I due cilindri di un martinetto idraulico: funzionamento e applicazioni

I martinetti sono dispositivi deputati alla generazione di una forza per la movimentazione o il sollevamento di componenti o strutture. I martinetti sono, in genere, classificati in relazione alla capacità massima di sollevamento, ad esempio, in ambito industriale, sono dimensionati per carichi fino ad alcune tonnellate. I martinetti possono inoltre essere suddivisi a seconda della tipologia di forza impiegata: meccanica, idraulica o pneumatica.

In ambito ingegneristico ed industriale, il calcolo della forza del martinetto è utile in tutti quei settori in cui è necessario sollevare, posizionare o stabilizzare carichi pesanti. I martinetti possono essere poi impiegati per stabilizzare ponti ed edifici, mediante applicazione di una forza che si opponga ai carichi o ai movimenti esterni. I martinetti sono infine utilizzati per regolare l’altezza di piattaforme o palchi, ad esempio nel settore dell’intrattenimento o simili.

Riguardo le modalità di installazione, è bene ricordare che quest’ultima dovrebbe essere eseguita evitando carichi radiali/laterali, che rappresentano la principale causa di guasti dell’elemento filettato che trasmette il moto e il carico. La vite e il piano di base del martinetto devono essere ortogonali fra loro ed occorre verificare l’assialità tra il carico esterno e la vite stessa, evitando disallineamenti.

Principio di Pascal e martinetti idraulici

I martinetti idraulici utilizzano fluidi in pressione per il sollevamento di carichi pesanti. Il principio di funzionamento di un martinetto idraulico si basa sulla Legge di Pascal.

Il principio di Pascal fu enunciato dal fisico e matematico Blaise Pascal nel 1653. Il principio di Pascal descrive la seguente proprietà dei fluidi: una variazione di pressione in un punto del fluido si trasmette a ogni altro punto e sulle pareti del suo contenitore.

Essa stabilisce che una variazione di pressione in un punto di un fluido incomprimibile chiuso comporta un’identica variazione di pressione in ogni punto. Ne deriva che la pressione in un cilindro idraulico agisce in modo uguale su tutte le superfici. Questa legge regola, fra il resto, anche l’azionamento del martinetto idraulico come anche il sistema frenante della maggior parte dei veicoli.

dove F è la forza (N), p rappresenta la pressione (N/m²) e A è l’area (m²). Sfruttando un semplice bilanciamento fra forza e area, come si vede in figura 4, lo stesso fluido alla pressione p può generare due spinte molto diverse ai capi del sistema idraulico.

Come mostrato in figura, l’azionamento può avvenire ad esempio tramite una pompa a pistone (A). Il movimento verso il basso del pistone crea una variazione di pressione. Il fluido contenuto nel cilindro idraulico più grande (B) subisce la stessa variazione di pressione, applicandola al pistone di uscita (C). L’inconveniente di questo sistema è rappresentato dall’entità delle corse di azionamento e uscita; infatti, per ottenere una azione di sollevamento di una certa entità in uscita, è necessario che il pistone di ingresso (A) copra una corsa proporzionalmente maggiore.

Specifiche e Utilizzo dei Martinetti Idraulici

Diverse sono le specifiche del martinetto da tenere in considerazione per selezionare il modello più appropriato a seconda dell’applicazione. Spazio libero disponibile: occorre verificare che il martinetto idraulico passi al di sotto del carico. Azionamento automatico o manuale: i martinetti idraulici possono essere manuali o automatici. I primi si avvalgono dell’energia manuale, mentre i secondi utilizzano l’aria o l’energia elettrica come sistema di azionamento.

Anche un corretto utilizzo di un martinetto idraulico dipende dall’applicazione specifica. Inserire la leva manuale nell’alloggiamento collegato al pistone di azionamento e sollevare il carico all’altezza desiderata.

