Cilindru hidraulic al macaralei cu încărcare laterală: proiectare și analiză a defecțiunilor

Cilindrul de alunecare este un element structural care funcționează sub încărcare combinată, nu doar un simplu actuator

A cilindru hidraulic al macaralei cu încărcare laterală este diferit din punct de vedere funcțional de un cilindru hidraulic standard, deoarece funcționează atât ca dispozitiv de acționare, cât și ca ghidaj structural. Sarcina sa principală este de a extinde și retrage secțiunea intermediară a brațului sau căruciorul care transportă ansamblul furcii de ridicare, dar în timp ce sunt extinse, corpul cilindrului și tija trebuie să reziste la momentul încovoietor impus de sarcina compensată — o sarcină care poate produce o forță laterală echivalentă cu 30% până la 60% din capacitatea nominală de ridicare, în funcție de lungimea extensiei brațului și de distanța la centrul sarcinii . Această condiție combinată de sarcină axială și de încovoiere este ceea ce distinge un cilindru de derapaj de un cilindru hidraulic pur axial pe o macara convențională. Diametrul tijei cilindrului, distanța lagărelor de susținere a tijei și designul intern al inelului de ghidare al pistonului sunt toate proiectate pentru a menține o mișcare în linie dreaptă sub sarcină, fără a permite ca tija să se declanșeze sau pistonul să se închidă în interiorul cilindrului, oricare dintre acestea ar marca imediat alezajul cilindrului și ar iniția o cascadă de defecțiune a etanșării. Un cilindru antiderapant pe un încărcător lateral tipic de 10 tone funcționează la presiuni de lucru între 180 si 250 bar , cu presiuni de testare care ajung la 375 bar, iar corpul cilindrului este fabricat de obicei din tub de oțel fără sudură șlefuit, trasat la rece, conform DIN 2391 sau ASTM A519, cu un finisaj al suprafeței alezajului de 0,2 până la 0,4 microni Ra.

Diametrul tijei și raportul L/R care previne flambajul

Singurul parametru de proiectare cel mai critic pentru un cilindru hidraulic de derapare a unei macarale cu încărcare laterală este diametrul tijei în raport cu lungimea cursei. Când cilindrul este complet extins, tija este o coloană sub compresie, iar raportul de zveltență - lungimea efectivă a coloanei împărțită la raza de rotație a secțiunii transversale a tijei - trebuie să rămână sub pragul de flambaj Euler pentru sarcina aplicată . Pentru un cilindru de derapaj cu o cursă de 1,5 metri și un diametru al tijei de 60 de milimetri, raportul de zveltețe este de aproximativ 100:1 în condiții de vârf cu știfturi. Dacă lagărul suport al tijei de la capătul ochiului tijei asigură o reținere laterală eficientă, lungimea efectivă este redusă și capacitatea de flambaj crește cu un factor de până la patru în comparație cu o tijă neghidată. Acesta este motivul pentru care tija cilindrului antiderapant este întotdeauna susținută la capătul său exterior de un bloc de glisare sau un cărucior cu role care se deplasează pe șinele de ghidare interne ale structurii brațului - capătul tijei nu este liber să se miște lateral, iar acest sistem de ghidare este o componentă portantă a ansamblului cilindrului, nu doar o simplă comoditate de aliniere. Când blocul de ghidare se uzează dincolo de spațiul liber specificat, de obicei 0,5 până la 1,0 milimetri maxim — capătul tijei câștigă libertate laterală, lungimea efectivă a coloanei crește, iar cilindrul funcționează în afara anvelopei de flambaj proiectate.

Grosimea cromării și rezistența la pitting

Tija pistonului de pe un cilindru de derapaj este cromată la o grosime minimă de 20 microni pentru service standard și 30 până la 50 microni pentru medii marine sau corozive , aplicat peste un strat de nichel care asigură bariera reală împotriva coroziunii. Stratul de crom nu este rezistent la coroziune – este microcrăpat și poros – dar stratul de bază de nichel etanșează substratul de oțel. Atunci când pe o tija cilindrului de derapaj apar pete de rugină la suprafață, aceasta indică faptul că stratul de crom s-a uzat și că stratul de bază de nichel a fost spart, expunând oțelul. În acest moment, tija se află în stadiile incipiente ale eșecului prin pitting și fiecare ciclu de extensie-retracție trage suprafața cu sâmburi prin etanșarea tijei, abrazând buza de etanșare și introducând contaminare în fluidul hidraulic.

