In determinati lavori o ambiti professionali, è molto importante conoscere alcune specifiche del campo della fisica meccanica. In particolare, questo articolo si riferisce al pistone idraulico, anche definito come cilindro idraulico. L'obiettivo è spiegare come è possibile calcolare la potenza di un cilindro idraulico.
Cos'è un Pistone Idraulico?
Il pistone idraulico, o cilindro oleodinamico, è un componente fondamentale in molti sistemi che richiedono la generazione di una forza lineare. Il pistone, azionato da una pompa che spinge l'olio idraulico, scorre all'interno del cilindro, generando un movimento lineare tramite la parziale fuoriuscita dello stelo dal cilindro stesso. È composto da due parti principali: un cilindro e un pistone, quest'ultimo spesso chiamato "stelo".
Il cilindro è una figura geometrica solida ottenuta facendo ruotare un rettangolo attorno ad uno dei suoi lati. Tale lato è detto altezza, mentre l'altro ruotando formerà la base circolare del cilindro.
Il pistone è una componente di un aggeggio idraulico, è composto da un fluido ma si divide in due parti: da un lato abbiamo il cilindro, dall'altro un pistone propriamente detto, che invece di essere rettificato verso l'interno, come nel caso del cilindro, è rettificato verso l'esterno.
Principio di Funzionamento e Legge di Pascal
Il funzionamento del pistone idraulico si basa sul principio di Pascal, che afferma che la pressione esercitata su un punto di un fluido incomprimibile si trasmette inalterata in ogni altro punto del fluido. La legge di Pascal è fondamentale: secondo questa spiegazione fisica, infatti, quando viene esercitata una qualsiasi pressione in un punto del fluido che si trova all'interno del pistone idraulico, la stessa pressione automaticamente verrà trasportata verso tutte le direzioni.
Questo principio è sfruttato nel torchio idraulico, un dispositivo che si comporta come un amplificatore di forza. Il torchio idraulico è costituito da due superfici (o piatti) che fungono da stantuffi all'interno di un cilindro. Ogni cilindro possiede una superficie di appoggio diversa. Se applichiamo una forza alla superficie S1, la pressione si trasmetterà anche alla superficie S2, che subirà una forza F2.
La pressione di un cilindro idraulico è direttamente proporzionale alla sua portata.
Calcolo della Forza e Scelta del Pistone
Per scegliere il pistone idraulico più adatto alle proprie esigenze, è necessario valutare il valore dell'alesaggio, poiché è questo valore che determina la "forza" del cilindro oleodinamico. Pertanto, ogni cilindro possiede una superficie di appoggio diversa.
Per quanto riguarda la forza, questa corrisponde a una semplice moltiplicazione. Basterà infatti ottenere il prodotto della pressione per l'area in cui questa pressione viene esercitata.
La capacità di un pistone idraulico è determinata dall'area in esame, importante per determinarne la capacità, che altro non è che l'area del cilindro calcolata con la moltiplicazione della corsa del pistone.
Fluidi Idraulici
I fluidi idraulici presenti sul mercato possono essere raggruppati, in generale, in tre grandi gruppi:
- Fluidi sintetici a base d'acqua che sono resistenti alle infiammazioni, suddivisi in emulsioni di acqua e olio e soluzioni acqua-glicole.
- Fluidi sintetici non acquosi composti da organici sintetici (esteri fosfatici semplici o clorurati, idrocarburi clorurati ed esteri di silicato).
La viscosità cinematica è il rapporto tra la viscosità assoluta e la densità del fluido. In SI la sua unità è m2/s, mentre in CGS la sua unità è cm2/s, che viene chiamata stokes (St). D'altra parte, l'unità SI della viscosità dinamica o assoluta è kg / (m · s) o Pa · s.
Struttura del Pistone Idraulico
Il pistone idraulico è tipicamente costituito da un tubo, chiuso da due terminali: il fondello e la testata. Al suo 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 diverse soluzioni empiriche. Ad esempio, il pistone autobloccante realizzato dalla Naldoni e Biondi S.r.l.
Tipologie di Cilindri Idraulici
Esistono diverse tipologie di cilindri idraulici, ognuna con caratteristiche specifiche adatte a diverse applicazioni:
- Cilindri a doppio effetto: Consentono l'allungamento del pistone in entrambe le direzioni (spinta e trazione). Un esempio è il cilindro idraulico OMCN 367/S, progettato per impieghi industriali in cui sono previsti azionamenti ripetuti di sollevamento e trazione. Questo modello consente un sollevamento fino a 48 tonnellate in uscita e di 32 tonnellate in rientro, con una pressione di esercizio massima di 700 bar ed un'alzata massima di 660 mm. Date le sue notevoli dimensioni, per facilitarne il posizionamento ed il trasporto questo è stato dotato di 2 golfari di sollevamento.
- Cilindri a semplice effetto: Consentono l'allungamento del pistone in una sola direzione (spinta) e sono dotati di un sistema di ritorno a molla. Questa soluzione si usa quando non c'è una forza esterna che garantisca la fase di richiamo. Un esempio è il cilindro idraulico OMCN 362/AM dall'ingombro ridotto per applicazioni di sollevamento, spinta, livellamento, pressatura di carichi in ambito industriali. Il modello 362/AM consente un sollevamento fino a 30 tonnellate, una pressione di esercizio massima è di 700 bar ed un'alzata massima di 105 mm. Esiste anche il cilindro a semplice effetto caratterizzato da un cilindro collegato alla centrale idraulica da un solo tubo. 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.
Esempio di Calcolo: Sollevatore Idraulico
Un sollevatore idraulico (o cric idraulico) è costituito da due pistoni, uno con area di appoggio pari a 10 cm² e l'altro con una superficie maggiore. In un sollevatore idraulico, la superficie del pistone più piccolo è ⅒ di quella del pistone più grande.
Calcolo del Numero di Pompate Necessarie
Per calcolare il numero di pompate necessarie per estendere completamente un cilindro, è necessario considerare la portata della pompa e l'area del pistone.
Esempio: 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
Per la corsa a vuoto vale:
SBP (mm) = [VBP (cm³).10] : A (cm²)
Con una portata ad ogni corsa della pompa: VBP = 32cm³
SBP = (32.10) : 132,7 mm = 2,4 mm
Numero pompate per la corsa a vuoto: si divide la corsa a vuoto per la corsa ad ogni pompata:
PBBP = L (mm) : SBP (mm) = 30 : 2,4 = 13 pompate
Per la corsa sotto carico:
SAP (mm) = [VAP (cm³).10] : A (cm²)
Con una portata ad ogni corsa della pompa: VAP = 3 cm³
SAP =(3.10) : 132,7 mm = 0,23 mm
Numero delle pompate per la corsa sotto carico: si divide la corsa residua per la corsa compiuta ad ogni pompata:
PBA = [H(mm) - L(mm)] : SAP(mm)= [50-30] : 0,2 =87 pompate
Risultato: In totale = PBBP + PBAP = 13 + 87 = 100 pompate.
Velocità di Estensione
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 QBP e per gli spostamenti sotto carico invece la portata ad alta pressione QAP.
Formula:
v(mm/s) = [Q(l / min).166,67] : A (cm²)
Dove:
- v= velocità del cilindro in mm / s
- Q= portata della pompa in l / min
- A= area del pistone nel cilindro in cm²
Esempio: Con quale velocità si estende un cilindro azionato da pompa elettrica?
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