Un cilindro idraulico dovrebbe estendersi e ritirarsi in modo fluido mentre l'olio idraulico entra ed esce dalle camere di lavoro. Tuttavia, alcuni cilindri non si muovono a una velocità costante. Invece, la canna può esitare, saltare improvvisamente in avanti, fermarsi di nuovo, o muoversi ripetutamente in piccoli passi irregolari.
Questo comportamento è spesso descritto come movimento irregolare, stick-slip, o strisciamento del cilindro idraulico.. È particolarmente evidente quando il cilindro opera a bassa velocità, inizia a muoversi dopo essere stato fermo, o lavora sotto carichi variabili.
In molti casi, il cilindro stesso non è l'unica possibile causa. L'attrito delle guarnizioni, la scarsa lubrificazione, il carico laterale, il disallineamento, l'instabilità del flusso dell'olio, il fluido contaminato, il comportamento della valvola, o l'aria intrappolata possono tutti creare sintomi simili. Una corretta diagnosi richiede quindi di controllare sia il cilindro idraulico che il sistema idraulico circostante.
Un cilindro idraulico sviluppa comunemente stick-slip quando la forza richiesta per iniziare il movimento è maggiore della forza necessaria per mantenerlo in movimento. La pressione idraulica aumenta fino a quando il pistone o la canna si staccano, il cilindro si muove all'improvviso, la pressione diminuisce e il cilindro si blocca di nuovo. L'attrito delle guarnizioni, la lubrificazione insufficiente, il carico laterale, la viscosità dell'olio inadeguata, l'instabilità del flusso a bassa velocità e le superfici di scorrimento danneggiate sono cause comuni.
Cosa Sono i Fenomeni di Stick-Slip nei Cilindri Idraulici?
Lo stick-slip è un ciclo ripetuto di blocco e scivolamento improvviso tra superfici in movimento.
Quando un cilindro idraulico è stazionario, le guarnizioni del pistone, le guarnizioni dell'asta, gli anelli di usura e altri componenti scorrevoli creano resistenza. La forza iniziale necessaria per superare questa resistenza è spesso chiamata forza di rottura o attrito di rottura.
Una volta che il cilindro inizia a muoversi, l'attrito può diminuire. Se la differenza tra l'attrito di partenza e l'attrito in funzione diventa troppo grande, il cilindro potrebbe non muoversi in modo fluido.
Invece, il ciclo può apparire in questo modo:
La pressione aumenta → il cilindro rimane stazionario → si raggiunge la forza di rottura → il cilindro si muove improvvisamente → la pressione diminuisce → il cilindro si ferma → la pressione aumenta di nuovo.
Questo processo ripetuto produce il caratteristico movimento a scatti associato allo stick-slip.
L'effetto è solitamente più evidente a velocità del cilindro molto basse, perché c'è meno movimento continuo del fluido e una lubrificazione meno stabile tra la guarnizione e la superficie scorrevole. SKF osserva che i materiali di tenuta in PTFE sono spesso utilizzati dove è necessaria una posizione precisa del cilindro perché il loro basso coefficiente di attrito aiuta a ridurre il comportamento stick-slip.
Tuttavia, un movimento irregolare non significa automaticamente vero stick-slip. L'aria nel sistema idraulico, valvole instabili, fluttuazioni di pressione o flusso insufficiente possono anche causare un movimento irregolare del cilindro. Queste possibilità dovrebbero essere separate durante la risoluzione dei problemi.
Cosa Causa un Movimento Irregolare nel Cilindro Idraulico?
Diverse condizioni meccaniche e idrauliche possono produrre un movimento irregolare del cilindro. La condizione operativa in cui si presenta il problema spesso fornisce il primo utile indizio.
| Possibile Causa | Sintomo tipico | Più evidente quando |
|---|---|---|
| Alto attrito delle guarnizioni | Il cilindro esita e poi salta | Movimento di avvio o a bassa velocità |
| Scarsa lubrificazione | Movimento irregolare e incoerente | Lunghe fasi di inattività o bassa velocità |
| Caricamento laterale / disallineamento | Il movimento diventa rigido in certe posizioni di corsa | Sotto carico |
| Viscosità dell'olio troppo alta | Movimento lento o a scatti | Avviamento a freddo |
| Flusso d'olio instabile | La velocità aumenta e diminuisce ripetutamente | Impostazioni di basso flusso |
| Aria intrappolata | Movimento spugnoso o irregolare | Dopo manutenzione o perdita d'olio |
| Contaminazione / danno superficiale | Movimento irregolare lungo parte della corsa | Ciclismo ripetuto |
| Guida o cuscinetti usurati | Blocco, usura irregolare, movimento anomalo del pistone | Applicazioni a carico laterale |
1. Attrito Eccessivo delle Guarnizioni
Le guarnizioni idrauliche devono mantenere un contatto sufficiente con il pistone e il cilindro per controllare le perdite. Tuttavia, un carico eccessivo sulla guarnizione o un design non adatto della guarnizione possono creare troppa frizione.
