Cilindri Idraulici Rotanti: Funzionamento e Applicazioni
I cilindri idraulici sono elementi fondamentali nei sistemi meccanici dove è richiesta una forza notevole. Questi vengono utilizzati in varie applicazioni, dalla costruzione all’ingegneria pesante. Tali dispositivi trasformano l’energia del fluido idraulico in forza meccanica.
Principio di Funzionamento dei Cilindri Idraulici
Il cilindro, come il motore idraulico, è un attuatore che converte energia idraulica in energia meccanica. A differenza del motore che ha un moto rotatorio e trasmette una coppia, il cilindro ha un moto rettilineo e trasmette una forza.
Il funzionamento dei cilindri idraulici si verifica grazie all’applicazione di una forza lungo la direzione della loro estensione. Il ciclo di lavoro di un cilindro idraulico inizia con l’immissione del fluido idraulico attraverso una valvola. Quando il fluido entra nel cilindro genera pressione che sposta il pistone lungo il cilindro stesso. Questo movimento sposta a sua volta lo stelo del pistone che è connesso all’attrezzatura o al carico da muovere.
Componenti Principali di un Cilindro Idraulico
I cilindri idraulici sono composti da:
- Cilindro
- Stelo
- Tappo guida o testata
Tipologie di Cilindri Idraulici
Esistono diverse tipologie di cilindri idraulici, ognuna con caratteristiche specifiche per diverse applicazioni:
Cilindro a Semplice Effetto
Il cilindro a semplice effetto è caratterizzato da un cilindro collegato alla centrale idraulica da un solo tubo. Nei cilindri a semplice effetto, l’olio in pressione entra in una sola camera e può quindi comandare movimenti solo in una direzione. Questo tipo di cilindro può effettuare solo un’azione di spinta e a seconda delle necessità, può essere dotato o meno di pistone di guida interno. Questo tipo di cilindro viene utilizzato quando l’esistenza di una forza di contrasto di direzione certa garantisce il movimento di rientro nella posizione iniziale.
In questo caso l'operatore può muovere il pistone nelle due direzioni, quindi attraverso una pompa potrà farlo andare avanti ed indietro a piacimento. Questa tipologia di pistone garantisce all'operatore il massimo controllo sul mezzo meccanico che deve governare.
Cilindro a Doppio Effetto
Il cilindro a doppio effetto possiede due superfici utili contrapposte di area uguale o diversa ed è munito di due attacchi di alimentazione, che in maniera alternativa funzionano uno da alimentazione vera e propria e l’altro da scarico. Il cilindro a doppio effetto differenziale possiede due superfici utili contrapposte di sezione diversa ed è munito di due attacchi di alimentazione. Il cilindro si dice differenziale perché le due sezioni utili sono diverse.
Cilindro a Due Steli
Il cilindro a due steli è ottenuto collegando al pistone due steli di diametro uguale o diverso, comunque inferiore a quello del pistone. Se i diametri dei due steli sono uguali, lo sono anche le aree anulari sui due lati del pistone, per cui a parità di pressione sono uguali le forze sviluppate nei due sensi.
Costruzioni Particolari di Cilindri
Esistono una serie di costruzioni particolari di cilindri. Grazie a questa costruzione di ottiene, per un dato diametro del pistone e per una data pressione, il raddoppio della superficie utile e quindi della forza sviluppata. Questi cilindri trovano impiego soprattutto nella costruzione delle presse.
Finché non è richiesta la forza massima di pressata, la pressione agisce su una sezione ridotta, corrispondete al cosiddetto pistone veloce o pistone di avvicinamento. Nel momento in cui è richiesta la forza massima, la pressione, per intervento di una valvola di sequenza o di un finecorsa va ad agire sulla sezione totale.
Cilindro Telescopico
Il cilindro telescopico si distingue dal cilindro normale perché a parità di corsa presenta una lunghezza in posizione rientrata nettamente inferiore. Grazie al rientro telescopico dei pistoni, l’ingombro è uguale alla corsa divisa per il numero di elementi più una quota morta (spessore del fondello, lunghezza della guida, elementi di fissaggio).
Per una data corsa totale i cilindri telescopici possono essere costituiti a 2- 3-4-5 elementi a seconda dei limiti di ingombro prefissati. Per lo stesso motivo, per un valore prefissato di pressione e portata, il movimento di uscita di un cilindro telescopico, inizia con la massima forza e la minima velocità e si conclude con la minima forza e la massima velocità.
Esecuzione Costruttiva dei Cilindri Oleodinamici
L’esecuzione costruttiva di un cilindro oleodinamico dipende innanzitutto dalla particolare applicazione alla quale è destinato: in funzione dell’impiego previsto, che può spaziare dalle macchine utensili alle macchine per movimento terra, dalle centrali elettriche agli impianti siderurgici e alle acciaierie, occorre valutare quali siano le caratteristiche costruttive più idonee.
Nei cilindri a tiranti, la testata, il mantello cilindrico ed il fondello sono tenuti insieme da tiranti. Nei cilindri a profilo circolare, la testata, il corpo e il fondello sono congiunti strettamente tra di loro con viti o per saldatura o mediante anelli di bloccaggio. Tutti i componenti sono dimensionati per garantire un elevato grado di sicurezza anche alla pressione massima.
