Una concezione errata comune riguardante i cilindri idraulici è che se la guarnizione del pistone perde, il cilindro deraglierà. Sebbene una guarnizione del pistone che perde possa essere la causa principale della deriva del cilindro, la fisica coinvolta è spesso fraintesa.
Il fatto è che, se la guarnizione del pistone è completamente rimossa da un cilindro a doppio effetto, il cilindro è riempito d'olio e le porte sono tappate, il cilindro manterrà il suo carico indefinitamente, a meno che la guarnizione della barra non perda.
In questa condizione, a causa del volume diseguale su entrambi i lati del pistone, la pressione del fluido si equalizza e il cilindro diventa bloccato idraulicamente. Una volta che ciò avviene, il cilindro può muoversi solo se il fluido fuoriesce dal cilindro attraverso la guarnizione della barra o le sue porte.
Figura 1. Cilindro a doppia barra – il volume dell'olio è uguale su entrambi i lati del pistone
Eccezioni alla Regola
Ci sono due eccezioni a questa teoria. La prima è un cilindro a doppia barra (Figura 1) in cui il volume è uguale su entrambi i lati del pistone.
La seconda eccezione coinvolge un carico sospeso su un cilindro a doppio effetto (Figura 2). In questo arrangiamento, il volume di fluido pressurizzato sul lato della barra può facilmente essere accomodato sul lato del pistone. Ma mentre il cilindro deraglia, si svilupperà un vuoto sul lato del pistone a causa dei volumi diseguali e, a seconda del peso del carico, questo vuoto può eventualmente portare a un equilibrio che arresta ulteriori deragliamenti.
Questa non è la fine del ciclo, ma è importante comprendere almeno questa teoria prima di continuare.
Nonostante queste due eccezioni, se le porte di servizio di un cilindro a doppio effetto sono bloccate da una valvola a spole chiusa (Figura 3), e la guarnizione del pistone bypassa, la pressione alla fine si equalizzerà su entrambi i lati del cilindro. A questo punto, si effettua un blocco idraulico e non può verificarsi ulteriore deriva, a meno che il fluido non venga lasciato fuoriuscire dal cilindro o dal circuito del cilindro.
Figura 2. Carico sospeso su cilindro a doppio effetto
Perdita di Area Efficace
A causa della perdita di area efficace dovuta alla pressione che ora agisce sull'area dell'annulus del lato della barra, la pressione statica nel cilindro deve aumentare per supportare lo stesso carico. Ricorda, la forza sviluppata da un cilindro è un prodotto di pressione e area.
Ad esempio, se la pressione indotta dal carico sul lato del pistone del cilindro era di 2.000 PSI e zero sul lato della barra quando la valvola di controllo direzionale si chiudeva, assumendo che non ci siano perdite oltre la spola, la pressione equalizzata può essere di 3.000 PSI a seconda del rapporto tra le aree del pistone e dell'annulus.
Ora considera cosa può succedere se questo circuito ha una valvola di rilascio della porta di servizio (Figura 4) impostata a 2.500 PSI. Man mano che la pressione si equalizza attraverso la guarnizione del pistone e la pressione statica crescente sul lato del pistone del cilindro raggiunge la pressione di apertura della porta di rilascio, tuttavia il cilindro non si ritirerà ancora.
Una situazione simile può verificarsi nei circuiti con una valvola di controllo del carico (controbilanciamento) installata. In questo circuito, mostrato nella Figura 5, la valvola di controllo direzionale ha una spola a galleggiamento (porte di servizio A e B aperte al serbatoio).
Come già affermato, se la guarnizione del pistone perde, volumi diseguali di olio sui lati della barra e del pistone del cilindro indicano che il blocco idraulico impedirà qualsiasi deriva evidente. Ma ancora una volta, a causa della perdita di area efficace a causa della stessa pressione che ora agisce sulle aree dell'annulus del pistone e della barra, la pressione statica nel cilindro deve aumentare per supportare lo stesso carico.
L'entità di questo aumento di pressione dipende dal rapporto tra le aree del pistone e dell'annulus del cilindro. Se l'aumento della pressione statica supera il carico massimo impostato della valvola di controbilanciamento, la valvola si aprirà permettendo all'olio dal lato del pistone del cilindro di fluire verso il serbatoio e il cilindro di ritirarsi.
Diagnosi della Deriva del Cilindro
Pertanto, mentre la causa principale del problema in entrambi gli esempi è la guarnizione del pistone che perde, la fisica è fondamentalmente diversa dalla convinzione generale. E se la teoria viene compresa, un manometro può essere uno strumento utile per stabilire la causa della deriva del cilindro.
In entrambi questi esempi, se il cilindro sta deragliando ma non c'è equalizzazione della pressione attraverso la guarnizione del pistone, la valvola di controllo direzionale o la valvola di controllo del carico è la fonte del problema.