L'asta del pistone di un cilindro idraulico può cedere anche quando il cilindro funziona al di sotto della pressione nominale, se l'asta estesa è troppo esile rispetto al carico di compressione e alle condizioni di montaggio. Questo rischio assume particolare rilevanza nei cilindri a corsa lunga, dove l'asta si comporta sempre più come una colonna di compressione man mano che si estende. È possibile prevenire la deformazione dello stelo scegliendo un diametro adeguato, limitando la lunghezza effettiva non sostenuta, mantenendo il carico allineato con l'asse del cilindro, scegliendo la corretta configurazione di montaggio e verificando la resistenza dello stelo al carico di compressione massimo previsto con un margine di sicurezza adeguato.
Che cos’è l’instabilità dello stelo di un cilindro idraulico?
L'instabilità da instabilità della biella è un fenomeno che può verificarsi quando una biella lunga e snella viene sottoposta a compressione. Anziché comprimersi semplicemente lungo la propria linea centrale, la biella inizia a deviare lateralmente e può piegarsi improvvisamente man mano che il carico di compressione si avvicina alla sua capacità critica di instabilità.
Questo fenomeno è diverso dalla normale flessione dello stelo causata da un carico laterale esterno o da un urto. Uno stelo del pistone può essere perfettamente diritto e sottoposto a un carico assiale, ma può comunque diventare instabile se è troppo lungo e sottile rispetto alla compressione applicata.
Research notes that column failure or rod buckling can occur when cylinder stroke becomes too long relative to rod diameter. Its cylinder design guidance therefore treats piston rod diameter, stroke and mounting condition together rather than selecting the rod only from hydraulic force.
Il cedimento è principalmente un problema della corsa di spinta. Quando lo stelo del pistone è sottoposto a un carico di trazione, non si deforma allo stesso modo, sebbene la resistenza alla trazione, le filettature, i collegamenti alle estremità dello stelo e i componenti di montaggio debbano comunque sopportare il carico.
Perché i cilindri a corsa lunga presentano un rischio maggiore di instabilità?
Man mano che un cilindro idraulico si estende, una porzione sempre maggiore dello stelo del pistone rimane senza appoggio all’esterno del cilindro. Più questa sezione non appoggiata si allunga, più è facile che lo stelo si deformi lateralmente sotto compressione.
La classica relazione di instabilità di Eulero aiuta a spiegare questo fenomeno:
Carico critico di instabilità ∝ EI / (KL)²
dove E rappresenta la rigidità del materiale, I rappresenta il momento d'inerzia della sezione dell'asta, L è la lunghezza effettiva non sostenuta, e K riflette il modo in cui sono supportate le estremità dell'asta e del cilindro.
L’aspetto pratico fondamentale è che la resistenza al cedimento aumenta rapidamente all’aumentare della lunghezza effettiva. Se la lunghezza effettiva non sostenuta raddoppia, il carico critico teorico di Euler diminuisce in modo sostanziale. Anche la metodologia di progettazione dei cilindri di Bosch Rexroth tiene conto, in modo analogo, del tipo di montaggio, del rapporto di snellezza, della sollecitazione di compressione, della sollecitazione di flessione e della deflessione dello stelo nel valutare il cedimento dello stelo del pistone.
Il diametro dell’asta ha l’effetto opposto. Nel caso di un’asta tonda piena, la proprietà della sezione associata all’instabilità aumenta notevolmente con l’aumentare del diametro; pertanto, aumentando il diametro dell’asta è possibile aumentare in modo significativo la stabilità della colonna.
Ecco perché un diametro dello stelo che risulta del tutto adeguato per un cilindro a corsa breve potrebbe non essere adatto a un cilindro molto più lungo che genera la stessa forza idraulica.
Quali fattori aumentano il rischio di instabilità dello stelo del pistone?
