Pistone Idraulico a Doppio Effetto: Funzionamento e Applicazioni

Il cilindro idraulico, 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.

Tipologie di Cilindri Idraulici

Esistono diverse tipologie di cilindri idraulici, tra cui:

Cilindri a semplice effetto
Cilindri a doppio effetto
Cilindri a doppio effetto differenziale
Cilindri a due steli
Cilindri telescopici

Cilindri a Semplice Effetto

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.

Cilindri a Doppio Effetto

Nell’esecuzione a doppio effetto il fluido in pressione può alimentare entrambe le camere consentendo in tal modo il controllo dei movimenti del pistone in entrambi i sensi. 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.

Cilindri a Doppio Effetto Differenziale

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.

Cilindri 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.

Cilindri Telescopici

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.

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

Applicazioni dei Cilindri Oleodinamici a Doppio Effetto

I cilindri oleodinamici a doppio effetto trovano vasta applicazione in diversi settori. Di seguito alcuni esempi:

Settore mobile e agricolo: Molti modelli sono particolarmente richiesti in questo settore, come il cilindro oleodinamico doppio effetto serie HM0-M250 con fondello saldato e senza ancoraggi, noto per affidabilità e versatilità.
Applicazioni industriali: Il cilindro oleodinamico doppio effetto serie HMF-M250 con fondello saldato internamente, flangia anteriore e stelo filettato è ideale per queste applicazioni.

Esempi specifici di cilindri a doppio effetto includono:

Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HM0LM-C200 con fondello saldato e senza ancoraggi (affidabilità, leggerezza e ridotto interasse totale).
Cilindri oleodinamici doppio effetto serie HFR/HFR2S-M250 con fondello saldato + foro di fissaggio e boccola anteriore.
Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HM1-M250 con fondello saldato + snodo sferico tipo agricolo posteriore e anteriore.
Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HM2-M250 con fondello saldato + boccola posteriore e anteriore.
Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HM5-M250 con fondello saldato + occhio fisso posteriore e forcella anteriore.
Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HMB-M250 con fondello saldato + terminale lubrificabile posteriore e anteriore.
Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HMC-M250 con fondello saldato + snodo sferico radiale posteriore e anteriore.

Sistemi di Bloccaggio Idraulici a Doppio Effetto

Un primo livello di accesso all’automazione dei bloccaggi può avvenire quindi attraverso cilindri idraulici a semplice effetto: l’olio viene inviato ad un cilindro nel verso del bloccaggio, mentre l’apertura del cilindro viene governata da una molla (i cilindri saranno quindi “normalmente aperti”). Pur essendo un grande passo avanti rispetto ad una soluzione completamente meccanica, i cilindri a semplice effetto possono non essere la soluzione perfetta in caso di automazioni spinte.

Infatti la presenza di una molla non garantisce “certezze” in fase di apertura del cilindro (né in chiusura), soprattutto in presenza di un’eventuale contropressione nella mandata idraulica. La contropressione è anche legata alla lunghezza dei tubi idraulici, il che rende poco adatto l’uso di cilindri a semplice effetto con tubazioni particolarmente lunghe (pena l’impossibilità di sbloccare il cilindro).

I bloccaggi a semplice effetto sono comunque ideali per molte tipologie di sistemi di serraggio. I componenti a semplice effetto sono più immediati e meno costosi da installare, perché richiedono meno linee idrauliche e hanno controlli più semplici, poichè necessitano di un minor numero di valvole. Nello specifico, cilindri Roemheld sono progettati molle di ritorno più reattive e affidabili rispetto a quelle di qualsiasi altro produttore, quindi la necessità di dispositivi a doppio effetto non è sempre scontata.

Ci sono alcune situazioni, tuttavia, in cui i sistemi a doppio effetto sono più adatti o addirittura necessari. La maggior parte dei costruttori di attrezzature considerano sempre i cilindri a doppio effetto come un’opzione nelle circostanze ove un sistema a semplice effetto non darebbe elevate garanzie di sicurezza e consistenza del processo produttivo.

Con un po’ di esperienza, costruire sistemi a doppio effetto può essere facile quasi quanto costruire sistemi a semplice effetto. La maggiore affidabilità dell’attrezzatura nelle applicazioni di alta produzione vale senza dubbio il costo aggiuntivo.

