ITUD20010039A1

ITUD20010039A1 - Attuatore lineare a pressione fluida a spinta differenziata costituito da cilindri coassiali

Info

Publication number: ITUD20010039A1
Application number: IT2001UD000039A
Authority: IT
Inventors: Carlo Brisighelli
Original assignee: I R Oss Srl
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-08-28
Also published as: EP1239166A1

Description

Descrizione del trovato avente per titolo: ATTUATORE LINEARE A PRESSIONE FLUIDA A SPINTA DIFFERENZIATA COSTITUITO DA CILINDRI COASSIALI

CAMPO DI APPLICAZIONE

Forma oggetto del presente trovato un attuatore lineare a fluido idraulico realizzato mediante due cilindri fra loro coassiali che trova vantaggiosamente impiego nelle applicazioni nelle quali viene richiesta la massima forza solo in un intervallo inferiore alla corsa totale dell 'attuatore, mentre si richiede un elevata velocità di accostamento e di ritorno.

Tipico campo di applicazione sono le presse, le presse-piegatrici, le macchine spaccalegna o spaccatronchi , le cesoie idrauliche e macchine similari .

STATO DELLA TECNICA

Attualmente le macchine spaccalegna, le presse e macchine analoghe il cui principio di funzionamento si basa sulla forza generata da pressione fluida, sono dotate, quale attuatore di potenza, di un martinetto idraulico. Innumerevoli sono le tipologie circuitali adottate al fine di ottenere la massima velocità e la massima forza. Risulta difficile elencarle tutte:

Nelle macchine più economiche si adottano cilindri idraulici a doppio effetto e pompe a cilindrata fissa; in tal caso la velocità del martinetto risulta costante e dipende dalla Potenza (P) del motore e dalla Forza max (F) che si vuole ottenere in base alla relazione V=P/F mentre la velocità di ritorno o di rientro dipende dalla geometria del martinetto, ovvero del rapporto esistente fra la superficie del cilindro e la superficie dello stelo. Un'evoluzione di questa tecnica consiste nel adottare circuiti con doppia pompa: nella fase di avvicinamento al pezzo entrambe le pompe erogano fluido idraulico al cilindro, mentre in fase di lavoro una valvola di pressione esclude la pompa di cilindrata maggiore e il movimento dell'attuatore è determinato dalla sola portata della pompa di cilindrata inferiore. Questa soluzione oltre che implicare l'uso di due pompe impone il dimensionamento del circuito idraulico in funzione della massima portata.

Un'altra soluzione consiste nell 'utilizzo di pompe a portata variabile generalmente a pistoni o a palette controllate dalla pressione fluida tramite un circuito che mantiene costante la potenza assorbita dalla pompa o la coppia richiesta dalla pompa. Questa soluzione comporta l'uso di apparecchiature costose e trova applicazione su macchine di categoria elevata. Inoltre, come nel caso precedente, il dimensionamento del circuito idraulico deve avvenire in funzione della massima portata fornita dalla pompa.

Un'ulteriore soluzione consiste nell'impiego di circuiti di tipo rigenerativo nei quali il martinetto idraulico viene azionato, in avvicinamento, connettendo sìa la camera lato stelo, sia la camera posteriore al ramo in pressione del circuito; in tal modo il flusso uscente dalla camera anteriore viene a sommarsi al flusso generato dalla pompa e convogliato nella camera posteriore. Questa soluzione appare sufficientemente economica e può essere controllata sia manualmente, agendo su un idoneo distributore, sia automaticamente per mezzo di valvole che commutano il circuito al raggiungimento della pressione di soglia determinata dal contatto dell'utensile al pezzo in lavorazione. Per contro questa soluzione, generalmente impiegata su martinetti aventi l'area di stelo uguale alla metà dell'area del cilindro non consente di raggiungere notevoli fattori di incremento di velocità di ciclo rispetto al circuito semplice (max 1.5). Inoltre le perdite di carico del circuito rigenerativo costituiscono un limite notevole essendo amplificate del quadrato del rapporto delle sezioni cilindro-stelo ed è quindi necessario sovradimensionare i componenti idraulici interessati del flusso rigenerativo.

