Perché il numero di cilindri non è sufficiente: portata, ammortizzo e velocità devono essere valutati insieme
Quando un sistema di stampaggio utilizza più cilindri idraulici contemporaneamente, uno degli aspetti che deve essere verificato durante la progettazione dell’impianto è la portata d’olio necessaria.
Non è sufficiente conoscere il numero di cilindri installati.
È necessario conoscere almeno:
- il modello del cilindro;
- l’alesaggio;
- la corsa;
- la velocità richiesta;
- la portata massima ammessa dal cilindro;
- l’eventuale presenza di ammortizzo;
- se i cilindri lavorano contemporaneamente oppure in sequenza.
Un caso tecnico gestito dal Vega Team mostra molto bene perché questa verifica sia importante. Il Cliente doveva utilizzare 4 cilindri compatti CM040EOEG#050 e altri 4 cilindri CR050022C3GESN125S073 con stelo integrale ammortizzato e aveva richiesto di conoscere la quantità di olio necessaria per i due gruppi di cilindri.
1. La domanda corretta non è soltanto “quanto olio serve?”
Quando si progettano più cilindri idraulici, una domanda apparentemente semplice come:
“Quanta quantità di olio serve?”
può avere significati diversi.
Si può infatti parlare di:
- volume totale di olio necessario per effettuare una corsa;
- portata necessaria per raggiungere una determinata velocità;
- portata massima ammessa dal cilindro;
- portata richiesta dalla macchina durante il movimento simultaneo di più cilindri.
Questi parametri non devono essere confusi.
Nel caso analizzato, la richiesta del Cliente riguardava la quantità/portata di olio necessaria per quattro cilindri compatti e quattro cilindri modificati.
La risposta tecnica del Vega Team fornì quindi la portata massima per singolo cilindro.
2. La portata massima del cilindro
Per i cilindri compatti:
CM040EOEG#050
la portata massima indicata era:
7 l/min per cilindro.
Questo valore deve essere interpretato come limite relativo al singolo cilindro.
Se il sistema utilizza quattro cilindri dello stesso tipo e tutti e quattro devono funzionare contemporaneamente alla portata massima indicata, la portata complessiva teorica sarebbe:
4 × 7 = 28 l/min
Quindi:
4 cilindri CM040 → 28 l/min complessivi
Questa è una semplice somma delle portate individuali e deve essere utilizzata solo se i quattro cilindri sono effettivamente alimentati contemporaneamente alla portata massima.
3. Quattro cilindri non significano necessariamente quattro volte la portata
È importante fare una distinzione.
Se quattro cilindri lavorano in sequenza, la centralina non deve necessariamente fornire contemporaneamente la somma delle quattro portate massime.
Se invece quattro cilindri lavorano contemporaneamente, la portata richiesta dal circuito può essere molto maggiore.
Per esempio:
Funzionamento sequenziale
Un cilindro alla volta:
7 l/min
Funzionamento simultaneo
Quattro cilindri contemporaneamente:
7 + 7 + 7 + 7 = 28 l/min
La progettazione della centralina deve quindi partire dal peggior caso di funzionamento simultaneo realmente previsto.
4. Il secondo gruppo di cilindri presenta una situazione completamente diversa
Il secondo gruppo era costituito da:
CR050022C3GESN125S073
con stelo integrale ammortizzato.
Per questa configurazione, il Vega Team indicò una portata massima di:
90 l/min per cilindro.
Se quattro cilindri lavorassero contemporaneamente alla portata massima indicata:
4 × 90 = 360 l/min
Quindi, teoricamente:
4 cilindri CR050022C3GESN125S073 → 360 l/min complessivi
Ma qui emerge un aspetto particolarmente importante.
5. L’ammortizzo modifica completamente il dato di portata
Il valore di 90 l/min non può essere considerato indipendentemente dall’utilizzo dell’ammortizzo.
La comunicazione tecnica specifica infatti che:
quando l’ammortizzo non viene utilizzato, oppure viene utilizzato solo parzialmente, la portata massima si riduce a 10 l/min per cilindro.
Questo significa che esistono due condizioni operative molto diverse.
Ammortizzo utilizzato
90 l/min per cilindro
Ammortizzo non utilizzato o utilizzato parzialmente
10 l/min per cilindro
Per quattro cilindri:
4 × 90 = 360 l/min
oppure:
4 × 10 = 40 l/min
Questa differenza è enorme.