Il diametro dello stelo e la corsa sono importanti, ma non sono gli unici fattori. In un cilindro idraulico reale, il rischio di instabilità dipende dall’intero sistema meccanico.
| Fattore | Effetto sul rischio di instabilità |
|---|---|
| Diametro dell'asta più piccolo | Riduce la rigidità della colonna |
| Lunghezza libera maggiore | Aumenta notevolmente il rischio di instabilità |
| Maggiore forza di compressione | Aumenta il carico sull'asta |
| Condizioni di montaggio sfavorevoli | Può aumentare la lunghezza effettiva di instabilità |
| Allineamento del carico non corretto | Aggiunge la sollecitazione di flessione alla compressione |
| Caricamento laterale | Allontana l'asta dalla sua linea centrale |
| Struttura flessibile della macchina | Può causare un disallineamento sotto carico |
| Corsa lunga a piena estensione | Di solito indica la condizione più grave |
Diametro dell'asta
Una barra di dimensioni inferiori a quelle previste presenta una minore rigidità alla flessione e una minore resistenza all’instabilità colonnare. Scegliere il diametro della barra basandosi esclusivamente sulla resistenza alla trazione o sulle dimensioni standard disponibili può quindi risultare fuorviante nelle applicazioni di spinta a corsa lunga.
L'asta deve essere verificata in relazione alla forza di compressione massima prevista durante il funzionamento, tenendo conto della pressione realistica, del carico esterno e della geometria della macchina.
Lunghezza effettiva non supportata
La lunghezza effettiva non è sempre identica alla corsa nominale del cilindro. I punti di fissaggio, la guida dell’estremità dello stelo, la posizione del perno e la struttura del cilindro influiscono sulla lunghezza effettiva della colonna.
Some application engineering guidance uses different effective length relationships for different mounting and guidance arrangements, which shows why the same bore, rod and stroke can have different buckling limits depending on how the cylinder is installed.
Condizioni di montaggio
Un cilindro fisso correttamente guidato si comporta in modo diverso da un cilindro montato su perno con uno stelo lungo non supportato. Il tipo di montaggio influisce sul modo in cui lo stelo e il cilindro possono ruotare, flettersi o rimanere vincolati sotto carico.
Questo è uno dei motivi per cui è necessario verificare l’instabilità dello stelo del pistone insieme al Tipo di montaggio del cilindro idraulico, anziché come un calcolo isolato del diametro dell'asta.
La guida al montaggio attualmente in uso spiega già che la modifica della posizione di montaggio o del perno può alterare la lunghezza effettiva della barra non sostenuta e, di conseguenza, influire sulla resistenza al cedimento.
Disallineamento e carico laterale
Un'asta progettata per la compressione assiale può diventare molto più vulnerabile quando il carico non è allineato con l'asse del cilindro.
Perni disallineati, boccole usurate, deformazione del telaio, geometria inadeguata delle staffe o un carico non guidato esternamente possono generare sollecitazioni di flessione oltre a quelle di compressione. Parker avverte espressamente che gli steli dei cilindri standard non sono normalmente progettati per assorbire momenti flettenti significativi o carichi perpendicolari all’asse dello stelo.
Un'asta potrebbe quindi cedere prima di quanto suggerito da un semplice calcolo ideale di instabilità, qualora la macchina reale introducesse un carico laterale.
In che modo il montaggio influisce sull'instabilità dell'asta?
Il tipo di montaggio determina il modo in cui il cilindro trasmette la forza alla macchina e l'efficacia con cui lo stelo viene sostenuto durante l'estensione.
Un cilindro montato su flangia con un carico esterno ben guidato può comportarsi in modo molto diverso da un cilindro lungo montato su perno che esercita una spinta attraverso un sistema di leveraggi articolato. Anche se entrambi i cilindri generano la stessa forza e utilizzano lo stesso diametro dello stelo, le loro condizioni effettive di instabilità possono essere diverse.
I cilindri montati su perno richiedono particolare attenzione poiché l'angolo del cilindro varia al variare del movimento del meccanismo. La forza esercitata dallo stelo dovrebbe rimanere vicina alla linea centrale del cilindro per tutta la durata della corsa. Se i punti di articolazione sono posizionati in modo errato o se il sistema di leveraggi si sposta fuori dal piano, lo stelo può essere sottoposto a una combinazione di compressione e flessione.
