伸縮シリンダー

伸縮シリンダーは、油圧シリンダーまたは空気圧シリンダーとプーリーシステムの特別な設計で、非常にコンパクトな収縮長から非常に長い出力ストロークを提供します。通常、伸縮シリンダーの収縮長は、段数に応じて完全に伸長した長さの 20 ～ 40% です。 ^[1]一部の空気圧伸縮ユニットは、収縮長がユニット全体の伸長長の 15% 未満で製造されています。^[2] この機能は、従来のシングルステージロッドスタイルのアクチュエータがアプリケーションに適合せず、必要な出力ストロークを生成できない場合に、機械設計エンジニアにとって非常に魅力的です。^[1]

大型伸縮シリンダーは通常油圧 で駆動されますが、一部の軽量ユニットは圧縮空気で駆動される場合もあります。

伸縮シリンダーは、伸縮シリンダーや多段伸縮シリンダーとも呼ばれます。

伸縮シリンダーの一般的な用途は、建設現場で使用されるダンプトラックのダンプボディです。砂利の積荷を完全に空にするには、ダンプボディを約 60 度の角度まで持ち上げる必要があります。単段ロッドシリンダーの収縮長が出力ストロークの約 110% であることを考えると、従来の油圧シリンダーでこの長い移動距離を実現するのは非常に困難です。^{[1]ダンプボディを}水平に休止させた状態で、単段シリンダーをダンプトラックのシャーシに取り付けるのは、設計エンジニアにとって非常に困難な作業です。ただし、伸縮式の多段シリンダーを使用すれば、この作業は簡単に達成できます。^[3]

伸縮シリンダーは、徐々に直径が小さくなる一連のスチール製またはアルミニウム製のチューブ^[2]が互いに入れ子になっているように設計されています。最大直径のスリーブはメインまたはバレルと呼ばれます。より小さな内側のスリーブはステージと呼ばれます。最小のステージは、プランジャー^[3]またはピストンロッドと呼ばれることがよくあります。

シリンダーは通常、バレルの端部または外側本体、およびプランジャーの端部に 溶接されたピボット マウントによって機械に取り付けられます。

伸縮シリンダーは、通常、最大 6 段に制限されています。段数が増えると安定性の問題が難しくなるため、6 段が実用的な設計限界であると一般的に考えられています。ただし、例外もあり、ある空気圧シリンダー製造業者は、シリンダー設計に最大 9 段を組み込むことに成功しています。^[2]

伸縮シリンダーは、特に最大伸長時に大きな横力を受けるため、慎重な設計が必要です。鋼鉄本体の重量とアクチュエーター内に含まれる油圧オイルにより、ステージ間のベアリング面にモーメント荷重が発生します。これらの力は、押される荷重と相まって、伸縮アセンブリを拘束したり、座屈させたりする恐れがあります。したがって、横力による故障を防ぐために、アクチュエーターの設計に十分なベアリング面を組み込む必要があります。伸縮シリンダーは、機械内で力と移動を提供する装置としてのみ使用する必要があります。横力とモーメント荷重は最小限に抑える必要があります。伸縮シリンダーは、構造部品を安定化するために使用しないでください。^[4]

油圧伸縮シリンダーは、多くの場合、最大油圧が2000～3000 psi に制限されています。これは、内部油圧によって生成される外向きの力が、スチールスリーブ部分を拡張する傾向があるためです。圧力が高すぎると、ネストされたスリーブが外側に膨らみ、メカニズムが拘束され、動きが止まります。スリーブの外径が永久的に変形し、伸縮アクチュエータが破損する危険性があります。このため、伸縮シリンダーを使用する油圧システムでは、衝撃圧力を回避するように注意する必要があります。多くの場合、このような油圧システムには、圧力スパイクを吸収するための油圧アキュムレーターなどの衝撃抑制コンポーネントが装備されています。 ^[5]

伸縮シリンダーは通常、単動式と複動式の2つの基本設計に分類できます。また、ハイブリッド単動/複動設計や定速定推力設計など、その他の特殊な設計も多数存在します。^[3]

単動伸縮シリンダーは、最も単純で最も一般的な設計です。単動ロッド型シリンダーと同様に、単動伸縮シリンダーは油圧または空気圧を使用して伸長しますが、流体媒体が除去されてリザーバーに解放されると、外力を使用して収縮します。この外部収縮力は通常、荷物の重量に作用する重力です。この外部重量は、機械サイクルの作業部分が完了した後でも、機械設計内の摩擦と機械的損失を克服するのに十分である必要があります。上記のダンプトラックの例では、現在60度の角度で持ち上げられているが荷物が空であるダンプボディの重量は、加圧されていない油圧流体をシリンダーから押し出し、完全に折りたたまれた位置まで収縮させるのに十分である必要があります。^[6]

