Напряжения в штоке при сжимающей нагрузке

Перед началом обсуждения мы думаем будет полезным предложить простой эксперимент, который не изображается на рисунке, потому что его чрезвычайно легко понять и повторить для проверки. Нажмите постепенно на два конца спички, зажатой между указательным большим пальцем руки. Спичка начнет гнуться, а затем она переломится на две части. Повторите то же самое действие с одной из этих двух частей спички и вы не получите тот же самый результат так же легко, как первый раз.
Этот эксперимент показывает, что шток, если он достаточно длинный относительно своего диаметра, под воздействием сосредоточенной силы сжатия, имеет тенденцию изгибаться с возможностью разрушения.
Сила состоящая из изгибающего и сжимающего напряжения и называется сжимающей нагрузкой. Такой риск проявляется, когда длина штока в десять и более раз превышает его диаметр. Поэтому, каждый раз, когда этот предел превышен, шток должен подвергнут испытанию на возможность передачи силы Fs и по условиям установки цилиндра. Проанализируем эти два аспекта отдельно:
Сила Fs:
- Как известно, выбор цилиндра делают на основе значения осевой силы, которую требуется развить. Поэтому, размер, который нас интересует в первую очередь, это внутренний диаметр цилиндра. Диаметр штока - последствие этого выбора, то есть, каждому диаметру цилиндра соответствует только один диаметр штока, которое также определен стандартом.
- Этот диаметр остается тем же самым независимо от длины хода, следовательно есть потребность в адекватном выборе типа установки, когда имеется риск сжимающей нагрузки.

Установка:
- При равнодействующей силе Fs и соответствующем равном диаметре штока, изменяя соединения цилиндра и штока, можно показать результаты на иллюстрациях:
a) - Это самая неблагоприятная ситуация в случае нагрузки сжатия.
- Шток поддерживается свободным движущимся концом на плоскости, в то время как корпус цилиндра жестко зафиксирован;
- Максимальная длина, на которую шток может выдвигаться, обозначен буквой L, которая принята как опорное обозначение для оценки следующих связей с помощью диаграммы B.
b) - Конец штока сочленяется и направляется путем изменения положения качающегося крепления корпуса цилиндра, что дает возможность получить различные максимальные коэффициенты длин.
c) - Соединение штока идентично случаю b), в то время как корпус цилиндра жестко зафиксирован.
d) - Шток имеет фиксированную установку, который жестко направляется продольным пазом в процессе движения. Крепление самого корпуса пневмоцилиндра жесткое.
- Значение 4L - максимальное из возможных.

Проверка нагрузки сжатия упрощается при помощи диаграмм, показанных на рис. C.11

А - Используя значения конструктивных параметров Fs (осевой силы) и давления в барах, диаграмма позволяет выбрать диаметр цилиндра и соответствующий диаметра штока (показанный в скобках).

В - Используя значения силы Fs и диаметра штока, можно найти значение признака L, которое соответствует максимальной длине штока при наиболее неблагоприятном креплении, то есть тем, что обозначено буквой a).

Пример 1:
"Требуется цилиндр, развивающий осевую силу Fs 2000 Н при длине хода 1500 мм. Максимальное рабочее давление - 6 бар".
Из диаграммы А - Вертикальная линия от значения 2000 Н пересекает различные наклонные прямые.
- Выбор должен, однако, остановиться на цилиндре диаметром 80 мм (шток диаметром 25 мм) потому что это требует давление ниже заданного предела 6 бар.
Поскольку ход 1500 мм превышает диаметр штока 25 мм более, чем в 10 раз, возникает необходимость проверить шток на устойчивость к нагрузке сжатия.
Из диаграммы В - Вертикальная линия от значения 2000 Н пересекает график диаметра штока в 25 мм, что позволяет определить по вертикальной шкале значение соответствующей длины штока около 720 мм, что является намного меньше, чем требуемый ход.
- Существующее соотношение между требуемым ходом 1500 мм и значением, полученным из диаграммы - приблизительно 2: 1. Чтобы достигнуть требуемого хода штока, значение L должно быть изменено.
- При использовании схемы установки цилиндра, показанной на рисунке b/3, следует умножить полученное значение L на 2.
- Используя схему установки, показанную на рисунке b/3, умножаем значение L на 2.
- Использование схемы установки, показанной на рисунке С позволило бы создать еще больший запас прочности.
- Если бы была выбрана схема установки по рисунку b/3, то тогда потребовался бы цилиндр большего диаметра.

Пример 2;
"Требуется цилиндр диаметром 50 мм с ходом 700 мм, и желательно знать, какую силу Fs может развивать такой цилиндр при давлении 6 бар, а также, может ли шток сопротивляться нагрузке сжатия, и при какой схеме установки".
Из диаграммы А - Горизонтальная линия от значения 6 бар пересекает линию цилиндра диаметром 50 мм (шток 16 мм.) Пересечение этих линий позволяет определить на горизонтальной шкале значение 670 N. Это - сила Fs, которую может развивать такой цилиндр.
Из диаграммы B - Вертикальная линия от значения в 670 Н пересекает график диаметров штоков на значении "шток 16 мм", эта точка пересечения позволяет определить на вертикальной шкале значение только 500 мм.
- Это значение - меньше, чем заданный ход цилиндра. При использовании цилиндра с такими параметрами, ходом в 700 мм и с вариантом крепления по схеме a) имеется риск продольного изгиба штока.
Имеющийся цилиндр может использоваться при следующих условиях:
1) - Использовании полной силы Fs и полного хода 700 мм.
- Применяемого давления 6 бара.
- Установки поворотного корпуса цилиндра и шарнирного соединения штока поршня по рис. b/1.
- Из диаграммы B, параметр L хода в 500 мм должен быть умножен на коэффициент 1,4, при использовании варианта установки типа b/1. Шток может противостоять максимальной нагрузке сжатия до 500 мм x 1,4 = 700 мм (заданный ход цилиндра).
2) - Использование полной силы Fs и части хода 700 мм.
- Применяемого давления 6 бара.
- Жесткой установки корпуса цилиндра и свободного штока поршня по рис. a).
- В этом случае, максимальная длина хода, которая по диаграмме В - 500 мм.
3) - Использование части силы Fs и полной длины хода.
- Процедуры для определения силы Fs.
- Из диаграммы В - от значения L = 700 мм, проводим линию, которая пересекает наклонную линию "штока диаметром 20". Пересечение соответствует значению 800 Н на горизонтальной оси.
- Из диаграммы А сила 800 Н может быть создана цилиндр с диаметром 50 мм при давлении 4.6 бара. Вариант установки цилиндра следует принять по типу a).

ПРИМЕЧАНИЯ
- При использовании цилиндров с большой длиной хода, вес штока поршня должен учитываться, как фактор изгиба штока. Силы изгибающие шток отклоняют его ось и являются причиной износа направляющей втулки и уплотнений поршня.
- Для хода более чем 1 метр, цилиндр требует, увеличения внутренней опоры. Это может быть выполнено, используя двойной поршень или устанавливая дополнительную направляющую втулку в передней крышке. Однако в этих случаях увеличивается трение и возрастают габариты цилиндра и направляющих, что должно быть принято во внимание.
- При использовании цилиндров с ходом более, чем два метра, шток также должен поддерживаться в процессе его движения. Поэтому возникают механические трудности, и больше всего из-за значительной массы штока, поэтому часто используются тросовые цилиндры.