Comment calculer la force du vérin hydraulique : principes de base de la poussée, de la traction et du tonnage

Si vous êtes déjà tenu à côté d'une grue ou d'une plate-forme élévatrice et que vous êtes demandé quelle charge un vérin peut réellement déplacer, la réponse se résume à une seule relation : la pression de l'huile multipliée par la zone contre laquelle elle pousse. C'est le cœur de tout calcul de force de vérin hydraulique, et après quelques répétitions, cela devient une seconde nature.

Nous construisons des vérins pour grues, nacelles élévatrices, dépanneuses et plaques-formes de battage, c'est pourquoi une bonne partie de notre semaine est consacrée à ce calcul. Vous trouverez ci-dessous la méthode que nous utilisons réellement, un exemple concret en unités métriques et impériales, et les petits détails qui déterminent si le numéro sur papier correspond au numéro sur place.

La formule de base : la force est égale à la zone de temps de pression

Chaque calcul commence par F = P × A, où la force est mesurée en newtons (ou livres-force), la pression en pascals (ou psi) et la surface en mètres carrés (ou pouces carrés). Le seul vrai travail est de trouver la bonne zone, car un vérin à double effet en présente deux différents selon le sens dans lequel l'huile s'écoule.

Forcerrrrr de poussée (extension)

Lorsque l’huile pénètre par l’extrémité du capuchon, elle agit sur toute la face du piston. Pour un diamètre d'alésage D, l'aire est A = π × D² ÷ 4. Multipliez cela par la pression de service et vous obtenez la force d'extension.

Force de traction (rétraction)

Lorsque l'huile pénètre dans l'extrémité de la tige, la tige elle-même occupe une partie de la face du piston. Si le diamètre de la tige est d, la surface effective devient A = π × (D² − d²) ÷ 4. Étant donné que la tige enlève toujours de la surface, la force de rétraction est toujours inférieure à la force d'extension, de 30 à 45 pour cent souvent sur un rapport tige/alésage typique.

Gardez les unités cohérentes. Mélanger une barrererere avec des pouces carrés est la source la plus courante de résultats absurdes, et une feuille de calcul se fera un plaisir de renvoyer une mauvaise réponse sûre sans vous éviter.

Un exemple concret que vous pouvez suivre

Supposons qu'un vérin à double effet ait un alésage de 100 millimètres, une tige de 70 millimètres et une pression de service de 200 barresres.

1. Convertissez la pression : 200 bar = 20 MPa = 20 N/mm².
2. Surface du piston : π × 100² ÷ 4 = 7 854 mm².
3. Surface de la tige : π × 70² ÷ 4 = 3 848 mm².
4. Force d'extension : 20 × 7 854 = 157 080 N, soit environ 157 kN.
5. Force de rétraction : 20 × (7 854 − 3 848) = 80 120 N, soit environ 80 kN.

En tonnes de force, cela équivaut à environ 16 tonnes de poussée et 8 tonnes de traction, une différence suffisamment importante pour changer la façon dont une machine est précise. Le même cylindre décrit en termes impériaux, un alésage de 4 pouces et une tige de 2 pouces à 2 500 psi, donne environ 31 400 livresf en extension et 23 560 livresf en rétraction. Le rapport reste identique, ce qui constitue un contrôle pratique lorsque vous vous déplacez entre des jeux de dessins.

Obtenir l'alésage, la tige et la pression corrigée

La qualité du calcul dépend de ses entrées, et trois d'entre elles sont à l'origine de la plupart des erreurs que nous constatons :

• Alésage est le diamètre intérieur du canon, et non le diamètre extérieur du tube et non le diamètre de l'embout.
• Diamètre de la tige doit être mesuré sur la surface chromée. L’épaisseur du placage et l’usure importent moins que l’utilisation de la valeur nominale d’étirage.
• Pression doit être la pression de service au port du cylindre, et non la pression nominale maximale de la pompe. Le réglage d’une soupape de surpression constitue un plafond et non un point de fonctionnement.

Si vous connaissez uniquement le réglage de la décharge, effectuez le calcul avec cette valeur pour trouver la force que le vérin maximum peut générer, puis répétez-le avec la pression de service typique pour voir ce que la machine utilise au quotidien. L’écart entre les deux explique souvent pourquoi une machine semble surconstruite dans une fonction et marginale dans une autre.

Conversion de la force en tonnage

Le langage du site fonctionne en tonnes plutôt qu'en kilonewtons. Pour convertir, divisez les newtons par 9 810, puisqu'une tonne-force métrique équivaut à 9,81 kN. Les 157 kN ci-dessus représentent environ 16 tonnes, ce qui est un chiffre que la plupart des opérateurs peuvent immédiatement imaginer.

Regardez quelle tonne vous utilisez. Une tonne américaine équivaut à 2 000 lbf tandis qu'une tonne métrique équivaut à 2 205 lbf, et cette différence de dix pour cent a tendance à faire surface exactement au mauvais moment.

Pourquoi la force réelle est inférieure à la formule

La formule décrit un cylindre idéal. Le matériel réel perd un peu, et comprendre où il va vous aider à juger de la marge à ajouter.