Un'ulteriore soluzione, adottata nelle cesoie per la demolizione del calcestruzzo consiste nell'utilizzare un "intensificatore di pressione" costituito da un cilindro a doppia sezione separato dal cilindro principale, nel quale una quantità Q di fluido entrante alla pressione P determina una quantità teorica Q/n di fluido uscente alla pressione n-P. In questi circuiti, un insieme di valvole alimenta il martinetto alla pressione generata dalla pompa fino al contatto con il pezzo: a contatto avvenuto, la pressione fluida viene inviata all'intensificatore la cui uscita alimenta il martinetto alla pressione superiore. Questa tecnica richiede l'uso di numerosi componenti progettati per lavorare alla pressione intensificata, quindi componenti costosi e critici. Questa soluzione si presenta quindi indicata solo nei casi in cui le dimensioni di ingombro dei componenti convenzionali risultano eccessive ed è quindi conveniente operare a pressioni elevate inconciliabili con le normali pompe idrauliche.

Come si può evincere dalla sommaria trattazione dello stato dell'arte, ogni soluzione a noi nota presenta difetti di efficienza e/o di economia che non ne consentono l'utilizzo su macchine medio-piccole .

Per risolvere tutti questi inconvenienti e per ottenere ulteriori vantaggi, la proponente ha studiato, progettato e realizzato il presente trovato .

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nella rivendicazione principale.

Altre caratteristiche del presente trovato sono espresse nelle rivendicazioni secondarie.

Scopo principale del presente trovato è quello di ottenere un dispositivo ovvero un componente e il relativo circuito, in grado di muoversi con velocità superiore in fase di avvicinamento ovvero nella fase in cui la forza resistente risulta minore di una determinata soglia, e di muoversi a velocità ridotta e al massimo della forza quando il carico resistente generato dalla lavorazione lo richiede, per poi continuare a muoversi a velocità superiore a lavorazione ultimata.

Questo componente è stato studiato in particolare per macchine spaccalegna nelle quali è necessario esercitare la massima forza solo nella fase iniziale di rottura del tronco mentre nella fase di accostamento e nella fase terminale della separazione dei pezzi spaccati la forza richiesta appare particolarmente esigua. I successi ottenuti con tale tecnica e la relativa economia di realizzazione hanno consentito di estendere il campo di applicazione ad altri settori come indicato nella sintesi dei campi di applicazione.

Secondo il trovato, 1 'attuatore lineare è costituito da due cilindri idraulici, l'uno interno all'altro dotati di stelo in comune: 1'attuatore più interno, di sezione minore, rappresenta il sistema di movimento veloce, mentre 1'attuatore più esterno, costituisce il componente in grado di generare, alla pressione della pompa, la forza necessaria a compiere la lavorazione.

Secondo il trovato, il fondello del cilindro più interno costituisce il pistone del cilindro esterno e verrà denominato nel seguito della trattazione con il termine di "fondello-pistone".

Su tale fondello-pistone trova alloggiamento una valvola unidirezionale che consente il libero passaggio dalla camera posteriore del cilindro esterno alla camera posteriore del cilindro interno e non viceversa. Tale valvola viene mantenuta aperta meccanicamente dal contatto fra il "fondellopistone" e il fondello del cilindro esterno, in tal caso il fluido sarà libero di uscire dalla camera posteriore interna alla camera posteriore esterna.

Secondo il trovato, la camera anteriore del cilindro interno comunica direttamente, tramite alcuni fori, con la camera anteriore del cilindro più estero. Per camera anteriore si intende la camera lato stelo.

Secondo il trovato, una valvola di bilanciamento unidirezionale montata sul condotto che alimenta la camera anteriore e pilotata dalla pressione presente sulla camera posteriore impedisce al fluido di uscire liberamente fintanto che la pressione P2 presente nella camera anteriore non supera il valore dato dalla relazione: dove Pt rappresenta il valore di taratura della valvola, k il rapporto di pilotaggio della valvola stessa, P1 la pressione nella camera posteriore del cilindro esterno.

Secondo il trovato, in fase di accostamento, la pressione fluida convogliata nella camera posteriore del cilindro più esterno, fluisce attraverso la valvola unidirezionale all'interno del cilindro interno determinandone l'avanzamento veloce. In questa fase lo stelo incontra una lieve resistenza all'avanzamento e la contropressione nelle camere anteriori risulta essere data dalle soluzione delle relazioni di geometria del cilindro e dalle caratteristiche della valvola:

Dove:

F rappresenta la forza resistente

S indica la superficie del cilindro esterno

S' indica la superficie del cilindro interno

Ss indica la superficie dello stelo

In questa fase il "fondello-pistone" rimane spinto verso il fondello dalla contropressione presente nelle camere anteriori con una forza pari a:

In fase di lavorazione, la pressione fluida aumentata dalla resistenza all'avanzamento, determina l'allontanamento dalla posizione di riposo del "fondello-pistone" e conseguentemente la chiusura della valvola unidirezionale posta in esso; in queste condizioni, la pressione fluida che agisce sul fondello-pistone determina un aumento della pressione interna dell 'attuatore minore, il quale risulta totalmente chiuso dalla valvola unidirezionale, in queste condizioni tale pressione sale a valori determinati dal rapporto delle rispettive aree dei cilindri alla stessa stregua di un intensificatore di pressione.

