Un caso Cliente: 500 kN di forza, 200 mm di corsa e una frequenza di 10 Hz

La scelta di un cilindro idraulico per un’applicazione industriale molto impegnativa non può basarsi soltanto sulla forza richiesta.

Quando un Cliente richiede contemporaneamente 500 kN di forza in spinta e trazione, una corsa di 200 mm, una frequenza di 10 Hz e dispone di una pompa con pressione massima di soli 50 bar, il problema diventa molto più complesso.

È necessario analizzare contemporaneamente:

• forza;
• pressione;
• alesaggio;
• diametro dello stelo;
• corsa;
• velocità;
• frequenza di ciclo;
• portata della pompa.

In questo caso, il Vega Team ha analizzato una possibile soluzione basata sulla serie V215CR ISO 6020/2. Dall’analisi è emerso che la richiesta di forza richiedeva un cilindro di grandi dimensioni oppure una configurazione con più cilindri, mentre la frequenza di 10 Hz risultava particolarmente critica in combinazione con una corsa di 200 mm.

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1. La richiesta del Cliente

La richiesta comprendeva diversi parametri particolarmente impegnativi:

Forza richiesta: 500 kN in spinta e 500 kN in trazione

Corsa: 200 mm

Frequenza: 10 Hz

Pressione massima disponibile: 50 bar

Il Cliente aveva inoltre richiesto informazioni relative ai cilindri V215CR ISO 6020/2.

Già osservando questi dati si può comprendere che non è sufficiente cercare semplicemente un cilindro “da 500 kN”.

Bisogna verificare se l’intero sistema idraulico è in grado di fornire quella forza alla velocità e alla frequenza richieste.

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2. La relazione fondamentale tra forza, pressione e superficie

La formula fondamentale per il dimensionamento è:

F = P × A

dove:

• F = forza;
• P = pressione;
• A = area efficace del pistone.

Di conseguenza:

A = F / P

Nel caso analizzato:

F = 500 kN

P = 50 bar

Convertendo la forza in kgf, 500 kN corrispondono a circa:

50.986 kgf

A 50 bar, la superficie teorica necessaria per ottenere questa forza è circa:

1.020 cm²

Si tratta di un’area estremamente elevata.

Questo spiega perché il Vega Team ha indicato, per ottenere una forza di questo ordine, la possibilità di utilizzare un cilindro di grandi dimensioni, con alesaggio superiore a 200 mm, oppure una soluzione con due cilindri da 160 mm operanti a una pressione superiore.

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3. Perché una pressione di soli 50 bar è un limite importante

La pressione disponibile è uno dei parametri fondamentali nel dimensionamento.

A parità di forza:

pressione più bassa → area del pistone maggiore

pressione più alta → area del pistone minore

Per questo motivo un sistema che deve sviluppare 500 kN a 50 bar necessita di una superficie del pistone molto maggiore rispetto a un sistema capace di lavorare a 160 o 200 bar.

Nel caso Cliente, la pompa disponibile poteva fornire una pressione massima di 50 bar, e il Vega Team ha quindi ricalcolato le prestazioni tenendo conto della reale pressione disponibile.

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4. Un cilindro molto grande oppure due cilindri

Per il valore di forza richiesto, il Vega Team ha indicato due possibili approcci:

• un cilindro con alesaggio superiore a 200 mm;
• in alternativa, due cilindri con alesaggio 160 mm a 160 bar.

Questa seconda possibilità è particolarmente interessante perché dimostra come, in alcune applicazioni, sia possibile distribuire la forza richiesta tra più attuatori.

La scelta tra un cilindro singolo di grandi dimensioni e più cilindri dipende però dalla configurazione meccanica e idraulica della macchina.

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5. Perché due cilindri possono essere una soluzione interessante

Utilizzare due cilindri può consentire di distribuire il carico e ottenere una forza complessiva elevata.

Con due cilindri da Ø160 mm alimentati a 160 bar, la forza teorica complessiva in spinta è superiore a 500 kN.

Questo è coerente con l’alternativa indicata dal Vega Team nella comunicazione tecnica.

Tuttavia, aumentare il numero di cilindri non risolve automaticamente tutti i problemi.

Bisogna ancora verificare:

• sincronizzazione;
• distribuzione del carico;
• portata disponibile;
• valvole;
• tubazioni;
• allineamento meccanico.

