33-99 No. Via Mufu E, Distretto di Gulou, Nanjing, Cina [email protected] | [email protected]
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Una valvola di ritenzione è costituita principalmente da un corpo valvola con porti di ingresso e uscita, e da una parte mobile caricata a molla. La parte mobile può essere un disco, una piastra o un otturatore — nei sistemi idraulici è più spesso una sfera o un sedile per otturatore.
Il fluido può fluire attraverso una valvola di non ritorno in una sola direzione — la direzione di flusso libero. Quando la pressione del sistema nel porto di ingresso aumenta sufficientemente da superare la forza della molla che spinge il pistone, quest'ultimo viene sollevato dalla sua sede e il fluido scorre attraverso la valvola. Questa è la direzione di flusso libero. Quando il fluido tenta di fluire in senso inverso dal porto di uscita, il pistone viene spinto contro la sua sede, sigillando il passaggio e bloccando completamente il flusso inverso.
Figura 8-1 Valvola di non ritorno. Il pistone caricato a molla si siede quando il flusso si inverte, bloccando completamente il flusso inverso. La valvola di non ritorno rappresenta l’equivalente idraulico di una strada a senso unico.
Le valvole di non ritorno svolgono sia funzioni direzionali che di controllo della pressione — consentono il flusso in una sola direzione. Nei sistemi idraulici, tali valvole vengono comunemente utilizzate come valvole di by-pass, permettendo al fluido di aggirare un componente. Ad esempio, una valvola di non ritorno montata in parallelo a una valvola di regolazione della portata consente il flusso inverso di bypassare tale valvola di regolazione.
Le valvole di non ritorno possono anche isolare un ramo o un componente di un sistema. Ad esempio, in presenza di un accumulatore: la valvola di non ritorno impedisce all’accumulatore di scaricarsi nuovamente attraverso la valvola di sicurezza o la pompa idraulica.
SICUREZZA: Quando le valvole di non ritorno vengono utilizzate nei circuiti con accumulatore, il circuito deve essere dotato di un meccanismo per scaricare automaticamente l’accumulatore al momento dell’arresto della macchina.
Una valvola di non ritorno è generalmente un dispositivo a bassa perdita; in effetti, può essere progettata per essere completamente ermetica. Una valvola di non ritorno può mantenere un carico quasi indefinitamente. Tuttavia, ricordare che si tratta di una valvola monodirezionale: per rilasciare il carico, la parte mobile deve essere forzata via dal suo seggio. Ciò richiede un tipo speciale di valvola di non ritorno denominata valvola di non ritorno comandata a distanza.
Figura 8-2 Tre utilizzi comuni delle valvole di non ritorno nei circuiti idraulici: bypass intorno a un regolatore di portata, isolamento di un accumulatore e soglia di pressione a molla.
La maggior parte dei componenti idraulici di tipo a spool presenta un certo flusso interno di by-pass: ciò non indica una scarsa qualità, poiché gran parte di questo flusso di by-pass è effettivamente progettata per lubrificare il componente. Tuttavia, se un sistema richiede che un cilindro mantenga un carico sospeso senza strisciare, le perdite diventano un problema. In questa situazione, è necessario utilizzare una valvola di ritenuta con capacità di tenuta.
Una valvola di ritenuta pilotata consente il flusso libero in una direzione; quando una pressione pilota spinge la parte mobile via dal suo seggio, è possibile anche il flusso inverso.
Come una normale valvola di ritenuta, una valvola di ritenuta pilotata è costituita da un corpo valvola con porti di ingresso e uscita, un otturatore (parte mobile) caricato da molla contro un seggio. Inoltre, esattamente opposto al seggio, l’otturatore è dotato di una barra di spinta e di un pistone pilota caricato da una molla morbida. La pressione pilota proveniente dal porto pilota agisce sul pistone. La cavità della molla del pistone è dotata di un porto di drenaggio.
Una valvola di ritegno a comando pilotato consente il flusso libero dall'ingresso all'uscita nello stesso modo di una normale valvola di ritegno. Il flusso che tenta di entrare dall'uscita viene costretto a far sedere il pistone di tenuta, chiudendo il passaggio. Quando una pressione di pilotaggio sufficiente agisce sul pistone di pilotaggio, quest'ultimo si muove e spinge sul pistone di tenuta della valvola di ritegno, sollevandolo dal suo seggio. Finché la forza agente sul pistone di pilotaggio è sufficientemente elevata, il flusso può passare dall'uscita all'ingresso.
Figura 8-3: Valvola di ritegno a comando pilotato. In assenza di pressione di pilotaggio, funziona come una normale valvola di ritegno (flusso libero in un solo senso). Con pressione di pilotaggio applicata, è consentito anche il flusso inverso — permettendo il rilascio del carico.
L'utilizzo di una valvola di ritegno a comando pilotato per interrompere il flusso proveniente dal porto B del cilindro mantiene il carico sospeso fintanto che le guarnizioni del cilindro sono efficaci e non vi è alcuna perdita nelle tubazioni, nel cilindro o nella valvola di ritegno. Per abbassare il carico, è sufficiente applicare la pressione di pilotaggio dalla linea A al pistone di comando.
La pressione di pilotaggio per la valvola di ritenuta comandata è prelevata dalla linea di lavoro del cilindro idraulico — fintanto che la pressione nella linea A è sufficientemente elevata, la valvola di ritenuta rimane aperta. Durante la sollevazione del carico, l’olio passa facilmente attraverso la valvola di ritenuta poiché questa è la direzione di flusso libero.
In alcune situazioni, i carichi collegati alla barra del pistone del cilindro devono essere bloccati in posizione fissa. Per ottenere ciò, è possibile installare una valvola di ritenuta comandata in ciascuna linea di lavoro del cilindro — le valvole di ritenuta comandate interrompono il flusso in uscita dal cilindro. Fintanto che le guarnizioni del cilindro rimangono efficaci e non si verifica alcuna perdita in nessun punto, il carico può essere mantenuto in posizione.