Sistemul de rulment și inel de ghidare din interiorul cilindrului

În interiorul unui cilindru hidraulic al macaralei cu încărcare laterală, pistonul nu intră în contact direct cu peretele cilindrului. Merge mai departe inele de ghidare din PTFE fenolice sau umplute cu sticlă care sunt instalate în caneluri prelucrate în diametrul exterior al pistonului, de obicei două inele de ghidare distanțate între 30 și 50 de milimetri, cu garnitura pistonului poziționată între ele . Aceste inele de ghidare absorb componenta de sarcină laterală a încărcării combinate a cilindrului de derapaj și previn contactul metal-metal dintre piston și cilindr. Presetupa tijei de la capătul chiulasei conține o bucșă de ghidare similară - adesea un compozit PTFE cu spate de bronz - care sprijină tija împotriva încărcării laterale și menține concentricitatea cu etanșarea tijei. Distanța dintre inelele de ghidare și orificiul cilindrului și între bucșa tijei și tijă este specificată la 0,10 până la 0,25 milimetri diametral pentru un cilindru cu alezajul de 80 până la 120 milimetri . Când acest joc se dublează din cauza uzurii inelului de ghidare, etanșarea pistonului începe să se extrudă în spațiu sub presiune, iar etanșarea tijei este supusă unei sarcini neconcentrice care accelerează uzura acestuia. Intervalul de înlocuire a inelului de ghidare pentru un cilindru antiderapant în operațiunile de manipulare a containerelor grele este de obicei de 3.000 până la 5.000 de ore de funcționare, moment în care cilindrul trebuie dezasamblat și inelele de ghidare măsurate și înlocuite, indiferent dacă etanșările prezintă scurgeri vizibile.

Configurația etanșării și stiva de etanșare a tijei cu buze multiple

Garnitura tijei de pe un cilindru de derapaj nu este o singură componentă. Este un aranjament stivuit de cel puțin trei elemente funcționale: a Garnitură primară din poliuretan U-cup care menține presiunea sistemului, o etanșare tampon secundară care protejează etanșarea primară de vârfurile de presiune și oferă o buză de etanșare de rezervă și o etanșare externă care răzbește contaminarea de pe suprafața tijei înainte de a ajunge la elementele de etanșare . În cilindrii care funcționează în medii cu o contaminare ridicată cu particule - zone portuare cu praf de cărbune, ciment sau așchii de metal - un al patrulea element, un inel de răzuit metalic, poate fi instalat înainte de ștergător pentru a îndepărta mecanic resturile lipite pe care ștergătorul elastomeric nu le poate disloca. Alegerea materialului de etanșare depinde de tipul fluidului hidraulic și de temperatura de funcționare: garniturile standard din poliuretan sunt evaluate pentru -30 până la 100 de grade Celsius; pentru aplicații la temperatură înaltă peste 100 de grade, sunt specificate garnituri cu fluorocarbon. Cel mai obișnuit mod de defectare a etanșării în cilindrii de derapaj este etanșarea ștergătoare care se degradează și permite contaminarii să ajungă la cupa U primară, care acționează apoi ca un compus de lepătură între buza etanșării și suprafața tijei cromate, purtând o canelură în ambele.

Etanșarea pistonului și scurgerile de derivație internă

Garnitura pistonului, situată pe pistonul din interiorul cilindrului, separă partea cu pas complet a cilindrului de partea inelară. Este de obicei o Etanșare cu tăiere în trepte pe bază de PTFE cu un inel de energizare elastomeric care asigură forța de contact radială , sau o garnitură cu papuci din PTFE umplut cu sticlă pentru aplicații cu presiune mai mare. Când etanșarea pistonului se uzează, fluidul hidraulic trece în interior de la partea de înaltă presiune la partea de joasă presiune a pistonului, iar simptomul este deplasarea cilindrului sub sarcină - căruciorul de derapaj se retrage lent, chiar dacă supapa de control este în poziția neutră. Această scurgere internă nu produce o scurgere externă de fluid și nu poate fi diagnosticată printr-o inspecție vizuală. Testul este de a presuriza cilindrul cu tija complet extinsă și de a măsura viteza de retragere a tijei pe un interval de timp; o rată de deriva care depășește 5 milimetri pe minut sub sarcina nominală indică de obicei o etanșare a pistonului care necesită înlocuire .