Anche i cilindri a montaggio fisso richiedono un allineamento accurato. Una flangia rigida non protegge lo stelo se il carico azionato è soggetto a movimenti laterali.
Il progetto di montaggio dovrebbe quindi rispondere a due domande distinte:
L'asta è sufficientemente grande da resistere al cedimento assiale?
e:
La macchina guida il carico in modo adeguato da impedire ulteriori deformazioni e sollecitazioni laterali?
Devono essere soddisfatte entrambe le condizioni.
Come si deve scegliere il diametro dello stelo per un cilindro a corsa lunga?
Il diametro dell'asta non deve essere scelto solo in base al diametro interno o alla pressione del cilindro.
Il primo passo consiste nel determinare la forza di compressione massima prevista durante la corsa di spinta. Il progettista deve quindi tenere conto della condizione di massima estensione, della disposizione di montaggio, della lunghezza effettiva non supportata, del materiale dello stelo e di eventuali sollecitazioni di flessione aggiuntive causate dalla geometria della macchina.
Per verificare l'idoneità dello stelo selezionato, è quindi possibile ricorrere alle tabelle di selezione fornite dal produttore o a un calcolo ingegneristico del cedimento. Parker, ad esempio, raccomanda espressamente di attenersi ai dati di selezione degli steli del pistone per evitare il cedimento degli stessi, anziché dare per scontato che uno stelo adatto a una determinata configurazione di cilindro sia automaticamente adatto anche a un'altra.
La condizione critica si verifica spesso quando il cilindro è completamente esteso o quasi, sotto un carico di compressione massimo.
Per le attrezzature personalizzate, è inoltre utile valutare se la macchina reale possa essere soggetta a picchi di pressione, carichi dinamici o posizioni sfavorevoli dei bracci articolati che generino una forza di compressione superiore a quella indicata dal calcolo del carico nominale.
È quindi opportuno applicare un margine di sicurezza adeguato, in base al metodo ingegneristico del produttore del cilindro, ai rischi legati all’applicazione e ai requisiti di progettazione applicabili, anziché fare affidamento esclusivamente sul valore teorico di Eulero.
Come si può prevenire la deformazione per instabilità delle aste?
La soluzione più diretta consiste spesso nell'aumentare il diametro dello stelo del pistone. Uno stelo più grande presenta una resistenza alla deflessione laterale notevolmente maggiore ed è in grado di sopportare un carico di compressione più elevato a parità di lunghezza libera.
Tuttavia, aumentare il diametro dell'asta non è l'unica soluzione.
Anche la riduzione della lunghezza effettiva non sostenuta può migliorare notevolmente la stabilità. Modifiche al montaggio del cilindro, alla guida dello stelo o alla geometria della macchina possono ridurre la lunghezza effettiva della colonna senza richiedere l’uso di uno stelo inutilmente grande.
Anche il carico esterno deve essere guidato correttamente. Guide, cuscinetti, slitte o articolazioni della macchina devono controllare il percorso di movimento in modo che il cilindro idraulico trasmetta principalmente una forza assiale, anziché fungere da guida strutturale per l'intero meccanismo.
Per alcune applicazioni a corsa lunga, un tubo di arresto potrebbe essere consigliabile. Un tubo di arresto aumenta la distanza tra il pistone e il supporto del cuscinetto dello stelo quando il cilindro è esteso, contribuendo a ridurre i carichi sui cuscinetti e la tendenza al “jackknifing” nelle configurazioni a corsa lunga. La guida applicativa di Parker combina le raccomandazioni relative ai tubi di arresto con le verifiche del diametro dello stelo del pistone per determinate configurazioni di montaggio a corsa lunga.
Un tubo di arresto non deve tuttavia essere considerato un sostituto universale di uno stelo del pistone di dimensioni adeguate. Il diametro dello stelo, la lunghezza effettiva e il tipo di montaggio devono comunque garantire la stabilità richiesta della colonna.