複動式シリンダーは、両方向の油圧または空気圧を使用して伸縮します。複動式伸縮シリンダーは、単動式よりも設計がはるかに複雑です。この追加の複雑さは、すべてのシリンダーステージに収縮ピストン面を追加する必要があり、中間ステージの収縮ピストンに加圧流体を供給するのが難しいためです。^[3]

複動機能を実現するために、各ステージを内部で密閉するための油圧シールが追加されます。さらに、内部の空気またはオイルの通路が機械加工されており、各ステージが収縮を完了すると、通路が開き、次のステージに収縮用の加圧流体が供給されます。したがって、複動伸縮アクチュエータは通常、最小直径のステージから収縮を開始し、最後に最大直径のステージが収縮します。これを実現するために使用されるシールは、これらの内部機械加工された流体転送穴を通過する必要があるため、シールは通常、摩耗や擦れに耐える硬い材料で作られています。多くの場合、鉄のリングまたはガラス強化ナイロンシールです。^[3]

複動式油圧伸縮シリンダの伸長および収縮流体供給ポートは、通常、シリンダ アセンブリの反対側の端にあります。伸長ポートは外筒の底部に取り付けられ、収縮ポートはプランジャ セクションの端に取り付けられています。アプリケーションによっては、完全伸長時にこれらのポート間の距離が離れるため、油圧ホースを接続するのが非常に難しい場合があります。このような状況では、両方のポートをバレル内に配置できます。ただし、完全伸長時に収縮流体がプランジャ セクションに供給されるように、内部通路を取り付ける必要があります。この特別な通路は、それ自体がシリンダとともに伸長する伸縮アセンブリであり、さまざまな段階でシールが装備されています。^[3]

この追加の複雑さにより、複動伸縮シリンダーは非常に高価になります。通常は、各アプリケーションに合わせてカスタム設計されます。

複動式伸縮シリンダーの代表的な用途としては、ゴミ収集車や運搬トレーラーのパッカー・エジェクターシリンダー、水平圧縮機、伸縮式ショベル、ロールオン/ロールオフトラックなどがあります。これらの用途では、シリンダーはほぼ水平に作動するため、重力を利用してアクチュエータを収縮させることはできません。そのため、伸縮機構を押したり引いたりするために複動式設計が必要です。^[6]

ダブルアクティング式伸縮シリンダーの大半は、制御に細心の注意が必要です。有効収縮面積は伸長面積よりはるかに小さい場合が多いためです。そのため、伸長時に油圧戻りラインがブロックされると、圧力が増大し、シールが破損したり、金属スリーブが外側に膨らんだりすることがあります。シールが破損したり、拘束により所定の位置に固定されたりして、シリンダーが収縮できなくなる可能性があります。^[4]

もう一つの問題は、傾斜荷重が中心を越えてシリンダーを油圧オイルの内部容積を超えて開く場合など、複動式伸縮シリンダーが伸長中にアクチュエーターを引っ張る荷重に遭遇した場合に発生する可能性があります。ピストン面が再び追いついてオイル柱に当たると、圧力スパイクが発生し、アクチュエーターが損傷する可能性があります。^[4]

アプリケーションによっては、複動式にする必要のある 1 つの段階を除き、 単動式伸縮シリンダーで作業を完了できます。

一例として、大型移動式掘削装置のマストを立てる場合が挙げられます。マストは伸縮シリンダーを使用して垂直位置に立てられます。しかし、マストを下げるには、垂直位置から最初に傾けるときに重力を利用することはできません。そのため、伸縮アクチュエータのプランジャー ステージのみに複動シリンダーが装備され、マストを垂直から引き戻すための最初の力を提供します。傾きが開始すると、重力が引き継いで、シリンダーを完全に引き戻すための力を供給します。したがって、残りのステージは単動です。この特別な組み合わせは、完全に複動設計を使用するよりもはるかに単純で、コストもはるかに低くなります。^[3]

特殊な用途では、伸縮シリンダーを一定の力または一定の速度で伸ばす必要があります。これを実現するために、シリンダーはすべてのステージが同時に伸びるように設計されます。これは、すべてのステージのピストンの伸長領域と収縮領域を一致させることによって、複動設計でも実現できます。^[3]

• はさみ機構
• リニアアクチュエータ