Optimale Knickstabilität bei langen Hydraulikzylindern
Wenn Hydraulikzylinder unter enormer Drucklast stehen, birgt das ein großes Risiko, welches bereits bei der Auslegung des Zylinders nachweislich eliminiert werden muss: Die Kolbenstange kann plötzlich und ohne vorherige Hinweise knicken.
Doch was genau führt zu der Knickung eines Hydraulikzylinders? Bei Hydraulikzylindern, die drückend arbeiten, besteht die Gefahr, dass die Kolbenstange einen kritischen Belastungswert (die Knickfestigkeit) überschreitet und abknickt.
Ein Praxisbeispiel sind Langhubzylinder für Krane. Diese sind in der Regel sehr lang, arbeiten drückend und müssen dabei extreme Belastungen standhalten.
Faktoren wie Länge und Durchmesser des Zylinders, die Materialeigenschaften und die Art der Belastung spielen dabei eine entscheidende Rolle. Gerade Zylinder mit dünner Kolbenstange und/oder großem Hub sind besonders anfällig für Knickversagen.
Ein solches Knickversagen kann zu einem hohen Sicherheitsrisiko mit möglichen Personenschäden führen und bedeutet auch einen vollständigen Funktionsausfall, was hohe Kosten verursachen kann. Die Vermeidung eines solchen Versagens hat daher höchste Priorität.
Wir bei ACONA liefern Ihnen einen validen Nachweis für die Knickstabilität Ihrer Hydraulikzylinder und garantieren, dass Ihre Zylinder Ihre Aufgaben auch unter extremen Bedingungen zuverlässig erfüllen können.
Hydraulikzylinder Kran: Ein Einsatzzweck von langen Zylindern
Hydraulikzylinder in Kranen sind ein typisches Einsatzgebiet für Langhubzylinder, die speziell für hohe Druckbelastungen und Präzision ausgelegt sein müssen.
Beim Bewegen schwerer Lasten müssen diese Hydraulikzylinder eine enorme Druckkraft aufnehmen und dabei stabil bleiben, um den Betrieb des Krans zu gewährleisten.
Hydraulikzylinder in Kranen werden häufig schräg oder in horizontaler Einbaulage betrieben. In diesen Fällen führt das Eigengewicht des Hydraulikzylinders zu einer Durchbiegung, die das Knicken zusätzlich begünstigt. Die Neigung verändert sich über den Hub des Zylinders, was eine zusätzliche Komplexität bedeutet.
Konservative Methoden zum Nachweis der Knickstabilität von Kolbenstangen für Hydraulikzylinder
Bei der Konstruktion von Hydraulikzylindern wird häufig auf die konservative Methode nach Euler zum Nachweis der Knickstabilität zurückgegriffen.
Neben den berücksichtigten Faktoren, wie der Länge, dem Durchmesser und der Elastizität des Materials, geht die Theorie von der idealisierten Bedingung aus, dass das Flächenträgheitsmoment der Kolbenstange über der gesamten Zylinderlänge vorhanden ist.
Dies entspricht nicht der Realität, da die Kolbenstange häufig ein deutlich geringeres Flächenträgheitsmoment als das Zylinderrohr hat.
Somit führt die Berechnung nach Euler in der Praxis oft zu überdimensionierten Konstruktionen und damit zu überhöhten Kosten.
Die DNV-Norm betrachtet die Flächenträgheitsmomente der Kolbenstange und des Zylinderrohrs getrennt voneinander und stellt daher den Belastungsfall bereits präziser dar.
Die Durchbiegung des Zylinders durch Querkräfte oder Eigengewicht sowie das Verkippen des Zylinders über die Spaltmaße der Dichtungen werden in der DNV und nach Euler zur Vereinfachung nicht betrachtet. Ein hoher Sicherheitsfaktor muss dementsprechend berücksichtigt werden.
Sie sehen – die konservativen Berechnungen sind einfach und schnell und werden daher aus gutem Grund seit vielen Jahren genutzt, sind aber in modernen Anwendungen nicht genau genug.
FEM-Analyse: So weisen wir bei ACONA präzise das Knicken nach
Um das Knicken von Hydraulikzylindern auszuschließen und damit einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, setzen wir bei ACONA gezielt auf die Finite-Elemente-Methode (FEM).
Die FEM-Analyse bietet die Möglichkeit, neben den exakten Lastfällen auch Faktoren wie die Geometrie und Durchbiegung sowie Nichtlinearitäten, wie Bauteilkontakte und Spalte genau zu berücksichtigen. Die Konstruktion wird realitätsnah simuliert und ermöglicht die Produktion von Hydraulikzylindern, die ressourcenschonend, geometrisch optimiert und extrem belastbar sind.
