Cilindro Idraulico per Pressa: Funzionamento e Manutenzione

Nell’ingegneria meccanica, la dinamica dei fluidi, e in particolare l’oleodinamica, riveste un ruolo di notevole importanza. L'oleodinamica studia la trasmissione di energia attraverso fluidi in pressione, dove l’olio idraulico funge da "vettore energetico". In un'applicazione idraulica tipica, l'olio viene utilizzato per azionare un martinetto o un motore idraulico. Il flusso generato dalle pompe all’interno dei circuiti può produrre sia forza che coppia, generando effetti meccanici lineari o rotatori.

Componenti di una Centralina Oleodinamica

Le centraline oleodinamiche sono componenti fondamentali nei sistemi idraulici, utilizzabili sia a terra che in applicazioni navali. Un sistema idraulico sfrutta l'energia immagazzinata nei suoi componenti, come motori e cilindri, per movimentare oggetti attraverso la circolazione del fluido. Le centraline oleodinamiche sono composte da diversi elementi essenziali:

• Motori: Possono essere elettrici o a combustione e forniscono l'energia necessaria per ottenere la pressione desiderata nell'olio.
• Pompa Sommersa con Misuratore di Pressione: Fornisce l'energia per pressurizzare il liquido nel circuito.

Le centraline oleodinamiche trovano applicazione in vari settori, tra cui siderurgia, energia, alimentare, automobilistico, cantieristica navale ed edile, smaltimento rifiuti, industria tessile, agricoltura e industria plastica con applicazioni alle presse.

Cilindri Oleodinamici

Un tipo di attuatore lineare è il cilindro oleodinamico, composto da un cilindro e un pistone (o stelo). Lo stelo è azionato da un fluido incomprimibile, solitamente olio idraulico, che esercita pressione sul pistone generando il movimento. I cilindri variano in base alla loro funzione e tipologia, potendo essere a semplice effetto, doppio effetto, telescopici o a tiranti.

I cilindri telescopici offrono corse elevate con ingombro ridotto quando non in uso, ma presentano strutture complesse.

Il pistone idraulico è tipicamente costituito da un tubo chiuso da due terminali: il fondello e la testata. All'interno scorre uno stelo. Molto frequentemente, il pistone è congiunto allo stelo tramite un collegamento a filetto.

Per prevenire lo svitamento del pistone, i costruttori di cilindri hanno adottato personali soluzioni empiriche. Ad esempio, il pistone autobloccante realizzato dalla Naldoni e Biondi S.r.l. è caratterizzato da un collare realizzato in nylon, inserito a termine del filetto che serve a collegare lo stelo col pistone, con solchi autofrenanti che bloccano ogni possibilità di rotazione del pistone.

Campi di Impiego dei Cilindri Idraulici

Sono molte le situazioni nelle quali occorre mantenere gli steli in una determinata posizione: ad esempio, per proteggere uomo, macchina e arnesi in caso di guasti energetici o spegnimento dell’impianto, oppure nel corso della produzione, per fissare assi durante un processo, nonché per tutte le applicazioni ultra dinamiche e le procedure di controllo.

Durante la produzione delle traverse ferroviarie ICE, i pezzi in calcestruzzo estremamente grandi e pesanti devono essere posizionati per la rettifica con una precisione di 0,01 mm e in modo sicuro. Le sovrastrutture per le prove sui velivoli sono ingegnose fino all'ultimo dettaglio. I cilindri Hänchen sono utilizzati in diverse aree di prova per simulare le condizioni ambientali e i carichi durante le singole fasi di volo. I cilindri di chiusura di Hänchen garantiscono un movimento sicuro della pressa. Per la manutenzione, i treni devono essere fissati in posizione rialzata - il Ratio-Clamp® è l'ideale per questo. Nella produzione di profili metallici, le unità di serraggio di Hänchen garantiscono una lavorazione precisa e una qualità costante; durante il processo di produzione, essi assicurano che i profili vengano lavorati bloccando gli utensili di sagomatura.

