Cilindri idraulici: Principi di funzionamento e tipologie

Il cilindro idraulico è un attuatore del sistema idraulico e la sua funzione è quella di convertire l'energia idraulica in energia meccanica. L'ingresso del cilindro idraulico è costituito dal flusso e dalla pressione del liquido, mentre l'uscita è costituita dalla velocità lineare e dalla forza. Il pistone del cilindro idraulico può eseguire un movimento lineare alternato, producendo uno spostamento lineare limitato.

I. Principio di funzionamento del cilindro idraulico

Per illustrare il principio di funzionamento del cilindro idraulico, si prende ad esempio un cilindro idraulico a stelo singolo a doppio effetto. Come illustrato nella Figura 1, il cilindro idraulico è composto principalmente dalla canna del cilindro 1, dal pistone 2, dallo stelo 3, dal coperchio 4 e dalla guarnizione 5 dello stelo.

Barile a 1 cilindro
A 2 pistoni
Asta a 3 pistoni
4-Coperchio terminale
5-Seal

Se la canna del cilindro è fissa e l'olio idraulico viene immesso continuamente nella camera sinistra, quando la pressione dell'olio è sufficiente a vincere tutti i carichi sullo stelo, il pistone si muove continuamente verso destra alla velocità v ₁ , e lo stelo del pistone lavora sull'ambiente esterno.

Al contrario, quando l'olio idraulico viene immesso nella camera destra, il pistone si sposta verso sinistra alla velocità v ₂ e lo stelo del pistone agisce anche sull'ambiente esterno. In questo modo, viene completato un movimento alternativo. Questo tipo di cilindro idraulico è chiamato cilindro a canna fissa.

Se lo stelo del pistone è fisso e l'olio idraulico viene immesso continuamente nella camera sinistra, la canna del cilindro si sposta verso sinistra; quando l'olio idraulico viene immesso continuamente nella camera destra, la canna del cilindro si sposta verso destra. Questo tipo di cilindro idraulico è chiamato cilindro a stelo fisso.

I cilindri idraulici trattati in questo capitolo, se non diversamente specificato, sono tutti esempi di cilindri idraulici a canna fissa e a stelo mobile.

L'olio immesso nel cilindro idraulico deve avere una pressione p e una portata q. La pressione serve a vincere il carico, mentre la portata serve a formare una certa velocità di movimento. La pressione e la portata immesse nel cilindro idraulico sono l'energia idraulica in ingresso al cilindro; la forza e la velocità di movimento esercitate dal pistone sul carico sono l'energia meccanica in uscita dal cilindro idraulico.

Pertanto, la pressione p, la portata q, la forza in uscita F e la velocità v in ingresso al cilindro idraulico sono i principali parametri di prestazione del cilindro idraulico.

II. Classificazione dei cilindri idraulici

A causa dei diversi usi delle varie macchine e delle diverse forme di movimento che eseguono, esistono molti tipi di cilindri idraulici, generalmente classificati in base al metodo di alimentazione dell'olio, alla struttura, alle caratteristiche di funzionamento e all'uso.

In base alla direzione di alimentazione dell'olio, possono essere suddivisi in cilindri a semplice effetto e cilindri a doppio effetto. Un cilindro a semplice effetto immette olio ad alta pressione solo su un lato del cilindro, affidandosi ad altre forze esterne per far tornare indietro il pistone. Un cilindro a doppio effetto immette olio idraulico in entrambi i lati del cilindro. I movimenti in avanti e indietro del pistone sono completati dalla pressione idraulica.

In base alla forma strutturale, possono essere suddivisi in cilindri a pistone, cilindri a stantuffo, cilindri a battente e cilindri a manicotto telescopico.

In base alla forma dello stelo, possono essere suddivisi in cilindri a stelo singolo e cilindri a stelo doppio.

In base agli usi speciali del cilindro, possono essere suddivisi in cilindri tandem, cilindri di spinta, cilindri per l'aumento della velocità, cilindri a gradini, ecc. Questi tipi di cilindri non sono costituiti da un'unica canna, ma sono combinati con altre canne e componenti, per cui dal punto di vista strutturale sono detti anche cilindri combinati. In base alla pressione utilizzata dal cilindro idraulico, possono essere suddivisi in cilindri idraulici a bassa pressione, cilindri idraulici a media pressione, cilindri idraulici ad alta pressione e cilindri idraulici ad altissima pressione.

