Evitando a flambagem da haste do pistão em cilindros hidráulicos

Mattias Awad explica como os projetistas de engenharia mecânica podem usar aço de haste de pistão especializado de maior resistência para aumentar a resistência à flambagem em cilindros hidráulicos

Cilindros hidráulicos controlam cargas pesadas com alta precisão em veículos de construção, equipamentos de elevação, máquinas agrícolas, turbinas eólicas e outras aplicações industriais. Seus projetistas devem tomar cuidado para garantir que as hastes do pistão resistam à falha por flambagem quando os cilindros hidráulicos estiverem sob forças de compressão.

A flambagem é uma forma repentina e imprevisível de falha com sérias consequências. Surge de carga excessiva no modo push – é por isso que os engenheiros prestam muita atenção às tensões de compressão ao projetar hastes de pistão.

Em cilindros de simples ação que fornecem uma força de empuxo, a haste do pistão é submetida a compressão. Ele deve ser projetado para manter a tensão axial abaixo de um limite crítico de flambagem.

Os cilindros de dupla ação também devem ser capazes de resistir à fadiga que pode surgir dos muitos milhares de ciclos que alternam entre compressão e tração. Esses ciclos criam tensão elevada em torno de imperfeições microscópicas, levando à propagação de trincas e eventual falha. A fadiga geralmente ocorre em locais com seção transversal reduzida, como raízes ou filetes de rosca, ou em defeitos em juntas soldadas.

A escolha cuidadosa do aço pode reduzir o risco de falha por flambagem e fadiga. Ao projetar cilindros com hastes delgadas, os engenheiros podem aplicar a teoria de Euler, que é um modelo de flambagem elástica. No entanto, para hastes menos delgadas, a teoria de Euler superestima muito a resistência à flambagem e os engenheiros podem se proteger contra a flambagem, voltando-se para materiais com maior resistência ao escoamento.

Essa prática foi integrada aos códigos de projeto de pilares na indústria de construção por meio de metodologias do Instituto Americano para Construção em Aço (AISC) e na Convenção Européia para Construção em Aço (ECCS).

Além disso, o padrão de guindaste prEN 13001-3-6A é um recurso útil. Ele inclui um processo para avaliar a resistência à flambagem de cilindros hidráulicos e um método para calcular o comprimento efetivo de uma haste de pistão. O comprimento efetivo depende se o cilindro está conectado apenas nas extremidades ou se possui suporte no meio na sobreposta.

Aços de haste de pistão especializados foram desenvolvidos especificamente para sistemas hidráulicos, como Cromax 180X e Cromax 280X da Ovako. O Cromax 180X vem na forma de barra cromada dura e é baseado em um aço microligado de médio carbono. Tem um limite mínimo de elasticidade de 500N/mm2 graças ao controle cuidadoso sobre a mistura de liga e processamento. Isso se compara com 305N/mm2 para o grau C45E.

Maior resistência ao escoamento significa que a haste do pistão pode suportar melhor a flambagem. Um projetista pode, portanto, reduzir o diâmetro de uma haste de pistão, cortando o peso de todo o cilindro.

Alternativamente, eles poderiam substituir uma haste de pistão C45E por uma idêntica em Cromax 180X para transmitir uma carga maior com a mesma margem de segurança contra flambagem, desde que o cilindro seja dimensionado para maior força/pressão.

Os engenheiros podem comparar diferentes graus de aço da haste do pistão usando um indicador de haste do pistão que faz parte da ferramenta Steel Navigator no site da Ovako. O preditor da haste do pistão fornece informações sobre como a resistência à flambagem é afetada por diferentes graus usando os métodos AISC e ECCS.

Os engenheiros podem usar a modelagem de fadiga para ajudá-los a projetar hastes de pistão de ação dupla. Como regra geral, a resistência à fadiga aumenta com a resistência à tração do material da haste. A resistência ao impacto garantida também pode precisar ser considerada para aplicações críticas de segurança.

Outros fatores sendo semelhantes, a maior resistência à tração do Cromax 180X oferece um desempenho de fadiga consideravelmente melhor do que o C45E. Tal como acontece com a resistência à flambagem, o uso do Cromax 180X pode permitir reduzir o tamanho de uma haste de pistão ou melhorar a resistência à fadiga com o mesmo tamanho de haste.