Perché i cilindri lunghi caricati a spinta si instabilizzano
Un cilindro esteso sotto carico di spinta si comporta come una colonna snella in compressione. Lo stelo sostiene l'intera forza di compressione sulla lunghezza estesa. Sotto un carico critico lo stelo rimane rettilineo; oltre, la deflessione laterale cresce improvvisamente. Questo cedimento può avvenire ben al di sotto del limite di snervamento del materiale dello stelo, quindi la sola pressione nominale non dimostra la sicurezza del progetto. Più lunga è la corsa, più basso è il carico critico: per questo i cilindri a corsa lunga si dimensionano di solito per instabilità e non per pressione.
Il concetto di Eulero: Pcr = π² × E × I / Lk²
La formula di Eulero fornisce il carico critico: Pcr = π² × E × I / Lk². Qui E è il modulo elastico del materiale dello stelo, I è il momento d'inerzia della sezione dello stelo e Lk è la lunghezza libera di inflessione. Due conseguenze contano nella pratica. I cresce con la quarta potenza del diametro dello stelo, quindi un aumento contenuto del diametro innalza fortemente Pcr. Lk compare al quadrato al denominatore: raddoppiando la lunghezza efficace, il carico critico si riduce a un quarto.
Lunghezza libera di inflessione Lk ed effetto del fissaggio
Lk non è la corsa: è una lunghezza efficace determinata da come sono vincolate le due estremità del cilindro. Estremità rigidamente incastrate guidano la colonna e accorciano Lk, mentre estremità incernierate o libere la allungano. Un cilindro incastrato a entrambe le estremità sopporta quindi un carico molto maggiore dello stesso cilindro incernierato a entrambe le estremità; le combinazioni miste tra incastro e cerniera si collocano nel mezzo. I tipi di fissaggio sono designati secondo ISO 6099 e NFPA T3.6.7R. Scegliere il fissaggio è quindi una decisione di instabilità, non solo di ingombro.
Rimedi pratici in ordine di efficacia
Se la verifica di instabilità non è soddisfatta, applicare i rimedi in questo ordine. Primo, uno stelo più grosso: poiché I cresce con la quarta potenza del diametro, è il singolo intervento più efficace; HPS fornisce steli da Ø15 a Ø250 mm. Secondo, un alesaggio maggiore, che accoglie uno stelo più grande e raggiunge la stessa forza a pressione inferiore; gli alesaggi vanno da Ø25 a Ø320 mm. Terzo, un tubo distanziale (stop tube), che a piena estensione mantiene più distanti pistone e guida dello stelo e riduce i carichi da disallineamento. Quarto, una diversa configurazione di fissaggio che accorci la lunghezza libera di inflessione Lk.
Come valida HPS: analisi su ogni progetto a corsa lunga, corse fino a 7.000 mm
HPS esegue un'analisi di instabilità su ogni progetto a corsa lunga prima del rilascio in produzione. I cilindri industriali sono forniti con corse fino a 7.000 mm, sempre subordinate a tale analisi. Dove la lunghezza di installazione è limitata, i cilindri telescopici raggiungono corse fino a 12.600 mm. Gli steli sono in CK45 o 42CrMo4 con cromatura dura di circa 30 µm. Tutti i processi, dalla lavorazione meccanica e levigatura fino al montaggio e al collaudo, avvengono internamente nello stabilimento di 20.000 m² a Konya, in Turchia, e ogni cilindro è collaudato in fabbrica a 1,5 volte la pressione nominale secondo ISO 10100.
Checklist rapida e verifica automatica di instabilità nel configuratore
Prima di fissare una specifica a corsa lunga, seguire questa checklist. Confermare il carico di spinta e la lunghezza a piena estensione, non solo la corsa. Definire il fissaggio alle due estremità e il suo effetto su Lk. Verificare il diametro dello stelo rispetto al carico critico di Eulero con margine adeguato, e valutare un tubo distanziale o un cambio di fissaggio prima di sovradimensionare l'intero cilindro. Il configuratore online di HPS esegue automaticamente questa verifica di instabilità, insieme ai calcoli in tempo reale di forza, tenute e porte, così ogni richiesta a corsa lunga arriva in ufficio tecnico già pre-verificata.
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