Stai progettando un sistema di sollevamento idraulico e vuoi evitare problemi di sincronizzazione tra i cilindri? In questo articolo analizziamo un caso reale che ci è stato presentato da un cliente e che mette in luce un particolare aspetto, spesso sottovalutato dai progettisti: la configurazione dei volumi delle camere dei cilindri del divisore di flusso.
Vediamo perché può causare l’errore di sincronizzazione dei cilindri e come evitarlo.
La configurazione scelta: circuito master-slave e MIA-FD a 2 elementi
Il cliente – un’azienda che opera nel settore della produzione di apparecchiature meccaniche e macchine elevatrici – stava progettando una piattaforma a 4 colonne per il sollevamento di veicoli pesanti con 4 cilindri idraulici:
- 2 cilindri anteriori: 1A (sinistra) e 1B (destra)
- 2 cilindri posteriori: 2A (sinistra) e 2B (destra)
Le condizioni di lavoro erano le seguenti:
- Circa l’80% del carico gravava sui cilindri anteriori
- Circa il 20% del carico gravava sui cilindri posteriori
- Erano previsti circa 150 cicli di lavoro al giorno
- Era necessario che la piattaforma restasse perfettamente in piano al termine di ogni ciclo (salita e discesa)
Non era richiesta una precisione assoluta durante il movimento, ma la piattaforma doveva rimanere ragionevolmente in piano in ogni momento.
MIA-FD a 2 elementi
Per il controllo dei cilindri era stato scelto un divisore di flusso MIA-FD (Manifold Instantaneous Auto-compensating Flow Divider) a 2 elementi (modello MVA0218), configurato così:
- Uscita 1: cilindri lato sinistro (1A + 2A)
- Uscita 2: cilindri lato destro (1B + 2B)
- Fonte di pressione (pompa idraulica): 2800 psi (~ 190 atm) costante
Il cliente aveva optato per un MIA-FD Vivoil, perché è particolarmente adatto per applicazioni di questo tipo. Infatti, è in grado di compensare le differenze di carico degli attuatori e distribuire e alimentare diverse diramazioni di un circuito con portate costanti e indipendenti: una caratteristica molto utile nel sollevamento di oggetti di peso variabile che devono rimanere allineati.
La versione scelta dal cliente (MVA – divisore standard) non includeva la valvola di controllo pressione e il regolatore di flusso unidirezionale per controllare la fase di riunificazione, caratteristiche che sono invece implementate nella versione MVE.
Circuito di tipo master-slave
Il circuito adottato dal cliente era di tipo master-slave. Una configurazione in cui, con un solo apporto di olio, un cilindro master aziona un cilindro slave, consentendone l’estensione e la retrazione simultanee.
In questo tipo di circuito, la linea idraulica è collegata al lato a sezione piena del cilindro master, il cui lato stelo è collegato al lato a sezione piena del cilindro slave.
Il problema riscontrato dal cliente: i cilindri del divisore non si allineano
Durante i test del prototipo il cliente aveva riscontrato un comportamento anomalo: in fase di discesa, i cilindri anteriori arrivavano a fine corsa, mentre i cilindri posteriori restavano sollevati di circa 130 mm. Di conseguenza, la piattaforma non risultava allineata, nonostante i calcoli iniziali del circuito fossero stati ritenuti corretti.
Il dubbio del cliente, a quel punto, non riguardava il corretto funzionamento del MIA-FD quanto l’applicazione di questo tipo di divisore di flusso nel circuito master-slave del macchinario che stava progettando.
Ci ha quindi contattato per verificare se il problema potesse dipendere dall’utilizzo del MIA-FD con questa configurazione.
L’analisi di Vivoil: il problema è nella configurazione del circuito
Analizzando i dati di progetto, abbiamo individuato la possibile causa del problema che, come ipotizzato dal cliente, sta proprio nella configurazione del circuito master-slave e in particolare dei volumi delle camere dei cilindri.
Infatti, affinché il sistema master-slave funzioni correttamente, è necessario che il volume lato stelo del cilindro master sia uguale al volume lato fondo del cilindro slave, e viceversa, come indicato in figura:
Ma se si utilizzano dei cilindri standard, il volume lato fondo è maggiore del volume lato stelo (a causa della presenza dello stelo).
Di conseguenza, utilizzando cilindri identici, non è possibile ottenere una perfetta corrispondenza dei volumi e così, in alcune fasi del ciclo, l’olio non riesce a riempire completamente una camera oppure non riesce a svuotarla del tutto.
Il risultato è che uno dei cilindri non completa la corsa e questo causa disallineamenti come quello osservato nel prototipo che ci è stato sottoposto dal cliente.
I due schemi che seguono illustrano chiaramente il problema:
- Discesa: il cilindro non riesce a scaricare completamente l’olio
Se all’inizio del ciclo il lato a fondo (foro pieno) del cilindro 1 è pieno di olio (tipico della fase di discesa), quell’olio deve fluire verso il lato stelo del cilindro 2. Ma il volume lato stelo è più piccolo del volume lato fondo. Quindi, l’olio in uscita dal cilindro 1 è maggiore rispetto allo spazio disponibile nel cilindro 2 e una parte di olio non riesce a trasferirsi completamente. Risultato: il cilindro 2 non completa la corsa e i due cilindri si disallineano.
- Salita: il cilindro non riesce a riempirsi completamente
Nel caso opposto, all’inizio del ciclo il lato stelo del cilindro 2 è pieno (tipico della fase di salita) e l’olio deve riempire il lato fondo del cilindro 1. Ma il volume lato fondo è maggiore del volume lato stelo e l’olio disponibile proveniente dal cilindro 2 è insufficiente, per cui non riesce a riempire completamente la camera del cilindro 1. Di conseguenza, anche in questo caso, uno dei cilindri non completa la corsa e determina un disallineamento.
La soluzione: evitare il sistema master-slave, preferire un’altra configurazione e ridimensionare l’impianto
Per risolvere il problema, abbiamo suggerito al cliente di eliminare il sistema master-slave e di adottare una configurazione diversa: utilizzare 4 cilindri indipendenti controllati da un divisore di flusso MIA-FD a 4 elementi.
In questo modo non è più necessario avere volumi equivalenti tra le camere dei cilindri, perché il divisore MIA-FD Vivoil è in grado di distribuire portate costanti e indipendenti e le eventuali differenze di carico vengono compensate automaticamente.
MIA-FD, infatti, bilancia continuamente il carico, garantendo una divisione ottimale della portata anche in presenza di forti sbilanciamenti, grazie al sistema interno a ingranaggi e alla compensazione valvolare che lavora in modo istantaneo fino a fine corsa.
Così la piattaforma riesce a mantenersi allineata sia in salita che in discesa, anche in presenza di carichi sbilanciati.
Per adottare questa soluzione, però, è necessario rivedere il dimensionamento del circuito idraulico, lavorando con una portata maggiore e con una pressione più bassa, così da permettere al sistema di funzionare correttamente con i quattro rami indipendenti.
Nei sistemi di sollevamento non basta che i calcoli siano corretti
Questo caso dimostra che, nei sistemi di sollevamento, non è sufficiente che i calcoli siano corretti. Una configurazione e una tipologia di circuito non adatti possono alterare la sincronizzazione dei cilindri del divisore di flusso.
In un contesto di questo tipo, MIA-FD è la soluzione più efficace perché, se l’impianto è correttamente dimensionato, semplifica il controllo, rispetto a configurazioni più complesse come il master-slave.
Stai progettando un sistema simile e vuoi capire qual è la configurazione più adatta?
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