Per un bloccaggio assoluto del carico, è necessario utilizzare un cilindro di bloccaggio speciale dotato di un dispositivo di blocco meccanico. Il blocco meccanico è il metodo più sicuro per il mantenimento del carico.
Un accumulatore immagazzina pressione idraulica. Questa pressione idraulica rappresenta energia potenziale che può essere convertita in energia di lavoro (flusso e pressione).
Gli accumulatori possono essere suddivisi in tipi a gravità, a molla e a fluido/gas. Essi differiscono per il modo in cui l’accumulatore mantiene la forza di lavoro sull’olio immagazzinato.
Un accumulatore a gravità utilizza il peso di un oggetto pesante che agisce su un pistone o su uno stantuffo per mantenere la forza di lavoro sull’olio immagazzinato. Il peso può essere realizzato con qualsiasi materiale pesante — ferro, calcestruzzo o persino acqua. Gli accumulatori a gravità sono generalmente molto grandi, talvolta in grado di contenere centinaia di galloni. Servono contemporaneamente più sistemi idraulici e vengono impiegati nei laminatoi e nei sistemi idraulici centralizzati.
La caratteristica desiderabile di un accumulatore a gravità è che immagazzina l’olio a una pressione relativamente costante — sia che il contenitore sia pieno sia che sia quasi vuoto, la pressione immagazzinata rimane essenzialmente invariata. Ciò avviene perché la forza che agisce sull’olio è la forza di gravità (il peso), che è costante: indipendentemente dalla quantità di olio presente nell’accumulatore, la forza applicata rimane la stessa.
Una caratteristica indesiderabile degli accumulatori a gravità è la generazione di colpi d'ariete. Quando un accumulatore a gravità viene arrestato improvvisamente durante un'erogazione rapida di flusso, l'inerzia del peso elevato genera picchi di pressione significativi nel sistema. Ciò può causare perdite nelle tubazioni e nelle giunzioni e provocare fatica metallica, portando a un guasto prematuro dei componenti.
Figura 8-6: Accumulatore a gravità. Il peso costante genera una pressione costante indipendentemente dal volume di olio. Utilizzato in grandi sistemi industriali, come gli impianti idraulici per acciaierie.
Un accumulatore a molla utilizza una molla che agisce su un pistone per mantenere una forza sull'olio immagazzinato. Gli accumulatori a molla sono generalmente più piccoli di quelli a gravità e contengono pochi galloni. Servono tipicamente un singolo sistema idraulico e operano solitamente a bassa pressione. Quando l'olio sotto pressione entra nell'accumulatore a molla, la pressione dell'olio immagazzinato è determinata dal grado di compressione della molla. Quando il pistone si muove verso l'alto comprimendo la molla di 10 pollici (25,4 cm), la pressione immagazzinata è maggiore rispetto al caso in cui la molla sia compressa di 4 pollici (10,2 cm).
Per evitare che l'olio in perdita si accumuli nella cavità della molla, quest'ultima è dotata di un foro di drenaggio per consentire lo scarico delle fuoriuscite. Gli accumulatori a molla non devono essere drenati esternamente verso il serbatoio, poiché ciò causerebbe la formazione di schiuma nell'olio. Indipendentemente dal fatto che l'estremità del tubo di drenaggio si trovi al di sopra o al di sotto del livello del fluido nel serbatoio, l'accumulatore produrrà comunque schiuma durante il funzionamento: quando l'accumulatore eroga rapidamente portata, l'olio sovrastante il pistone non riesce a seguire il movimento di quest'ultimo, generando una parziale depressione nella cavità della molla e provocando la separazione dell'aria dall'olio. Durante la ricarica dell'accumulatore, il pistone si muove verso l'alto, spingendo l'olio contenente aria nuovamente nel serbatoio. La presenza di bolle d'aria nel serbatoio è indesiderabile; pertanto, gli accumulatori a molla non vengono generalmente drenati esternamente.
Per gli accumulatori a molla con drenaggio esterno della cavità della molla, in caso di usura della tenuta del pistone è necessario intervenire tempestivamente. In assenza di una riparazione tempestiva, potrebbe rendersi necessaria un'operazione di pulizia.
Figura 8-7: Accumulatore a molla. La forza della molla — e quindi la pressione immagazzinata — aumenta man mano che il pistone si muove verso l’alto. Utilizzato in sistemi di piccole dimensioni e a bassa pressione.
L’accumulatore fluido/gas è il tipo più comunemente utilizzato nei sistemi idraulici industriali. Esso impiega un gas compresso per mantenere la forza operativa sull’olio immagazzinato.
SICUREZZA: Nei sistemi industriali che utilizzano accumulatori fluido/gas, utilizzare sempre azoto secco. Non utilizzare mai aria compressa, poiché le miscele di gas/vapori di olio sono esplosive.
Gli accumulatori fluido/gas sono suddivisi in tipo a pistone, tipo a diaframma e tipo a membrana, a seconda del dispositivo utilizzato per separare il gas dall’olio.
Un accumulatore a pistone è costituito da un cilindro e da un pistone mobile dotato di anelli di tenuta elastici. Lo spazio superiore rispetto al pistone è riempito con gas compresso. Quando l'olio viene immesso nel cilindro, il gas viene compresso. Durante lo scarico dell'olio dall'accumulatore, la pressione del gas diminuisce. Una volta scaricato tutto l'olio, il pistone raggiunge la fine della sua corsa e chiude il porto di uscita, trattenendo il gas all'interno dell'accumulatore.
