Un cilindro idraulico può estendersi e ritirarsi normalmente quando la macchina è scarica, ma rallentare, fermarsi o non riuscire a mantenere la posizione una volta applicato un carico di lavoro. Questo non significa necessariamente che il cilindro stesso sia difettoso. La perdita di forza può originare dalla pompa, dalla valvola di sicurezza, dalla valvola direzionale, dai tubi, dalle guarnizioni del cilindro o dal collegamento della macchina.
La forza del cilindro dipende principalmente dalla differenza di pressione attraverso il pistone e dall'area effettiva del pistone. Se la pressione disponibile diminuisce, l'olio bypassa il pistone o si sviluppa una pressione eccessiva sul lato di ritorno, la forza utilizzabile del cilindro diminuisce. La vincolante meccanica e una geometria di collegamento sfavorevole possono ulteriormente ridurre la forza che raggiunge il carico.
Trovare la causa reale richiede misurazioni della pressione sotto carico. Sostituire il cilindro o la pompa prima di testare il sistema può comportare costi di riparazione non necessari senza risolvere il problema originale.
Perché un cilindro idraulico perde forza sotto carico?
Un cilindro idraulico di solito perde forza sotto carico perché la pressione richiesta non raggiunge il pistone, l'olio sta perdendo internamente attraverso il pistone o le valvole, la pressione di ritorno sta riducendo il differenziale di pressione, oppure la resistenza meccanica sta assorbendo parte della potenza del cilindro.
Come viene generata la forza del cilindro idraulico
La relazione teorica semplificata tra forza del cilindro, pressione idraulica e superficie effettiva del pistone è:
F=P×AF=P\times A
Dove:
- F = forza teorica del cilindro
- P = pressione idraulica
- A = area efficace del pistone
Per l'estensione del cilindro, la pressione agisce normalmente su tutta l'area del pistone:
Ap=πD24A_p=\frac{\pi D^2}{4}
Per la retrazione, il stelo del pistone occupa parte dell'area disponibile:
Aannular=π(D2−d2)4A_{\text{annular}}=\frac{\pi(D^2-d^2)}{4}
Pertanto, un cilindro convenzionale a singolo stelo genera normalmente meno forza di retrazione rispetto alla forza di estensione alla stessa pressione. Questa differenza è normale e non deve essere scambiata per un malfunzionamento.
Queste calcolazioni rappresentano la forza teorica. La forza reale alla macchina è inferiore a causa dell'attrito delle guarnizioni, delle perdite di pressione, della pressione di ritorno e dell'efficienza meccanica. Le guide esistenti di AISOAR spiegano i fondamenti del calcolo della forza del cilindro idraulico e la relazione tra capacità di carico e valori di pressione.
La pressione determina la forza; il flusso determina la velocità
La pressione e il flusso hanno funzioni diverse in un sistema idraulico. La pressione che agisce sulla superficie del pistone crea forza, mentre il flusso dell'olio determina la velocità con cui il pistone si muove.
Un flusso insufficiente generalmente fa muovere lentamente un cilindro. Una pressione insufficiente gli impedisce di superare il carico. Tuttavia, restrizioni, pompe usurate e perdite nelle valvole possono influire sia sulla pressione che sul flusso, quindi una macchina può essere lenta e debole allo stesso tempo.
L'osservazione più utile è se il cilindro raggiunge la pressione richiesta quando incontra il carico. Un manometro consente ai tecnici di determinare se la pompa sta producendo una pressione sufficiente o se il guasto si trova altrove nel sistema. Enerpac individua anche i manometri come uno strumento essenziale per la risoluzione dei problemi..
Le principali ragioni per cui un cilindro idraulico diventa debole sotto carico
1. La pressione del sistema è troppo bassa
Se la pressione che raggiunge il cilindro è inferiore alla pressione richiesta per superare il carico, il pistone rallenterà o si fermerà. Il cilindro potrebbe comunque muoversi normalmente senza carico perché richiede solo una piccola quantità di forza per superare l'attrito interno.