La sicurezza di attrezzature come i martinetti idraulici è fondamentale. Non superare il peso massimo di sollevamento, espresso in tonnellate. Un eventuale sovraccarico potrebbe infatti danneggiare le pareti del cilindro o causare perdite di fluido. Il serbatoio deve sempre contenere una quantità sufficiente di fluido. Una perdita nel cilindro durante il funzionamento può provocare situazioni di pericolo rilevante.

Manutenzione dei Martinetti Idraulici

I martinetti idraulici sono dispositivi resistenti che tuttavia non sono indenni da fenomeni di danneggiamento legati, ad esempio, ad un prolungato utilizzo, a fattori ambientali o ad una manutenzione scorretta, cause che ne compromettono il corretto funzionamento. Una regolare manutenzione dei martinetti idraulici si rende quindi essenziale per risolvere e prevenire i potenziali problemi da usura o prolungato utilizzo.

Un martinetto idraulico non riesce a sollevare carichi pesanti quando il suo pistone non funziona correttamente. Ciò accade per molteplici ragioni come presenza di ruggine, scarsa o assente lubrificazione, sovraccarico o ridotti/elevati livelli di fluido nel serbatoio. Rimuovere la ruggine dalle zone interessate o sostituire le parti se necessario.

Applicazioni pratiche

Vediamo alcuni esempi di applicazioni pratiche dei martinetti idraulici:

Freni idraulici in un’auto: sfruttano i principi di pressione e flusso idraulico. Quando il conducente preme il pedale del freno, viene aumentata la pressione del fluido all’interno del sistema idraulico dei freni. Questa pressione viene trasmessa attraverso il liquido nei tubi ai pistoni delle pinze dei freni. L’aumento della pressione del fluido spinge i pistoni contro le pastiglie dei freni, che a loro volta premono sulle superfici dei dischi dei freni, creando attrito e rallentando il veicolo.
Escavatori e macchine da cantiere: utilizzano sistemi idraulici per controllare i bracci, le lame e altre parti mobili. La pressione del fluido viene utilizzata per azionare i cilindri idraulici che muovono queste componenti pesanti con precisione.
Sollevamento di carichi pesanti con martinetti idraulici: sono ampiamente utilizzati in officine meccaniche, garage e cantieri per sollevare carichi pesanti, come veicoli o strutture. L’aumento della pressione del fluido nel cilindro del martinetto causa l’espansione del pistone, consentendo di sollevare il carico con una forza considerevole.
Sistemi di alimentazione idraulica in aerei: Negli aerei, i sistemi idraulici vengono utilizzati per controllare i flaps, i timoni, il carrello d’atterraggio e altre superfici mobili. La pressione del fluido viene utilizzata per azionare cilindri idraulici che regolano queste superfici e contribuiscono al controllo dell’aereo durante il volo e l’atterraggio.

Esempi di calcolo

Esempio 1: Quante pompate occorrono per estendere tutto il cilindro. Un cilindro (corsa H=50 mm) viene azionato con una pompa a mano . Deve essere eseguita una corsa a vuoto L = 30 mm. Quante pompate occorrono per ottenere l’estensione completa del cilindro?-> A = 132,7 cm² (come nell’esempio 1)Per la corsa a vuoto valeS BP (mm) =[V BP (cm³).10] : A (cm²)Con una portata ad ogni corsa della pompa-> V BP = 32cm³-> S BP = (32.10) : 132,7 mm = 2,4 mmNumero pompate per la corsa a vuoto: si divide la corsa a vuoto per la corsa ad ogni pompata:PB BP = L (mm) : S BP (mm) = 30 : 2,4 = 13 pompatePer la corsa sotto carico:S AP (mm) =é V AP (cm³).10] : A (cm²)Con una portata ad ogni corsa della pompa-> V AP = 3 cm³-> S AP =(3.10) : 132,7 mm = 0,23 mmNumero delle pompate per la corsa sotto carico: si divide la corsa residua per la corsa compiuta ad ogni pompata:PB A = [H(mm) - L(mm)] : S AP(mm)= [50-30] : 0,2 =87 pompateRisultato: In totale = PB BP + PB AP = 13 + 87 = 100 pompate.