Un accumulatore a diaframma è una sfera formata dal fissaggio mediante bulloni di due emisferi metallici. Lo spazio interno è diviso da un diaframma in gomma sintetica: la camera superiore è riempita con gas. Quando l'olio sotto pressione entra nell'altra camera, il gas viene compresso. Una volta scaricato tutto l'olio, il diaframma copre il porto di uscita, trattenendo il gas all'interno dell'accumulatore; il diaframma non viene spinto oltre il suo spessore.
Un accumulatore di tipo a sacco è costituito da una carcassa metallica e da un sacco interno in gomma sintetica. Il sacco è riempito di gas. Quando l'olio entra nella carcassa, il gas all'interno del sacco viene compresso e l'olio fuoriesce dalla carcassa. Quando tutto l'olio è stato scaricato, la pressione del gas tende a spingere il sacco attraverso il porto di uscita; tuttavia, quando il sacco entra in contatto con la valvola a sede all'uscita, l'olio all'interno della carcassa viene automaticamente sigillato.
Figura 8-8 Tre tipi di accumulatore fluido/gas. Tutti utilizzano azoto compresso per immagazzinare energia idraulica. Il tipo a pistone (in alto), il tipo a diaframma (al centro) e il tipo a sacco (in basso) differiscono per il modo in cui gas e olio sono separati.
Gli accumulatori possono svolgere diverse funzioni nei sistemi idraulici: fornire portata, mantenere la pressione e assorbire gli urti.
L’accumulatore può essere utilizzato per fornire flusso. Un accumulatore caricato costituisce una fonte di energia potenziale idraulica. Quando il sistema richiede un flusso superiore a quello erogabile dalla pompa, l’energia immagazzinata nell’accumulatore può essere utilizzata per generare flusso nel sistema. Ad esempio, se una macchina è progettata in modo che il tempo effettivo di lavoro sia molto breve durante il suo ciclo operativo, una pompa di piccola cilindrata può caricare l’accumulatore per un certo periodo. Quando la macchina entra in funzione, la valvola direzionale commuta nella posizione di lavoro e l’accumulatore fornisce immediatamente olio sotto pressione all’attuatore, secondo le esigenze. Questo metodo di utilizzo dell’accumulatore insieme a una pompa di piccola portata consente di immagazzinare potenza di picco — ossia, sostituisce la grande portata/potenza richiesta da una pompa/motore di grandi dimensioni in un breve intervallo di tempo con una pompa/motore di piccole dimensioni che opera in media su un periodo più lungo.
Gli accumulatori possono essere utilizzati per mantenere la pressione. Quando la pompa/il motore eroga flusso ad altre parti del sistema, un accumulatore può mantenere la pressione su un ramo del circuito.
Quando il sistema richiede che il cilindro di serraggio A ritorni, il cilindro di serraggio B deve mantenere la pressione. Quando la valvola direzionale A commuta, la pressione nella pompa idraulica e nelle tubazioni del cilindro A diminuisce rapidamente, mentre il cilindro B viene mantenuto sotto pressione dall’accumulatore, che ha già immagazzinato una quantità sufficiente di olio sotto pressione per compensare le perdite nelle tubazioni del cilindro B.
In un'altra applicazione, un cilindro di lavoro posto vicino a un forno è soggetto a elevate temperature ambientali che provocano l’espansione termica dell’olio. L’accumulatore assorbe l’aumento di volume e mantiene la pressione a un livello relativamente costante. In assenza dell’accumulatore, l’aumento di pressione nelle tubazioni sarebbe incontrollato e potrebbe causare la rottura delle carcasse dei componenti, delle tubazioni o dei raccordi.
Figura 8-10: Accumulatore per il mantenimento della pressione. (In alto) Mantiene la pressione su un ramo del circuito mentre la pompa alimenta un altro ramo. (In basso) Assorbe le variazioni di volume dovute all’espansione termica dell’olio nelle vicinanze di fonti di calore.
Gli accumulatori per fluidi/gas possono essere utilizzati anche per assorbire gli urti del sistema. Gli urti in un sistema idraulico possono essere causati dall’inerzia di un carico collegato a un cilindro o a un motore, oppure da un’interruzione improvvisa del flusso o da un’inversione rapida della direzione della valvola, che genera urti dovuti all’inerzia del fluido. Un accumulatore inserito nel circuito può assorbire parte di tale urto e impedirne la propagazione nell’intero sistema.
Forze meccaniche esterne possono generare anch’esse urti idraulici. Un carico collegato a un cilindro idraulico con tendenza al rimbalzo spinge indietro il pistone, causando un urto idraulico. Un accumulatore installato sulla linea del cilindro, se correttamente precaricato, contribuisce a ridurre l’effetto dell’urto. Se invece è precaricato in modo errato, può provocare sovrappressioni.
Poiché gli accumulatori fluido/gas utilizzano gas compresso per immagazzinare la pressione dell’olio, le proprietà del gas influenzano le prestazioni dell’accumulatore. Quando un accumulatore fluido/gas viene caricato, il gas viene compresso e la sua temperatura aumenta. A pressione costante, un gas caldo occupa più spazio rispetto a un gas più freddo.
Il processo isoterma descrive lo stato di funzionamento dell’accumulatore quando la temperatura del gas è mantenuta costante. Durante la fase di carica, un funzionamento isoterma significa che il gas viene compresso lentamente abbastanza da consentire la completa dissipazione di tutto il calore generato dalla compressione. Il processo adiabatico descrive lo stato di funzionamento dell’accumulatore quando la temperatura del gas varia. Durante la fase di carica, un funzionamento adiabatico significa che il gas viene compresso così rapidamente che tutto il calore generato rimane intrappolato.
Per un accumulatore fluido/gas caricato alla stessa pressione, il processo isoterma immagazzina una quantità maggiore di olio rispetto al processo adiabatico.