Per le macchine utensili si utilizzano generalmente cilindri idraulici a media e bassa pressione, con una pressione nominale compresa tra 2,5 e 6,3 MPa; per le macchine edili, le macchine per l'ingegneria e gli aerei si utilizzano prevalentemente cilindri idraulici a media e alta pressione, con una pressione nominale compresa tra 10 e 16 MPa; per le macchine come le presse idrauliche si utilizzano prevalentemente cilindri idraulici ad alta pressione, con una pressione nominale compresa tra 25 e 31,5 MPa.

La classificazione dei cilindri idraulici è riportata nella Tabella 1.

Tabella 1 Classificazione dei cilindri idraulici

Nome			Simbolo	Caratteristiche di lavoro
Cilindro idraulico a semplice effetto	Cilindro a pistone			Azionamento idraulico unidirezionale, ritorno tramite autopeso, molla o altre forze esterne
	Cilindro a pistone			Lo stantuffo è spesso, sopporta bene la forza e viene azionato unidirezionalmente dalla pressione idraulica.
	Cilindro a manicotto telescopico			Azionato da un sistema idraulico, viene spinto fuori sezione per sezione, da grande a piccolo, e poi ritratto sezione per sezione, da piccolo a grande, dal suo stesso peso.
Cilindro idraulico a doppio effetto	Stelo a pistone singolo	Cilindro standard		Il pistone si muove sotto pressione idraulica in entrambe le direzioni, non decelera a fine corsa e la forza e la velocità di movimento nelle due direzioni sono diverse.
		Cilindro ammortizzatore non regolabile		Il pistone si muove sotto pressione idraulica in entrambe le direzioni, decelera a fine corsa e il valore di decelerazione non è regolabile. La forza e la velocità di movimento nelle due direzioni sono diverse.
		Cilindro di ammortizzazione regolabile		Il pistone si muove sotto pressione idraulica in entrambe le direzioni, decelera a fine corsa e il valore di decelerazione è regolabile. La forza e la velocità di movimento nelle due direzioni sono diverse.
		Cilindro differenziale		Può accelerare l'ingresso dell'olio nella camera senza stelo, ma la spinta si riduce di conseguenza.
	Stelo a doppio pistone	Cilindro standard		Il pistone si muove sotto pressione idraulica in entrambe le direzioni, non decelera a fine corsa e la forza e la velocità di movimento in entrambe le direzioni sono le stesse.
		Cilindro a doppia velocità		Due pistoni si muovono contemporaneamente in direzioni opposte.
		Cilindro ammortizzatore non regolabile		Il pistone si muove sotto pressione idraulica in entrambe le direzioni, decelera a fine corsa e il valore di decelerazione non è regolabile. La forza e la velocità di movimento in entrambe le direzioni sono le stesse.
		Cilindro di ammortizzazione regolabile		Il pistone si muove sotto pressione idraulica in entrambe le direzioni, decelera a fine corsa e il valore di decelerazione è regolabile. La forza e la velocità di movimento in entrambe le direzioni sono le stesse.
	Cilindro a manicotto telescopico			Azionamento idraulico a doppio effetto, la procedura di estensione e retrazione è identica a quella di un cilindro telescopico a manicotto a semplice effetto.
Cilindro combinato	Cilindro di spinta			Azionato dall'aspirazione dell'olio nella camera A, emette olio ad alta pressione nella camera B.
	Cilindro tandem			Utilizzato in situazioni in cui il diametro del cilindro è limitato ma non la lunghezza, consentendo una maggiore spinta.
	Cilindro multiposizione			Aprendo diversi ingressi dell'olio, il pistone A può assumere tre posizioni.
	Cilindro a gradini			Diverse corse del pistone sono disposte in ordine binario. Aprendo diversi ingressi dell'olio secondo le necessità, il pistone può spostarsi di diverse distanze.
	Cilindro a cremagliera			Converte il moto lineare alternativo del pistone nel moto rotatorio alternativo dell'ingranaggio.