A haste do pistão de um cilindro hidráulico pode falhar mesmo quando o cilindro está a funcionar abaixo da sua pressão nominal, caso a haste estendida seja demasiado delgada para a carga de compressão e as condições de montagem. Este risco assume especial importância nos cilindros de curso longo, nos quais a haste se comporta cada vez mais como uma coluna de compressão à medida que se estende. É possível evitar a deformação da haste selecionando um diâmetro adequado, limitando o comprimento efetivo não apoiado, mantendo a carga alinhada com o eixo do cilindro, escolhendo a disposição de montagem correta e verificando a resistência da haste face à carga de compressão máxima prevista, com uma margem de segurança adequada.
O que é a deformação da haste de um cilindro hidráulico?
A deformação por encurvamento da haste é uma instabilidade estrutural que pode ocorrer quando uma haste de pistão longa e esguia é submetida a compressão. Em vez de se comprimir simplesmente ao longo da sua linha central, a haste começa a desviar-se lateralmente e pode dobrar-se repentinamente à medida que a carga compressiva se aproxima da sua capacidade crítica de encurvamento.
Isto difere da flexão normal da haste causada por uma carga lateral externa ou por um impacto. Uma haste de pistão pode estar perfeitamente reta e submetida a uma carga axial, mas mesmo assim tornar-se instável se for demasiado longa e delgada para a compressão aplicada.
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.
A deformação por encurvamento é, principalmente, uma problema do curso de empurrão. Quando a haste do pistão está sujeita a uma carga de tração, não se deforma da mesma forma, embora a resistência à tração, as roscas, as ligações nas extremidades da haste e os componentes de montagem devam, ainda assim, suportar a carga.
Por que razão os cilindros de curso longo apresentam um risco de encurvamento mais elevado?
À medida que um cilindro hidráulico se estende, uma parte cada vez maior da haste do pistão fica sem apoio no exterior do cilindro. Quanto mais longa se torna esta secção sem apoio, mais fácil é a haste desviar-se lateralmente sob compressão.
A relação clássica de Euler relativa à deformação por encurvamento ajuda a explicar isto:
Carga crítica de encurvamento ∝ EI / (KL)²
onde E representa a rigidez do material, I representa o momento de inércia da secção da barra, L é o comprimento efetivo não apoiado, e K reflete a forma como as extremidades da haste e do cilindro são suportadas.
O aspeto prático importante é que a capacidade de encurvadura diminui rapidamente à medida que o comprimento efetivo aumenta. Se o comprimento efetivo não apoiado duplicar, a carga crítica teórica de Euler diminui substancialmente. A metodologia de conceção de cilindros da Bosch Rexroth tem igualmente em conta o tipo de montagem, a esbelteza, a tensão de compressão, a tensão de flexão e a deflexão da haste ao avaliar a encurvadura da haste do pistão.
O diâmetro da haste tem o efeito oposto. No caso de uma haste redonda maciça, a propriedade da secção associada à flambagem aumenta significativamente com o diâmetro, pelo que aumentar o diâmetro da haste pode aumentar significativamente a estabilidade da coluna.
É por isso que um diâmetro de biela que seja perfeitamente adequado para um cilindro de curso curto pode não ser adequado para um cilindro muito mais comprido que produza a mesma força hidráulica.
Que fatores aumentam o risco de deformação da haste do pistão?
O diâmetro da haste e o curso são importantes, mas não são os únicos fatores. Num cilindro hidráulico real, o risco de encurvamento depende de todo o sistema mecânico.
| Fator | Efeito no risco de deformação por encurvamento |
|---|---|
| Diâmetro da haste mais pequeno | Reduz a rigidez da coluna |
| Comprimento não apoiado mais extenso | Aumenta consideravelmente o risco de deformação |
| Maior força de compressão | Aumenta a carga na haste |
| Condição de montagem desfavorável | Pode aumentar o comprimento efetivo de encurvamento |
| Mau alinhamento da carga | Acrescenta a tensão de flexão à compressão |
| Carregamento lateral | Desvia a haste da sua linha central |
| Estrutura flexível da máquina | Pode causar desalinhamento sob carga |
| Curso longo em extensão total | Normalmente representa o estado mais grave |
Diâmetro da haste
Uma haste com dimensões insuficientes apresenta menor rigidez à flexão e menor resistência à instabilidade de coluna. Escolher o diâmetro da haste apenas com base na resistência à tração ou nos tamanhos padrão disponíveis pode, por isso, ser enganador em aplicações de empurrão de curso longo.
A haste deve ser verificada em função da força de compressão máxima prevista durante o funcionamento, tendo em conta a pressão realista, a carga externa e a geometria da máquina.
Comprimento efetivo não suportado
O comprimento relevante nem sempre é idêntico ao curso nominal do cilindro. Os pontos de fixação, a orientação da extremidade da haste, a localização do pivô e a construção do cilindro afetam o comprimento efetivo da coluna.