Contaminarea fluidului hidraulic și vulnerabilitatea cilindrului antiderapant

Cilindrul antiderapant de pe o macara cu încărcare laterală funcționează orizontal, iar această orientare îl face mai vulnerabil la anumite moduri de defecțiune legate de contaminare decât un cilindru montat vertical. Într-un cilindru vertical, gravitația ajută la depunerea poluării cu particule în partea inferioară a cilindrului, departe de garnitura pistonului. Într-un cilindru de derapaj orizontal, contaminarea rămâne suspendată pe toată lungimea găurii cilindrului și fiecare lovitură trage particulele pe întreaga suprafață de contact a etanșării . Tija, când este extinsă, este expusă prafului și umezelii ambientale, iar fiecare ciclu de retragere trage orice s-a așezat pe suprafața tijei în garnitura ștergător. Filtrarea sistemului hidraulic trebuie să mențină curățenia fluidului ISO 4406 18/16/13 sau mai bun pentru un cilindru antiderapant care funcționează într-un port sau mediu industrial , cu filtrul de retur care captează particule de până la 10 microni absoluti. Un indicator de ocolire a filtrului care este ignorat sau un element de filtru care nu este schimbat la intervalul specificat pune garniturile cilindrului antiderapant în contact direct cu particule abrazive care reduc durata de viață a etanșării cu 50% până la 70% față de un cilindru care funcționează cu fluid curat.

Dreptatea tijei și toleranța care previne deteriorarea garniturii

Tija pistonului de pe un cilindru hidraulic al macaralei cu încărcare laterală trebuie să mențină o toleranță de dreptate care este adesea specificată, dar rareori verificată pe teren după ce cilindrul a fost în funcțiune. Toleranța standard de dreptate pentru o nouă tijă de cilindru de derapaj este 0,2 milimetri pe metru de lungime a tijei, măsurată ca citire totală a indicatorului la mijlocul tijei cu tija sprijinită la ambele capete . O tijă care a fost îndoită – de obicei de la un impact lateral cu căruciorul de derapaj sau de la operarea macaralei cu brațul supraîncărcat și cilindrul de derapare parțial extins – va depăși această toleranță. O tijă îndoită impune o sarcină laterală ciclică asupra bucșei și etanșării tijei la fiecare cursă, producând un model de uzură caracteristic: bucșa tijei se uzează într-o formă ovală, iar etanșarea tijei dezvoltă o scurgere care apare doar la o anumită poziție de extensie a tijei - poziția în care secțiunea îndoită trece prin etanșare. Verificarea dreptății tijei cu un indicator cadran și blocuri în V este o etapă de diagnosticare care ar trebui efectuată ori de câte ori un cilindru de derapaj prezintă o defecțiune inexplicabilă a etanșării la scurt timp după înlocuire, deoarece o tijă îndoită va distruge un nou set de etanșare în câteva săptămâni de la instalare.

Alinierea montajului și sarcina laterală care nu a fost niciodată proiectată

Cilindrul de alunecare este montat între structura principală a brațului macaralei și căruciorul de alunecare prin suporturi cu știft la ambele capete. Dacă aceste două puncte de montare nu sunt aliniate pe aceeași axă în limitele toleranței specificate, cilindrul este supus unei sarcina laterala permanenta care actioneaza asupra rulmentului tijei si ghidajelor pistonului chiar si atunci cand cilindrul nu este sub sarcina de lucru . Toleranța de aliniere pentru instalarea unui cilindru de derapaj este de obicei Coaxialitate de ± 0,5 milimetri între știfturile de montare de la capătul cilindrului și de la capătul tijei pe toată lungimea cursei . Nealinierea poate fi introdusă în timpul asamblării inițiale sau se poate dezvolta în timp pe măsură ce structura macaralei se obosește, pe măsură ce sudurile se deformează sau pe măsură ce șinele de ghidare ale căruciorului de derapaj se uzează neuniform. Indicatorul de diagnosticare a nealinierii montajului este un cilindru care curge din garnitura tijei sau prezintă uzură neuniformă a bucșei tijei, în ciuda faptului că are tija dreaptă, fluid curat și garnituri specificate corect. Acțiunea corectivă este să deconectați capătul tijei, să măsurați alinierea dintre orificiile știftului cu cilindrul la mijlocul cursei folosind o sârmă strânsă sau unealtă de aliniere cu laser și să calați sau să prelucrați suporturile de montare pentru a aduce alinierea în specificații.

