Modellazione di tenute di cilindri pneumatici mediante AMESIM = Modeling of pneumatic cylinder seals using AMESIM

Il presente documento descrive la modellazione di tenute di cilindri pneumatici mediante AMESIM. Le tenute prese in esame per poter essere modellate sono state oggetto di prove sperimentali per determinare l'applicabilità di un semplice mezzo per ridurre la forza di attrito negli attuatori pneumatici lineari. Nei cilindri pneumatici l’attrito dipende dai fenomeni di contatto tra guarnizioni, boccole e asta ma anche dal contatto tra guarnizioni, anello di centratura e canna. Ciò che incide particolarmente sull’attrito è la qualità, le dimensioni e la finitura superficiale sia delle guarnizioni che di canne ed aste. Per ovviare a questi problemi, e quindi ridurre le forze di attrito, sono stati studiati diversi metodi e una soluzione di facile realizzazione, efficace ed economica è l’impiego di guarnizioni a labbro commerciali installate sul pistone nella direzione opposta a quella utilizzata in un'installazione convenzionale. Questo metodo si presta alle applicazioni delicate in cui grassi o altri lubrificanti devono essere evitati. Il montaggio non convenzionale consiste nel posizionare la guarnizione a labbro in verso contrario a quello convenzionale cosicché la pressione di contatto diminuisca all’aumentare della pressione dell’aria nella camera. In questo modo le guarnizioni, e in particolare il labbro, vengono deflesse dalla pressione della camera, creando un'intercapedine d'aria che svolge un'azione lubrificante, riducendo così la forza di attrito. La tenuta tra superfici in movimento relativo non è più totale, in quanto è consentita una leggera perdita che deve essere mantenuta a livelli accettabili. La modellazione mediante AMESIM si pone l’obiettivo di modellare tale tipo di tenuta ed analizzare le perdite di portata in modo tale da essere accettabili, anche nel caso di materiali diversi da quelli utilizzati nelle prove sperimentali. Tramite le misurazioni del coefficiente di rigidezza e di attrito, attraverso le prove sperimentali, è stato creato un modello preliminare a parametri concentrati della guarnizione a labbro utilizzato per analizzare le flessioni del labbro, le forze scambiate e la perdita di portata tra la guarnizione e il cilindro. Il modello a parametri concentrati è stato fondamentale per modellare la tenuta in AMESIM usando le librerie di pneumatica, meccanica 1D e segnali. In particolare, per modellare il traferro d’aria, non essendo presente in AMESIM un blocco orifizio in cui fosse implementata l’equazione di Reynolds, è stato creato mediante segnali che comunicano tramite interfacce pneumatiche. Inizialmente è stato creato un modello che prevedesse una molla di rigidezza elevatissima che simulasse la canna del cilindro, ma successivamente è stata eliminata poiché tale molla subiva una deformazione e in questo modo la rigidezza della canna risulta infinita. Inoltre, in un primo momento sono stati utilizzati i valori di forza di pressione sperimentali e successivamente sono stati linearizzati in modo da risultare validi qualora si usasse un materiale diverso da quello delle prove sperimentali. Dopo un’attenta modellazione del cilindro pneumatico e della tenuta, considerando sei diversi materiali e variando i parametri di rigidezza del materiale, interferenza e rigidezza della molla, sono state analizzate le perdite di portata all’interfaccia cilindro-tenuta. In conclusione, attraverso la funzione obiettivo presente in AMESIM sono stati calcolati i parametri in modo tale da avere delle perdite di portata accettabili come nelle prove sperimentali.