Questo diventa particolarmente importante nei cilindri che richiedono posizionamento lento e preciso. Il sigillo può resistere al movimento mentre la pressione si accumula dietro il pistone. Una volta che la forza idraulica supera l'attrito di strappo, la asta si muove improvvisamente invece di gradualmente.
Anche il materiale del sigillo è importante. Alcuni design di sigilli a bassa frizione basati su PTFE sono specificamente progettati per ridurre l'attrito di strappo e di funzionamento e minimizzare il fenomeno stick-slip. Hallite, ad esempio, descrive design di sigilli per pistoni idraulici e tamponi pensati per ridurre o eliminare il fenomeno stick-slip attraverso una minore frizione.
Questo non significa che il PTFE sia sempre la soluzione corretta. La selezione del sigillo deve comunque considerare la pressione di lavoro, la temperatura, la compatibilità dei fluidi, il gioco di estrusione, la velocità del cilindro, i requisiti di perdita e l'ambiente di servizio previsto.
2. Lubrificazione Insufficiente sulla Superficie di Scorrimento
Un film di olio idraulico molto sottile lubrifica normalmente il contatto tra i sigilli e l'asta del pistone o il foro del cilindro. Se questa lubrificazione diventa insufficiente, l'attrito può aumentare bruscamente.
Questo può accadere quando il cilindro opera estremamente lentamente, quando un sigillo rimuove troppo olio dalla superficie, o quando il sistema di sigillatura non consente lo sviluppo di un adeguato film lubrificante.
La relazione tra sigillatura e lubrificazione è importante. Un sistema di sigillatura che controlla l'olio in modo troppo aggressivo può lasciare il sigillo dinamico successivo con una lubrificazione insufficiente, aumentando l'attrito e promuovendo potenzialmente il fenomeno stick-slip. SKF ha specificamente identificato la lubrificazione inadeguata dei sigilli per aste come una condizione che può contribuire all'aumento dell'attrito e al fenomeno stick-slip.
Questo è il motivo per cui semplicemente scegliere il sigillo con il contatto più stretto possibile non è sempre l'approccio migliore per un cilindro idraulico di precisione o a bassa velocità.
3. Disallineamento del Cilindro o Carico Laterale
Un cilindro idraulico è progettato principalmente per generare forza lungo il proprio asse longitudinale. Se il cilindro, i perni di montaggio, la struttura della macchina o il meccanismo azionato sono disallineati, una forza laterale può spingere l'asta del pistone contro il manicotto o spingere il pistone contro un lato del cilindro.
Il risultato è un aumento dell'attrito nella guida dell'asta, negli anelli di usura, nei sigilli e nel pistone.
Un utile indizio diagnostico è resistenza dipendente dallo stelo.. Se il cilindro si muove senza intoppi attraverso parte della sua corsa ma inizia a bloccarsi o saltare in una posizione particolare, l'allineamento meccanico e il carico laterale devono essere ispezionati attentamente.
I problemi comuni includono perni di montaggio usurati, supporti distorti, geometria di montaggio errata, barre del pistone piegate, momenti di carico esterni eccessivi e supporto a cuscinetti insufficiente.
Il funzionamento continuo sotto un severo carico laterale può trasformare un problema di movimento in un guasto del cilindro più serio danneggiando la superficie della barra, gli elementi guida, le guarnizioni o il foro del cilindro.
4. La Viscosity dell'Olio Idraulico è Troppo Alta o le Condizioni di Funzionamento Sono Sbagliate
La viscosità dell'olio idraulico influisce sia sulla lubrificazione che sulla resistenza al flusso.