Raggiunto un determinato valore di pressione nella camera posteriore dato dalla relazione Ps= Pt/k la valvola di bilanciamento si apre totalmente annullando la contropressione P2 delle camere anteriori. In queste condizioni la forza esercitata dal dispositivo diviene: alla stessa stregua di un normale cilindro di sezione S.

A lavorazione eseguita, la diminuzione della pressione derivante della minor resistenza all'avanzamento, determina l'apertura della valvola unidirezionale posta sul fondello-pistone, il cilindro minore riprenderà il rispettivo avanzamento a velocità superiore mentre il fondello-pistone indietreggerà a causa della contropressione delle camere anteriori fino al contatto con il fondello del cilindro maggiore.

Ovvero se la forza resistente non scende sotto il valore di soglia, il cilindro interno termina la sua corsa utile andando a contatto con la testata del cilindro esterno, in tal caso la pressione nella camera posteriore determina l'apertura della valvola unidirezionale posta sul fondello-pistone e la spinta del dispositivo diverrà:

Dove Fmant sta ad indicare la forza di mantenimento. Terminato il ciclo di lavorazione è sufficiente invertire il flusso idraulico affinché il fluido pompato nella camera anteriore faccia retrocedere, se necessario, il fondello-pistone fino alla posizione arretrata.

Raggiunto il contatto fra il fondello-pistone e il fondello del cilindro esterno, la valvola unidirezionale verrà meccanicamente aperta da tale contatto consentendo all'olio contenuto nella camera posteriore del cilindro interno di fluire liberamente a scarico. La forza di ritorno risulterà quindi essere:

Ovvero alla condizione di massima pressione

Secondo il trovato la forma preferenziale della valvola unidirezionale posta sul fondo del cilindro è costituita da una valvola a sede conica sul cui stelo, sporgente dalla base del fondello-pistone, verrà montata una molla di precarica.

Secondo una variante del trovato la valvola unidirezionale può essere costituita da una sfera incassata nel fondello-pistone che viene aperta grazie a una spina solidale al fondello del cilindro esterno .

Secondo un'altra variante il pistone del cilindro esterno può non essere integrato con il fondello del cilindro interno, ma può essere posto in qualsivoglia posizione del suddetto cilindro. Al limite tale pistone e relativa tenuta potrebbe essere integrato con la testata del cilindro interno .

Secondo un'altra variante la valvola di bilanciamento unidirezionale posta in corrispondenza del condotto di alimentazione delle camere anteriori può essere sostituita da una valvola unidirezionale a sblocco idraulico.

ELENCO DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche appariranno evidenti dalla descrizione del circuito idraulico schematizzato e delle forme preferenziali di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni, in cui:

La fig . 1 lo schema idraulico di principio con i simboli relativi ai componenti utilizzati;

- la fig. 2 illustra in assonometria il dispositivo completo e la rispettiva sezione fatta esclusione della valvola di bilanciamento;

- la fig. 3 illustra in assonometria sezionata i particolari del fondello-pistone;

- la fig. 4 illustra in sezione il dispositivo durante le fasi del ciclo;

- la fig. 4a illustra il cilindro totalmente chiuso in posizione di riposo;

- la fig. 4b illustra il dispositivo in fase di accostamento caratterizzata del solo avanzamento del pistone del cilindro interno;

La fig . 4c illustra la fase di lavorazione caratterizzata dall'avanzamento

dell'intero cilindro interno;

- La fig. 4d illustra la fase successiva alla lavorazione caratterizzata dall'avanzamento del solo stelo, con il cilindro interno a fine corsa.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

La figura 2 illustra il cilindro 1 come appare a montaggio ultimato in una forma di realizzazione fornita a solo scopo esemplificativo . Dalla rispettiva immagine sezionata si evidenziano il tubo 11, la testata 12 e il fondello 13 del cilindro esterno. Il pistone 16 del cilindro esterno costituisce a sua volta il fondello del cilindro interno del quale si evidenzia il tubo 21, la testata 22 e il pistone 26. Lo stelo 10 solidale al pistone interno 26 è comune sia al cilindro interno che al cilindro esterno.