Esempio numerico: un accumulatore a pistone ha inizialmente una pressione del gas di 500 psi (34,48 bar) e una temperatura di 70 °F (21 °C). Se viene caricato fino a 1.000 psi (68,97 bar) mediante un processo adiabatico (rapido), temperatura e pressione aumentano contemporaneamente. A 1.000 psi (68,97 bar) l’olio smette di entrare; la temperatura è di 150 °F (65,6 °C) e l’accumulatore immagazzina 135 pollici cubi (2.215,65 cm³) di olio. Se invece il caricamento avviene in modo isoterma (lento), la temperatura rimane costante a 70 °F (21 °C); a 1.000 psi (68,97 bar) l’olio smette di entrare e l’accumulatore immagazzina 150 pollici cubi (2.458,5 cm³) di olio.
Figura 8-12: Caricamento isoterma rispetto a caricamento adiabatico. Un caricamento lento (isoterma) immagazzina più olio rispetto a un caricamento rapido (adiabatico) alla stessa pressione finale, poiché la temperatura rimane più bassa e il gas occupa meno spazio.
Durante lo scarico dell'olio, il gas si espande e si raffredda. A pressione costante, un gas più freddo occupa meno spazio rispetto a un gas più caldo. Nella pratica, il funzionamento dell'accumulatore è generalmente adiabatico, non isoterma. Nelle sezioni seguenti, l'attenzione principale non è rivolta alla quantità di olio che l'accumulatore può immagazzinare, bensì alla quantità di olio che eroga prima che la pressione scenda a un livello inferiore, parametro fortemente influenzato dalla pressione di precarica.
Quando un accumulatore è completamente vuoto di olio, la pressione del gas immessa nell'accumulatore a fluido/gas è detta pressione di precarica. Questa pressione influenza in modo significativo il volume effettivo e le prestazioni di assorbimento degli urti dell'accumulatore.
Gli accumulatori di fluido/gas utilizzati per generare la portata del sistema o mantenere la pressione operano tipicamente tra una pressione di esercizio massima e una minima. Quando è completamente caricato con olio, l’accumulatore raggiunge la pressione di esercizio massima. Quando necessario, la pressione di esercizio diminuisce e l’accumulatore eroga olio fino a una pressione minima inferiore. Il volume di olio erogato dall’accumulatore tra la pressione di esercizio massima e quella minima è il volume efficace.
La pressione di precarica influenza il volume efficace. Esempio: un accumulatore di fluido/gas da 231 in³ (3.786 cm³) in un sistema utilizza una piccola pompa per caricare l’olio fino alla pressione di sistema di 2.000 psi (137,9 bar). Per fornire portata, la pressione viene fatta scendere fino a 1.500 psi (103,4 bar). La pressione di precarica scelta determina la quantità di olio che l’accumulatore fornisce al sistema.
Dalla tabella delle prestazioni, un accumulatore da 231 in³ (3.786 cm³) con precarica di 100 psi (6,89 bar) può immagazzinare 210 in³ (3.441,9 cm³) di olio a una pressione di carica isoterma di 1.000 psi (limite superiore = valori isoterma). A 1.500 psi (103,4 bar) immagazzina 202 in³ (3.310,8 cm³), erogando 8 in³ (131 cm³) tra le due pressioni. Questo accumulatore con bassa precarica immagazzina una grande quantità di olio, ma ne eroga una quantità molto ridotta.
Aumentando la precarica a 1.000 psi (68,96 bar), l’accumulatore immagazzina 93 in³ (1.524,3 cm³) a 2.000 psi (137,9 bar) e 59,5 in³ (975 cm³) a 1.500 psi (103,4 bar), erogando 33,5 in³ (594,1 cm³). Una precarica più elevata comporta un minore volume totale di olio immagazzinato, ma un’erogazione molto maggiore. Con una precarica di 1.400 psi (96,6 bar), il volume di olio immagazzinato è minimo, mentre quello erogato è massimo.
Figura 8-13 – Tabella delle prestazioni dell’accumulatore (capacità di 231 in³). Una pressione di precarica più elevata consente di erogare una maggiore quantità di olio per ciclo tra determinati limiti di pressione, ma riduce il volume totale di olio immagazzinabile. La scelta della pressione di precarica deve basarsi sul volume efficace richiesto, non sulla capacità totale.
La portata effettiva in uscita di un accumulatore deve essere controllata mediante la portata. Per il mantenimento della pressione, la portata controllata è determinata dalle perdite da compensare. Negli accumulatori utilizzati per fornire olio sotto pressione, quando la valvola direzionale a valle commuta, la portata effettiva in uscita risulta eccessivamente rapida. Per tale motivo, questi accumulatori sono spesso dotati di valvole di regolazione della portata e di valvole di ritegno di by-pass sui loro raccordi di ingresso/uscita.
Quando un accumulatore a fluido/gas viene utilizzato come ammortizzatore, la sua pressione di precarica è generalmente impostata leggermente superiore alla pressione di esercizio massima nel circuito (impostata approssimativamente a 100 psi / 6,896 bar al di sopra della pressione massima fissata dal dispositivo di sicurezza). Se la pressione di esercizio massima è stabilita dal dispositivo di sicurezza, la pressione di precarica può essere impostata approssimativamente a 100 psi al di sopra del valore di taratura del dispositivo di sicurezza.
La pressione di precarica di un accumulatore idraulico/oleopneumatico influisce sulla sua capacità di assorbire gli urti. In un sistema idraulico, l’urto è causato da forze meccaniche esterne applicate su un cilindro o su un motore, che provocano un rapido aumento di pressione, oppure dall’inerzia del fluido quando una valvola idraulica si chiude improvvisamente.