Vantaggi dei Cilindri a Doppio Effetto

I cilindri a doppio effetto sono più adatti per le applicazioni di lavorazione che utilizzano il fluido refrigerante. Infatti i cilindri a semplice effetto hanno una piccola camera d’aria per la molla su un lato del pistone, mentre nei cilindri a doppio effetto l’olio è presente da entrambe le parti del pistone. Quest’aria viene scaricata durante la corsa di bloccaggio, mentre nella corsa di sbloccaggio viene nuovamente aspirata.

Anche se tutti i cilindri a semplice effetto hanno filtri dell’aria in metallo sinterizzato per impedire l’ingresso di contaminanti, c’è ancora la possibilità che fluidi aggressivi possano entrare nell’area della molla (specialmente con il refrigerante in pressione), causando malfunzionamenti.

I cilindri a doppio effetto dovrebbero essere utilizzati nei sistemi che hanno un carico/scarico automatico o qualsiasi altro sistema di comunicazione tra macchina e utensile, in modo che tutte le funzioni possano essere facilmente temporizzate e coordinate.

Dato che i cilindri si muovono in base alla pressione data dal fluido, lo stato degli stessi può essere monitorato da pressostati su entrambi i lati (serraggio e di sbloccaggio).

I cilindri a doppio effetto, quando dotati di controlli di posizione elettrici o pneumatici, permettono inoltre di avere maggiori certezze circa la loro posizione: nel caso di carico robotizzato questo diventa fondamentale, in quanto sarebbe disastroso che il robot iniziasse a scaricare un pezzo da un attrezzo ancora chiuso. L’azione dell’olio, rispetto alla molla, è inoltre molto più vigorosa, in quanto praticamente non risente di eventuali contropressioni.

Inoltre i cilindri idraulici, grazie ai pressostati, risultano “sempre in presa”, capaci di generare forza fintanto che la pressione viene mantenuta ai livelli definiti dal dimensionamento dell’attrezzo. I cilindri a doppio effetto sono spesso migliori per attrezzature di grandi dimensioni con lunghe linee idrauliche o altre restrizioni di flusso.

Componenti Oleodinamici

Gli impianti oleodinamici si basano su componenti specifici che consentono il corretto funzionamento del sistema. I componenti oleodinamici sono elementi chiave nei sistemi che sfruttano l’energia dei fluidi per generare movimento e forza.

Il cuore di un sistema oleodinamico è rappresentato dalle pompe, che generano il flusso del fluido all’interno del circuito. Le pompe a ingranaggi sono tra le più diffuse per la loro compattezza e resistenza, mentre quelle a pistoni sono più adatte a impianti ad alta pressione.

Per garantire la corretta gestione del flusso e della pressione del fluido, le valvole oleodinamiche svolgono un ruolo fondamentale. Esse possono essere di diverse tipologie, come le valvole di controllo direzionale, che regolano la direzione del fluido, o quelle di regolazione della pressione, che assicurano che il sistema operi entro parametri sicuri.

Un altro componente chiave è il serbatoio oleodinamico, che funge da riserva per il fluido e consente la decantazione delle impurità. Per mantenere l’olio idraulico pulito, si utilizzano filtri oleodinamici, che eliminano particelle e detriti, garantendo così un funzionamento efficiente dell’impianto.

Infine, per evitare il surriscaldamento del fluido, si utilizzano scambiatori di calore, che mantengono la temperatura entro valori ottimali.

In conclusione gli impianti oleodinamici sono composti da numerosi elementi che devono essere selezionati e mantenuti con cura per garantire prestazioni ottimali. Scegliere componenti di qualità è essenziale per la durata e l’efficienza del sistema.

Componenti di un Impianto Oleodinamico Elementare

Nello schema a blocchi seguente sono elencati gli oggetti che costituiscono un impianto oleodinamico elementare. Nelle altre figure sono rappresentati impianti più o meno funzionali e adatti agli scopi dichiarati.

