Il pistone idraulico a doppio effetto è un componente fondamentale in molti sistemi oleodinamici. In questa sede ne analizzeremo il funzionamento attraverso schemi e descrizioni dettagliate. Se devi progettare un impianto idraulico e cerchi qualche schema utile per capirne le logiche e il funzionamento, questo articolo ti fornirà informazioni utili e immagini che potrai utilizzare come esempio per realizzare il progetto del tuo impianto.
Principi di Base dell'Oleodinamica
L’oleodinamica è una tecnica che utilizza i fluidi per generare pressione e convertirla in energia meccanica. La parola oleodinamica è composta da due parole greche: “élaion”, riferito a sostanze dotate di untuosità, e “dynamikós” riferito alla forza e al movimento. Da ciò si può dedurre in cosa consiste un sistema oleodinamico: un fluido viscoso viene immesso in un sistema chiuso dove successivamente viene creata o aumentata una certa pressione per azione meccanica o statica.
In entrambi i processi, la pressione che si crea viene trasmessa attraverso tubi o sistemi di tubature fino a innescare la reazione (meccanica) desiderata in un punto specifico. In tal modo è possibile generare grandi forze con un apporto energetico relativamente ridotto, e tali forze possono, a loro volta, essere utilizzate per movimentare carichi, azionare macchine o spostare determinati componenti. I sistemi oleodinamici possono movimentare grandi carichi con una forza facile da gestire. In tale processo sono coinvolti diversi componenti all’interno del circuito oleodinamico.
Componenti Chiave di un Sistema Oleodinamico
In tale processo sono coinvolti diversi componenti all’interno del circuito oleodinamico:
- Pompa idraulica
- Cilindri idraulici
- Motori idraulici
- Valvole
- Tubi idraulici
- Centralina oleodinamica
La Centralina Oleodinamica
La centralina oleodinamica è fondamentale per il corretto funzionamento del sistema. Regola la pressione e il flusso del fluido idraulico, garantendo l’efficienza e la sicurezza dell’intero circuito. Il funzionamento della centralina oleodinamica è essenziale per gestire la distribuzione del fluido e il controllo delle valvole, inclusa la valvola di massima pressione.
Funzionamento Passo dopo Passo
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 funzionamento di un sistema oleodinamico può essere descritto nei seguenti passaggi:
- Aumento della pressione: La pompa idraulica viene azionata manualmente (ad esempio azionando una leva o un pedale) o tramite un motore. Il movimento del pistone riduce lo spazio per l’olio idraulico. La pressione continua a salire.
- Distribuzione del volume o del flusso: Il fluido in pressione è chiamato anche volume o flusso. Questo viene distribuito attraverso i tubi idraulici del sistema. Nei sistemi oleodinamici complessi è possibile utilizzare delle valvole per controllare la direzione del flusso volumetrico.
- Conversione in energia meccanica: Una volta che il fluido si è diffuso attraverso i tubi e ha accumulato una pressione sufficiente, attiva un secondo cilindro o motore idraulico (cilindro idraulico doppio effetto) che è responsabile del processo corrispondente (ad esempio, il sollevamento di una piattaforma o l’attivazione del freno).
- Ritorno del fluido idraulico: Infine, per abbassare nuovamente la pressione nel caso di sistemi manuali a molla (in un sistema frenante, ad esempio), è sufficiente riposizionare la leva nella sua collocazione iniziale. Sulle macchine edili più grandi o su elevatori idraulici potenti è presente di solito un secondo interruttore che abbassa il pistone e, se necessario, apre una valvola di ritorno in modo che il fluido idraulico venga nuovamente distribuito in maniera uniforme all’interno del sistema.
Per il funzionamento di sistemi oleodinamici viene raramente utilizzata l’acqua. Di solito tali impianti vengono azionati con l’aiuto di un olio speciale (olio idraulico). Grazie alle sue proprietà, l’olio è perfettamente idoneo a garantire un funzionamento delicato all’interno della meccanica di precisione di macchine e motori. Come oli oleodinamici si possono utilizzare, a seconda del settore di applicazione, oli minerali, oli vegetali, emulsioni acqua-olio o fluidi sintetici.
Vantaggi dell'Oleodinamica
Anche se le modalità di funzionamento sono molto simili, l’oleodinamica presenta alcuni vantaggi rispetto alla pneumatica:
- I sistemi e gli azionamenti oleodinamici sono estremamente potenti.
- Elevata trasmissione di potenza
- Ingombro relativamente ridotto
- Buona adattabilità alle contingenti condizioni di spazio grazie a tubi e collegamenti flessibili
- Idoneità anche per macchine di precisione grazie a sequenze di movimento lente e regolabili separatamente
- Lunga durata e bassa usura (se mantenuti e utilizzati seguendo le istruzioni)
L’olio idraulico previene l’attrito e allo stesso tempo svolge una funzione refrigerante, aumentando così la durata del sistema.
Applicazioni Pratiche dell'Oleodinamica
In virtù del loro semplice funzionamento, gli impianti oleodinamici vengono utilizzati in un’ampia gamma di aree di lavoro:
- Macchine agricole e da costruzione: accessori per escavatori, gru, trattori e benne ad alto ribaltamento
- Officina meccanica: piattaforme di sollevamento, utensili, sollevatori idraulici
- Ingegneria automobilistica: frizione, freni, servosterzo, telaio
- Ingegneria logistica: carrelli elevatori, transpallet manuali
- Impianti di sollevamento
- Produzione: presse idrauliche, banchi prova, nastri trasportatori
Esempio di Funzionamento: 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.
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. Con una portata ad ogni corsa della pompa V = 3,5 cm³, lo spostamento S è:
S =( 3,5 .10) : 15,9 mm = 2,2 mm
Risultato: Ad ogni pompata il carico si sposta di 2,2 mm
Esempio: 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 vale:
S 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 mm
Numero 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 pompate
Per 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 mm
Numero 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 pompate
Risultato: In totale = PB BP + PB AP = 13 + 87 = 100 pompate.
Velocità d’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 portata 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 / 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
Un cilindro viene azionato con una pompa elettrica . 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.
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.
Animazione di un Impianto Semplificato per Pressa
Nella figura seguente è riportata l'animazione di un impianto semplificato per l'azionamento della pressa vista alla pagina precedente.
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.
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