Mit Hilfe der FEM-Analyse können wir die Knickstabilität selbst bei langen Zylindern mit großem Hub und hohen Betriebsdrücken nachweisen oder die Konstruktion an kritischen Stellen optimieren. Zusammengefasst führt der Einsatz einer FEM-Simulation zu einem effizienten und sicheren Produkt.
FEM-Analyse und Konservative Methoden: die Vor- und Nachteile zusammengefasst
Konservative Methoden
Vorteile
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Schnell durchführbar, da sie oft auf vereinfachten Berechnungen basieren
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Bieten eine einfache Lösung ohne komplexe Simulationen
Nachteile
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Kein valider Sicherheitsnachweis für spezifische Lastfälle und Bedingungen
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Überdimensionierung des Hydraulikzylinders, was zu höheren Kosten und mehr Materialverbrauch führt
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Eignen sich schlecht für Anwendungsfälle, bei denen Größe und Gewicht begrenzt sind
FEM-Analyse
Vorteile
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Bietet einen validen Sicherheitsnachweis durch detaillierte Simulation der realen Belastungssituationen
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Ermöglicht eine präzise Dimensionierung des Zylinders, was Material und Kosten spart
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Berücksichtigt den spezifischen Anwendungsfall, Lastfall, Spalte und mögliche Durchbiegung der Kolbenstange
Nachteile
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Hoher Rechenaufwand, besonders bei detaillierten Modellen
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Bedarf an spezialisierter Software und Fachwissen, was zusätzliche Ressourcen erfordert
Wie wir die Knickstabilität eines Hydraulikzylinders für den Einsatz im Tagebau sichergestellt haben
Von unserem Standort in Herzogenrath bei Aachen in die ganze Welt! In diesem Fall liefern wir die Zylinder für ein Projekt in Südamerika.
Unser Kunde aus dem Raum Hamburg wendet sich mit einem ersten Konstruktionsvorschlag für einen Hydraulikzylinder an uns. Konkret geht es dabei um einen Service-Kran, der im Tagebau eingesetzt werden soll. Die Randbedingungen sind vordefiniert. Unter anderem soll der Hydraulikzylinder einem kolbenseitigen Druck von 160 bar standhalten.
Doch statt direkt in die Produktion zu starten, setzen wir bei ACONA auf unsere größte Stärke – fundiertes Engineering. Die Konstruktionsabteilung nimmt den Entwurf genau unter die Lupe und führt mit den Kundendaten eine Berechnung nach Euler und DNV-Norm durch. Das Ergebnis ist ernüchternd: Der Zylinder würde unter diesen Bedingungen knicken.
Im engen Austausch mit dem Kunden werden die Einsatzbedingungen, bei denen der Zylinder drückend arbeitet, im Detail analysiert. Es stellt sich heraus, dass die tatsächliche Druckkraft im Betrieb nicht 160 bar entspricht, jedoch immer noch zu hoch ist, um den Nachweis der Knickstabilität nach konservativen Methoden zu erbringen.
Die zentrale Frage lautet also: Wie hoch dürfen die Druckkräfte maximal sein, um eine sichere Nutzung zu gewährleisten?
Hier bringt die FEM-Analyse Klarheit. Durch realitätsnahe Simulationen zeigt das Ergebnis einen zulässigen Druck von 55 bar. Die Lösung? Wir empfehlen dem Zylinder ein Druckbegrenzungsventil vorzuschalten und entsprechend einzustellen, um die Sicherheit der Anlage zu garantieren. So kann der Nachweis der Knickstabilität erbracht werden.
Was uns bei ACONA besonders auszeichnet: Während andere Anbieter zwar ähnliche Angebote abgeben, jedoch keine Nachberechnungen durchführen, stechen wir mit Engineering und großer Expertise in der Branche hervor.
„Wir von ACONA verstehen uns als Entwicklungspartner: Wir fertigen Ihnen nicht nur Hydraulikzylinder, sondern unterstützen Sie bei der Optimierung Ihrer Produkte und Anlagen.“
Tarik El Azzar
Geschäftsführer ACONA-Hydraulik GmbH & Co. KG
Das Ergebnis: Der Kunde ist begeistert. Dank unserer Expertise bei ACONA wird nicht nur ein sicherer und funktionsfähiger Hydraulikzylinder geliefert, sondern auch die Grundlage für eine langfristige Partnerschaft geschaffen.
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