L’accumulatore può assorbire la parte dell’olio sottoposto a sovrappressione da urto che riesce a comprimere e trasferire. Una tubazione dotata di accumulatore diventa comprimibile al di sopra di una determinata pressione. Se la pressione di precarica dell’accumulatore è troppo bassa, esso immagazzina già una certa quantità di olio prima che l’urto si verifichi, pertanto riesce ad assorbire soltanto 4 in³ (65,6 cm³). Se la pressione di precarica è pari a 2.500 psi (172,4 bar) — troppo elevata — la pressione sale quasi fino a 2.800 psi (193 bar) prima di assorbire 4 in³. Per gli ammortizzatori, la pressione di precarica è estremamente importante.
Un accumulatore per fluidi/gas viene caricato con gas alla pressione di precarica appropriata una sola volta. Ciò significa che la stessa pressione di precarica non può essere mantenuta indefinitamente. Durante il funzionamento dell’accumulatore, il gas compresso fuoriesce attraverso la valvola del gas — possibilmente a causa di un guasto della valvola del gas o di una scarsa tenuta, oppure a causa di un problema relativo al posizionamento della punta conica del nucleo della valvola sul suo sede. Inoltre, la pressione del gas diminuisce gradualmente durante lo scarico dell’olio negli accumulatori a membrana e a diaframma — tale fenomeno si verifica tipicamente in modo catastrofico, causando la rottura del materiale sintetico in gomma del diaframma. Negli accumulatori a pistone, durante il processo di scarico, il gas precaricato può fuoriuscire oltre le guarnizioni usurate, dalla zona del pistone. Una perdita graduale della pressione di precarica può indicare un accumulatore a pistone con un certo grado di usura.
La corretta pressione di precarica è fondamentale per le prestazioni dell’accumulatore fluido/gas, pertanto deve essere controllata regolarmente. Per verificare la pressione di precarica è necessario un dispositivo di caricamento dotato di manometro. Il dispositivo è costituito principalmente da una presa di caricamento, una valvola di spurgo e un manometro.
Procedura di verifica: scaricare tutto l’olio dall’accumulatore, rimuovere il cappuccio protettivo (solitamente posizionato sulla valvola del gas nella parte superiore). Con la leva della presa completamente estratta, verificare che la valvola di spurgo sia chiusa. Collegare la presa di caricamento alla valvola del gas dell’accumulatore, serrare il dado a farfalla della presa e assicurarsi un collegamento affidabile alla valvola del gas. Avvitare la vite della presa per premere completamente il nucleo della valvola del gas dell’accumulatore; leggere la pressione sul manometro — questa è la pressione di precarica dell’accumulatore.
Se la precarica è corretta, ruotare la manopola del mandrino verso l'esterno per chiudere la valvola del gas dell'accumulatore, aprire la valvola di spurgo per depressurizzare il dispositivo di carica, allentare il dado alato del mandrino, rimuovere il dispositivo dall'accumulatore e reinstallare il cappuccio protettivo della valvola del gas.
Se la pressione di precarica è troppo elevata, aprire la valvola di spurgo per rilasciare la pressione in eccesso. Se è necessario aumentare la pressione di precarica, innanzitutto ritirare la manopola del mandrino per chiudere la valvola del gas dell’accumulatore, aprire la valvola di spurgo per depressurizzare il dispositivo di carica, quindi chiudere la valvola di spurgo e collegare il dispositivo di carica a una bombola di azoto. Ruotare la manopola del mandrino verso l’interno per premere completamente il nucleo della valvola del gas dell’accumulatore, quindi aprire la valvola della bombola di azoto per consentire all’azoto di entrare lentamente nell’accumulatore. Quando il manometro indica la pressione desiderata, chiudere la valvola del gas. Una volta che il manometro indica la pressione di precarica corretta, chiudere la valvola della bombola di azoto, ritirare la manopola del mandrino per chiudere la valvola del gas dell’accumulatore, aprire la valvola di spurgo, quindi scollegare il tubo flessibile di carica e il dispositivo di carica.
Figura 8-15: Verifica e regolazione della pressione di precarica dell’accumulatore. (In alto) Guarnizioni del pistone usurati causano una progressiva perdita di pressione di precarica. (In basso) Kit standard per la carica con azoto — utilizzare sempre azoto secco, mai aria compressa.
In un tipico circuito idraulico con accumulatore, quando l’accumulatore è completamente carico e nessuna parte del sistema è in funzione, la portata della pompa/motore deve essere scaricata nel serbatoio alla pressione più bassa possibile. Nel circuito mostrato, per lo scarico viene utilizzata una valvola di scarico (dump valve). Non appena l’accumulatore raggiunge la pressione di taratura della valvola di scarico, quest’ultima si apre e devia la portata della pompa verso il serbatoio.
Tipicamente questo tipo di scarico può durare solo pochi secondi, poiché vi è sempre una certa perdita a valle della valvola di ritegno. L’accumulatore deve compensare tale perdita — la pressione diminuisce gradualmente — la valvola di scarico si chiude progressivamente e l’apertura verso il serbatoio diventa sempre più piccola, fino a quando la pressione nell’accumulatore scende al di sotto della pressione di apertura della valvola. Man mano che la valvola si chiude, la pompa/motore deve sviluppare una potenza maggiore per ricaricare nuovamente l’accumulatore fino alla pressione di taratura della valvola di scarico.
Per garantire che la pompa/motore sia completamente scaricata prima della ricarica dell'accumulatore, è possibile utilizzare un pressostato. Nel circuito, il pressostato rileva la pressione nell'accumulatore e invia un segnale elettrico di commutazione a un valore di pressione preimpostato. Questo segnale elettrico viene inviato a una valvola solenoide bidirezionale normalmente chiusa, che può controllare una valvola di sicurezza pilotata per effettuare lo scarico. Quando l'accumulatore raggiunge la pressione impostata dal pressostato, il relè invia un segnale alla valvola solenoide per scaricare la valvola di sicurezza e deviare il flusso della pompa/motore verso il serbatoio attraverso tale valvola.
