Empêcher le flambage de la tige de piston dans les vérins hydrauliques

Mattias Awad explique comment les concepteurs en génie mécanique peuvent utiliser un acier de tige de piston spécialisé à plus haute résistance pour augmenter la résistance au flambage dans les vérins hydrauliques

Les vérins hydrauliques contrôlent les charges lourdes avec une grande précision dans les véhicules de construction, les équipements de levage, les machines agricoles, les éoliennes et d'autres applications industrielles. Leurs concepteurs doivent veiller à ce que les tiges de piston résistent au flambage lorsque les vérins hydrauliques sont soumis à des forces de compression.

Le flambement est une forme de défaillance soudaine et imprévisible aux conséquences graves. Cela provient d'une charge excessive en mode poussée - c'est pourquoi les ingénieurs accordent une attention particulière aux contraintes de compression lors de la conception des tiges de piston.

Dans les vérins à simple effet qui fournissent une force de poussée, la tige de piston est soumise à une compression. Il doit être conçu pour maintenir la contrainte axiale en dessous d'un seuil de flambement critique.

Les vérins à double effet doivent également être capables de résister à la fatigue qui peut résulter des plusieurs milliers de cycles qui alternent entre compression et tension. Ces cycles créent des contraintes élevées autour des imperfections microscopiques, entraînant la propagation de fissures et une éventuelle défaillance. La fatigue se produit généralement à des endroits avec une section transversale réduite, tels que les racines ou les congés de filetage, ou à des défauts dans les joints soudés.

Un choix judicieux de l'acier peut réduire le risque de défaillance due au flambage et à la fatigue. Lors de la conception de cylindres avec des tiges minces, les ingénieurs peuvent appliquer la théorie d'Euler, qui est un modèle de flambement élastique. Cependant, pour les tiges moins fines, la théorie d'Euler surestime considérablement la résistance au flambage et les ingénieurs peuvent se protéger contre le flambage en se tournant vers des matériaux à plus haute limite d'élasticité.

Cette pratique a été intégrée dans les codes de conception des poteaux de l'industrie de la construction et du bâtiment grâce aux méthodologies de l'American Institute for Steel Construction (AISC) et de la European Convention for Constructional Steelwork (ECCS).

De plus, la norme de grue prEN 13001-3-6A est une ressource utile. Elle comprend un processus d'évaluation de la résistance au flambement des vérins hydrauliques et une méthode de calcul de la longueur effective d'une tige de piston. La longueur effective dépend du fait que le cylindre soit simplement connecté aux extrémités ou qu'il ait un support au milieu au niveau du presse-étoupe.

Des aciers de tige de piston spécialisés ont été développés spécifiquement pour l'hydraulique, comme le Cromax 180X et le Cromax 280X d'Ovako. Cromax 180X se présente sous la forme d'une barre chromée dure et est basé sur un acier micro-allié à teneur moyenne en carbone. Il a une limite d'élasticité minimale de 500 N/mm2 grâce à un contrôle minutieux du mélange d'alliage et du traitement. Cela se compare à 305N/mm2 pour la nuance C45E.

Une limite d'élasticité plus élevée signifie que la tige de piston peut mieux résister au flambage. Un concepteur peut donc réduire le diamètre d'une tige de piston, réduisant ainsi le poids de l'ensemble du cylindre.

Alternativement, ils pourraient remplacer une tige de piston C45E par une tige identique dans Cromax 180X pour transmettre une charge plus importante avec la même marge de sécurité contre le flambage, à condition que le vérin soit dimensionné pour la force/pression plus élevée.

Les ingénieurs peuvent comparer différentes qualités d'acier de tige de piston à l'aide d'un prédicteur de tige de piston qui fait partie de l'outil Steel Navigator sur le site Web d'Ovako. Le prédicteur de tige de piston donne un aperçu de la façon dont la résistance au flambement est affectée par différentes nuances en utilisant les méthodes AISC et ECCS.

Les ingénieurs peuvent utiliser la modélisation de la fatigue pour les aider à concevoir des tiges de piston à double action. En règle générale, la résistance à la fatigue augmente avec la résistance à la traction du matériau de la tige. Il peut également être nécessaire d'envisager une résistance aux chocs garantie pour les applications critiques pour la sécurité.

Les autres facteurs étant identiques, la résistance à la traction plus élevée du Cromax 180X offre des performances de fatigue considérablement meilleures que celles du C45E. Comme pour la résistance au flambage, l'utilisation de Cromax 180X pourrait permettre soit de réduire la taille d'une tige de piston, soit d'améliorer la résistance à la fatigue avec la même taille de tige.

Les ingénieurs doivent également concevoir pour la fabrication. Par conséquent, il est important de considérer l'impact sur l'usinage et la production. L'usinabilité des nuances Cromax a été entièrement testée en tournage et en filetage. Même si sa résistance et sa dureté sont considérablement plus élevées, l'acier peut être traité efficacement par rapport à des matériaux tels que le C45E.

La soudabilité est également importante - et en particulier le soudage par friction, qui est souvent utilisé sur les tiges de piston qui seront soumises à de lourdes charges. Les ingénieurs veulent éviter la formation de constituants fragiles dans la zone affectée par la chaleur de la soudure (ZAT).

Les nuances Cromax sont un bon choix grâce à la teneur en alliage qui a été développée pour éviter le risque de ségrégation centrale qui pourrait conduire à une fragilisation après soudage par friction. Avec leur limite d'élasticité plus élevée, cela en fait un bon choix pour aider les concepteurs de systèmes hydrauliques à améliorer les performances et à réduire la taille des systèmes.

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