Il Sistema di Bloccaggio Idraulico Ratio-Clamp® Hänchen

Il sistema di bloccaggio idraulico Ratio-Clamp® Hänchen offre sicurezza, permettendo nel contempo anche di risparmiare costi energetici. Infatti, grazie all’ingegnoso principio di funzionamento, il sistema di bloccaggio offre enormi vantaggi rispetto ad altre possibilità di fissaggio.

Il sistema di bloccaggio idraulico Ratio-Clamp® funziona meccanicamente mediante chiusura per attrito: molle trasmettono forza a un manicotto di bloccaggio che mantiene lo stelo mediante attrito radiale. Il fissaggio è resistente in tutte le direzioni. Il pistone di bloccaggio, grazie alla pressione di sbloccaggio idraulica, viene mosso in senso opposto a quello della forza della molla sbloccando il bloccaggio: lo stelo può quindi muoversi in entrambe le direzioni. Se la pressione di rilascio diminuisce, la forza accumulata nelle molle viene rilasciata e causa il bloccaggio dell'asta. Il carico è possibile subito dopo il serraggio. Non è richiesto alcun movimento assiale dell'asta.

La pressione idraulica di sbloccaggio sposta il pistone di bloccaggio contro la forza della molla e rilascia il bloccaggio.

Ci sono diversi modi per ottenere questo risultato se si ha un'applicazione in cui un'asta rotonda deve essere tenuta in una posizione definita: con il controllo elettronico, il bloccaggio di tutti i collegamenti, il bloccaggio con bulloni o utilizzando l'unità di bloccaggio Ratio-Clamp®.

Esempio Applicativo: Confronto del Consumo Energetico

Consideriamo un cilindro idraulico con alesaggio pari a 80 mm, mosso a 150 bar a una velocità di 0,5 m/s. La potenza motrice necessaria è di 38 kW.

Nel caso della regolazione elettronica con pompa a portata variabile, la potenza dissipata dalla pompa è di ca. 1,25 kW. Sono inoltre da prevedere perdite a livello di valvola di regolazione pari a ca. 1,25 kW. Quindi, nel presente esempio, la potenza dissipata totale dell’azionamento controllato si eleva a 2,5 kW.

Certificazioni

Ogni unità di chiusura Ratio-Clamp® è certificata come elemento di sicurezza con un esame del tipo da parte del TÜV SÜD. Questa unità di serraggio è dotata del certificato del DGUV Test (sistema di prova e certificazione dell'assicurazione sociale tedesca contro gli infortuni). Per l'impiego come componente di sicurezza ridondante è disponibile un valore B10D secondo EN ISO 13849-1 per il Ratio-Clamp®. La doppia sicurezza richiesta dal DGUV per la forza di tenuta massima è già presa in considerazione nelle specifiche di carico.

Funzionamento

In circostanze normali lo stelo viene bloccato attraverso l’energia immagazzinata nelle molle. È così possibile mantenere lo stelo senza apporto di energia per una durata illimitata. Se sono necessarie elevate forze di tenuta, il sistema di bloccaggio può essere bloccato anche idraulicamente.

Guarnizioni

Nella versione base, la testa di serraggio Ratio-Clamp® lavora con il sistema di tenuta ad attrito ottimizzato Servocop®. In questo sistema, la guarnizione primaria si appoggia all'asta. La velocità massima dell'asta è di 1 m/s. Servocop®: guarnizione compatta, anello scanalato, raschiatore Tenuta pistone di chiusura, anello scanalato, raschiatore: Per applicazioni molto sensibili, si consiglia la versione con tenuta a pistone in pressione, dove nessuna guarnizione pressurizzata tocca lo stelo. Di conseguenza, l'attrito di scorrimento è estremamente basso e costante indipendentemente dalla pressione di rilascio.