6. Perché l’ammortizzo è così importante?
L’ammortizzo ha una funzione specifica nella fase finale della corsa.
Serve a controllare il movimento del pistone quando si avvicina alla fine della corsa, riducendo l’energia associata al movimento e contribuendo a evitare un arresto troppo brusco.
La presenza di un sistema di ammortizzo può quindi influenzare direttamente la gestione del flusso durante il movimento.
Nel caso specifico, la documentazione tecnica del Vega Team stabilisce esplicitamente che la portata massima del cilindro CR con stelo integrale ammortizzato è 90 l/min quando l’ammortizzo viene utilizzato, mentre scende a 10 l/min quando l’ammortizzo non viene utilizzato o viene utilizzato solo parzialmente.
È quindi fondamentale conoscere come il cilindro verrà effettivamente utilizzato.
7. Non bisogna utilizzare automaticamente il valore massimo
Questo caso insegna un principio importante:
La portata massima dichiarata per un cilindro non deve essere automaticamente utilizzata come portata di progetto dell’intero sistema.
Bisogna prima verificare:
- quale velocità è richiesta;
- se il cilindro lavora alla portata massima;
- se l’ammortizzo viene utilizzato;
- se i cilindri lavorano contemporaneamente;
- quale portata può fornire la centralina;
- quale portata possono gestire tubazioni e valvole.
Il valore massimo serve come riferimento tecnico, ma il dimensionamento effettivo dell’impianto dipende dalle condizioni operative.
8. La velocità del cilindro determina la portata necessaria
La relazione fondamentale è semplice:
Portata = Area × Velocità
Per un cilindro idraulico, la portata necessaria aumenta quando aumenta la velocità del pistone.
Per esempio, a parità di alesaggio:
2 × velocità → 2 × portata
Questo significa che la scelta della portata non dovrebbe partire semplicemente dalla domanda:
“Qual è la portata massima del cilindro?”
La domanda più utile è:
“Quale portata è necessaria per ottenere la velocità richiesta?”
Successivamente bisogna verificare che tale portata sia compatibile con il limite del cilindro.
9. Portata massima e velocità massima non sono la stessa cosa
È importante distinguere questi due concetti.
La portata massima indica quanto fluido può essere fatto passare attraverso il cilindro nelle condizioni previste.
La velocità del cilindro dipende invece dalla portata e dall’area efficace del pistone.
Perciò, aumentando la portata, aumenta generalmente la velocità del cilindro, fino ai limiti imposti dal componente e dal sistema.
La documentazione Vega relativa ai cilindri V450CM, per esempio, indica una portata massima variabile in funzione della configurazione e collega esplicitamente le prestazioni del cilindro alle condizioni di utilizzo.
10. Il caso dei quattro cilindri compatti
Torniamo al primo gruppo.
Il Cliente doveva utilizzare:
4 × CM040EOEG#050
La portata massima indicata dal Vega Team era:
7 l/min per cilindro.
Se tutti e quattro i cilindri devono muoversi contemporaneamente alla portata massima:
Q totale = 4 × 7 = 28 l/min
Quindi il circuito deve essere in grado di fornire almeno questa portata nel caso di funzionamento simultaneo alla massima portata prevista.
Ma se i cilindri lavorano a una portata inferiore, la richiesta effettiva sarà ovviamente inferiore.
11. Il caso dei quattro cilindri con ammortizzo
Per il secondo gruppo:
4 × CR050022C3GESN125S073
il dato è:
90 l/min per cilindro con ammortizzo utilizzato.
Pertanto:
Q totale = 4 × 90 = 360 l/min
Se invece l’ammortizzo non viene utilizzato oppure viene utilizzato solo parzialmente:
Q totale = 4 × 10 = 40 l/min
La differenza tra:
360 l/min
e
40 l/min
dimostra quanto sia importante definire correttamente la condizione di funzionamento prima di dimensionare la centralina.
12. La centralina deve essere dimensionata sul caso realmente necessario
Una centralina idraulica non dovrebbe essere dimensionata semplicemente sommando tutte le portate massime teoriche dei cilindri presenti nello stampo.
Bisogna prima stabilire:
- quali cilindri si muovono contemporaneamente;
- quale velocità devono raggiungere;
- quale portata richiede ciascun cilindro;
- se esistono fasi di ammortizzo;
- quale sia il ciclo più gravoso.