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6. La differenza tra forza in spinta e forza in trazione

Un cilindro doppio effetto non produce necessariamente la stessa forza nelle due direzioni.

Il motivo è il diametro dello stelo.

In spinta, la pressione agisce sostanzialmente sull’intera superficie del pistone.

In trazione, l’area utile viene ridotta dalla superficie occupata dallo stelo.

Le formule sono:

F spinta = P × A pistone

F trazione = P × (A pistone − A stelo)

Questo aspetto è particolarmente importante quando il Cliente richiede una forza elevata sia in spinta sia in trazione.

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7. La configurazione V215CR analizzata

Il Vega Team ha verificato una configurazione CR160070C0GHAN200, caratterizzata da:

• alesaggio Ø160 mm;
• stelo Ø70 mm;
• corsa 200 mm.

Con una pressione di esercizio di 50 bar, la configurazione analizzata poteva generare circa:

10.000 kgf in spinta

e:

8.125 kgf in trazione.

Questi valori mostrano chiaramente quanto la pressione disponibile influenzi la capacità di generare forza.

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8. Perché 10.000 kgf non sono sufficienti per 500 kN

La richiesta del Cliente era di circa:

500 kN ≈ 50.986 kgf

mentre il cilindro Ø160 mm analizzato a 50 bar produceva circa:

10.000 kgf in spinta.

La differenza è quindi considerevole.

Questo dimostra che non sarebbe sufficiente scegliere un singolo cilindro Ø160 mm se la pressione disponibile rimane limitata a 50 bar.

Occorrerebbe aumentare l’area efficace complessiva, aumentare la pressione oppure utilizzare una combinazione delle due strategie.

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9. Il problema più critico: 10 Hz con 200 mm di corsa

La parte più interessante dell’analisi riguarda però la frequenza.

Il Cliente richiedeva:

10 Hz

con:

200 mm di corsa.

Il Vega Team ha considerato questa frequenza molto restrittiva e ha indicato che una frequenza di 10 Hz sarebbe stata ottenibile con una corsa di circa 8–10 mm, ma non con una corsa di 200 mm.

Questo è un punto fondamentale nel dimensionamento dei cilindri idraulici.

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10. Che cosa significa realmente 10 Hz?

Una frequenza di:

10 Hz

significa:

10 cicli al secondo.

La durata teorica di un ciclo è quindi:

1 / 10 = 0,1 secondi

ovvero:

100 millisecondi.

Se il cilindro dovesse percorrere 200 mm all’interno di questo intervallo, la velocità media richiesta sarebbe molto elevata.

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11. 200 mm a 10 Hz: una velocità teorica di 2 m/s

La relazione è:

v = s / t

Con:

s = 0,2 m

e:

t = 0,1 s

otteniamo:

v = 2 m/s

Quindi, ipotizzando che i 200 mm debbano essere percorsi nell’intervallo di un singolo ciclo, la velocità media richiesta sarebbe di circa:

2 m/s

Si tratta di un valore molto elevato per il tipo di cilindro analizzato.

Inoltre, questa è una semplificazione: in un movimento reale devono essere considerate anche accelerazione, decelerazione ed eventuali tempi di pausa.

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12. Perché 8–10 mm sono molto più compatibili con 10 Hz

Il Vega Team ha indicato che una frequenza di 10 Hz potrebbe essere raggiunta con una corsa di circa 8–10 mm.

Consideriamo una corsa di 10 mm.

A:

10 Hz

la distanza teorica percorsa in un secondo sarebbe:

10 mm × 10 = 100 mm/s

ovvero:

0,1 m/s.

Questo valore coincide con la velocità di movimento indicata dal Vega Team come consigliata per questa tipologia di cilindro.

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13. La relazione tra corsa, frequenza e velocità

Possiamo esprimere il rapporto in modo molto semplice:

v = s × f

dove:

• v = velocità media;
• s = corsa;
• f = frequenza.

Per esempio:

Questa semplice tabella mostra perché una corsa di 200 mm rappresenta un problema molto più significativo rispetto a una corsa di 8–10 mm.

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14. La velocità dipende dalla portata

Un altro parametro fondamentale è la portata della pompa.