Nell’industria moderna la precisione nella lavorazione, la qualità del prodotto, la sicurezza del personale e degli impianti, nonché la rapidità di bloccaggio e sbloccaggio dei pezzi in lavorazione, sono elementi essenziali per la produttività e competitività dell’azienda. I sistemi di bloccaggio Olmec, ad alta pressione, assicurano, grazie alla loro compattezza ed efficienza di lavoro, una sensibile riduzione dei tempi. Realizzati con acciai titolati, trattati termicamente, provvisti di guide antifrizione in bronzo, sono assemblati con guarnizioni di vario genere quali Teflon® caricato, Poliuretano e O-Ring.
La temperatura massima del fluido in pressione non deve superare i 60 °C, pertanto per applicazioni superiori e’ sempre bene specificarlo al fine di disporre i cilindri di guarnizioni adeguate. Per un buon funzionamento dei cilindri si consiglia di rispettare alcune delle principali regole: temperatura olio 0°C ÷ + 40°C; temperatura ambiente + 5°C ÷ + 40°C; viscosità’ olio idraulico 3°E / 50°C - ISO 32 / 46.
Il bloccaggio oleodinamico utilizzato nelle attrezzature concepite per la trasformazione dei particolari da lavorare su centri di lavoro convenzionali o che utilizzino sistemi pallettizzati presenta vantaggi consistenti. La riduzione dei tempi di inattività è un fattore importante per accrescere la produttività e ottimizzare lo sfruttamento delle risorse disponibili. Nei centri di lavoro flessibili si punta a ridurre i tempi di ciclo della produzione.
La collocazione e il bloccaggio di particolari diversi su un unico dispositivo di fissaggio (cosi come la loro rimozione successiva) rappresentano spesso un fattore temporale determinante per il processo. Per essere produttivi ed efficaci, le procedure di posizionamento, bloccaggio, supporto e di carico-scarico dei pezzi devono essere rapide, semplici e sicure. Ciò è ancor più importante nel caso di particolari di grandi dimensioni dove risulta necessario riposizionare più volte il pezzo da lavorare, in questo caso un sistema di bloccaggio automatico o semiautomatico permetterà di finire il pezzo in un’unica fase.
Il posizionamento e il bloccaggio oleodinamico sono metodi efficaci e affidabili. Il principale vantaggio di un sistema di bloccaggio oleodinamico è lo straordinario risparmio di tempo che si ottiene nella fase di blocco e sblocco dei pezzi da lavorare. Se si confrontano i tempi del bloccaggio oleodinamico con quelli di un sistema manuale, il risparmio non è inferiore al 90-95%. Altrettanto importante quanto il risparmio di tempo è la precisione di funzionamento che i sistemi di bloccaggio debbono avere così anche la stabilità della forza di bloccaggio. Pertanto più il posizionamento e il bloccaggio risulteranno precisi più il sistema garantirà una lavorazione e una qualità uniformi.
Un terzo vantaggio del bloccaggio oleodinamico è l’utilizzo ottimale dello spazio grazie all’impiego di componenti standard compatti e alla possibilità di intervenire in zone inaccessibili con le procedure manuali.
Il disegno di base di uno studio per il bloccaggio dei particolari da lavorare è identico, sia che utilizzi un sistema manuale o oleodinamico. Occorre che la struttura sia abbastanza rigida e pesante da evitare deformazioni e vibrazioni dovute ai movimenti della macchina e alle forze di bloccaggio. Inizialmente basta posizionare, supportare e bloccare i componenti non ancora lavorati su tre punti prestabiliti. La posizione di un pezzo bloccato su tre punti è staticamente determinata come quella di un tavolo con tre gambe.
Bloccare fermamente il particolare per la lavorazione. Durante il posizionamento si posiziona il pezzo contro riscontri fissi. Poi lo si blocca in posizione in modo che in fase di lavoro non venga spostato dalle forze di taglio. Può essere necessario inoltre supportare il pezzo in altri punti per contrastare le deformazioni, le vibrazioni e altre componenti negative, tali forze potrebbero deformarlo e compromettere la precisione della lavorazione. Per contrastarle il pezzo viene vincolato da cilindri di supporto, con una forza minima di contatto del pistone (pressione di una molla leggera da 9 a 15N circa) che successivamente viene bloccato oleodinamicamente in posizione fissa.
I componenti Enerpac consentono di assolvere a tutte e tre le funzioni, che devono intervenire nell’ordine corretto. Occorre cioè attivare in sequenza i cilindri giusti nel momento giusto. Si utilizzano solitamente per questo scopo valvole di sequenza o valvole direzionali a solenoide assemblate quest’ ultime direttamente sull’unità di azionamento.
Quando si progetta un sistema idraulico per il bloccaggio dei pezzi, la giusta scelta dei componenti è determinante. Ecco un paio di elementi da considerare: c’è spazio sufficiente? Il bloccaggio lungo il bordo è appropriato o dovrebbe essere interno? Pertanto la configurazione va decisa caso per caso e in alcune circostanze occorre utilizzare sistemi con componenti speciali. Da qui può sorgere un dubbio sull’opportunità di utilizzare il bloccaggio oleodinamico.
