Un cilindro idraulico ad alta temperatura non si crea semplicemente sostituendo le guarnizioni standard con “guarnizioni ad alta temperatura”. Un funzionamento affidabile in condizioni di calore estivo, vicino a fonti di calore radiante, durante cicli continui o con olio idraulico ad alta temperatura richiede che il fluido, il sistema di tenuta, gli spazi, la guida, le superfici, il raffreddamento, il controllo delle contaminazioni e i test lavorino insieme.
Migliorare un componente non risolverà il problema se il sistema continua a surriscaldarsi o se il cilindro è esposto a carico laterale, contaminazione, eccesso di contropressione o picchi di pressione.
Definire le condizioni di temperatura effettiva
Il primo passo è distinguere tra temperatura ambiente, temperatura dell'olio idraulico, temperatura della superficie del cilindro e temperatura di contatto locale della guarnizione.
L'aria circostante può essere a 40°C, mentre l'olio diventa molto più caldo dopo diverse ore di funzionamento. Un rapido movimento alternato genera calore da attrito attorno alle guarnizioni della stelo e del pistone. I cilindri vicini a motori, caldaie, forni, sistemi di scarico o essiccatori possono anche ricevere calore radiante.
Prima di progettare, confermare le temperature continue e di picco, il tempo di funzionamento giornaliero, la velocità del cilindro, la frequenza dei cicli, la pressione, il tipo di fluido e le fonti di calore esterne.
La temperatura massima di un catalogo di guarnizioni è normalmente un limite superiore in specifiche condizioni. Non significa che la guarnizione possa funzionare continuamente alla massima temperatura, pressione e velocità insieme. Il funzionamento continuo richiede un margine di progettazione adeguato.
Controllare la generazione di calore nel sistema hydraulico
Il cilindro è raramente l'unico motivo per cui un sistema surriscalda.
Il funzionamento continuo della valvola di relief, le perdite da strozzamento, l'elevata contropressione di ritorno, tubi sottodimensionati, un serbatoio piccolo, collettori inefficienti e raffreddamento insufficiente possono tutti generare o trattenere calore.
Esaminare insieme il volume del serbatoio, la capacità del refrigeratore, il flusso d'aria, la disposizione della linea di ritorno, la dimensione dei tubi e le perdite di pressione delle valvole. Le attrezzature in funzionamento continuo potrebbero richiedere uno scambiatore di calore raffreddato ad aria o ad acqua.
Le guarnizioni ad alta temperatura possono ritardare il guasto, ma non possono correggere un sistema che opera continuamente oltre la temperatura prevista.
Selezionare l'olio in base alla sua viscosità a temperatura operativa
La scelta dell'olio idraulico non dovrebbe basarsi solo sul suo grado ISO VG.
L'olio deve mantenere una viscosità adeguata dalla temperatura minima di avviamento fino alla temperatura massima continua dell'olio. Un olio che diventa troppo sottile aumenta la fuoriuscita attraverso le tolleranze dei cilindri e delle valvole e indebolisce il film lubrificante tra le superfici in movimento.
Un olio che è inutilmente denso può creare problemi di avviamento a freddo, maggiore resistenza all'aspirazione e aumento della perdita di pressione.
Selezionare il grado di viscosità e l'indice di viscosità per l'intero intervallo di temperatura e confermare la compatibilità con guarnizioni, rivestimenti e altri materiali del sistema.
Progettare le guarnizioni come un sistema completo
Un sistema di tenuta ad alta temperatura include la guarnizione del stelo, la guarnizione del pistone, le guarnizioni statiche, i raschietti, gli anelli di usura e eventuali anelli anti-estrusione richiesti.
A seconda del fluido, della pressione, della velocità e della temperatura, i materiali possono includere poliuretano, NBR, HNBR, FKM o combinazioni a base di PTFE.
Il PTFE offre bassa frizione e ampia capacità termica, ma normalmente richiede un energizzatore in elastomero. L'assemblaggio completo è resistente alla temperatura solo quanto tutti i suoi materiali.
| Componente | Principali considerazioni progettuali |
|---|---|
| Guarnizione dell'asta | Temperatura, velocità, contropressione, superficie del stelo e fuoriuscita esterna |
| Guarnizione del pistone | Perdita interna, picchi di pressione, direzione della pressione e mantenimento del carico |
| Guarnizioni statiche | Compatibilità del fluido, assestamento per compressione, temperatura e clearance di estrusione |
| Raschietto | Polvere, acqua, calore, corrosione e contaminazione del stelo |
| Anelli di backup | Prevenire che le guarnizioni ammorbidite si estrudano nelle fessure |
| Indossare anelli | Supportare i carichi laterali e prevenire il contatto metallico |
Le valutazioni di pressione, temperatura e velocità interagiscono. I loro valori massimi di catalogo non dovrebbero essere trattati tutti come condizioni operative continue.
Controllare gli spazi vitali nelle condizioni operative elevate
Il tubo del cilindro, il pistone, il stelo, il bush di guida, gli anelli di usura, le guarnizioni e le scanalature cambiano dimensione man mano che la temperatura aumenta.
Le tolleranze troppo piccole possono causare attrito, movimento di incollaggio-scollamento, surriscaldamento del sigillo o bloccaggio. Le tolleranze troppo grandi possono aumentare la perdita interna e l'estrusione del sigillo.
Pertanto, la tolleranza pistone-cilindro, la tolleranza stelo-guida, le dimensioni delle scanalature e gli spazi di estrusione devono essere controllati alla massima temperatura continua, non solo a temperatura ambiente.
Le applicazioni ad alta pressione possono richiedere anelli di supporto o strutture di tenuta con resistenza all'estrusione più elevata.