Una pressione bassa può derivare da una pompa usurata, una velocità di azionamento della pompa insufficiente, restrizioni nella linea di aspirazione, un livello dell'olio inadeguato o l'ingresso di aria nell'ingresso della pompa. Un'usura eccessiva della pompa crea perdite interne, riducendo la capacità della pompa di mantenere la pressione quando aumenta la domanda.
La viscosità dell'olio influisce anche sulle prestazioni della pompa. Un olio troppo denso può creare problemi di aspirazione, specialmente durante gli avviamenti a freddo, mentre un olio che diventa troppo sottile ad alta temperatura può aumentare le perdite interne attraverso la pompa, le valvole e le guarnizioni del cilindro.
2. La valvola di sovrapressione si apre troppo presto
La valvola di sovrapressione limita la pressione massima nel circuito idraulico. Quando la pressione del sistema raggiunge il suo valore impostato, la valvola devía l'olio lontano dall'attuatore per proteggere il sistema dal sovraccarico.
Se la valvola di sovrapressione è regolata al di sotto della pressione richiesta dal carico, contaminata, usurata o parzialmente bloccata, l'olio torna nel serbatoio prima che il cilindro sviluppi una forza sufficiente. Il cilindro potrebbe fermarsi quasi allo stesso carico ogni ciclo operativo mentre l'olio idraulico si riscalda rapidamente.
Non aumentare semplicemente il valore di impostazione della valvola di sovrapressione per rendere il cilindro più forte. Il cilindro, la pompa, le valvole, i tubi e i raccordi devono tutti essere certificati per la pressione proposta. La richiesta di pressione dovrebbe prima essere calcolata sulla base del carico effettivo e dell'area del pistone efficace.
3. La pompa non può mantenere la pressione sotto carico
Una pompa idraulica usurata può creare un movimento apparentemente normale a bassa resistenza ma non riuscirà a mantenere la pressione quando il cilindro incontra il carico di lavoro. I giochi interni della pompa consentono a più olio di bypassare man mano che la pressione aumenta, specialmente quando l'olio è caldo.
Per identificare questo problema, misurare la pressione vicino all'uscita della pompa e confrontarla con la pressione all'ingresso del cilindro. Se la pressione della pompa non può raggiungere il valore impostato della valvola di sovrapressione durante un test controllato, ispezionare la pompa, il suo sistema di azionamento, la linea di ingresso e il circuito di sovrapressione.
Un problema della pompa non dovrebbe essere diagnostica dalla sola velocità del cilindro. Un grande cilindro può muoversi lentamente anche con una pompa in buone condizioni se la portata disponibile è bassa, ma dovrebbe comunque essere in grado di sviluppare la forza prevista una volta che si accumula una pressione sufficiente.
4. L'olio bypassa la guarnizione del pistone
Le guarnizioni del pistone separano le due camere di pressione all'interno del cilindro. Se queste guarnizioni sono usurate, tagliate, sovratemperate o danneggiate dalla contaminazione, l'olio può bypassare dalla camera pressurizzata all'altra camera.
Il cilindro può continuare a muoversi senza carico perché il volume di perdita è relativamente piccolo rispetto al flusso della pompa. Sotto carico, tuttavia, la pressione aumenta e più olio bypassa il sigillo danneggiato. Il cilindro si muove quindi lentamente, si ferma o deriva dopo che la valvola di controllo torna in posizione neutra.
La perdita interna del pistone non sempre produce olio visibile all'esterno del cilindro. I sintomi comuni includono:
- Forza che diminuisce mentre l'olio diventa più caldo
- Movimento che rallenta significativamente sotto carico
- Difficoltà a mantenere la posizione
- Prestazioni non uniformi tra estensione e retrazione
- Presenza di pressione anche se il carico non si muove
Un test di bypass del cilindro o un test di isolamento del portale controllato possono aiutare a confermare la perdita interna. Poiché la pressione idraulica intrappolata e i carichi non supportati sono pericolosi, questi test dovrebbero essere eseguiti solo da personale addestrato utilizzando la procedura approvata dal produttore del cilindro.