Installazione e Controllo

La testa di serraggio Ratio-Clamp® può essere combinata con i cilindri idraulici Hänchen e i cilindri standard, nonché con tutte le altre marche. L'attacco ai cilindri idraulici di Hänchen o secondo ISO 6020-1, ISO 6020-2 e di altre marche avviene tramite una flangia fissa. A tale scopo, lo stelo del pistone deve essere allungato in funzione della lunghezza dell'unità di serraggio.

Il rispettivo stato - asta bloccata o sbloccata - può essere interrogato tramite interruttori di prossimità induttivi. Il dispositivo per il montaggio di un interruttore di prossimità è disponibile di serie. Su richiesta, l'unità di bloccaggio può essere progettata con due interruttori di prossimità. Quando si utilizza il Ratio-Clamp® come componente di sicurezza o con la certificazione di prova DGUV richiesta, è obbligatorio il montaggio di un interruttore di prossimità con uscita diagnostica. Si utilizza quando la testa di serraggio Ratio-Clamp® è fissata ad un cilindro idraulico. Assicura un controllo logico e funzionale e quindi riduce lo sforzo di circuito.

Quando si controlla un Ratio-Clamp®, esso deve essere prima rilasciato esercitando pressione sulla connessione di rilascio, solo dopo si può spostare l'asta. Quando si utilizza un'unità di bloccaggio insieme ad un cilindro idraulico, questo può essere fatto con un controllo di sequenza idraulico o con un monitoraggio elettronico. In questo modo, i sensori di un sistema di controllo elettronico possono misurare il carico su cilindri installati verticalmente per accumulare contropressione. In questo modo si evita che l'asta si scatti durante lo sbloccaggio.

Questo può essere ottenuto anche con un blocco di controllo idraulico: Prima si accumula la pressione di sbloccaggio, poi il cilindro viene pressurizzato. L'asta da serrare deve avere una superficie dura e deve soddisfare i requisiti minimi per l'installazione del Ratio-Clamp®. Ulteriori forze di tenuta e Ø dell'asta su richiesta.

Il bloccaggio idraulico è possibile fino a 2.000 kN di forza di tenuta e asta Ø 300 mm.

Accumulatori: Funzionamento e Tipi

Funzione fondamentale degli accumulatori è mantenere il più possibile regolare nel tempo l’andamento dei valori di pressione e di portata dell’olio che circola nel sistema oleodinamico, rendendone “fluide” e senza picchi le variazioni. Spesso infatti sono detti anche “smorzatori”. Fisicamente questo compito viene svolto da un fluido comprimibile, tenuto separato dall’olio e in grado di comprimersi od espandersi in funzione e sincronia con le fluttuazioni di pressione dell’olio stesso.

Gli accumulatori possono essere impiegati in sostituzione o integrazione delle pompe, anche se ciò è possibile per intervalli di tempo molto brevi. Tipicamente, “punte” di fabbisogno di energia oppure il caso di dispositivi di emergenza che debbano comunque intervenire in caso di blocco dei componenti operatori veri e propri (es. Valvole di intercettazione ad azionamento oleodinamico) oppure l’impiego di accumulatori a scarica comandata preposti a fornire un surplus di energia in fase di avviamento e messa a regime di impianti complessi.

Esistono accumulatori in cui il fluido incomprimibile (olio o altro) è a diretto contatto col gas compresso. Sono i più diffusi sugli impianti oleodinamici. Il punto di installazione ottimale è il più possibile vicino agli attuatori che generano le perturbazioni da controllare.

Tipi di Accumulatori

• Accumulatori a Sacca e a Membrana: I due tipi di accumulatori sono abbastanza simili, somigliando a una piccola bombola ed essendo accomunati dal fatto che olio e gas compresso sono separati da un elemento in elastomero, ma hanno caratteristiche diverse. Quello a membrana infatti è costituito da due metà, saldate di testa dopo il fissaggio della membrana oppure filettate. Anche per sacca e membrana la varietà di elastomeri disponibili è molto ampia, in quanto le condizioni di esercizio sono tra le più diverse. L’ accumulatore a membrana saldato, in caso di rottura della medesima non è riparabile, mentre quello filettato lo è.
• Accumulatori a Pistone: In questo caso la variazione controllata di volume è affidata allo scorrimento di un pistone flottante, che funge anche da elemento di separazione tra l’olio e l’azoto. Il principio di funzionamento non cambia. La testa del pistone lato olio ( piana o opportunamente sagomata) funge anche da otturatore. Gli accumulatori a pistone sono utilizzati per impieghi mediamente più gravosi degli altri e richiedono una lavorazione accurata della camicia di scorrimento; pertanto si usano di norma acciaio al Carbonio, acciaio Inox e alluminio.