Solo a quel punto è possibile determinare la portata necessaria della centralina.
13. La sequenza del ciclo è fondamentale
Immaginiamo uno stampo con otto cilindri.
Non significa necessariamente che la centralina debba fornire la somma delle portate di tutti gli otto cilindri.
Potremmo avere:
Fase A
4 cilindri CM040 in movimento:
28 l/min
Fase B
4 cilindri CR in movimento:
40 o 360 l/min, a seconda della condizione dell’ammortizzo indicata nella documentazione.
Fase C
Nessun cilindro in movimento.
Il dimensionamento deve quindi essere effettuato sul picco di portata realmente richiesto durante il ciclo.
14. Portata, pressione e potenza sono collegate
La portata non deve essere considerata isolatamente.
In un sistema idraulico, pressione e portata determinano anche la potenza richiesta.
In termini semplificati:
Potenza idraulica ∝ Pressione × Portata
Questo significa che un sistema che richiede una portata molto elevata può richiedere una centralina significativamente più potente, soprattutto se deve contemporaneamente mantenere una pressione elevata.
Per questo motivo, una corretta analisi della portata è importante anche per la scelta:
- della pompa;
- del motore;
- delle valvole;
- delle tubazioni;
- dei raccordi;
- del serbatoio.
15. Le tubazioni possono diventare un limite
Anche quando il cilindro è in grado di ricevere una determinata portata, l’intero circuito deve essere progettato per gestirla.
Una portata elevata attraverso un passaggio troppo piccolo può provocare:
- perdite di carico;
- aumento della velocità del fluido;
- riscaldamento;
- riduzione delle prestazioni;
- tempi di movimento superiori a quelli desiderati.
Per questo motivo, il dimensionamento deve essere effettuato considerando il percorso completo del fluido:
pompa → valvola → tubo → raccordo → cilindro
e, nel ritorno:
cilindro → raccordo → tubo → valvola → serbatoio.
16. Le alimentazioni integrate possono influenzare la velocità
Questo aspetto è particolarmente interessante per i cilindri compatti.
Vega ha sviluppato anche la tecnologia SpeedPorts, progettata per aumentare il flusso attraverso alimentazioni con O-ring mantenendo invariati gli ingombri complessivi. La tecnologia viene presentata proprio come soluzione per ottenere maggiore velocità da cilindri compatti.
Questo dimostra che, in alcune applicazioni, il problema non è soltanto la capacità del cilindro di sopportare una determinata pressione, ma anche la capacità del collegamento idraulico di permettere il passaggio della portata necessaria.
17. Il rapporto tra portata e compattezza
Nei cilindri compatti, lo spazio disponibile per le alimentazioni è spesso limitato.
Si deve quindi trovare un equilibrio tra:
- dimensione del foro;
- velocità del fluido;
- perdita di carico;
- velocità del cilindro;
- dimensioni esterne del cilindro.
La tecnologia SpeedPorts è un esempio di come Vega abbia affrontato proprio questo problema: aumentare il flusso mantenendo le dimensioni esterne del cilindro.
18. Una procedura pratica per calcolare la portata
Quando un Cliente chiede:
“Quanta portata serve per i miei cilindri?”
è consigliabile procedere in questo modo.
Step 1 – Identificare il modello
Definire esattamente il cilindro.
Step 2 – Definire alesaggio e corsa
Questi parametri determinano il volume movimentato.
Step 3 – Definire la velocità richiesta
Stabilire quanto rapidamente deve muoversi il cilindro.
Step 4 – Calcolare la portata teorica
Utilizzare la relazione:
Q = A × v
Step 5 – Verificare il limite del cilindro
La portata calcolata deve essere inferiore alla portata massima ammessa dal cilindro nella configurazione scelta.
Step 6 – Verificare l’ammortizzo
Se presente, verificare come deve essere utilizzato durante il ciclo.
Step 7 – Verificare il numero di cilindri simultanei
Somma le portate dei cilindri che lavorano contemporaneamente.
Step 8 – Verificare il circuito
Controllare che pompa, valvole, tubazioni e raccordi siano dimensionati correttamente.
Step 9 – Individuare il picco
Il dimensionamento della centralina deve considerare la fase del ciclo con la maggiore richiesta di portata.
