الحاقات ASTM جزئیات کاملی از لوله سیلندری استاندارد ASTM داریم.

در استاندارد هند نیز قطرهای مختلفی برای لوله سیلندر هیدرولیک تعریف شده است و به جای طبقه بندی هر قطر با 10 جدول آن ها را به سه دسته کار سبک، کار متوسط، کار سنگین تقسیم بندی کرده است.

در ایندکس الحاقات لوله ها را طبق استاندارد هند نیز تعریف کرده ایم. اگر ما طراحی قطر داخلی سیلندر و ضخامت دیواره سیلندر را بر اساس موجودی بازار انجام دهیم و آن را در هر مجموعه دلخواه با مشاوره استاندارد ISI قرار دهیم، ساخت و نگهداری سیلندر هیدرولیک خیلی راحت تر و مقرون به صرفه تر خواهد بود.

شناسه سیل کیت های سیلندر هیدرولیک:

سیل ها طبق استاندارد آماده و موجود می باشند. باید مراقب بود که ابعاد نهایی سیلندر منطبق با سیل های استاندارد در بازار باشد. سیل ها با ابعاد غیر استاندارد نیز ساخته می شود ولی موجود بودن قطعات یدکی و نگهداری آن همیشه مشکل خواهد بود.

سیلندر هیدرولیک یک طرفه

سیلندر هیدرولیک یکطرفه ساده ترین نوع سیلندر می باشد و از زمان استفاده آب در سیستم هیدرولیک تاکنون از این نوع سیلندر هیدرولیک استفاده می شود. در این نوع سیلندر هیدرولیک، جابه جایی رم یا پیستون بر اساس نوع ساخت آن در یک جهت توسط نیروی سیال و در جهت دیگر توسط نیروی خارجی انجام می شود.

سیلندر هیدرولیک دوطرفه

این نوع سیلندر به طورگسترده در صنعت استفاده می شود. در این طراحی حرکت پیستون به هر دو جهت ناشی از حرکت سیال می باشد. 

سیلندر هیدرولیک دیفرانسیلی 

هنگامی که سطع مقطع رم(شافت) نیمی از سطح مقطع قطر داخلی لوله سیلندر دوطرفه باشد، سیلندر مورد نظر را سیلندر دیفرانسیلی می نامند. استفاده از سیلندر دیفرانسیلی دریک مدار هیدورلیک موجب توازن سرعت رفت و برگشت روغن خواهد شد.

سیلندر هیدرولیک دوطرفه دو سر شافت

در این نوع سیلندر هیدرولیک، پیستون و شافت در دو طرف سیلندر جابه جا می شود. از این رو با همان سرعتی که رو به جلو می رود، با همان سرعت نیز بر می گردد. گاهی اوقات شافت جهت عبور بعضی المان ها از آن و یا ماشین کاری اجزاء، تو خالی ساخته می شود.

سیلندر هیدرولیک تلسکوپی

سیلندر هیدرولیک تلسکوپی علی رغم بدنه کوتاه دارای کورس بلند می باشد. میزان کورس نهایی ممکن است چهار تا شش برابر طول سیلندر باشد. سیلندر هیدرولیک تلسکوپی بیشتر به صورت یک طرفه و به ندرت به صورت دو طرفه ساخته می شود. نیروی وارده جهت باز شدن سیلندر هیدرولیک متناسب با طول کورس آن می باشد. بیشترین نیروی خروجی را در مرحله اول که پیستون دارای بیشترین سطح مقطع می باشد دریافت می کنیم و کمترین نیرو را در پایان کورس انتهایی دریافت می کنیم.

این نوع سیلندر هیدرولیک در کامیون های دامپر و سیستم های هیدرولیکی راهسازی استفاده می شود.

سیلندر دیافراگمی

سیلندرهای دیافراگمی هم در هیدرولیک و هم در پنوماتیک به کار می روند و در جاهایی که میزان اصطکاک و تنش کم داشته باشد و یا در برابر تغییرات فشار بسیار حساس می باشد، استفاده می شود. مدل های برگشت فنری که درتصویر نشان داده شده است نباید درجهت عکس تحت فشار قرار بگیرند، چرا که این امر می تواند باعث ایجاد ترک در دیافراگم و کوتاه شدن عمر آن شود. عملگر های دوطرفه با دیافراگم دوقلو در دسترس می باشند تا درمواقعی که نیاز به فشار در دو جهت وجود دارد، استفاده شود.