Dispositivi e Valvole

Dispositivo di sicurezza: Ha il compito di riversare l'olio nel serbatoio quando la pompa è in funzione ma l'olio non è utilizzato.
Valvola unidirezionale: Ha il compito di impedire che il tubo di mandata si vuoti permettendo il passaggio solo verso l'alto.
Valvola di arresto: Ha il compito di chiudere il passaggio dell'olio quando l'impianto deve stare a riposo: prima di metterlo in moto manualmente si sposta la valvola verso destra.
Valvola 4 / 2: Ha il compito di far affluire o defluire l'olio dal cilindro di lavoro: il funzionamento è manuale con pulsante e molla di ritorno; quando si spinge il pulsante verso destra, l'olio passa alla sinistra del pistone facendo avanzare il pistone che, attraverso l'elemento attivo, compie il lavoro; rilasciando il pulsante, la valvola ritorna verso sinistra e l'olio passa a destra del pistone, riportandolo nella posizione di riposo. Il cilindro rimane sempre pieno a destra in modo che la pressa non si muova accidentalmente.
Filtri: Hanno il compito di arrestare le scorie che eventualmente si formano a causa dell'usura.

Impianto con Motori Rotatori Alternati e Cilindro a Doppio Effetto

In questa animazione ci sono due motori con moto rotatorio alternato e un cilindro con pistone doppio effetto. Le tre macchine sono servite dalla stessa pompa e dallo stesso motore.

Dal nodo 11 il fluido giunge alle valvole 1 e 2 che sono del tipo 2 / 2 e quindi hanno funzione di passa - non passa. Quando è aperta la 1 possono lavorare i motori 6 e 7; quando è aperta la 2 può lavorare il pistone 8.

La valvola 3 consente ai motori 6 e 7 di lavorare in successione con il pistone. Il tutto è alimentato dalla pompa 9 azionata dal motore 10.

Quando la valvola 6 è nell'altra posizione può lavorare solo il cilindro doppio effetto 9, comandato dalla valvola 7 pure manuale con maniglia di inserzione e estrazione: in questo modo il pistone può essere fermato in qualunque posizione.

Circuito di Sicurezza e Serbatoio

Nel circuito di sicurezza 13 con ritorno automatico nel serbatoio è inserito un manometro 3. Il serbatoio è chiuso ed è munito di tappo 11 e sfogo 12 che ha una valvola a molla che si apre quando la pressione dei gas sviluppati nell'olio supera un dato valore (come nei tappi dei radiatori delle automobili). Un setto separatore, con alcuni piccoli fori nella parte inferiore, consente di passare soltanto all'olio che si trova in superficie lasciando al resto il tempo di decantare.

Funzioni Aggiuntive del Pistone

Il pistone 9 potrebbe anche essere incaricato di azionare un'altra valvola come la 14, cioè a fine corsa, sia a destra che a sinistra, spinge o tira una leva che permette ad un'altra macchina di lavorare. I due motori centrali sono controrotanti e sempre in presa.

Modelli Specifici di Cilindri Oleodinamici a Doppio Effetto

Di seguito sono elencati alcuni modelli specifici di cilindri oleodinamici a doppio effetto e le loro applicazioni:

Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HM0-M250: particolarmente richiesto nel settore mobile e agricolo, noto per affidabilità e versatilità.
Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HM0LM-C200: ideale per il settore mobile e agricolo, offre affidabilità, leggerezza e ridotto interasse totale.
Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HMF-M250: indicato per applicazioni industriali, affidabile, pratico e disponibile in breve tempo.
Cilindri oleodinamici doppio effetto serie HFR/HFR2S-M250: richiesti in particolare nel settore mobile e agricolo.
Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HM1-M250: specificamente progettato per il settore agricolo, derivato dal modello standard HMO-M250.
Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HM2-M250: utilizzato nel settore mobile e agricolo, con le stesse caratteristiche di affidabilità del modello standard HMO-M250.
Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HM5-M250: impiegato nel settore mobile e agricolo, con le stesse caratteristiche di affidabilità del modello standard HMO-M250.
Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HMB-M250: adatto per il settore mobile e industriale, con le stesse caratteristiche di affidabilità del modello standard HMO-M250.
Cilindro oleodinamico doppio effetto serie HMC-M250: ideale per il settore mobile e industriale, con le stesse caratteristiche di affidabilità del modello standard HMO-M250.

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