Quando l'olio è molto freddo, la sua viscosità può aumentare significativamente. La pompa richiede più sforzo per muovere il fluido attraverso tubi, valvole e piccoli passaggi di controllo del flusso, mentre l'attrito delle guarnizioni può diventare più evidente. Il risultato può essere un movimento del cilindro lento o irregolare immediatamente dopo l'avvio.
Se il problema è più forte quando la macchina è fredda ma migliora dopo che l'olio raggiunge la normale temperatura di esercizio, la viscosità dell'olio dovrebbe essere esaminata.
L'estremità opposta può anche creare problemi. Un olio idraulico eccessivamente caldo e sottile può ridurre la qualità della lubrificazione e aumentare le perdite interne. Pertanto, la selezione dell'olio dovrebbe basarsi sull'intero intervallo di temperatura operativa piuttosto che solo sulla temperatura ambiente.
5. Flusso Idraulico Basso o Instabile
Un movimento fluido del cilindro richiede un flusso d'olio ragionevolmente stabile.
La velocità del cilindro è approssimativamente correlata al flusso da:
Velocità del cilindro = Portata ÷ Area efficace del pistone
A velocità comandate molto basse, anche piccole variazioni nel flusso possono creare variazioni evidenti nella velocità del cilindro.
La fonte può essere una valvola di controllo del flusso, una valvola proporzionale, una valvola direzionale, una pompa, un filtro ristretto, un tubo sottodimensionato, o un circuito di ingresso o uscita progettato in modo scorretto.
Ad esempio, una valvola di controllo del flusso che opera vicino al fondo del suo intervallo controllabile potrebbe non regolare il flusso in modo abbastanza costante per un movimento del cilindro molto lento. Le variazioni nel carico possono ulteriormente disturbare il differenziale di pressione attraverso la valvola.
Questo tipo di instabilità idraulica può sembrare simile a stick-slip meccanico, motivo per cui sostituire le guarnizioni del cilindro prima di controllare la pressione e il flusso effettivi potrebbe non risolvere il problema.
6. Aria, Contaminazione, o Danni alla Superficie Interna
L'aria intrappolata nell'olio idraulico è compressibile. Invece di trasmettere la pressione direttamente al pistone, l'aria può comprimersi ed espandersi man mano che il carico cambia, creando una risposta del cilindro ritardata o irregolare.
Questo è particolarmente da verificare quando il movimento a scatti inizia dopo una sostituzione del tubo, una riparazione del cilindro, un servizio del serbatoio, un basso livello di olio, o un altro evento che potrebbe aver introdotto aria.
La contaminazione crea un problema diverso. La sporcizia e le particelle dure possono danneggiare le guarnizioni, graffiare la barra, influenzare le valvole, o creare attrito anomalo tra i componenti interni scorrevoli.
Una barra o un foro danneggiati possono anche creare resistenza localizzata. Se il cilindro si blocca ripetutamente in circa la stessa posizione della sua corsa, ispeziona la barra, il cilindro, i componenti guida e la struttura della macchina associata invece di presumere che l'alimentazione idraulica sia l'unico problema.
Come si Diagnostica un Movimento Irregolare o di Stick-Slip nel Cilindro?
Il miglior approccio alla risoluzione dei problemi è determinare quando e in quali condizioni si verifica il movimento irregolare prima di sostituire i componenti.
Inizia osservando il cilindro durante un ciclo completo di estensione e retrazione. Determina se il problema si verifica in entrambe le direzioni, solo sotto carico, solo a bassa velocità, solo durante l'avvio, o solo in un punto specifico della corsa.
Quindi, analizza il sistema in modo logico:
- Controlla le condizioni e il livello dell'olio idraulico. Cerca contaminazioni, schiuma, temperatura anomala o un grado di viscosità errato.
- Controlla la presenza di aria intrappolata. Presta particolare attenzione se il sistema è stato recentemente aperto o manutenuto.
- Confronta il funzionamento a bassa velocità e a velocità normale. Se il cilindro diventa molto più liscio a velocità più elevate, la frizione della guarnizione, la lubrificazione o il controllo a bassa portata meritano un'indagine più approfondita.
- Misura la pressione durante il movimento. Un modello di pressione con alti e bassi ripetuto che si verifica contemporaneamente a un movimento discontinuo può supportare una diagnosi di stick-slip.
- Ispezionare il montaggio e l'allineamento del cilindro. Disconnettere il carico meccanico dove sicuro e pratico può aiutare a determinare se la resistenza origina nel cilindro o nella struttura della macchina.
