Analisi forze su cilindro idraulico

greeswed

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Buongiorno a tutti,
sto realizzando un sistema per movimentare una massa di 2000Kg attraverso un cilindro idraulico. In allegato trovate un disegno qualitativo nel quale:
- Il cilindro è incernierato alle 2 estremità mediante snodi sferici;
- Lo snodo sferico montato sullo stelo del cilindro è solidale all'albero D mediante forcella e perno;l
- Nel disegno ho rappresentato le 2 posizioni limite: posizione A (stelo in tiro) e posizione B stelo (in spinta);
- La massa compie una rotazione di 90° in entrambii i versi a carico (da A a B e viceversa);
- In D passa un albero montato su cuscinetti e la massa (per semplificare ho rappresentato il baricentro) si trova dietro il piano del foglio.
Vorrei analizzare con voi le forze che si scaricano sul cilindro, in particolare sullo stelo, anche solo qualitativamente.
Vi chiedo questa conferma: il cilindro è equiparabile ad una biella per cui è soggetto a sole forze lungo il suo asse (trazione-compressione)? Possono nascere altre componenti per disallineamenti e/o giochi tra perno e snodo che sottopongono lo stelo a flessione?
Grazie
 

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meccanicamg

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Vediamo di fare un riassunto più tecnico.

L'albero D è supportato da cuscinetti. Ad esso è collegata una manovella AD che definisce il suo raggio di 106mm.
Il cilindro è incernierato posteriormente con il mondo a terra e sullo stelo è agganciato all'occhio di manovella A.
Il cilindro facendo la sua corsa, fa passare il suo centro stelo anteriore da A a B.

Il cilindro, come tale ha la forza che genera o che subisce solo assiale, dovuto alla pressione. Se la velocità è bassa non si ha la grande componente della forza centrifuga qui sotto indicata.



Per il calcolo delle forze vedi qui.
Se la cerniera è libera di girare (quella fissa a terra) in teoria non ci sono componenti trasversali.
Questo meccanismo lo uso normalmente per fare il selettore del cambio a due velocità di riduttori industriali, quindi o pneumatico o idraulico, il cilindro sposta la biella.
Sicuramente avrai delle inversioni di forze perchè il tuo carico, se molto pesante, quando va dalla parte opposta della mezzeria del 150mm caricherà in più o in meno rispetto a quello che ti aspetteresti come forza di spinta.
 

cacciatorino

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il cilindro è equiparabile ad una biella per cui è soggetto a sole forze lungo il suo asse (trazione-compressione)?

Si, e' un puntone/tirante, non soggetto a sforzi diversi da quello assiale. L'unica componente che possa indurre flessione su stelo e camicia e' il peso proprio dei due componenti.

Possono nascere altre componenti per disallineamenti e/o giochi tra perno e snodo che sottopongono lo stelo a flessione?

Se ci sono gli snodi sferici su entrambi gli occhielli direi di no, ma potrebbero nascere in un futuro in cui gli snodi dovessero bloccarsi per ossidazione o altre ragioni.
 
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greeswed

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Ok grazie,
@meccanicamg: forza centrifuga trascurabile, fa 90° in 3s e la massa del cilindro è di 8Kg.
Facciamo un passo avanti. Come valutare il carico di punta?
Supponiamo che il cilindro faccia una rotazione antioraria da B verso A. Allora i primi 45° è sottoposto a trazione, gli ultimi 45° a compressione. Durante la fase di compressione ho da un lato che il momento della forza peso aumenta, dal'altro che la lunghezza libera dello stelo diminuisce (lo stelo rientra nella camicia).
Alcuni dati:
Alesaggio cilindro: 50
Diametro stelo: 28
Pressione max 150bar.
Per cui:
Forza in spinta=29452 (3004Kg)
Forza in tiro=20216N (2062Kg)
Secondo voi il carico di punta va verificato solo quando lo stelo è fuori dalla camicia o anche quando è tutto dentro e ho il massimo del momento dovuto alla forza peso?
 

meccanicamg

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Un cilindro idraulico quando ha lo stelo tutto dentro è nelle condizioni di massima rigidezza. Siccome non stiamo parlando di cilindri alesaggio 50 mm e lunghezze 2000 mm, direi che verificare a carico di punta tutto chiuso serve a non molto. Comunque prendi il catalogo di riferimento del tuo costruttore di cilindri idraulici e verifica il comportamento del tuo cilindro.
Tieni presente che nel momento in cui tu andrai a sommare o sottrarre le forze, dovrai passare dalla fase attiva dove dai pressione alla fase passiva dove la camera opposta deve avere una valvola di massima strozzata e aperta solo per la quantità di olio che vuoi far defluire per fare il movimento, altrimenti appena passi la metà sentirai una botta tremenda....e solo in un senso....non nell'altro.
Non ti dimenticare che quando il cilindro è fuori....non pesa lo stelo in camicia ma hai l'olio....quindi gira che ti rigira il cilindro non diventa leggero più di tanto.
 