Volendo abbinare il controllo di posizione alla funzione principale di accumulatore, la tendenza dominante è quella di dotare di appositi sistemi ( senza contatto diretto) il pistone flottante classico con contrasto a gas in pressione. Questo grazie a sensori - trasduttori magnetici, capacitivi etc. che dialogano con centraline esterne.

Monitoraggio degli Accumulatori

Modalità e frequenza di intervento dell’accumulatore risultano monitorabili in continuo, consentendo un controllo in tempo reale della funzionalità dell’accumulatore da parte della Manutenzione e di eventuali scostamenti dal range prefissato.

Manutenzione dei Filtri

Cambiare o pulire necessariamente o come indicato sui filtri forniti con indicatore visivo. Deve essere pulito dopo 10 ore di funzionamento inizialmente e successivamente ogni 100 ore. La pulizia o sostituzione dei filtri dell'impianto viene effettuata per evitare la grippatura della pompa. Durante lo smontaggio dei filtri viene valutata la necessità della loro sostituzione oppure la semplice pulizia.

Controllo della Temperatura dell'Olio

L’olio del sistema idraulico è stato progettato per funzionare entro un preciso intervallo di temperatura. Nella maggior parte dei casi, circa 49°C (120°F) al serbatoio è considerata una temperatura operativa ideale. Esistono diversi modi per controllare la temperatura dell’olio. Il metodo migliore e più accurato è per mezzo di un termometro.

Il controllo periodico della temperatura dell’olio è una buona manutenzione preventiva. L’olio deve essere controllato dopo le prime 100 ore e va verificato che la classe d’olio soddisfi i requisiti della pompa utilizzata. Utilizzare contenitori, tubi e impianti puliti durante il riempimento del serbatoio. Controllare sempre la temperatura dell’olio nel serbatoio. L’olio che è diventato troppo caldo apparirà più scuro e si sentirà più sottile dell'olio nuovo. Avrà anche odore di bruciato.

Valvole

Se le valvole di controllo del flusso o di scarico sono in funzione, controllare e regolare le loro impostazioni. Una valvola bloccata può causare calore eccessivo. Se una bobina non torna immediatamente nella posizione neutra, il flusso della pompa si scaricherà continuamente. Se una valvola limitatrice è impostata su un valore troppo basso, parte dell’olio verrà scaricato attraverso la valvola stessa ad ogni ciclo. Anche questo è fonte di eccessivo calore.

Altri Controlli

Mantenere l’apparecchiatura pulita. Uno spesso strato di sporco funge da isolante. Nei giorni e nei climi caldi, controllare e cambiare l’olio più frequentemente. Verificare che non ci siano Sfiato d’aria interrotto e che la Viscosità del fluido non sia troppo bassa.

Colpo d'Ariete

Essendo l’olio incomprimibile, repentini incrementi di pressione determinano quello che in idraulica prende il nome di “colpo di ariete”. L’energia in eccesso impatta su tutto il circuito, causando danni o usura precoce. Esiste anche il problema opposto, quello di bruschi cali di pressione, quando ad esempio la richiesta di portata degli attuatori supera la portata della pompa e la mancanza di continuità di pressione crea problemi nell’esecuzione della funzione richiesta (es. allentamento di un bloccaggio, movimenti discontinui, perdita di ciclo etc.).

Per inciso, quanto sopra descritto costituisce anche un segnale per il manutentore.

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