19. Un esempio tratto dal caso reale
Il caso analizzato può essere sintetizzato in questo modo.
Gruppo 1
4 × CM040EOEG#050
Portata massima:
7 l/min per cilindro
Portata teorica simultanea:
28 l/min
Gruppo 2
4 × CR050022C3GESN125S073
Portata massima con ammortizzo utilizzato:
90 l/min per cilindro
Portata teorica simultanea:
360 l/min
Gruppo 2 – ammortizzo non utilizzato o parzialmente utilizzato
Portata massima:
10 l/min per cilindro
Portata teorica simultanea:
40 l/min
Questi valori mostrano chiaramente perché non sia sufficiente conoscere solamente il numero di cilindri.
20. La domanda corretta da fare al Cliente
Prima di dimensionare la centralina, sarebbe quindi opportuno chiedere:
- Quanti cilindri lavorano contemporaneamente?
- Quale velocità deve raggiungere ciascun cilindro?
- Qual è la pressione di lavoro?
- I cilindri lavorano in sequenza o simultaneamente?
- L’ammortizzo viene utilizzato?
- Se viene utilizzato, viene utilizzato completamente?
- Qual è il tempo di ciclo desiderato?
- Qual è la portata disponibile dalla centralina?
- Qual è il diametro delle tubazioni?
- Quali sono le dimensioni delle alimentazioni?
Nel caso documentato, il Cliente aveva proprio richiesto al Vega Team di indicare la quantità di olio necessaria per i due gruppi di quattro cilindri.
21. Conclusione
Il dimensionamento della portata idraulica è un aspetto fondamentale quando più cilindri lavorano nello stesso stampo.
Il numero di cilindri, da solo, non è sufficiente per determinare la portata necessaria.
È necessario considerare:
- modello del cilindro;
- alesaggio;
- velocità;
- portata massima;
- ammortizzo;
- numero di cilindri simultanei;
- configurazione delle alimentazioni;
- caratteristiche della centralina.
Nel caso analizzato, il Vega Team indicò una portata massima di 7 l/min per ciascun CM040EOEG#050 e di 90 l/min per ciascun CR050022C3GESN125S073 con stelo integrale ammortizzato. Se l’ammortizzo del secondo cilindro non viene utilizzato o viene utilizzato solo parzialmente, la portata massima indicata scende a 10 l/min per cilindro.
Per quattro cilindri, ciò significa teoricamente:
- 28 l/min per i quattro CM040;
- 360 l/min per quattro CR con ammortizzo utilizzato;
- 40 l/min per quattro CR con ammortizzo non utilizzato o parzialmente utilizzato.
La lezione più importante è quindi:
La portata della centralina deve essere dimensionata sulla reale sequenza di funzionamento dello stampo, considerando quali cilindri lavorano contemporaneamente, quale velocità è richiesta e come viene utilizzato l’ammortizzo. La portata massima del singolo cilindro è un limite tecnico, non necessariamente la portata che il cilindro richiede durante il normale funzionamento.
URL utili e verificati
Per questo articolo utilizzerei soprattutto questi collegamenti ufficiali Vega:
1. Cilindri idraulici per stampi
Vega Cylinders – Cilindri Idraulici per Stampi
È il collegamento generale più utile: Vega suddivide i cilindri per applicazione e include movimentazione carrello e spina, piastra di estrazione, svitamento e bloccaggio meccanico.
2. Cilindri per movimentazione della piastra di estrazione
Vega Cylinders – Movimentazione Piastra di Estrazione
È particolarmente pertinente perché il caso riguarda gruppi di cilindri utilizzati contemporaneamente. Il V220CC è incluso nella categoria Vega dedicata alla movimentazione della piastra di estrazione.
3. SpeedPorts – Alimentazione ad alta velocità
Questo è il link più interessante per la parte relativa a portata, perdite di carico e velocità. Vega presenta SpeedPorts come soluzione per aumentare il flusso attraverso alimentazioni con O-ring mantenendo gli ingombri del cilindro.
4. V450CM – Cilindri idraulici compatti
Utile come approfondimento tecnico sui cilindri compatti, sulla portata massima e sulle applicazioni negli stampi. La pagina riporta, per il V450CM, una pressione massima di esercizio di 450 bar e una portata massima variabile in funzione della configurazione.