Migliorare la guida e ridurre il carico laterale
Il carico laterale crea un contatto irregolare sulle guarnizioni di usura, i bushings di guida, i sigilli e il cilindro. Ciò causa un'usura concentrata e calore frizionale aggiuntivo.
Il design può essere migliorato aumentando la larghezza dell'anello di usura, aumentando la distanza tra le superfici di guida, ottimizzando le posizioni dei perni o dei perni a trunnion e migliorando l'allineamento di montaggio.
I perni, i bushings, gli occhi dei pistoni, i ganci e i supporti devono essere controllati per usura e deflessione.
Una migliore guida mantiene il pistone e lo stelo allineati e riduce l'usura unilaterale del sigillo.
Ottimizzare le superfici delle aste e la protezione esterna
Lo stelo del pistone richiede una durezza, una rugosità, una resistenza all'usura e una resistenza alla corrosione adeguate.
Una superficie ruvida dello stelo può danneggiare rapidamente il sigillo dello stelo, mentre una finitura inadeguata può impedire la formazione di un film lubrificante stabile.
Selezionare i rivestimenti e i trattamenti superficiali in base alla temperatura, all'umidità, alla nebbia salina, alla polvere, ai prodotti chimici e all'esposizione all'esterno. Il rivestimento del tubo, il tergipavimento e la protezione contro la corrosione devono anche adattarsi all'ambiente.
In prossimità di fonti di calore radiante, cambiare la posizione di montaggio, aggiungere uno scudo riflettente o considerare il raffreddamento esterno. L'isolamento non deve intrappolare il calore attorno al cilindro.
Ridurre il calore e gli urti di pressione legati alla velocità
Cicli rapidi, inversioni improvvise, alta contropressione di ritorno e impatti di fine corsa aumentano il carico sul sigillo e la temperatura locale.
Per cilindri che ciclicamente lavorano frequentemente, rivedere la dimensione delle porte, il diametro dei tubi, la capacità di flusso della valvola e il rinforzo. Le restrizioni eccessive convertono la potenza idraulica in calore.
Rinforzi regolabili, decelerazione controllata, circuiti di controllo del flusso adeguati o accumulatori possono ridurre i picchi di pressione e l'impatto.
Un sigillo che funziona bene a pressione e velocità moderate può guastarsi quando si verificano insieme alta temperatura, pressione di picco e cicli rapidi.
Rafforzare la filtrazione e il controllo dell'umidità
L'alta temperatura abbassa la viscosità dell'olio e indebolisce il film lubrificante. Piccole particelle possono quindi contattare più direttamente perni, cilindri, sigilli e anelli di usura.
L'acqua riduce la lubrificazione, promuove la corrosione e accelera l'ossidazione. L'aria, l'umidità e l'olio degradato possono anche contribuire alla formazione di schiuma, depositi, movimento instabile e danni correlati alla cavitazione.
Utilizzare filtrazioni di ritorno, pressione o offline adeguate. Filtrare l'olio nuovo prima del riempimento e pulire cilindri, tubi, tubi flessibili e collettori prima dell'assemblaggio.
I respiratori dei serbatoi dovrebbero limitare l'ingresso di polvere e umidità. La condizione dell'olio, il contenuto di acqua, la condizione del filtro e la pulizia del serbatoio devono essere monitorati.
Convalidare il cilindro con test a caldo
Un test di pressione a temperatura ambiente non può confermare completamente l'affidabilità ad alta temperatura.
Testare il design finale a temperature, pressioni, velocità, carichi e frequenze di ciclo dell'olio vicini all'applicazione reale. Controllare:
- Stabilità del ciclo ad alta temperatura
- Perdita esterna e interna
- Manutenzione della pressione e del carico in stato caldo
- Temperatura attorno al cilindro, tubo, testa e guarnizioni
- Cuscinetto, inversione e movimento a bassa velocità
- Recupero della guarnizione dopo riscaldamento e raffreddamento
- Usura, estrusione, graffi o danni superficiali dopo lo smontaggio
Per apparecchiature in funzionamento continuo, il test dovrebbe simulare l'orario di funzionamento giornaliero previsto. Alcuni colpi a vuoto dopo aver raggiunto la temperatura target non sono sufficienti.
Informazioni richieste per un cilindro ad alta temperatura
Fornire al produttore del cilindro:
- Temperature dell'olio ambientale, continuo e di picco
- Pressione di lavoro e possibili picchi di pressione
- Alesaggio, cilindro, corsa e configurazione di montaggio
- Direzione del carico e possibili carichi laterali
- Velocità di estensione e ritratti
- Frequenza di ciclo e tempo di funzionamento giornaliero
- Tipo di fluido idraulico e fonti di calore esterne
- Requisiti di mantenimento del carico e perdite
- Condizioni di polvere, acqua, corrosione e lavaggio
Dati applicativi accurati consentono di progettare il cilindro, le guarnizioni, l'olio, il sistema di raffreddamento e la procedura di test attorno alle reali condizioni operative.
Conclusione
Il funzionamento affidabile ad alta temperatura dipende da più del solo valore di temperatura di una guarnizione.
La generazione di calore deve essere controllata prima a livello di sistema. L'olio deve mantenere una viscosità adeguata. Le guarnizioni, i giochi in stato caldo, la guida, le superfici dei gazzi, la protezione dalla corrosione, il controllo della contaminazione, le porte e l'ammortizzazione devono quindi essere progettati come un unico sistema.
Infine, il cilindro deve essere convalidato attraverso test con olio caldo, carico e cicli continuativi.
Solo quando il cilindro e il sistema idraulico sono ottimizzati insieme, è possibile ridurre a lungo termine perdite, deriva, usura, bloccaggio e guasti prematuri delle guarnizioni.
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