greeswed

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Buongiorno, ho calcolato il carico dipunto con Eulero + ho scaricato curve della Parker (non è il costruttore) e verificato che lo stelo regge (allegato). Nella formula di Eulero e nelle curve ho considerato come Le (lunghezza equivalente) 2 volte la corsa del cilindro (150X2) corrispondente alla configurazione cilindro "Snodato e guidato rigidamente", un fattore di sicurezza pari a 4 e come forza di compressione mi sono messo in condizioni molto cautelative ossia ho considerato la spinta massima che può dare il cilindro (3000Kg) e ipotizzato che lo stelo non arrivi a finecorsa altrimenti non sarebbe compresso.
Per quanto riguarda il circuito oleodinamico, è provvisto di valvole regolatrici di portata Rexroth tipo Z2FS + valvola di overcenter sempre necessaria quando si hanno applicazioni con carichi trascinati.
Vi dico che sono riuscito a fare un test e il carico viene mosso in maniera controllata. La valvola di overcenter mi permette anche di fermare il carico in qualsiasi posizione (non precipita).
A questo punto sono andato a verificare se i cuscinetti che andrò a montare reggono e qui purtroppo mi risultano sottodimensionati.
Vi chiedo se, postando dati, disegni e calcoli, mi potete aiutate a verificare.
Grazie
 

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meccanicamg

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Direi che il tuo caso equivale a un fattore 4, cioè incernierato dietro e guidato ma non eccessivamente.... perché lo snodo anteriore comunque potrebbe causare dei micro impuntamenti, soprattutto se la struttura non è completamente rigida.
IMG_20181213_090826.jpg
Certo che se posti ci guardiamo.
Tieni presente che se l'applicazione è lenta si può pensare di sostituire i cuscinetti con delle bronzine.

Usare la valvola a tre posizioni con i centri chiusi direi che è più che d'obbligo ma quello che ti manca sono quelle che si chiamano valvole paracadute appiccicate alle bocche del cilindro che vengono regolate per fare la frenatura e si aprono solo le pilotate dalla pressione di mandata.
Il componente Z2FS è solo un regolatore, che può essere presente già sui cilindri.
 
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greeswed

Utente Junior
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Ok, anche considerando fattore 4 sia Eulero che le curve mi danno verifica positiva.
La valvola "" Overcenter" di cui ti parlo fa lo stesso lavoro di una valvola paracadute ed è montata sui cilindri (vedi foto). Infatti provando a fermare il carico sbilanciato rispetto all'asse di rotazione, questo non cade, resta in posizione. La valvola Z2FS serve solo per modificare la velocità.
A breve posterò dati sulla flangia porta cuscinetti esull'albero.
Grazie
 

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meccanicamg

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Per il tuo sistema probabilmente può andare anche bene così ma tieni presente che con forze in gioco più alte occorrono sistemi un po'più complessi per gestire lo sbilanciamento. Io ho avuto recenti esperienze con ribalatori da 10ton di carico e direi che le valvole pilotate con regolatore mi sono molto utili quando passo la mezzeria e funziona come i condensatori di un banco di frenatura elettrica.
Tu hai a che fare solo con 2ton di carico.
 

greeswed

Utente Junior
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Buonasera,
proviamo ad analizzare i carichi sui cuscinetti e vediamo se reggono.
Prima devo farvi una premessa:
Il pezzo da far ruotare in realtà ha una massa di 1500Kg. Il sistema di rotazione prevede di montare 2 cilindri sulla pinza di una macchina, uno per braccio. La pinza stringe il pezzo tra le sue ganasce, lo solleva e lo fa ruotare di 90° portandolo da una posizione verticale ad una orizzontale.
In allegato potete vedere lo schizzo di uno dei 2 bracci (immaginate di averne un' altro speculare rispetto alla direzione verticale della forza radiale Fr).
Abbiamo: il braccio vero e proprio (1 - massello), al quale viene fissata mediante viti la flangia porta cuscinetti (3). All'interno della flangia viene inserito il canotto 4 sul quale è saldata la forcella mossa dal cilindro (non rappresentati). All'interno del canotto entra l'albero principale 5. Canotto e albero sono accoppiati mediante chiavetta. Il meccanismo di rotazione è il seguente: il cilindro fa ruotare il canotto che a sua volta fa ruotare l'albero. Nel massello 1 è montata una bronzina che prende parte del carico radiale Fr e tutto il carico assiale di 4000Kg.
Nell' analisi che vedete ho supposto di montare uno solo dei 2 cuscinetti, il C1. Quindi il carico radiale Fr lo prendono la bronzina (Fb) e il cuscinetto C1 (FC1). Per mettermi nelle condizioni peggiori ho ipotizzato che il carico sulla bronzina agisca all'estremità sx di questa (non in mezzeria).
Dal diagramma di corpo libero dell'albero mi viene fuori un carico sul cuscinetto FC1=4683Kg.
Il cuscinetto è un SKF 6017 d=85mm (in allegato) con carico statico di 43KN.
Che ne dite? E' corretta come prima approssimazione?
 