Esempio 2: Con quale velocità si estende un cilindro azionato da pompa elettrica. La velocità d’estensione di un cilindro idraulico azionato con una pompa elettrica dipende dall’area del pistone nel cilindro e dalla portata dell’elettropompa. Per le pompe bistadio si deve porre per il movimento del cilindro senza carico la porta-ta a bassa pressione Q BP e per gli spostamenti sotto carico invece la portata ad alta pressione Q AP .Formula:v(mm/s) = [Q(l / min).166,67] : A (cm²)Dove:v= velocità del cilindro in mm / sQ= portata della pompa in l / minA= area del pistone nel cilindro in cm²

Il torchio idraulico

Il torchio idraulico è un dispositivo basato sul principio di Pascal che si comporta come un amplificatore di forza. Esso è costituito da due piatti o superfici posti come stantuffo sopra un cilindro. Pertanto ogni cilindro possiede una superficie di appoggio diversa. Per la legge di Pascal la pressione che si esercita su un punto di un liquido si trasmette pari in ogni altro punto. Se applichiamo una forza alla superficie S1 la pressione si trasmetterà anche alla superficie S2 che pertanto subirà una forza F2.

In un sollevatore (o torchio) idraulico la superficie del pistone più piccolo è ⅒ di quella del pistone più grande. Il cilindro, come il motore idraulico, è un attuatore che converte energia idraulica in energia meccanica.

Un sollevatore idraulico (o cric idraulico) è costituito da due pistoni uno di area di appoggio pari a 10 cm2 e l'altro di superficie maggiore.

Consideriamo il seguente esempio:

Un torchio idraulico è costituito da due cilindri uno con area di appoggio di \(0{,}05 \, \mathrm{m}^2\) e l'altro con area maggiore. Se una forza applicata sul primo cilindro è di \(200 \, \mathrm{N}\) produce una forza di \(16 \,000 \, \mathrm{N}\) sul secondo, determina la superficie di appoggio del secondo cilindro.

Dalla relazione\[ \frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2} \, ,\]ricaviamo:\[ S_2 = S_1 \, \frac{F_2}{F_1} \, .\]Inserendo i dati otteniamo:\[ S_2 =( 0{,}05 \, \mathrm{m}^2) \frac{16000 \, \mathrm{N}}{200 \, \mathrm{N}} = 4 \, \mathrm{m}^2\]

Supponiamo di avere un torchio idraulico costituito da un cilindro con superficie di appoggio di \(0{,}01 \, \mathrm{m}^2\) e da un secondo cilindro, più grande, con superficie di appoggio di \(2 \, \mathrm{m}^2\). Se dobbiamo sollevare un'auto di \(1500 \, \mathrm{kg}\), quale forza è necessario applicare al primo pistone?

Calcoliamo inannzitutto la forza \(F_2\). Poiché deve sollevare l'auto, deve essere almeno pari alla forza peso: \(F_2 = mg= 1500 \, \mathrm{kg} \, (9{,}81 \, \mathrm{m} \, \mathrm{s^{-2}}) = 14\,715 \, \mathrm{N} \)Scriviamo nuovamente la relazione\[ \frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2} \,.\]da cui possiamo calcolare la nostra incognita \(F_1\):\[ F_1= F_2\, \frac{S_1}{S_2} \, .\]Inserendo i dati otteniamo:\[ F_1 = 14\,715 \, \mathrm{N} \, \frac{0,01 \, \mathrm{m}^2}{2 \, \mathrm{m}^2} = 73{,}575 \, \mathrm{N} \]È necessario quindi applicare una forza di almeno \(73{,}575 \, \mathrm{N}\).

Tipologie di Cilindri

Esistono diverse tipologie di cilindri idraulici, tra cui:

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.
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.
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: 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.
Cilindri telescopici: si distinguono 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.

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.

I pistoni dei cilindri oleodinamici sono soggetti a carico di punta.

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