La relazione è:

Q = A × v

dove:

• Q = portata;
• A = area del pistone;
• v = velocità del cilindro.

Quindi, aumentando il diametro del cilindro, aumenta anche il volume di olio necessario per ottenere una determinata velocità.

Questo genera un problema interessante nel caso Cliente:

serve un cilindro grande per ottenere 500 kN a 50 bar

ma:

un cilindro grande richiede molta più portata per muoversi rapidamente.

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15. Forza elevata e alta frequenza: due esigenze difficili da combinare

Il caso mette quindi insieme due esigenze molto impegnative:

Elevata forza

500 kN

Elevata frequenza

10 Hz

Per ottenere molta forza a bassa pressione è necessario aumentare l’area del pistone.

Ma aumentando l’area del pistone aumenta anche la quantità di olio necessaria per ogni millimetro di movimento.

Se contemporaneamente si richiede una corsa lunga e una frequenza elevata, la portata necessaria può diventare enorme.

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16. Perché la pompa è parte integrante del progetto

Il cilindro non deve essere dimensionato separatamente dalla pompa.

Il Vega Team ha infatti specificato che, per determinare la velocità di movimento, era necessario conoscere la portata che la pompa attuale era in grado di erogare.

Questo è un passaggio essenziale.

Una pompa può avere una determinata pressione massima, ma la velocità del cilindro dipende anche dalla portata disponibile.

Per questo, nel dimensionamento bisogna conoscere almeno:

• pressione massima;
• pressione effettiva di lavoro;
• portata;
• caratteristiche delle valvole;
• dimensionamento delle tubazioni.

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17. Pressione e portata sono due parametri diversi

È importante non confondere:

pressione

e

portata.

La pressione determina principalmente la forza disponibile.

La portata determina principalmente la velocità del cilindro.

In termini semplificati:

pressione → forza

portata → velocità

Naturalmente, nella realtà entrambi i parametri interagiscono con il carico, il circuito e le caratteristiche del cilindro.

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18. Il V215CR

Il V215CR è una famiglia di cilindri oleodinamici a tiranti a doppio effetto e movimento lineare, conforme alle dimensioni di fissaggio UNI ISO 6020/2 Compact. La gamma ufficiale Vega comprende alesaggi da 25 a 200 mm e corse da 1 a 1.500 mm.

La pagina ufficiale indica inoltre una pressione massima di esercizio di 215 bar e una velocità massima fino a 1 m/s.

Nel caso analizzato, tuttavia, la pompa del Cliente era limitata a 50 bar. Pertanto, la capacità nominale del cilindro di lavorare a pressioni superiori non risolveva automaticamente il problema della forza richiesta.

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19. La pressione massima del cilindro non è la pressione disponibile nel sistema

Questo è un concetto fondamentale.

Se un cilindro è progettato per:

215 bar

ma la pompa disponibile fornisce:

50 bar

la forza effettivamente disponibile deve essere calcolata a 50 bar.

Non è possibile utilizzare nei calcoli la pressione massima del cilindro se il sistema idraulico non è in grado di raggiungerla.

Nel caso Cliente, proprio per questo motivo il Vega Team ha ricalcolato la forza della configurazione Ø160/Ø70 mm alla pressione effettivamente disponibile di 50 bar.

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20. Perché il diametro dello stelo è importante

Nel cilindro analizzato:

alesaggio = 160 mm

stelo = 70 mm

In spinta viene utilizzata praticamente tutta la superficie del pistone.

In trazione, invece, bisogna sottrarre l’area dello stelo.

Questo spiega la differenza tra:

≈10.000 kgf in spinta

e:

≈8.125 kgf in trazione.

Quando un’applicazione richiede una forza elevata in entrambe le direzioni, il diametro dello stelo deve quindi essere considerato attentamente.

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21. La velocità consigliata

Per la tipologia analizzata, il Vega Team ha indicato una velocità di movimento consigliata di circa:

0,1 m/s.

Questo valore deve poi essere verificato rispetto alla portata effettivamente disponibile.

È importante distinguere tra:

velocità massima indicata nel catalogo

e

velocità consigliabile nella specifica applicazione.

La pagina ufficiale V215CR indica una velocità massima fino a 1 m/s, ma nel caso Cliente il Vega Team ha indicato 0,1 m/s come velocità consigliata e ha richiesto la verifica della portata della pompa.