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Focus

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Professione: Odio il sitema italiota e gli italioti di professione.
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Buonasera,
proviamo ad analizzare i carichi sui cuscinetti e vediamo se reggono.
Prima devo farvi una premessa:
Il pezzo da far ruotare in realtà ha una massa di 1500Kg. Il sistema di rotazione prevede di montare 2 cilindri sulla pinza di una macchina, uno per braccio. La pinza stringe il pezzo tra le sue ganasce, lo solleva e lo fa ruotare di 90° portandolo da una posizione verticale ad una orizzontale.
In allegato potete vedere lo schizzo di uno dei 2 bracci (immaginate di averne un' altro speculare rispetto alla direzione verticale della forza radiale Fr).
Abbiamo: il braccio vero e proprio (1 - massello), al quale viene fissata mediante viti la flangia porta cuscinetti (3). All'interno della flangia viene inserito il canotto 4 sul quale è saldata la forcella mossa dal cilindro (non rappresentati). All'interno del canotto entra l'albero principale 5. Canotto e albero sono accoppiati mediante chiavetta. Il meccanismo di rotazione è il seguente: il cilindro fa ruotare il canotto che a sua volta fa ruotare l'albero. Nel massello 1 è montata una bronzina che prende parte del carico radiale Fr e tutto il carico assiale di 4000Kg.
Nell' analisi che vedete ho supposto di montare uno solo dei 2 cuscinetti, il C1. Quindi il carico radiale Fr lo prendono la bronzina (Fb) e il cuscinetto C1 (FC1). Per mettermi nelle condizioni peggiori ho ipotizzato che il carico sulla bronzina agisca all'estremità sx di questa (non in mezzeria).
Dal diagramma di corpo libero dell'albero mi viene fuori un carico sul cuscinetto FC1=4683Kg.
Il cuscinetto è un SKF 6017 d=85mm (in allegato) con carico statico di 43KN.
Che ne dite? E' corretta come prima approssimazione?
Due domande..
ma il "massello" e la struttura rispetto al quale avviene la rotazione? nella descrzione dici che è "il braccio vero e proprio", ma se è così la vedo dura che il canotto lo metta in rotazione, vista la presenza di cuscinetti fra le 2 parti.
Perchè sul fulcro hai sia i cuscinetti che la bronzina? Non ha molto senso la presenza di entrambi.

Ciao
 

greeswed

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Vi allego delle foto dell'unica prova che ho fatto (attualmente il sistema di rotazione avviene tramite un attuatore rotativo). Tenete presente che: allo stato attuale non posso permettermi di progettare un mandrino dedicato per cui imi devo attaccarmi al braccio esistente (foto n.4). Sul canotto andranno montati 2 riscontri (piattini o sporgenze se preferite) che serviranno per eccitare dei finecorsa (proximity) che dovranno segnalare le 2 posizioni estreme della pinza (pezzo verticale e pezzo orizzontale). Da qui l' esigenza di permettere la rotazione del canotto ma non spostamenti assiali. La macchina lavora a ciclo continuo 24 ore su 24 ed effettua una rotazione pezzo ogni 10min. Il pezzo in realtà sarà a 1100 gradi (è una linea di forgiatura barre). Se avete altre domande, chiedete. Grazie
 

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greeswed

Utente Junior
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Due domande..
ma il "massello" e la struttura rispetto al quale avviene la rotazione? nella descrzione dici che è "il braccio vero e proprio", ma se è così la vedo dura che il canotto lo metta in rotazione, vista la presenza di cuscinetti fra le 2 parti.
Perchè sul fulcro hai sia i cuscinetti che la bronzina? Non ha molto senso la presenza di entrambi.

Ciao
Ciao Focus,
come dicevo attualmente la rotazione del pezzo avviene con 2 attuatori rotativi che si sono dimostrati affidabili e robusti negli anni. L' idea di montare i cilindri è dovuta a ragioni di maggiore produttività che ora non sto qua a spiegarti. Se il sistema di rotazione con cilindri dovesse creare problemi, devo poter tornare indietro e rimontare gli attuatori altrimenti sono azzi. Da qui l' esigenza di non modificare la struttura base del braccio con bronzina. Altrimenti avrei potuto pensare di farlo lavorare e di montarci un bel cuscinetto a rulli conici (+ uno dalla parte opposta) al posto della bronzina. Quindi la bronzina mi serve, non posso pensare di toglierla e far lavorare soltanto i due cuscinetti sulla flangia, uno perchè sarebbero troppo lontani dal carico, due perchè sono molto vicini uno all'altro,tre perchè la bronzina si prende in testa tutto il carico assiale. Se la modifica si rivelerà affidabile, nessuno vieta in futuro di far costruire un sistema dedicato, magari ricostruendo l'intero braccio.
 

