Previene la deformazione dell'asta del pistone nei cilindri idraulici

Mattias Awad spiega come i progettisti di ingegneria meccanica possono utilizzare l'acciaio specializzato per steli di pistoni ad alta resistenza per aumentare la resistenza alla deformazione nei cilindri idraulici

I cilindri idraulici controllano carichi pesanti con alta precisione in veicoli da costruzione, attrezzature di sollevamento, macchine agricole, turbine eoliche e altre applicazioni industriali. I progettisti devono fare attenzione a garantire che le aste dei pistoni resistano al cedimento per deformazione quando i cilindri idraulici sono sottoposti a forze di compressione.

L'instabilità è una forma di fallimento improvvisa e imprevedibile con gravi conseguenze. Deriva da un carico eccessivo in modalità spinta: ecco perché gli ingegneri prestano molta attenzione alle sollecitazioni di compressione durante la progettazione delle bielle.

Nei cilindri a semplice effetto che forniscono una forza di spinta, lo stelo è soggetto a compressione. Dovrebbe essere progettato per mantenere la sollecitazione assiale al di sotto di una soglia critica di instabilità.

I cilindri a doppio effetto devono anche essere in grado di resistere alla fatica che può derivare dalle molte migliaia di cicli che alternano compressione e tensione. Questi cicli creano uno stress elevato attorno alle imperfezioni microscopiche, portando alla propagazione di crepe ed eventuali guasti. La fatica di solito si verifica in punti con sezione trasversale ridotta, come le radici o i raccordi delle filettature, o in corrispondenza di difetti nei giunti saldati.

Un'attenta scelta dell'acciaio può ridurre il rischio di guasti dovuti a deformazioni e fatica. Quando si progettano cilindri con steli sottili, gli ingegneri possono applicare la teoria di Eulero, che è un modello di instabilità elastica. Tuttavia, per le aste meno sottili, la teoria di Eulero sovrastima notevolmente la resistenza all’instabilità e gli ingegneri possono proteggersi dall’instabilità ricorrendo a materiali con un carico di snervamento più elevato.

Questa pratica è stata integrata nei codici di progettazione per le colonne nel settore dell'edilizia e dell'edilizia attraverso le metodologie dell'American Institute for Steel Construction (AISC) e della Convenzione europea per le costruzioni in acciaio (ECCS).

Inoltre, la norma sulle gru prEN 13001-3-6A è una risorsa utile. Comprende un processo per valutare la resistenza alla deformazione dei cilindri idraulici e un metodo per calcolare la lunghezza effettiva di uno stelo. La lunghezza effettiva dipende dal fatto che il cilindro sia collegato solo alle estremità o che abbia un supporto al centro in corrispondenza del premistoppa.

Acciai speciali per steli di pistoni sono stati sviluppati specificatamente per l'idraulica, come Cromax 180X e Cromax 280X di Ovako. Cromax 180X si presenta sotto forma di barra con cromatura dura e si basa su un acciaio microlegato a medio tenore di carbonio. Ha un carico di snervamento minimo di 500 N/mm2 grazie ad un attento controllo della miscela legante e della lavorazione. Questo si confronta con 305 N/mm2 per il grado C45E.

Un carico di snervamento più elevato significa che lo stelo del pistone può resistere meglio alla deformazione. Un progettista può quindi ridurre il diametro dello stelo del pistone, riducendo il peso dell'intero cilindro.

In alternativa, potrebbero sostituire uno stelo C45E con uno identico nel Cromax 180X per trasmettere un carico maggiore con lo stesso margine di sicurezza contro la deformazione, a condizione che il cilindro sia dimensionato per la forza/pressione maggiore.

Gli ingegneri possono confrontare diversi gradi di acciaio per aste di pistoni utilizzando un predittore per aste di pistone incluso nello strumento Steel Navigator sul sito Web di Ovako. Il predittore dell'asta del pistone fornisce informazioni su come la resistenza all'instabilità è influenzata dai diversi gradi utilizzando sia il metodo AISC che ECCS.

Gli ingegneri possono utilizzare la modellazione della fatica per aiutarli a progettare aste di pistoni a doppia azione. Come regola generale, la resistenza alla fatica aumenta con la resistenza alla trazione del materiale dell'asta. Potrebbe essere necessario prendere in considerazione anche la resistenza agli urti garantita per applicazioni critiche per la sicurezza.

A parità di altri fattori, la maggiore resistenza alla trazione di Cromax 180X fornisce prestazioni alla fatica notevolmente migliori rispetto a C45E. Come per la resistenza alla deformazione, l'utilizzo di Cromax 180X potrebbe consentire il ridimensionamento dello stelo del pistone o migliorare la resistenza alla fatica con la stessa dimensione dello stelo.