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22. Perché una corsa di 200 mm cambia completamente il problema

A 0,1 m/s, per percorrere 200 mm occorrono:

0,2 / 0,1 = 2 secondi

solo per il movimento in una direzione.

Se l’applicazione richiedesse anche il ritorno, il tempo necessario per un movimento completo avanti-indietro sarebbe ancora maggiore.

Questo evidenzia l’incompatibilità tra:

200 mm di corsa

e

10 Hz

quando entrambi devono essere rispettati nello stesso ciclo.

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23. Una frequenza di 10 Hz richiede una progettazione specifica

Una frequenza di 10 Hz significa che il sistema deve essere in grado di ripetere il movimento dieci volte ogni secondo.

Non basta quindi che il cilindro sia meccanicamente capace di raggiungere la posizione finale.

Bisogna verificare anche:

• dinamica del movimento;
• accelerazione;
• decelerazione;
• portata;
• valvole;
• dissipazione termica;
• durata delle guarnizioni;
• inerzia del carico.

Nel caso documentato, il Vega Team ha identificato la frequenza di 10 Hz come molto restrittiva.

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24. Un cilindro grande non significa automaticamente un cilindro veloce

Questo è un errore abbastanza comune nel dimensionamento.

Un cilindro di grande diametro può generare molta forza.

Ma, per ottenere una velocità elevata, necessita anche di una grande quantità di olio.

Quindi:

grande diametro → grande forza

ma anche:

grande diametro → maggiore volume di olio per ogni millimetro di corsa.

Per questo motivo un cilindro molto grande può essere perfetto per una pressa lenta ma non necessariamente adatto a un’applicazione ad alta frequenza.

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25. Il ruolo del sistema idraulico completo

La scelta del cilindro deve quindi essere fatta insieme alla progettazione del circuito.

Bisogna considerare:

Pompa

↓

Valvola

↓

Tubazioni

↓

Cilindro

↓

Carico

Tutti questi elementi devono essere compatibili.

Un cilindro correttamente dimensionato dal punto di vista della forza potrebbe comunque non raggiungere la velocità richiesta se la pompa o la valvola non sono in grado di fornire la portata necessaria.

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26. Cosa ci insegna questo caso

Il caso Cliente mostra almeno cinque importanti principi di progettazione.

1. La pressione determina la forza disponibile

A bassa pressione è necessaria una grande area del pistone.

2. La corsa determina il volume di olio necessario

Più lunga è la corsa, maggiore è il volume movimentato.

3. La frequenza determina quanto rapidamente il movimento deve essere ripetuto

10 Hz significa dieci cicli al secondo.

4. La velocità determina la portata necessaria

Più velocemente deve muoversi il cilindro, maggiore sarà la portata richiesta.

5. Tutti i parametri devono essere verificati contemporaneamente

Forza, pressione, corsa, velocità e frequenza non possono essere considerati separatamente.

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27. Una metodologia corretta per dimensionare il cilindro

Per un’applicazione simile, il processo può essere organizzato in questo modo.

Passaggio 1 — Definire la forza

Determinare separatamente:

forza in spinta

e

forza in trazione.

Passaggio 2 — Definire la pressione

Utilizzare la pressione realmente disponibile nel circuito.

Passaggio 3 — Calcolare l’area

A = F / P

Passaggio 4 — Selezionare l’alesaggio

Confrontare l’area richiesta con gli alesaggi disponibili.

Passaggio 5 — Verificare lo stelo

Calcolare la forza effettiva in trazione.

Passaggio 6 — Definire la corsa

Stabilire la reale distanza necessaria.

Passaggio 7 — Definire la frequenza

Determinare quanti movimenti devono essere eseguiti ogni secondo.

Passaggio 8 — Calcolare la velocità

v = s × f

Passaggio 9 — Calcolare la portata

Q = A × v

Passaggio 10 — Verificare la pompa e le valvole

Controllare che il circuito possa fornire la portata e la pressione necessarie.

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28. Il vantaggio dell’analisi tecnica prima dell’offerta

Nella comunicazione Cliente, il Vega Team non si è limitato a indicare un modello.

