Pistone Idraulico a Doppio Stelo: 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. Ma come avviene esattamente questo processo?

Principio di Funzionamento dei Cilindri Idraulici

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.

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.

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, progettati per soddisfare specifiche esigenze applicative:

Cilindro 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.

Cilindro 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.

Cilindro 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.

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.

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.

Cilindri con Stelo Cavo

I cilindri con stelo cavo rappresentano una soluzione ingegnosa e versatile in diversi ambiti industriali e tecnologici. Uno dei principali vantaggi dei cilindri con stelo cavo è la riduzione del peso senza compromettere la resistenza strutturale. L’inserimento di un foro longitudinale riduce la quantità di materiale necessario per costruire il cilindro, rendendolo più leggero e quindi più facile da maneggiare e trasportare. Oltre alla riduzione del peso, i cilindri con stelo cavo offrono anche la possibilità di instradare fluidi, gas o cavi attraverso il loro interno. Questo li rende essenziali in sistemi pneumatici e idraulici, dove il passaggio di fluidi è fondamentale per il funzionamento efficace delle macchine e degli attuatori.

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.

Cilindri a tiranti: Nei cilindri a tiranti, la testata, il mantello cilindrico ed il fondello sono tenuti insieme da tiranti.
Cilindri a profilo circolare: 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.

Esempi di Cilindri a Doppio Effetto

Di seguito sono riportati alcuni esempi di cilindri oleodinamici a doppio effetto e le loro applicazioni:

Serie HM0-M250: Con fondello saldato e senza ancoraggi, è particolarmente richiesto nel settore mobile e agricolo. Affidabilità e versatilità sono le caratteristiche essenziali.
Serie HM0LM-C200: Con fondello saldato e senza ancoraggi, è particolarmente richiesto nel settore mobile e agricolo. Affidabilità, leggerezza e ridotto interasse totale sono le principali caratteristiche.
Serie HMF-M250: Con fondello saldato internamente, flangia anteriore e stelo filettato, è indicato nelle applicazioni industriali. Affidabile, pratico e disponibile in breve tempo.
Serie HFR/HFR2S-M250: Con fondello saldato + foro di fissaggio e boccola anteriore, sono richiesti in particolare nel settore mobile e agricolo.
Serie HM1-M250: Con fondello saldato + snodo sferico tipo agricolo posteriore e anteriore, è particolarmente richiesto nel settore agricolo. Ricavato dal cilindro standard HMO-M250 gode delle stesse caratteristiche di affidabilità.
Serie HM2-M250: Con fondello saldato + boccola posteriore e anteriore, è particolarmente richiesto nel settore mobile e agricolo. Ricavato dal cilindro standard HMO-M250 gode delle stesse caratteristiche di affidabilità.
Serie HM5-M250: Con fondello saldato + occhio fisso posteriore e forcella anteriore, è particolarmente richiesto nel settore mobile e agricolo. Ricavato dal cilindro standard HMO-M250 gode delle stesse caratteristiche di affidabilità.
Serie HMB-M250: Con fondello saldato + terminale lubrificabile posteriore e anteriore, è particolarmente richiesto nel settore mobile e industriale. Ricavato dal cilindro standard HMO-M250 gode delle stesse caratteristiche di affidabilità.
Serie HMC-M250: Con fondello saldato + snodo sferico radiale posteriore e anteriore, è particolarmente richiesto nel settore mobile e industriale.

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.

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 con 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. Per questo motivo l'uso di refrigeranti e fluidi da taglio deve essere considerato nella progettazione dell'attrezzatura, al fine di indirizzare opportunamente la scelta dei cilindri.

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.

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.

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