Focus

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Ciao Focus,
come dicevo attualmente la rotazione del pezzo avviene con 2 attuatori rotativi che si sono dimostrati affidabili e robusti negli anni. L' idea di montare i cilindri è dovuta a ragioni di maggiore produttività che ora non sto qua a spiegarti. Se il sistema di rotazione con cilindri dovesse creare problemi, devo poter tornare indietro e rimontare gli attuatori altrimenti sono azzi. Da qui l' esigenza di non modificare la struttura base del braccio con bronzina. Altrimenti avrei potuto pensare di farlo lavorare e di montarci un bel cuscinetto a rulli conici (+ uno dalla parte opposta) al posto della bronzina. Quindi la bronzina mi serve, non posso pensare di toglierla e far lavorare soltanto i due cuscinetti sulla flangia, uno perchè sarebbero troppo lontani dal carico, due perchè sono molto vicini uno all'altro,tre perchè la bronzina si prende in testa tutto il carico assiale. Se la modifica si rivelerà affidabile, nessuno vieta in futuro di far costruire un sistema dedicato, magari ricostruendo l'intero braccio.
Con la foto è tutto più chiaro. (y)
 

antonio_sc

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Una curiosità..quanto dovrebbe durare un sistema del genere generalmente? Ogni quanto è prevista la sostituzione/manutenzione dei componenti?
 

meccanicamg

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A me dà l'idea che un sistema che sta nello sporco e alta temperatura e si prende qualche botta non dura molto....
 

greeswed

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Che conforto mi date!
Allora, la manutenzione viene fatta un turno a settimana + 3 volte l' anno durante le fermate. Per sostituire bronzina e cuscinetti in 2-3 ore si riesce a fare tutto. Per lo sporco, i cuscinetti sarebbero schermati. Per la temperatura vi posso assicurare che montando dei carter e coibentando bene si può gestire (sugli attuatori rotativi ho misurato 60 °C). Le botte ci sono e qui vorrei ragionarci. Quello che succede attualmente è che i pezzi più lunghi (e pesanti) quando vengono ruotati in posizione orizzontale tendono a inclinarsi (scivolano dalle ganasce). La macchina li deve depositare sopra un piatto. Immaginate di dover appoggiare una penna inclinata su di un tavolo, prima tocca la punta (o la coda) e poi il resto. La botta la prenderebbero i cilindri che però sarebbero completamente chiusi.
Che mi dite sui cuscinetti?
Grazie
 

meccanicamg

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A riuscire a usare bronzine magari speciali, dal grande catalogo Igus serie iglidur e
p30z64.jpg
magari dimenticarle come manutenzione e infilare al bisogno delle cartucce automatiche di ingrassaggio Sumalube
p4.jpg

Secondo me l'applicazione deve essere meno delicata, più massiccia e con accorgimenti per ridurre la manutenzione.
Inoltre puoi valutare di montare delle molle sotto alle ganasce per spingere ma adattare un po' all'oggetto cilindrico in presa.

Negli ambienti infernali occorre avere degli standard siderurgici abbastanza alti, quindi fattori di servizio alti proprio per non avere guasti e programmare la manutenzione....ma solo quello che serve e non ogni minuto essere lì a tocacciare.
 

greeswed

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Buongiorno,
l' ideadi di usare bronzine Ignus e cartucce per lubrificare è percorribile. Usare qualcosa per sostenere il pezzo quando viene portato dalla posizione verticale a quella orizzontale e si inclina no per via della temperatura (1100°C). Io pensavo di saldare delle battute meccaniche sul braccio che tengano le ganasce nelle 2 posizioni estreme (allegato).
Vi chiedo un' altro consiglio. Ho visto che gli snodi sferici dei 2 cilindri (sia posteriore che anteriore) possono muoversi assialmente nel perno. Secondo voi è preferibile montare nei perni delle rondelle per evitare questi spostamenti?
Grazie
 

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meccanicamg

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Per i perni di occhio e fondo cilindro ti consiglio basiglio di non vincolati troppo da entrambe le parti con le rondelle perché se qualcosa si dilata e dusallinea poi nascono forze strane. Normalmente si mettono i distanziali nel perno della culatta posteriore con 0,5/1mm di aria.