油圧シリンダのピストンロッドの座屈を防止

マティアス・アワド氏は、機械工学設計者が高強度の特殊ピストンロッド鋼を利用して油圧シリンダーの座屈耐性を高める方法を説明します。

油圧シリンダは、建設車両、昇降装置、農業機械、風力タービン、その他の産業用途で重量物を高精度に制御します。 設計者は、油圧シリンダに圧縮力がかかったときにピストン ロッドが座屈破壊に耐えられるように注意する必要があります。

座屈は、重大な結果をもたらす突然の予測不可能な形式の故障です。 これは、プッシュ モードでの過剰な負荷によって発生します。そのため、エンジニアはピストン ロッドを設計する際に圧縮応力に細心の注意を払います。

押す力を与える単動シリンダでは、ピストンロッドが圧縮されます。 軸応力を臨界座屈閾値以下に保つように設計する必要があります。

複動シリンダは、圧縮と引張を繰り返す何千ものサイクルによって生じる疲労にも耐えることができなければなりません。 これらのサイクルにより、微細な欠陥の周囲に応力が上昇し、亀裂の伝播と最終的な破損につながります。 疲労は通常、ねじのルートやフィレットなどの断面が減少した場所、または溶接継手の欠陥で発生します。

鋼材を慎重に選択すると、座屈や疲労による破損のリスクを軽減できます。 細いロッドを備えたシリンダーを設計する場合、エンジニアは弾性座屈のモデルであるオイラー理論を適用できます。 ただし、それほど細くないロッドの場合、オイラー理論は座屈抵抗を大幅に過大評価するため、エンジニアはより高い降伏強度を備えた材料を使用することで座屈を防ぐことができます。

この慣行は、米国鉄鋼構造協会 (AISC) および欧州建設鉄鋼協会 (ECCS) の方法論を通じて、建設および建築業界の柱の設計基準に組み込まれています。

さらに、クレーン規格 prEN 13001-3-6A も役立つリソースです。 これには、油圧シリンダの座屈強度を評価するプロセスと、ピストンロッドの有効長を計算する方法が含まれます。 有効長は、シリンダーが端で接続されているかどうか、または中央のグランドでサポートがあるかどうかによって異なります。

Ovako の Cromax 180X や Cromax 280X など、特殊なピストン ロッド鋼は油圧用に特別に開発されました。 Cromax 180X は硬質クロムメッキバーの形状で、中炭素マイクロ合金鋼をベースとしています。 合金混合と加工を注意深く制御することにより、最小降伏強度 500N/mm2 を実現しています。 これはグレード C45E の 305N/mm2 と比較します。

降伏強度が高いということは、ピストンロッドが座屈に耐えられることを意味します。 したがって、設計者はピストンロッドの直径を小さくして、シリンダー全体の重量を削減できます。

あるいは、シリンダーの寸法がより高い力/圧力に対応している場合、C45E ピストン ロッドを Cromax 180X の同一のピストン ロッドと交換して、座屈に対する同じ安全マージンでより大きな荷重を伝達することもできます。

エンジニアは、Ovako の Web サイトにある Steel Navigator ツールの一部であるピストン ロッド プレディクターを使用して、さまざまなグレードのピストン ロッド スチールを比較できます。 ピストンロッド予測器は、AISC と ECCS 法の両方を使用して、座屈抵抗がさまざまなグレードによってどのように影響を受けるかについての洞察を提供します。

エンジニアは疲労モデリングを使用して、デュアルアクション ピストン ロッドの設計に役立てることができます。 一般に、疲労強度はロッド材料の引張強度に応じて増加します。 安全性が重要な用途では、保証された衝撃靭性も考慮する必要がある場合があります。

他の要素も同様で、Cromax 180X の引張強度が高いため、C45E よりもかなり優れた疲労性能が得られます。 耐座屈性と同様に、Cromax 180X を使用すると、ピストンロッドの小型化、または同じサイズのロッドで疲労寿命の向上が可能になります。

エンジニアは製造のために設計も行う必要があります。 したがって、加工や生産への影響を考慮することが重要です。 Cromax 材種の被削性は、旋削加工とねじ切り加工の両方で十分にテストされています。 C45Eなどの材料に比べて強度と硬度が大幅に高いにも関わらず、効率よく加工できます。

溶接性も重要で、特に摩擦溶接は大きな負荷がかかるピストンロッドによく使用されます。 エンジニアは、溶接熱影響部 (HAZ) に脆性成分が形成されるのを避けたいと考えています。

Cromax グレードは、摩擦溶接後の脆化につながる可能性のある中心偏析のリスクを回避するために開発された合金含有量のおかげで、優れた選択肢です。 より高い降伏強度と合わせて、油圧システムの設計者が性能を向上させ、システムを小型化するのに役立つ優れた選択肢となります。

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