سیلندرهای بدون شافت (رادلس)

در سیلندر بدون شافت، پیستون به شکافی که درکنار سیلندر تعبیه شده متصل شده و جابه جا می شود و در این شکاف نواری ازجنس فولاد فنری می باشدکه با پیستون مونتاژ و آببندی شده است. بنابراین سیلندرهای بدون شافت مناسب سیستم های پنوماتیک می باشند و برای سیستم های هیدرولیک مناسب نمی باشد.

سیلندرغیرقابل چرخش 

سیلندر، پیستون، شافت، درب سرسیلندر، گلویی همه این اجزاء دارای شکل دایره ای (دوار،گرد) می باشند. هنگامی که پیستون و شافت بیشتر کورس خود را طی میکند بیشتر آزادانه می چرخند، باید درنظرداشت که در حرکت خطی، یک حرکت چرخشی شافت در راستای محور مرکزی خود مطلوب نیست. هنگام نصب یک سیلندر به یک پرس هیدرولیک شافت به صفحه پرس بسته شده و از این حرکت چرخشی جلوگیری به عمل می آید. ولی زمانی که سیلندر در پرس هیدرولیک مونتاژ نشده و به طور مستقل درعملیات های مختلف ازقبیل علامت گذاری، سوراخ کاری، نشانه گذاری و غیره به کار می رود، جهت خنثی کردن حرکت چرخشی شافت، از یک راهنمای خارجی استفاده می شود.

البته این راهنمای خارجی مقداری از فضا را اشغال می کند و بسیار پرهزینه می باشد. از زمانی که سیلندرهای غیرقابل چرخش طراحی و گسترش یافته اند، ساختار آنها شبیه سیلندر هیدرولیک دو طرفه معمولی با سه شافت می باشد که به یک پیستون کوپل شده اند و از درب سرسیلندر، بوش گلویی و غیره بیرون آمده اند. البته درساخت و کنترل کیفیت این نوع سیلندر هیدرولیک باید دقت بیشتری داشت و اگر به درستی ساخته شوند، بسیار مقرون به صرفه و دارای عملکرد خوب می باشند.

اهمیت طراحی ایمن : سیلندر هیدرولیک توسط مایع هیدرولیک در فشار بالا کار می کند. هرگونه شکست سیلندر ممکن است باعث انفجار یا خروج جت روغن با سرعت بالا شود که ممکن است باعث تخریب اموال و جراحت منجر به مرگ انسان شود. از این رو حین طراحی یک سیلندر هیدرولیک باید بیشترین اهمیت در نظر گرفته شود. ابتدا به مطالعه جنبه های نظری و علمی به طور کامل پرداخته و سپس به ساخت سیلندر هیدرولیک بپردازید.

طراحی لوله سیلندر هیدرولیک : در طراحی لوله سیلندر هیدرولیک، ما اساساَ قطر داخلی و ضخامت آن را محاسبه می کنیم. قطر داخلی و ضخامت دیواره به ظرفیت سیلندر هیدرولیک و فشار کاری بستگی دارد. در ادامه به مطالعه و بررسی چگونگی تعیین این پارامترها خواهیم پرداخت.

ظرفیت سیلندر هیدرولیک : ظرفیت یک سیلندر هیدرولیک طبق کاری که آن سیلندر باید انجام دهد در نظر گرفته می شود. برای مثال اگر یک سیلندر هیدرولیک برای یک پرس کشش عمیق جهت ساخت ظروف خاص طراحی شده است، ظرفیت سیلندر هیدرولیک به سایز ظرف و ضخامت آن و همچنین ویژگی موادی که تحت کشش قرار می گیرد، بستگی دارد.

از این رو قبل از طراحی یک سیلندر پارامتر ظرفیت آن با توجه به عملکرد آن تعیین می شود.

فشار کاری : فشار کاری سیستم می تواند از کمترین مقدار ممکن تا 700 بار یا بیشتر باشد و طبق دو فاکتور انتخاب می شود.

1- محدودیت سایز سیلندر هیدرولیک
2- نوع شیر هیدرولیک و پمپ هیدرولیک مورد استفاده در یونیت هیدرولیک

محدودیت سایز سیلندر هیدرولیک: 

عموما سیلندر هیدرولیک قالب پرس لوازم لاستیکی دارای کورس زیاد و میز پرس بزرگتر می باشد که به طور مستقیم روی شافت آن مونتاژ می شود. برای حفاظت و محکم نمودن میز پرس، شافت بایستی به اندازه کافی قطور باشد. برای شافت با قطر بزرگ، قطر داخلی سیلندر باید بیشتر باشد. با حفظ همان ظرفیت فشار،  اگر قطر داخلی سیلندر افزایش یابد، آنگاه فشار کاهش می یابد. بنابراین برای میز اندازه بزرگ، فشار کاری سیستم کاهش می یابد.