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.
Condições de montagem
Um cilindro fixo devidamente guiado comporta-se de forma diferente de um cilindro montado num pivô com uma haste longa sem apoio. O tipo de montagem altera a forma como a haste e o cilindro podem rodar, desviar-se ou permanecer restritos sob carga.
Esta é uma das razões pelas quais a deformação da haste do pistão deve ser verificada em conjunto com a tipo de montagem do cilindro hidráulico, em vez de ser considerado apenas como um cálculo isolado do diâmetro da haste.
O seu guia de montagem atual já explica que alterar a posição da fixação ou do pivô pode alterar o comprimento efetivo da haste sem apoio e, por conseguinte, influenciar a resistência à flambagem.
Desalinhamento e carga lateral
Uma haste concebida para compressão axial pode tornar-se muito mais vulnerável quando a carga não está alinhada com a linha central do cilindro.
Pinos desalinhados, buchas gastas, deformação da estrutura, geometria inadequada dos suportes ou uma carga sem guia externo podem gerar tensão de flexão, para além da compressão. A Parker adverte especificamente que as hastes de cilindros padrão não se destinam, normalmente, a absorver momentos de flexão significativos ou cargas perpendiculares ao eixo da haste.
Uma barra pode, portanto, falhar mais cedo do que um simples cálculo ideal de encurvadura sugere, caso a máquina real introduza cargas laterais.
De que forma a montagem afeta a deformação da haste?
A montagem determina a forma como o cilindro transfere a força para a máquina e a eficácia com que a haste é suportada à medida que se estende.
Um cilindro montado em flange com uma carga externa bem guiada pode comportar-se de forma muito diferente de um cilindro longo montado num pivô que exerce pressão através de uma articulação. Mesmo que ambos os cilindros gerem a mesma força e utilizem o mesmo diâmetro de haste, as suas condições efetivas de encurvadura podem ser diferentes.
Os cilindros montados em pivô requerem uma atenção especial, uma vez que o cilindro altera o ângulo à medida que o mecanismo se move. A força exercida pela haste deve permanecer próxima da linha central do cilindro ao longo de todo o curso. Se os pontos de pivô estiverem mal posicionados ou se a articulação se deslocar fora do plano, a haste pode ser submetida a uma combinação de compressão e flexão.
Os cilindros de montagem fixa também requerem um alinhamento preciso. Uma flange rígida não protege a haste se a carga acionada puder deslocar-se lateralmente.
O projeto de montagem deve, portanto, responder a duas questões distintas:
A haste é suficientemente grande para resistir à deformação axial?
e:
A máquina está a guiar a carga de forma suficientemente eficaz para evitar deformações adicionais e cargas laterais?
Ambas as condições têm de ser cumpridas.
Como se deve selecionar o diâmetro da biela para um cilindro de curso longo?
O diâmetro da haste não deve ser escolhido apenas com base no diâmetro interior ou na pressão do cilindro.
O primeiro passo consiste em determinar a força de compressão máxima prevista durante o curso de empurrão. O projetista deve, em seguida, ter em conta a condição de extensão máxima, a disposição de montagem, o comprimento efetivo não apoiado, o material da haste e qualquer flexão adicional causada pela geometria da máquina.
Podem então ser utilizadas as tabelas de seleção de hastes do fabricante ou um cálculo de engatilhamento realizado por engenheiros para verificar a haste selecionada. A Parker, por exemplo, recomenda especificamente seguir os dados de seleção de hastes de pistão para evitar o engatilhamento da haste, em vez de partir do princípio de que uma haste adequada para uma determinada configuração de cilindro é automaticamente adequada para outra.
A condição crítica ocorre frequentemente quando o cilindro se encontra na extensão máxima, ou próximo dela, sob carga de compressão máxima.
No caso de equipamento personalizado, é igualmente útil considerar se a máquina real poderá estar sujeita a picos de pressão, cargas dinâmicas ou posições desfavoráveis das articulações que provoquem uma força de compressão superior à sugerida pelo cálculo da carga nominal.
Deve, portanto, ser aplicada uma margem de projeto adequada, de acordo com o método de engenharia do fabricante do cilindro, os riscos da aplicação e os requisitos de projeto aplicáveis, em vez de se basear apenas no valor teórico de Euler.
Como se pode evitar a deformação das hastes?
A solução mais direta consiste, muitas vezes, em aumentar o diâmetro da haste do pistão. Uma haste mais grossa apresenta uma resistência significativamente maior à deflexão lateral e pode suportar uma carga de compressão mais elevada para o mesmo comprimento não apoiado.
No entanto, aumentar o diâmetro da haste não é a única solução.