Il miglior design di solito combina:
Diametro adeguato dell'asta → Lunghezza effettiva appropriata → Montaggio corretto → Allineamento del carico assiale → Guida del carico esterno
piuttosto che cercare di correggere un progetto carente con un'unica misura.
Conclusione
Il cedimento dello stelo di un cilindro idraulico si verifica quando lo stelo del pistone, sottoposto a compressione, diventa strutturalmente instabile prima che il materiale dello stelo stesso raggiunga necessariamente un semplice limite di resistenza alla compressione. Una corsa lunga, un diametro ridotto dello stelo, un’elevata forza di compressione, un montaggio non corretto e un allineamento inadeguato aumentano tutti il rischio.
Il modo più efficace per prevenire l’instabilità della stangola consiste nel selezionare il diametro della stangola e la disposizione di montaggio in base al carico di compressione massimo e alla lunghezza effettiva non sostenuta, mantenendo al contempo il cilindro e il carico esterno accuratamente allineati. I cilindri a corsa lunga dovrebbero essere sottoposti a controlli specifici per verificare l’assenza di instabilità, anziché dare per scontato che una stangola selezionata esclusivamente in base al diametro interno o alla pressione sia sufficiente.
Aumentare il diametro dell'asta, migliorare la guida esterna, ridurre la lunghezza effettiva non sostenuta, correggere la geometria di montaggio e utilizzare tubi di arresto ove opportuno sono tutti accorgimenti che possono contribuire a ottenere un progetto più stabile.
Per le applicazioni OEM, Aisoar Hydraulics è in grado di sviluppare cilindri idraulici su misura con diametro dell'asta, corsa, tipo di montaggio e configurazione strutturale adeguati al carico di compressione effettivo e alla geometria della macchina.
Domande frequenti
D: Il cedimento dello stelo di un cilindro idraulico è la stessa cosa di uno stelo del pistone piegato?
A: No. Il buckling è un fenomeno di instabilità causato principalmente dalla compressione assiale su un’asta sottile. L’asta di un pistone può anche piegarsi a causa di carichi laterali, urti o disallineamenti. Nelle apparecchiature reali, la compressione e i carichi laterali possono verificarsi contemporaneamente, rendendo il cedimento più grave.
D: Lo stelo del pistone può deformarsi anche se la pressione idraulica è inferiore alla pressione nominale del cilindro?
A: Sì. La pressione nominale e la capacità di instabilità dello stelo sono limiti di progetto distinti. Un cilindro può rimanere entro i limiti della propria pressione idraulica nominale, mentre uno stelo lungo e slanciato potrebbe comunque risultare inadatto a sopportare il carico di compressione e la lunghezza effettiva non sostenuta.
D: Un'asta del pistone più lunga risolve sempre i problemi di instabilità?
A: Un'asta di dimensioni maggiori migliora in genere la resistenza al cedimento, ma non risolve i problemi legati a un montaggio non corretto, a carichi laterali eccessivi o a una geometria errata della macchina. È necessario valutare l'intero percorso del carico.
D: I cilindri idraulici sottoposti a trazione devono essere sottoposti a una verifica di instabilità?
A: L'instabilità è associata principalmente alla compressione. Un'asta sottoposta a un carico di trazione pura non si instabilizza allo stesso modo, sebbene sia comunque necessario verificare la resistenza alla trazione dell'asta, le filettature, i collegamenti alle estremità dell'asta e i supporti.
D: Che cos’è il tubo di arresto in un cilindro idraulico a corsa lunga?
A: Un tubo di arresto è un distanziatore interno utilizzato in alcuni modelli di cilindri a corsa lunga per aumentare la distanza tra il pistone e il supporto del cuscinetto dello stelo quando il cilindro è esteso. Può ridurre i carichi sui cuscinetti e migliorare la stabilità, ma dovrebbe essere utilizzato secondo le indicazioni del produttore del cilindro piuttosto che come sostituto di un corretto dimensionamento dello stelo.