Figura 8-16: Circuiti di scarico dell'accumulatore. (In alto) Valvola di scarico semplice — scarica nel serbatoio quando l'accumulatore raggiunge la pressione impostata, ma tende a ciclare. (In basso) Pressostato con valvola di sicurezza pilotata — garantisce uno scarico completo e un controllo preciso della banda di pressione.
Dopo che l'accumulatore è stato caricato, una valvola di scarico a differenziale di pressione può sostituire l'interruttore di pressione e la valvola a solenoide per rilasciare la valvola di sicurezza e scaricare la pompa/motore. La valvola di scarico a differenziale di pressione è una valvola idraulica progettata specificamente per applicazioni con accumulatore. Come suggerisce il nome, questa valvola utilizza un differenziale di pressione per scaricare la pompa/motore.
La valvola di scarico a differenziale di pressione è costituita da una valvola di sicurezza comandata a distanza, da una valvola di ritenzione e da un pistone differenziale, tutti integrati in un unico corpo valvola. Il corpo valvola presenta tre porti: porto di pressione, porto di ritorno e porto per l'accumulatore.
All'interno della valvola di scarico a pressione differenziale, la valvola di ritegno e la valvola di sicurezza pilotata funzionano normalmente. L'olio in uscita dalla pompa può caricare l'accumulatore attraverso la valvola di ritegno. Il pistone differenziale è posizionato di fronte alla spina della valvola di sicurezza pilotata e può muoversi liberamente nel suo alloggiamento. Le due estremità del pistone sono sottoposte a superfici uguali di pressione. Durante la fase di carica dell'accumulatore, la pressione su entrambi i lati del pistone è quasi identica (trascurando la caduta di pressione attraverso la valvola di ritegno), pertanto il pistone non si muove. Quando la pressione agente sulla spina della valvola pilota raggiunge un valore sufficientemente elevato, la spina pilota viene spinta via dal suo sede — come già noto, questo movimento pilota può limitare la pressione nella cavità della molla della valvola principale. Poiché la cavità della molla della valvola principale e un'estremità del pistone differenziale sono soggette a pressione limitata, il pistone si muove verso la spina della valvola pilota, spingendo completamente la spina pilota via dalla sua sede, determinando così la completa rimozione della pressione di controllo nella cavità della molla della spina principale, lo scarico della valvola di sicurezza e lo scarico della pompa\/motore. Contestualmente, la valvola di ritegno si chiude, impedendo così lo scarico dell'olio dall'accumulatore attraverso la valvola di sicurezza.
L'area differenziale del pistone esposta alla pressione è del 15% maggiore rispetto all'area dello stelo della valvola pilota. Poiché la forza = pressione × area, la forza che mantiene lo stelo della valvola pilota sollevato dal suo sede è del 15% superiore rispetto alla forza che solleva lo stelo della valvola pilota. Ciò significa che la molla deve ricevere una forza superiore del 15% da un’altra fonte per riportare lo stelo della valvola pilota sulla sua sede — oppure la pressione del sistema deve diminuire del 15% prima che lo stelo della valvola pilota possa riportarsi sulla sua sede.
Ciò garantisce che la valvola di scarico a differenziale di pressione mantenga la pompa/motore nello stato di scarico dopo il caricamento dell'accumulatore fino a quando la pressione non scende di una percentuale fissa — generalmente circa il 15% del valore di taratura della valvola pilota. Ad esempio, con la valvola pilota regolata a 1.000 psi (69 bar), lo scarico avviene tra 1.000 psi (69 bar) e 850 psi (59 bar); con la valvola pilota regolata a 2.000 psi (138 bar), l’intervallo di scarico va da 2.000 psi (138 bar) a 1.700 psi (117 bar).
In qualsiasi applicazione, affinché l'energia idraulica possa compiere un lavoro utile, deve essere convertita in energia meccanica. I cilindri idraulici convertono l'energia idraulica in moto meccanico lineare.
Un cilindro idraulico è costituito da un corpo cilindrico (barrel), da un pistone mobile munito di anelli di tenuta flessibili collegati a una barra del pistone e da due tappi terminali. I tappi terminali possono essere filettati, a flangia, a tiraggio o saldati al corpo cilindrico. Nei cilindri idraulici industriali si utilizzano comunemente connessioni filettate alla barra del pistone. Quando la barra del pistone si muove, si parla di kit di tenuta per barra del pistone oppure di anello guida smontabile che guida e supporta la barra del pistone.
L'estremità dotata della barra del pistone è denominata "estremo con barra"; l'altra estremità, priva di barra, è denominata "estremo cieco". I raccordi di ingresso e uscita sono posizionati sui tappi terminali dell'estremo con barra e dell'estremo cieco.
Per un funzionamento corretto, la guarnizione di tenuta del pistone e della guida della stelo del cilindro idraulico deve garantire una tenuta affidabile. Le guarnizioni più comuni utilizzate nei pistoni dei cilindri idraulici sono guarnizioni a labbro, anelli in ghisa per pistoni o unità di tenuta monodirezionali o bidirezionali. I materiali e i componenti delle guarnizioni devono essere verificati per garantirne la compatibilità con il fluido di lavoro e le condizioni operative.
La guarnizione multistrato dello stelo del pistone è un tipo efficace di tenuta per lo stelo del pistone, composta da una guarnizione principale con superficie interna di tenuta a forma di labbro, da un raschiatore che mantiene costantemente contatto con la superficie dello stelo del pistone durante il funzionamento e rimuove l’olio di lavoro dalla sua superficie. La guarnizione secondaria antipolvere raccoglie l’olio residuo lasciato dalla guarnizione principale e, durante la retrazione dello stelo del pistone, elimina eventuali corpi estranei aderenti allo stelo.