سیلندر هیدرولیک جهت بلند کردن وسایل نقلیه و تجهیزات مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. در حالت عادی سیلندر هیدرولیک توسط دست جابه جا و در محل خود قرار می گیرد. جهت جابجایی راحت، وزن سیلندر هیدرولیک باید کم باشد. با کاهش وزن ، سایز سیلندر هیدرولیک کوچکتر می شود. با ثابت نگه داشتن ظرفیت بالابری و کاهش سایز، فشار کاری سیلندر هیدرولیک بیش از 700 بار افزایش می یابد.

از این رو فشار کاری افزایش یافته است تا سایز سیلندر هیدرولیک کاهش پیدا کند. به طور مشابه در بسیاری از موارد، محدودیت اندازه و فضا در تجهیزات در جایی که سیلندر هیدرولیک نصب می شود، انتخاب فشار کاری تاثیر گذار خواهد بود.

اگر محدودیتی در اندازه سیلندر هیدرولیک وجود نداشته باشد، فشار توسط انواع شیر هیدرولیک و پمپ هیدرولیک استفاده شده در یونیت هیدرولیک تعیین می گردد.

نوع شیر هیدرولیک و پمپ هیدرولیک استفاده شده با در نظر گرفتن موارد ذیل تعیین می شوند.

• بودجه مالی
• اتوماسیون سیستم
• نوع تجهیزات

زمانی که بودجه مالی جهت ساخت سیستم هیدرولیک خیلی کم باشد، پمپ هیدرولیک دنده ای یا پمپ هیدرولیک پره ای استفاده می شود. این نوع پمپ هیدرولیک عملکرد بهینه و فشار دائمی کمتر از 175 بار فراهم می کند. به همین دلیل برای بیشتر پمپ های هیدرولیک، فشار سیستم 175 بار یا کمتر تنظیم می گردد.

برای بودجه های معمولی زمانی که پمپ هیدرولیک پیستونی مورد استفاده قرار گیرد، فشار بیش از 350 بار نگه داشته می شود. زمانی که سیستم به همراه پنل کنترلی مورد استفاده قرار گیرد، از شیر هیدرولیک برقی کنترل جهت استفاده می شود. بعضی از شیرهای هیدرولیک برای فشار 315 بار تا 350 بار طراحی شده اند. اما فشار بهینه آنها زیر 315 بار می باشد. از این رو زمانی که شیر هیدرولیک برقی کنترل جهت مورد استفاده قرار می گیرد، فشار کمتر از 300 بار تنظیم می شود.

برای سیستم هایی مانند سیلندر هیدرولیک، جایی که کمترین اندازه انتخاب شود و هیچ برنامه و اتوماسیونی وجود نداشته باشد، از پمپ هیدرولیک پیستونی یا پمپ هیدرولیک دستی استفاده می شود و فشاری بالاتر از 700 بار قابل دستیابی می باشد.

از این رو قبل از طراحی لوله سیلندری در خصوص دو فاکتور ظرفیت و فشار کاری تصمیم گیری می کنیم و پس از اینکه در خصوص این دو فاکتور تصمیم گیری شد،  با استفاده از تئوری ها و روابط، قطر داخلی لوله سیلندری و ضخامت آن را محاسبه می کنیم.

ابتدا با استفاده از روابط و تئوری ها ابعاد تئوری مورد نیاز لوله سیلندر هیدرولیک را محاسبه می کنیم. سپس ابعاد مورد نیاز عملی را مورد بررسی قرار می دهیم. به این صورت که چگونه با تغییرات در محاسبات تئوری اندازه ، به اندازه ای که در عمل امکان پذیر و مقرون به صرفه است دست پیدا کنیم.

طراحی تئوری پوسته اصلی یا لوله سیلندری :

لوله سیلندر هیدرولیک به 2 گروه تقسیم می شود.