- Ispezionare la barra, i perni, i cuscinetti, le guide e le guarnizioni. Cerca segni di graffi, usura irregolare, componenti piegati, eccessivo gioco o condizioni anormali della guarnizione.
La pressione e il movimento dovrebbero idealmente essere confrontati sia in condizioni scariche che in condizioni di carico di lavoro rappresentative. Un cilindro che opera senza caricamento in modo fluido ma diventa irregolare sotto carico potrebbe sperimentare carico laterale, controllo di flusso inadeguato, margine di pressione insufficiente o bloccaggio meccanico.
Non aumentare immediatamente l'impostazione della valvola di sicurezza per forzare il cilindro attraverso una condizione di bloccaggio. Pressioni più elevate possono temporaneamente superare la frizione mentre aumentano i carichi sul cilindro, le tubazioni, le valvole, i perni e la struttura della macchina.
Come si Può Risolvere il Problema di Stick-Slip nel Cilindro Idraulico?
La soluzione corretta dipende dalla causa piuttosto che dal sintomo.
Se viene confermata un'eccessiva frizione della guarnizione, valutare l'intero sistema di guarnizione piuttosto che semplicemente installare una guarnizione più morbida. Il profilo della guarnizione, il materiale, il precarico, le dimensioni della scanalatura, la pressione, la temperatura, la velocità, la finitura superficiale e le condizioni di lubrificazione devono essere considerati insieme.
Per cilindri che richiedono posizionamento preciso a bassa velocità, un sistema di guarnizione a bassa frizione può essere appropriato. I produttori di sistemi di guarnizione idraulica offrono design in PTFE e altri ottimizzati per la frizione specificamente destinati a ridurre la frizione di avviamento e lo stick-slip.
Se il problema è causato da carico meccanico, correggi l'allineamento del cilindro e la geometria del montaggio prima di sostituire le guarnizioni. Una nuova guarnizione installata in un cilindro che rimane gravemente caricato lateralmente può rapidamente sviluppare lo stesso problema di nuovo.
I problemi del sistema idraulico dovrebbero essere affrontati separatamente. Sfiato l'aria intrappolata, correggi il livello e la viscosità dell'olio, sostituisci il fluido contaminato o i filtri intasati dove necessario e verifica che la pompa e i componenti di controllo del flusso possano fornire un flusso stabile alla velocità operativa richiesta.
In applicazioni in cui un movimento molto lento e fluido è critico, il circuito idraulico potrebbe necessitare anche di ottimizzazione. Una corretta dimensione delle valvole e una strategia di controllo del flusso adatta sono spesso altrettanto importanti quanto la costruzione del cilindro.
La condizione della superficie non deve essere trascurata. La barra del pistone, il cilindro, gli anelli di usura e i componenti di guida devono fornire geometria appropriata e qualità superficiale per il sistema di guarnizione selezionato. Graffi, corrosione, eccessivo gioco o deformazione localizzata possono impedire un funzionamento fluido anche quando la pressione e il flusso idraulici sono corretti.
Movimento Irregolare vs. Vibrazioni, Movimento Lento e Deriva del Cilindro
Diversi problemi idraulici possono apparire simili dalla prospettiva dell'operatore, ma non dovrebbero essere diagnosticati allo stesso modo.
| Sintomo | Comportamento tipico | Aree probabili da controllare |
|---|---|---|
| Stick-slip / strisciamento | Si ferma, poi salta improvvisamente in avanti | Frictione del sigillo, lubrificazione, allineamento, carico laterale, flusso a bassa velocità |
| Vibrazione | Vibrazione rapida o oscillazione ripetuta, spesso accompagnata da rumore | Aria, cavitazione, instabilità della pressione, montaggio, flusso |
| Cilindro lento | Si muove continuamente ma più lentamente del previsto | Flusso della pompa, restrizioni, perdita interna, valvola di mantenimento del carico |
| Deriva del cilindro | Si muove lentamente quando dovrebbe rimanere fermo | Perdita interna del cilindro, perdita della valvola, valvola di mantenimento del carico |
Questa distinzione è importante perché un cilindro che si muove lentamente ma continuamente non ha necessariamente un problema di stick-slip.