Come descritto sopra, l'olio accumulato nella cavità tra la guarnizione principale e quella antipolvere può ritornare nel cilindro durante la corsa di ritrazione — questo è normale. Tuttavia, se la corsa del cilindro è particolarmente lunga (10 ft / 3,05 m o superiore), l'olio accumulato nella cavità della guarnizione potrebbe essere sufficiente a superare la capacità di tenuta della guarnizione dell'asta del pistone. In tale situazione e quando vi è un eccesso di olio nella cavità della guarnizione, la cavità della guarnizione dell'asta del pistone deve essere dotata di un collegamento di drenaggio esterno.
Figura 8-18: Dettagli costruttivi del cilindro. Il tappo di fine asta contiene l'insieme delle guarnizioni dell'asta del pistone. Per i cilindri a corsa lunga, viene aggiunta una presa di drenaggio per impedire che l'olio sovraccarichi la guarnizione.
Quando l'energia idraulica spinge il pistone del cilindro fino alla fine della corsa (termine del percorso del cilindro), l'inerzia dell'olio genera un colpo — il cosiddetto «colpo idraulico». Se l'energia è sufficientemente elevata, tale colpo può danneggiare i cilindri idraulici.
Per proteggere i cilindri idraulici da urti eccessivi, è possibile installare dispositivi di ammortizzazione. Tali dispositivi consentono di rallentare il pistone del cilindro nelle vicinanze della fine della corsa. I dispositivi di ammortizzazione possono essere installati su uno solo o su entrambi gli estremi di un cilindro idraulico.
Un dispositivo di ammortizzazione è costituito da una valvola a spillone per il controllo del flusso e da una punta ammortizzatrice montata sull’estremità cieca del pistone, nonché da una guaina ammortizzatrice applicata sulla stelo del pistone. Questi componenti agiscono come tappi su ciascun estremo.
Mentre il pistone del cilindro idraulico si avvicina alla fine della corsa, la punta ammortizzante o la bussola ammortizzante ostruisce l'uscita normale dell'olio. Ciò costringe l'olio a fluire esclusivamente attraverso la valvola ad ago. Una parte dell'olio in pressione, regolata dalla valvola di sicurezza, fuoriesce attraverso la valvola ad ago. Il flusso residuo che passa attraverso la valvola ad ago determina la velocità di decelerazione del cilindro. La regolazione della valvola ad ago determina la velocità di decelerazione del pistone. Nella corsa di ritorno, il flusso entra nel cilindro attraverso una singola valvola di ritegno (non rappresentata), bypassando così la valvola ad ago; pertanto, la velocità di ritorno non risulta influenzata.
Talvolta la lunghezza della corsa di un cilindro idraulico deve essere limitata mediante un controllo esterno. Installando una vite di arresto avvitabile e svitabile sul corpo del cilindro, è possibile pre-regolare la corsa. Qualsiasi tipo di dispositivo di regolazione della corsa deve essere verificato rispetto ai requisiti relativi alla forza di arresto, alle collisioni, agli urti e agli effetti dimensionali.
Figura 8-19: Ammortizzatori del cilindro, regolatori della corsa, tipi di fissaggio e tipi di carico. Gli ammortizzatori proteggono il cilindro alla fine della corsa; il tipo di fissaggio determina l’efficacia con cui il cilindro può gestire il carico.
I cilindri idraulici presentano numerosi tipi di fissaggio, tra cui: flange, supporti a perno (trunnion), supporti laterali a linguetta, viti assiali centrali, anelli doppi a linguetta, tiranti filettati e supporti saldati. I supporti assiali centrali o i supporti saldati rappresentano una soluzione progettuale molto efficace, poiché generano un minimo disallineamento durante il funzionamento del cilindro.
I cilindri idraulici possono convertire l’energia idraulica in moto meccanico rettilineo o lineare. Tuttavia, grazie alla scelta opportuna di collegamenti meccanici, i cilindri possono fornire anche molti altri tipi di moto meccanico.
I cilindri idraulici possono muovere diversi tipi di carico in numerose applicazioni. In generale, i carichi spinti dalla stelo del pistone sono definiti carichi di spinta; i carichi trainati dallo stelo del pistone sono definiti carichi di trazione.
Un tubo di arresto è un manicotto metallico solido montato sulla stelo del pistone. Quando lo stelo del pistone di un cilindro a corsa lunga è completamente esteso, il tubo di arresto mantiene una certa distanza tra il pistone e la guida del pistone. La guida dello stelo del pistone è un cuscinetto che sostiene lo stelo del pistone durante il funzionamento del cilindro ed è progettata per sopportare un determinato carico. Oltre a fungere da albero, la guida dello stelo del pistone costituisce anche un punto di applicazione del carico sullo stelo del pistone. Nei cilindri a corsa lunga collegati a carichi, lo stelo del pistone, in assenza di una guida rigida, tende a flettersi verso il basso quando è completamente esteso oppure può verificarsi una deformazione nella zona della guida del pistone, generando carichi laterali dannosi per la guida dello stelo del pistone.
La funzione del tubo di arresto consiste nel mantenere una certa distanza tra il pistone e la guida del pistone quando lo stelo del pistone è completamente esteso, riducendo così il carico agente sulla guida dello stelo del pistone.
I cilindri idraulici sono disponibili in molti tipi. Di seguito sono riportati alcuni dei tipi di cilindro più comuni; questi appariranno anche in determinati circuiti applicativi nelle lezioni successive.
Figura 8-20 Tipi di cilindro idraulico. Ogni tipo è adatto a un’applicazione specifica: telescopico per corsa lunga in spazio limitato, tandem per forza elevata con diametro di alesaggio limitato, a doppio stelo per forza/velocità uguali in entrambe le direzioni.