• لوله سیلندری دیواره نازک
• لوله سیلندری دیواره ضخیم

در این بخش لوله سیلندری را به اختصار سیلندر می نامیم. زمانی که نسبت قطر سیلندر به ضخامت دیواره بیشتر از 10 باشد، سیلندر با دیواره نازک و زمانی که برابر و یا کمتر از 10 باشد، سیلندر دیواره ضخیم نامیده می شود. معادلات محاسبه ضخامت دیواره و فرضیاتی که برای آن استفاده می شود، متفاوت هستند، از این رو در ادامه درباره آن ها به صورت جداگانه صحبت می کنیم.

اساساَ سیلندر هیدرولیک به دوگروه طبقه بندی می شود . سیلندر هیدرولیک یک طرفه و سیلندر هیدرولیک دوطرفه . این دوگروه اصلی سیلندر هیدرولیک با توجه به نوع صنعت، کارایی، صرفه اقتصادی و سهولت در ساخت، طراحی و ساخته می شوند که در زیر به شرح برخی از آن ها می پردازیم.

طبقه بندی براساس ساخت بدنه سیلندرهیدرولیک

بر این اساس سیلندر هیدرولیک را می توان به پنج دسته تقسیم بندی نمود :

• ساخت با استفاده از نصب میل مهار سیلندر «چهارمیل مهار»
• ساخت با استفاده از نصب رزوه ای
• ساخت با استفاده از نصب پیچی
• ساخت با استفاده از نصب جوشکاری
• ساخت براساس ترکیبی از موارد ذکر شده

ساخت با استفاده از نصب میل مهار

این نوع ساخت به طورگسترده ای درصنعت استفاده می شود . استاندارد بین المللی (ISI) نیز به طورکلی به یکی از این انواع ساخت اشاره دارد. تمام اجزای سیلندر ماشین کاری شده و با یکدیگر توسط میل مهار مونتاژ می گردد و جوشکاری نمی شود. از این رو برنامه ریزی تولید، کنترل کیفیت، مونتاژ و تعمیر و نگهداری آن راحت تر از انواع دیگر ساخت می باشد. از آنجا که میل مهارهای بلند برای نگه داشتن تمامی اجزاء بکار می رود باید توجه نمود تا میل مهارها محکم بسته شود تا در حین کار قطعات از یکدیگر باز نشوند. همچون شیرها و پمپ های استاندارد، این نوع سیلندر هیدرولیک طبق استاندارد ادوات هیدرولیک تولید می شوند و عموماَ برای فشارهای کاری کم تا متوسط و در صنایع عام  و ماشین ابزار صنعتی بکار برده می شوند.

ساخت با استفاده از نصب رزوه ای

این نوع ساخت شبیه به سیلندر هیدرولیک چهارمیل مهار اما متراکم تر و قوی تر می باشد و به دقت و مراقبت و کنترل کیفیت بیشتری در هنگام ساخت نیاز دارد . همانطور که در طراحی زیر نشان داده شده است، درپوش سر و ته سیلندر به لوله سیلندر رزوه شده و مونتاژ می گردد. این نوع سیلندر هیدرولیک در کارهای متوسط تا سنگین و همچنین به طورگسترده در ماشین آلات راه سازی به کاربرده می شود.

ساخت با استفاده از نصب پیچ

این نوع ساخت شامل جوشکاری فلنج به لوله سیلندر هیدرولیک و بستن درپوش سر و انتهایی به فلنج جوشکاری شده با استفاده از پیچ و مهره می باشد . این نوع سیلندر شبیه سیلندر هیدرولیک چهارمیل مهار طبق استاندارد هیدرولیک طراحی و ساخته شده و به طورگسترده در صنعت استفاده می شود.

ساخت با استفاده از نصب جوشکاری

همانند سیلندرهای شوک گیر در این طراحی درپوش سر و ته را به لوله سیلندری جوش می دهند . این نوع سیلندرها مقرون به صرفه می باشند اما نمی توان آنها را تعمیرکرد . این نوع سیلندرها برای فشارهای پایین به کاربرده می شوند و همچنین در ماشین آلات کشاورزی.

ساخت سیلندر سفارشی

در این نوع سیلندر، با توجه به نیاز بازار، انواع مختلف ساخت با هم ترکیب می شوند . یکی از پرکاربردترین ترکیبات، استفاده جوشکاری درپوش ته و پیچ کردن درپوش سر و مونتاژ فلنج به لوله می باشد.

سیلندرهای با گنجایش بالایی که از فولاد یکپارچه درست شده باشد، سر و ته و فلنج به صورت یک پارچه فورج می شوند . سیلندر پرس ها از این نوع می باشد .