Procedurile de revizie și secvența critică de dezasamblare

Reconstruirea unui cilindru hidraulic de derapare a unei macarale cu încărcare laterală urmează o secvență specifică care previne deteriorarea componentelor nou instalate. Înainte de a începe dezasamblarea, cilindrul trebuie să fie complet retras și conductele hidraulice acoperite pentru a preveni pierderea lichidului și intrarea contaminarii . Presetupa tijei este deșurubată folosind o cheie știft sau o cheie fabricată care cuplează găurile pentru cheie ale presetupei - niciodată o cheie pentru țevi, care deformează glanda și creează o cale de scurgere. Ansamblul tijei și pistonului este retras din cilindru folosind o ridicare controlată deasupra capului, iar pistonul este sprijinit imediat pe blocuri în V pentru a preveni ca greutatea tijei să îndoaie tija la joncțiunea filetului pistonului. Piulița de reținere a pistonului este îndepărtată - aceasta este adesea asigurată cu Loctite și necesită încălzire la 150 de grade Celsius pentru a se elibera - iar pistonul și glanda sunt glisate de pe tijă. Alezajul cilindrului este inspectat cu un boroscop pentru marcare, iar orice zgârietură mai adâncă de 0,5 milimetri care poate fi simțită cu unghia necesită șlefuirea sau înlocuirea cilindrului. Noile garnituri sunt instalate folosind manșoane de instalare special concepute care împiedică tăierea buzelor de etanșare de marginile ascuțite ale filetului tijei și deschiderile portului cilindrului în timpul reasamblarii. Filetele de reținere a presetupei și filetele piuliței pistonului sunt curățate și acoperite cu compus anti-gripare, iar presetupa este strânsă conform specificațiilor producătorului - de obicei 200 până la 400 Newtoni-metri pentru un cilindru cu alezajul de 100 milimetri . După asamblare, cilindrul este ciclat de cinci ori la presiune scăzută pentru a permite etanșările să se așeze, apoi este testat la presiunea maximă a sistemului în timp ce se observă scurgerile externe și deplasarea tijei.

Diagnosticarea între defecțiunea cilindrului și scurgerea supapei de control

Când un cărucior de derapaj se deplasează sub sarcină, cauza poate fi scurgerea internă a cilindrului sau poate fi supapa de control direcțională care alimentează cilindrul. Cele două afecțiuni produc simptome identice - căruciorul se mișcă atunci când ar trebui să rămână staționar - dar necesită acțiuni corective complet diferite. Procedura de diagnostic definitivă este Test de izolare a cilindrului: cu cilindrul sub sarcină, conductele hidraulice de la porturile cilindrului sunt deconectate și acoperite cu dopuri de obturare JIC sau ORFS pentru presiunea sistemului . Dacă deriva căruciorului se oprește imediat când conductele sunt acoperite, scurgerea este în supapa de control, deoarece cilindrul cu capac menține presiunea. Dacă deriva continuă cu liniile acoperite, scurgerea este internă cilindrului peste garnitura pistonului. Efectuarea acestui test necesită măsuri de siguranță stricte - sarcina trebuie susținută independent înainte de a deconecta orice conductă hidraulică, iar dopurile de obturare trebuie să fie evaluate pentru presiunea completă a sistemului, inclusiv vârfurile de presiune. Înlocuirea unui dop cu valoare mai mică sau a unui dop improvizat poate duce la o eliberare catastrofală a fluidului de înaltă presiune.

Întreținere preventivă care prelungește durata de viață a cilindrului de derapaj dincolo de intervalul standard

Durata de viață a unui cilindru hidraulic al macaralei cu încărcare laterală este direct proporțională cu consistența a trei acțiuni de întreținere preventivă. În primul rând, partea expusă a tijei pistonului trebuie șters cu o cârpă fără scame înainte de fiecare schimb , sau după orice perioadă în care macaraua a fost inactivă mai mult de patru ore. Praful atmosferic care se depune pe tijă în timpul perioadelor de inactivitate este atras în garnitura ștergător la primul ciclu de retragere și se acumulează în cavitatea de etanșare. În al doilea rând, Elementele de filtrare a fluidului hidraulic trebuie schimbate după un program bazat pe indicarea diferențelor de presiune, nu pe o bază calendaristică — un filtru care atinge presiunea de bypass la 1.500 de ore ar trebui schimbat la 1.500 de ore, nu la intervalul calendaristic de 2.000 de ore. În al treilea rând, Jocul blocului de ghidare la capătul tijei trebuie măsurat cu aparate de măsurare la fiecare interval major de service , iar blocurile trebuie înlocuite sau reglate înainte ca jocul să depășească valoarea maximă specificată de producătorul cilindrului. Această ultimă acțiune este adesea trecută cu vederea, deoarece blocurile de ghidare sunt considerate mai degrabă parte a structurii macaralei decât parte a cilindrului, dar funcția lor este parte integrantă a rezistenței la flambaj a cilindrului și a duratei de etanșare a cilindrului.