Il tipo più comune nell’idraulica industriale è il cilindro a doppio effetto con singolo stelo. Per questo tipo, i principali parametri da considerare sono la portata ammissibile in gpm e la pressione ammissibile in psi, nonché la forza meccanica convertita e il movimento dello stelo del pistone.
L’area del pistone e l’area efficace del pistone vengono generalmente analizzate per i cilindri a doppio effetto con singolo stelo. L’area grande del pistone corrisponde all’intera sezione trasversale del pistone esposta alla pressione nel fondo cieco del cilindro (lato privo di stelo). L’area efficace piccola (area anulare) è invece l’area del pistone esposta alla pressione sul lato dello stelo, poiché lo stelo del pistone occupa una parte di tale area. Di conseguenza, l’area efficace piccola è generalmente inferiore all’area grande.
La velocità di estensione della stelo del pistone del cilindro idraulico è determinata dalla rapidità con cui il fluido riempie l'estremità cieca del cilindro. La velocità dello stelo del pistone è comunemente espressa in ft/min o m/min:
Velocità dello stelo (ft/min) = Portata (gpm) × 19,25 / Superficie del pistone (in²)
* Velocità dello stelo (m/s) = Portata (Lpm) × 0,167 / Superficie del pistone (cm²)
* Se si calcola in m/s e il risultato è inferiore a 0,1 m/s, esprimere il risultato in mm/s.
Esempio: un cilindro con superficie del pistone pari a 10 in² (64,5 cm²) riceve una portata di 5 gpm (18,95 Lpm). Velocità dello stelo = (5 × 19,25) / 10 = 9,63 ft/min (49 mm/s). Con il doppio della portata (10 gpm / 37,9 Lpm), la velocità dello stelo raddoppia, raggiungendo 19,25 ft/min (97,33 mm/s).
Durante la ritrazione dello stelo del pistone, il fluido entra nell'estremità dello stelo. A parità di portata in ingresso, la velocità di ritrazione è maggiore rispetto alla velocità di estensione: utilizzare nella formula la superficie minore (annulare) del pistone.
Esempio: una portata di 10 gpm (38 l/min) entra nell’estremità del pistone di un cilindro con area maggiore di 10 in² (65 cm²) e area minore di 8 in² (52 cm²). Velocità di ritrazione = (10 × 19,25) / 8 = 24,06 ft/min (0,12 m/s).
Velocità del pistone (ft/min) = Portata (gpm) × 19,25 / Area minore (in²)
Velocità del pistone (m/s) = Portata (L/min) × 0,167 / Area minore (cm²)
Con la stessa portata in ingresso, un cilindro a doppio effetto con pistone semplice ritrae più velocemente di quanto si estenda.
Durante la ritrazione, il fluido entra nell’estremità del pistone ed esce dall’estremità cieca. La portata di scarico è maggiore della portata in ingresso — può essere calcolata con la stessa formula utilizzata per i gpm (l/min), ma impiegando l’area del pistone maggiore. Esempio: 10 gpm che entrano nell’estremità del pistone alla velocità di 24,06 ft/min: portata in uscita = (24,06 × 10) / 19,25 = 12,5 gpm (46 L/min).
Come mostrato, la forza generata da un cilindro idraulico è funzione della pressione idraulica agente sull’area del pistone del cilindro. Se un determinato cilindro deve produrre una forza di uscita massima superiore a quella attuale, spesso basta aumentare la pressione a un livello proporzionale. In alcune situazioni, la pressione del sistema e le dimensioni del cilindro non consentono l’impiego di un cilindro di dimensioni maggiori: in tal caso, un cilindro tandem può risolvere il problema.
Un cilindro tandem è costituito da due o più cilindri collegati in serie. Le aste dei pistoni sono collegate tra loro per formare un’unica asta comune. Le guarnizioni delle aste dei pistoni poste tra i cilindri consentono a ciascun cilindro di funzionare in modo doppio-azione. Quando le dimensioni del cilindro sono limitate dagli ingombri disponibili e dalle dimensioni della macchina, anche se la pressione generata dalla pompa/motore è relativamente bassa, è possibile ottenere la stessa forza meccanica di uscita.
Esempio: l'installazione della macchina più grande consente un'area del pistone di 10 pollici quadrati (64,5 cm²). La pressione massima necessaria per superare la resistenza del carico è soltanto di 500 psi (34,48 bar). L'applicazione di una pressione addizionale di 500 psi (34,48 bar) sul lato dell'area efficace di 8 pollici quadrati (51,6 cm²), con pressione di ritorno, genera una forza di 781 psi (53,86 bar). In un circuito in tandem con due cilindri, ciascuno sottoposto a 500 psi (34,48 bar) con area di 10 pollici quadrati e area efficace di 8 pollici quadrati, l'uscita combinata risulta molto maggiore.
FORMULE CHIAVE – CAPITOLO 8
|
Formula |
Equazione |
Note |
|
Velocità di estensione della stelo |
v = Q × 19,25 / A_grande |
Q in gpm, A in pollici², v in ft/min |
|
Velocità di retrazione della stelo |
v = Q × 19,25 / A_piccola |
Utilizzare l'area anulare (piccola) |
|
Velocità della stelo (sistema SI) |
v = Q × 0,167 / A |
Q in L/min, A in cm², v in m/s |
|
Scarico dal lato cieco |
Q_out = v × A_large / 19,25 |
Escono più fluido di quanto ne entri durante la retrazione |
|
Forza del cilindro |
F = P × A |
F in libbre, P in psi, A in pollici² |
Benvenuti su HOVOO, una fabbrica cinese di sigilli. Produzione di sigilli in PU, gomma e PTFE. I sigilli includono O-ring, sigillo pistone, sigillo stelo, anello grigio e sigillo a gas.
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