A redução do comprimento efetivo não apoiado também pode melhorar significativamente a estabilidade. Alterações na montagem do cilindro, na orientação da haste ou na geometria da máquina podem reduzir o comprimento efetivo da coluna sem que seja necessária uma haste desnecessariamente grande.
A carga externa também deve ser devidamente guiada. Trilhos, rolamentos, corrediças ou articulações da máquina devem controlar o percurso do movimento, de modo a que o cilindro hidráulico transmita principalmente força axial, em vez de atuar como guia estrutural para todo o mecanismo.
Em algumas aplicações de curso longo, um tubo de paragem pode ser recomendado. Um tubo de paragem aumenta a distância entre o pistão e o suporte do rolamento da haste quando o cilindro está estendido, ajudando a reduzir as cargas sobre o rolamento e a tendência para o efeito «jackknife» em configurações de curso longo. O guia de aplicação da Parker combina recomendações relativas ao tubo de paragem com verificações do diâmetro da haste do pistão para determinados esquemas de montagem de curso longo.
Um tubo de retenção não deve, no entanto, ser considerado um substituto universal para uma haste de pistão com dimensões adequadas. O diâmetro da haste, o comprimento efetivo e a forma de montagem continuam a ter de garantir a estabilidade necessária da coluna.
O melhor design combina normalmente:
Diâmetro adequado da haste → Comprimento efetivo adequado → Montagem correta → Alinhamento da carga axial → Orientação da carga externa
em vez de tentar corrigir um projeto deficiente com apenas uma medida.
Conclusão
A deformação da haste de um cilindro hidráulico ocorre quando uma haste de pistão submetida a compressão se torna estruturalmente instável antes de o próprio material da haste atingir necessariamente um limite simples de resistência à compressão. Um curso longo, um diâmetro reduzido da haste, uma força de compressão elevada, uma montagem desfavorável e um mau alinhamento aumentam todos o risco.
A forma mais eficaz de evitar a deformação da haste consiste em selecionar o diâmetro da haste e a disposição de montagem com base na carga de compressão máxima e no comprimento efetivo não apoiado, mantendo ao mesmo tempo o cilindro e a carga externa alinhados com precisão. Os cilindros de curso longo devem ser verificados especificamente quanto à possibilidade de deformação, em vez de se partir do princípio de que uma haste selecionada apenas com base no diâmetro do furo ou na pressão é suficiente.
Aumentar o diâmetro da haste, melhorar a orientação externa, reduzir o comprimento efetivo não apoiado, corrigir a geometria de montagem e utilizar tubos de bloqueio, sempre que apropriado, são medidas que podem contribuir para um projeto mais estável.
Para aplicações OEM, a Aisoar Hydraulics pode desenvolver cilindros hidráulicos personalizados com o diâmetro da haste, o curso, a montagem e a configuração estrutural adaptados à carga de compressão real e à geometria da máquina.
Perguntas frequentes
P: A deformação da haste de um cilindro hidráulico é o mesmo que uma haste de pistão dobrada?
A: Não. A deformação por encurvamento é uma instabilidade causada principalmente pela compressão axial numa haste delgada. Uma haste de pistão também pode dobrar devido a cargas laterais, impactos ou desalinhamento. Em equipamentos reais, a compressão e as cargas laterais podem ocorrer em simultâneo, tornando a falha mais grave.
P: A haste do pistão pode deformar-se mesmo que a pressão hidráulica seja inferior à pressão nominal do cilindro?
A: Sim. A pressão nominal e a capacidade de flambagem da haste são limites de conceção diferentes. Um cilindro pode permanecer dentro da sua pressão hidráulica nominal, enquanto uma haste longa e delgada continua a não ser adequada para a carga de compressão e para o comprimento efetivo não apoiado.
P: Uma haste de pistão maior resolve sempre os problemas de encurvamento?
A: Uma haste mais grossa melhora, em geral, a resistência à deformação, mas não corrige uma má montagem, cargas laterais excessivas ou uma geometria incorreta da máquina. Deve ser avaliado o percurso completo da carga.
P: Os cilindros hidráulicos que funcionam em tensão necessitam de uma verificação de encurvadura?
A: A deformação por encurvamento está associada principalmente à compressão. Uma haste submetida a uma carga de tração pura não se deforma da mesma forma, embora seja necessário verificar a resistência à tração da haste, as roscas, as ligações nas extremidades da haste e os suportes.
P: O que é um tubo de paragem num cilindro hidráulico de curso longo?
A: Um tubo de paragem é um espaçador interno utilizado em determinados modelos de cilindros de curso longo para aumentar a distância entre o pistão e o suporte do rolamento da biela quando o cilindro está estendido. Pode reduzir as cargas sobre os rolamentos e melhorar a estabilidade, mas deve ser utilizado de acordo com o método de conceção do fabricante do cilindro, e não como substituto do dimensionamento adequado da biela.