Ha analizzato:

• forza richiesta;
• pressione disponibile;
• dimensionamento del cilindro;
• differenza tra spinta e trazione;
• frequenza;
• corsa;
• velocità;
• portata della pompa.

Questo approccio permette di evitare una situazione in cui un cilindro apparentemente adatto sulla carta non sia poi in grado di soddisfare le reali esigenze della macchina.

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29. Un’applicazione speciale richiede una valutazione personalizzata

La gamma V215CR copre numerose configurazioni standard, ma Vega specifica che i cilindri possono essere personalizzati in base alle esigenze del Cliente.

La pagina ufficiale dedicata ai cilindri per stampi conferma inoltre che le configurazioni standard possono essere personalizzate in base alle esigenze applicative.

Questo è particolarmente importante quando entrano in gioco contemporaneamente:

• grandi forze;
• corse particolari;
• elevata frequenza;
• sensori;
• fissaggi speciali;
• esigenze di automazione.

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30. Conclusione

Questo caso Cliente dimostra quanto sia importante analizzare l’intero ciclo di funzionamento quando si deve scegliere un cilindro idraulico.

La richiesta prevedeva 500 kN di forza in spinta e trazione, una corsa di 200 mm, una frequenza di 10 Hz e una pressione disponibile di soli 50 bar.

Il Vega Team ha evidenziato che, per ottenere una forza di questo livello, sarebbe stato necessario utilizzare un cilindro di grandi dimensioni, con alesaggio superiore a 200 mm, oppure considerare una soluzione con due cilindri Ø160 mm a 160 bar.

Per una configurazione Ø160/Ø70 mm alimentata a 50 bar, la forza calcolata era di circa 10.000 kgf in spinta e 8.125 kgf in trazione.

Ma il vero limite emerso dall’analisi era la combinazione:

200 mm di corsa + 10 Hz di frequenza.

Il Vega Team ha indicato che una frequenza di 10 Hz poteva essere compatibile con una corsa di circa 8–10 mm, mentre non era compatibile con una corsa di 200 mm nelle condizioni considerate.

La velocità consigliata era di circa 0,1 m/s, ma era necessario conoscere la portata effettivamente disponibile dalla pompa per completare la valutazione.

La lezione principale è quindi semplice:

Un cilindro idraulico non deve essere dimensionato soltanto in base alla forza. Pressione, alesaggio, corsa, velocità, frequenza e portata devono essere analizzati come un unico sistema.

Quando un’applicazione richiede contemporaneamente forze elevate e movimenti ad alta frequenza, il corretto dimensionamento del cilindro e dell’intero circuito idraulico diventa fondamentale per ottenere prestazioni affidabili e realistiche.

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URL utili e verificati

1. V215CR – Cilindri oleodinamici a tiranti UNI-ISO 6020/2

Pagina ufficiale italiana della serie V215CR. Riporta alesaggi, corse, pressione massima di esercizio, velocità, applicazioni e possibilità di personalizzazione.

V215CR – Cilindri oleodinamici a tiranti ISO 6020/2

2. Cilindri idraulici per stampi

Pagina generale ufficiale Vega per cilindri destinati a stampi a iniezione plastica e pressofusione. È utile per collegare l’articolo alla gamma complessiva e alle diverse applicazioni.

Cilindri Idraulici per Stampi – Vega Cylinders

3. Movimentazione carrello e spina

Pagina ufficiale dedicata alle applicazioni del V215CR per movimentazione di carrelli, punzoni e spine negli stampi a iniezione.

Movimentazione Carrello e Spina – Vega Cylinders

4. Cilindri idraulici personalizzati

Pagina ufficiale dedicata alle soluzioni speciali e personalizzate Vega, particolarmente pertinente per applicazioni che richiedono dimensionamenti o configurazioni non standard.

Cilindri Idraulici Personalizzati – Vega Cylinders

5. Cataloghi cilindri idraulici

Pagina ufficiale con le famiglie di cilindri Vega organizzate per applicazione e accesso ai configuratori/cataloghi.

Cataloghi Cilindri Idraulici – Vega Cylinders

6. Accessori per cilindri idraulici

Pagina ufficiale Vega dedicata agli accessori per cilindri, comprese valvole di ritegno, regolatori di flusso e accessori per lo stelo.

Accessori Cilindri Idraulici per Stampi – Vega Cylinders