Dalla fig.2 si evidenziano inoltre i tubi 14 e 15 che collegano il circuito idraulico rispettivamente alla camera posteriore e alla camera anteriore 3 del dispositivo, si può notare come la camera anteriore del cilindro esterno sia collegata, tramite i fori 25 ricavati sul tubo, con la camera anteriore del cilindro interno. La testata 22 del cilindro interno non svolge quindi alcuna funzione di tenuta idraulica, ma ha solo funzione di guida del tubo 21 sullo stelo 10. La testata, in questo esempio, risulta avvitata al tubo.

La figura 3 meglio evidenzia i particolari che caratterizzano la zona del fondello: possiamo osservare il "fondello-pistone" 16 solidarizzato con il tubo 21 del cilindro interno mediante saldatura. Nel "fondello-pistone" viene ricavata la sede conica della valvola unidirezionale 30 il cui gambo 31 fuoriesce dalla parte posteriore del "fondello pistone", tale valvola viene chiusa da una molla 32 coassiale al suddetto gambo. Il fluido idraulico può quindi liberamente passare dalla camera posteriore 2 del cilindro più esterno alla camera posteriore 4 del cilindro più interno attraverso i fori 33, ma non viceversa se non quando il fondello-pistone risulti totalmente arretrato; in tale condizione il gambo 31 della valvola unidirezionale urta il fondello 13 e provoca l'apertura forzata della suddetta valvola.

La figura 4 rappresenta la sequenza operativa del dispositivo .

In fig.4a illustra il fondello pistone totalmente arretrato. La pressione fluida applicata alla camera posteriore esterna 2 attraverso il tubo 14 attraversa la valvola 30 e si trasmette alla camera posteriore interna 4 generando una spinta sia sul pistone interno 26, sìa sul "fondello-pistone" 16, la contropressione che si genera nelle camere anteriori 3 e 5 grazie alla valvola di bilanciamento si oppone all'avanzamento sia dello pistone 26 che del "fondello-pistone" 16, in particolare, a causa delle geometrie e dei valori di taratura della valvola di bilanciamento, l'azione di reazione risulta maggiore sul "fondello-pistone" il quale viene mantenuto a contatto con il fondello 13 mentre lo stelo 10 fuoriesce liberamente come indicato in fig.4b.

Allorquando lo stelo incontra la resistenza della lavorazione la pressione nelle camere posteriori 2 e 4 aumenta e conseguentemente, grazie alla valvola di bilanciamento, la contropressione nelle camere anteriori 3 e 5 diminuisce consentendo al "fondellopistone" di avanzare. L'avanzamento del "fondellopistone" consente la chiusura della valvola unidirezionale 30 come rappresentato in fig. 4C rendendo la camera posteriore 4 del cilindro interno assolutamente stagna. La forza agente sul "fondellopistone" si trasmette quindi al pistone interno a causa dell'incomprimibilità del fluido in esso contenuto il quale raggiunge in queste condizioni, valori di pressione molto maggiori di quelle del fluido di alimentazione.

Questa è la fase nella quale si sviluppa la massima forza, tale fase può terminare in due distinti modi:

1) se la forza resistente scende al disotto della soglia che ha generato il moto di avanzamento del "fondello-pistone" il suddetto "fondello-pistone" indietreggerà a causa della contropressione nella camera anteriore,

2) se la forza resistente si mantiene elevata il cilindro interno andrà a terminare la sua corsa contro la testata 12 di quello esterno.

In questa seconda ipotesi evidenziata in fig.4d lo stelo potrà continuare ad avanzare solo se la forza resistente risulta vinta da quella generata dal cilindro interno alla massima pressione di alimentazione del circuito.

Claims

RIVENDICAZIONI 1 . Attuatore lineare a pressione fluida a spinta differenziata costituito da cilindri coassiali caratterizzato dal fatto che il pistone 16 del cilindro esterno è solidale con il tubo del cilindro interno e che le testate 12 e 22 di entrambi i cilindri scorrono sul medesimo stelo.
2. Attuatore come alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la camera posteriore 2 del cilindro esterno è in comunicazione con la camera posteriore 4 del cilindro interno mediante una valvola unidirezionale 30 ad apertura meccanica controllata dalla reciproca posizione dei cilindri.
3. Attuatore come alla rivendicazione 1 e 2 caratterizzato dal fatto le camere anteriori 3 e 5 di entrambi i cilindri sono fra loro in comunicazione attraverso opportuni passaggi e che la pressione in dette camere è controllata mediante una valvola pilotata dalla pressione fluida presente nella camera posteriore del cilindro esterno.
4. Attuatore come alla rivendicazione 1, 2 e 3 caratterizzato dal fatto le camere anteriori 3 e 5 di entrambi i cilindri possono venire alimentate dalla pressione fluida tramite una valvola unidirezionale 7.