Quando si decide di sviluppare un sistema di bloccaggio oleodinamico l’adozione di un piano logico offre la maggiore probabilità di successo. In particolare la scelta dei dispositivi di bloccaggio in funzione della sequenza di lavoro è assai critica. A questo scopo Enerpac offre una gamma completa di prodotti per il bloccaggio oleodinamico.. In un sistema di bloccaggio oleodinamico si possono utilizzare componenti standard quali i cilindri a staffa rotante , i cilindri di supporto (per il supporto preciso dei pezzi) e i cilindri lineari (per bloccaggio e posizionamento del pezzo).
I cilindri a staffa rotante hanno un ruolo essenziale nel bloccaggio oleodinamico. Sono stati sviluppati per consentire il maggiore disimpegno nella fase di carico-scarico dei pezzi da lavorare. Adottano una combinazione di moto lineare e rotatorio. La rotazione (a sinistra o a destra) si ottiene grazie a una camme elicoidale che permette di far ruotare il pistone e la staffa di bloccaggio durante la parte iniziale del movimento di bloccaggio, mentre la parte finale è lineare. Un staffa di bloccaggio brevettata, trasmette le forze determinate dalla capacità del cilindro rotante al pezzo.
Per i casi in cui si richieda la possibilità di lavorare l’intera superficie superiore di un pezzo sono disponibili dei cilindri di bloccaggio che agiscono sull’asse orizzontale. Per i casi in cui la pressione oleodinamica non può essere applicata durante la fase di lavoro (ad esempio su un ‘attrezzatura di bloccaggio pallettizzata o quando esiste un’ impedimento dato dai tubi flessibili) ci sono i “cilindri con bloccaggio a molla”. Le molle a
I sistemi di bloccaggio oleodinamico offrono molti importanti vantaggi. Il maggiore è rappresentato dalla riduzione dei tempi di carico e scarico rispetto al serraggio manuale convenzionale, da cui consegue una maggiore possibilità d’impiego su ogni tipo di macchina. In caso di particolari esigenze (non previste dalla gamma di prodotti già esistente) Enerpac progetta e fornisce speciali prodotti per l’automazione.
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Staffaggi Idraulici e Staffe Rotanti
Nell’ambito dei bloccaggi idraulici esistono tantissime tipologie di cilindri. Gli staffaggi idraulici sfruttano l’olio come sorgente di potenza, per muovere il pistone all’interno di un’opportuna sede al fine di generare una forza. Nello specifico, le staffe rotanti sono cilindri dotati di movimento composito: il movimento verticale del pistone permette di far ruotare la staffetta di bloccaggio (il leveraggio) e allinearlo in una posizione specifica per consentirgli di effettuare una corsa verticale, la quale viene poi effettuata per raggiungere il pezzo e serrarlo.
Tale rotazione viene eseguita a mezzo di piste scavate nello stelo, all’interno delle quali scorrono 2 o più sfere (in base al tipo di meccanismo). In virtù del fatto che la forza non viene esercitata direttamente in asse con lo stelo del pistone, è naturale che le staffe rotanti subiscano una flessione. In base ai parametri forniti dal costruttore è possibile fare in modo che tale flessione rimanga entro i limiti di guardia e non solleciti in maniera eccessiva il cilindro. In casi estremi, un carico eccessivo in relazione al braccio di leva potrebbe causare rotture o comunque danni irreparabili al componente.
Le staffe a rotanti possono avere rotazione destrorsa o sinistrorsa, al fine di liberare l’area di carico e scarico del pezzo in modo ottimale. Il controllo può avvenire in forma pneumatica o elettrica, nelle posizioni di bloccaggio o sbloccaggio, così come di entrambe. L’idraulica di azionamento può essere a bassa (70 bar) o alta (350/500 bar) pressione, per consentire un dimensionamento ottimale dei cilindri. Chiaramente l’alta pressione presenta numerosi benefici, quali la possibilità di ridurre al massimo le dimensioni dei cilindri, impiegare meno olio a parità di corsa e distanziare in modo efficace azionamenti diversi dei serraggi se si volessero usare valvole di sequenza.
Le staffe rotanti possono essere impiegate in forma di cilindri a semplice effetto (dove l’apertura è consentita da una molla), oppure a doppio effetto, ideale in caso di automazione.
All’atto del dimensionamento della staffetta di bloccaggio è anche bene tenere conto del suo ingombro e delle masse in gioco, che confluiscono in un opportuno momento d’inerzia. Tale parametro ha un influsso diretto sulla vita utile del componente e sulle sollecitazioni che subirà nel corso della sua vita. Per non sollecitare in modo eccessivo i componenti è inoltre necessario tenere sotto controllo la portata d’olio, al fine di evitare che sia troppo elevata e comporti una movimentazione eccessivamente rapida dei cilindri. Le moderne staffe rotanti possono effettuare l’operazione di bloccaggio nell’intorno del secondo, grazie ad anni di sviluppo tecnologico.
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