Analysis of the flow and load capacity of hydraulic cylinders with fluid bearings

From several years, the use of hydraulic cylinders in industrial automation field owns a great versatility. Generally, the most basic cylinders involved in industrial application are the gasket cylinders, which are limited by the elevated friction forces generated by the motion of the piston. In order to achieve higher performances in terms of frequencies, the solution could be the use of hydraulic cylinders with fluid bearings, where the piston is hydraulically supplied by an oil meatus that guarantees the lubrication. This work is focused on the flow analysis of both typologies of hydraulic cylinders with fluid bearings, which are hydrodynamic bearing cylinders and hydrostatic bearing cyinders. Both of those tecnhologies are developed by Moog, which is the company that offered the possibility to perform this work. For what concerns the hydrodynamic bearing cylinders, the study of the optimal coupling type is done for the piston and the rod in order to minimize the temperature increase and the leakage flow rate of the oil at the same time. In the case of hydrostatic bearing cylinders, a method to forecast the pressure ratios inside the hydrostatic journal bearing is developed using MATLAB and consequently the admissible load and the flow rate through the bearing can be computed. Furthermore, this work offered the explanation of a method to design the recess pocket according to the manufacturing process used. In the end, the results are verified thanks to a CFD analysis made by ANSYS FLUENT.

L'utilizzo di cilindri idraulici nel campo dell'automazione industriale, da diversi anni, risulta essere sempre più massiccio; questo forte impiego è sicuramente imputabile alla loro versatilità in campo applicativo. Nelle applicazioni industriali, i cilindri tipicamente impiegati sono quelli a guarnizioni, che sono però limitati in termini di performance dalle forze d'attrito generate dal movimento del pistone. Al fine di ottenere migliori prestazioni in termini di frequenza di lavoro, diventa necessario l'utilizzo di cilindri a sostentamento, dove il pistone è idraulicamente alimentato da un meato d'olio. Questo elaborato si concentra sull'analisi dei flussi di entrambe le tipologie dei cilindri a sostentamento, ovvero i cilindri a sostentamento idrostatico e idrodinamico. Queste tecnologie sono entrambe sviluppate da Moog, ovvero l'azienda che ha contribuito allo svolgimento di questa tesi. Per quanto riguarda i cilindri a sostentamento idrodinamico, lo studio si concentra sull'individuazione dell'ottimo intervallo di tolleranze, sia per il pistone che per lo stelo, che minimizza sia la portata di trafilamento che l'aumento di temperatura dell'olio. Nel caso dei cilindri a sostentamento idrostatico, l'elaborato offre la spiegazione di un metodo, sviluppato tramite MATLAB, che permette di calcolare i rapporti di pressioni all'interno del cuscinetto idrostatico e stimare, di conseguenza, il carico ammissibile che esso può sostenere. Inoltre, viene illustrato un metodo per dimensionare correttamente la tasca di recesso in accordo con il processo tecnologico utilizzato per la sua realizzazione. Infine, è possibile apprezzare una verifica CFD dei risultati ottenuti, svoltasi con ANSYS FLUENT.