Friction du joint et du guide

Les articulations de piston, les joints de tige et les bagues de guidage résistent à tous au mouvement. Porté ou trop serré joints Augmentez ce chiffre, et un cylindre qui est resté inutilisé pendant des mois se brise souvent à une pression considérablement plus élevée que celle dont il a besoin pour continuer à bouger.

Contre-pression

L'huile quittant la chambre opposée doit traverser les tuyaux, les vannes et les filtres. Cette restriction crée une contre-pression qui s'oppose au mouvement, de sorte que la force nette est la force de pression de travail moins la force du côté retour.

Charge latérale et désalignement

Un cylindre poussé hors axe se plie légèrement, la tige se coince dans le guide et la friction augmente fortement. Il s’agit d’un problème mécanique plutôt qu’hydraulique, et aucune pression supplémentaire ne le résout proprement.

En guise de marge de planification, attendez-vous à une baisse de 5 à 15 pour cent par rapport à la valeur théorique. Pour tout ce qui concerne la sécurité, considérez le nombre calculé comme un plafond plutôt que comme une garantie.

Choisir un facteur de sécurité

Une fois que vous avez un chiffre de force réaliste, la prochaine décision est de savoir quelle marge conserver. Il n'existe pas de réponse universelle, mais ces points de départ fonctionnent bien dans le cas des machines mobiles :

• Charges stables et bien guidés avec cyclage doux : 1,5
• Charge de choc, renversements fréquents ou sol irrégulier : 2,0 et plus
• Applications impliquant des personnes  : respectez la norme machine applicable, qui est généralement bien supérieure à 2
• Vérins à longue course : vérifiez le flambage de la tige séparément, car il limite souvent la conception avant que la pression ne le fasse.

Un facteur de sécurité généreux n’est pas gratuit. Cela ajoute du poids, du coût et de la chaleur, l'objectif est donc d'obtenir un chiffre qui reflète le véritable devoir plutôt qu'un réflexe. C'est également la raison pour laquelle nous exigeons aux clients le cycle de service ainsi que la pression et l'alésage.

D'un nombre à un cylindre qui dure

Connaître la force requise n’est qu’un début. Le cylindre doit ensuite le délivrer sur des milliers de cycles, dans la poussière, la pluie et les variations de température, sans que la tige ne fléchisse ou que les joints ne suivent.

Sur une grue montée sur camion, par exemple, la force de relevage change continuellement à mesure que l'angle de la flèche augmente, et le pire des cas arrive généralement à un angle faible avec une pleine charge. Un dimensionnement à la moyenne laisserait la machine courte exactement quand cela compte.

Vérin de relevage hydraulique pour grue montée sur camion Ajustez l'angle de la flèche pour le levage à différentes hauteurs et distances ; L'option à double vérin prend en charge des charges plus lourdes, avec des considérations de dimensionnement pour les forces de relevage changeantes. Voir le produit →

Les ponts élévateurs à ciseaux apportent une touche différente : plusieurs vérins de levage se partagent la charge, et la force requise par vérin est la plus élevée lorsque la plate-forme se trouve au bas de sa course et que l'angle de liaison est le moins favorable. C'est le genre de détails qui se cachent derrière les considérations de conception pour une application spécifique , et ils valent la peine d'être vérifiés avant de réparer l'alésage.

Cylindre de levage hydraulique de plate-forme aérienne d'ascenseur de ciseaux Les vérins à simple effet soulèvent et abaissent la plaque-forme avec des trous d'amortissement pour un positionnement en douceur ; plusieurs cylindres partagent la charge, ce qui rend la force de liaison la plus défavorable mérite d'être vérifiée. Voir le produit →

Quand le devoir est inhabituel

Le fonçage de tuyaux est un bon exemple de travail pour lequel une formule simple n'est qu'un début. Les vérins principaux développent un train entier de tuyaux à travers le sol, de sorte que la force requise doit couvrir le frottement sur l'ensemble du train, la résistance du sol au niveau de la face et le poids du tuyau lui-même. Le calcul est toujours la pression multipliée par la surface, mais la surface doit être grande et la pression doit être disponible en continu sur une longue course.

Cylindre de levage principal hydraulique de machine de levage de tuyaux Source d'alimentation principale pour le fonçage des tuyaux, offrant une forte poussée et une extension précise ; le dimensionnement de la force doit couvrir le frottement le long du train de tiges et la résistance du visage. Voir le produit →

Dans de tels cas, le vérin est conçu en fonction de la charge plutôt que sélectionnée dans un catalogue, et le chiffre de force devient la première ligne d'une spécification au lieu de la réponse finale.

Les calculs de force font partie de ces petites compétences qui rapportent plusieurs fois l'effort. Une fois que vous pouvez vous déplacer en toute confiance entre la pression, la surface et le tonnage, vous pouvez vérifier le dessin d'un fournisseur en quelques minutes, repérer un cylindre sous-dimensionné avant qu'il n'atteint la machine et expliquer à un client pourquoi la force de traction n'est pas la même que la force de poussée.

Si vous souhaitez un deuxième regard sur un calcul, envoyez-nous l'alésage, le diamètre de la tige, la pression et un croquis du montage. Nous sommes toujours heureux de discuter des chiffres avant que quoi que ce soit ne soit fabriqué.