Allo stesso modo, la vibrazione rapida o il clic sono più appropriati da indagare come chatter del cilindro idraulico. La guida alla risoluzione dei problemi esistente di AISOAR sul chatter del cilindro idraulico discute cause come aria intrappolata, fluido contaminato, flusso inadeguato, cavitazione e problemi di montaggio.
Se invece il cilindro perde posizione mentre la valvola di controllo è in neutro, indaga sulla perdita interna e la perdita della valvola di controllo piuttosto che sulla frizione da sola. Le indicazioni di AISOAR sulla perdita interna raccomandano test controllati di pressione, deriva o perdita invece di diagnosticare il cilindro basandosi solo sull'aspetto esterno.
Domande frequenti
D: Perché il mio cilindro idraulico scatta quando inizia a muoversi?
A: L'alta frizione di avvio è una possibile causa. La pressione aumenta mentre il cilindro rimane fermo, e una volta che la forza idraulica supera la frizione iniziale, il bastone si muove improvvisamente. La condizione del sigillo, la viscosità dell'olio, la lubrificazione, l'allineamento e il carico laterale dovrebbero essere controllati.
D: Perché il mio cilindro idraulico ha un movimento a strappi solo a bassa velocità?
A: Il fenomeno stick-slip è generalmente più evidente a basse velocità perché i cambiamenti di attrito diventano più significativi rispetto alla piccola quantità di movimento. L'instabilità del flusso di controllo a bassa velocità e la lubrificazione insufficiente possono anche contribuire.
D: I sigilli del cilindro idraulico possono causare stick-slip?
A: Sì. La progettazione dei sigilli, il materiale, il precarico, la lubrificazione, le dimensioni delle scanalature e le condizioni operative influenzano tutti l'attrito. Tuttavia, la sostituzione dei sigilli dovrebbe avvenire solo dopo aver escluso problemi di allineamento, flusso idraulico, danni superficiali e altri problemi di sistema.
D: L'aria in un cilindro idraulico può causare movimento a strappi?
A: Sì. L'aria intrappolata può comprimersi ed espandersi con le variazioni di pressione, producendo movimento irregolare o ritardato. Tuttavia, questo non è necessariamente indicativo di uno stick-slip indotto da attrito.
D: Un olio idraulico errato può causare movimento a strappi?
A: Sì. Un olio troppo viscoso a basse temperature può aumentare la resistenza al flusso e contribuire a un movimento lento o instabile. Pertanto, le condizioni dell'olio, la gradazione di viscosità e la temperatura operativa effettiva dovrebbero essere verificate.
D: Dovrei sostituire il cilindro idraulico se continua a bloccarsi?
A: Non necessariamente. Prima identifica se la causa si trova all'interno del cilindro o altrove nella macchina. Scorrimento errato, problemi di montaggio, valvole instabili, contaminazione, olio errato o bloccaggio meccanico possono produrre sintomi simili. La sostituzione diventa più appropriata quando il pistone, il foro, le guide o altri componenti critici sono gravemente usurati o danneggiati e la riparazione non è più economica.
Conclusione
Il movimento irregolare del cilindro idraulico è un sintomo piuttosto che una diagnosi.
Vero stick-slip si verifica quando l'attrito impedisce ripetutamente il movimento fino a quando la forza idraulica diventa abbastanza alta da superare la resistenza. Il cilindro si muove quindi improvvisamente, la pressione diminuisce e il ciclo ricomincia.
Prima di sostituire un cilindro idraulico o un kit di guarnizioni, controllare il modello di funzionamento, le condizioni dell'olio, la stabilità della pressione e del flusso, l'allineamento del cilindro, il carico laterale, i componenti di montaggio, le condizioni dell'asta e del foro e il sistema di tenuta.
Per le macchine che richiedono movimento molto fluido a bassa velocità o posizionamento accurato, la progettazione del cilindro dovrebbe prendere in considerazione il sistema di tenuta, la finitura superficiale, il sistema di guida, la geometria di montaggio, l'olio idraulico e il circuito di controllo come un sistema completo.
AISOAR Hydraulics produce cilindri idraulici standard e personalizzati per attrezzature agricole, da costruzione, movimentazione materiale, mobili e industriali. Per applicazioni che comportano carichi insoliti, movimento a bassa velocità, alte frequenze cicliche, condizioni di montaggio speciali o requisiti di movimento di precisione, le dimensioni del cilindro e gli accorgimenti di tenuta possono essere selezionati in base alle condizioni lavorative attuali.