5. Una valvola di controllo perde internamente
L'olio può anche bypassare attraverso la valvola di controllo direzionale, la valvola proporzionale, la valvola di bilanciamento o la valvola di mantenimento del carico. Un stelo della valvola usurato o un sedile della valvola contaminato possono consentire all'olio pressurizzato di sfuggire nella linea di ritorno anziché entrare nel cilindro.
Questa condizione può somigliare a una guarnizione del pistone danneggiata. Entrambi i difetti possono produrre perdita di pressione, movimento debole e deriva del carico. Per questo motivo, testare solo il cilindro senza valutare il circuito della valvola può portare a una diagnosi errata.
Dove possibile, misurare la pressione in entrambe le porte del cilindro e isolare sistematicamente le sezioni del circuito. Se il cilindro funziona correttamente su una fonte idraulica esterna verificata, il problema è più probabile che si trovi nella valvola, nella pompa o nella tubazione della macchina.
6. Eccessiva pressione di ritorno riduce la forza utilizzabile
La forza del cilindro dipende dalla differenza di pressione attraverso il pistone piuttosto che dalla pressione di ingresso da sola. Se si sviluppa alta pressione sul lato di scarico, essa agisce contro la direzione prevista del movimento.
Per l'estensione, la forza netta approssimativa è:
Fnet=(Pcap×Ap)−(Prod×Aannular)−FfrictionF_{\text{net}}=(P_{\text{cap}}\times A_p)-(P_{\text{rod}}\times A_{\text{annular}})-F_{\text{friction}}
Un filtro di ritorno ristretto, un tubo di dimensioni inadeguate, un accoppiatore rapido bloccato, una valvola parzialmente spostata o una valvola di contrappeso regolata in modo errato possono creare eccessiva pressione di ritorno. Un manometro alla porta di alimentazione può quindi mostrare una pressione apparentemente adeguata anche se la differenza di pressione attraverso il pistone è insufficiente.
Misurare entrambe le porte del cilindro sotto carico fornisce una diagnosi molto più accurata rispetto alla misurazione solo della pressione della pompa.
7. Tubi, accoppiatori o porte restringono il flusso d'olio
Un rivestimento del tubo danneggiato può collassare internamente senza evidenti danni esterni. Gli accoppiatori rapidi possono sembrare connessi ma rimanere parzialmente chiusi, e raccordi o valvole contaminati possono restringere il percorso dell'olio.
Le restrizioni sono solitamente associate a movimenti lenti, ma possono anche contribuire a una apparente perdita di forza mentre il cilindro è in movimento. Le cadute di pressione si registrano attraverso il componente ristretto, quindi la pressione disponibile all'attuatore può essere inferiore alla pressione misurata vicino alla pompa.
Confrontare le misurazioni di pressione prima e dopo le restrizioni sospette mentre il cilindro opera sotto un carico controllato. Una sostanziale differenza di pressione indica una restrizione o un componente di dimensioni inappropriate.
8. Il cilindro è sottodimensionato per il carico effettivo
Il cilindro può funzionare correttamente ma non essere in grado di muovere la macchina perché la sua dimensione del foro è troppo piccola per il carico effettivo e la pressione di sistema. Questo accade comunemente quando il carico è aumentato, la geometria della macchina è cambiata o un cilindro di sostituzione ha un'area efficace più piccola rispetto all'originale.
La forza del cilindro richiesta dovrebbe includere più del peso nominale del carico. Devono essere considerati anche attrito, accelerazione, carichi di urto, geometria delle giunzioni e un margine di design adeguato.
Un cilindro che richiede che la valvola di sovrapressione rimanga aperta continuamente durante il funzionamento normale non è correttamente abbinato all'applicazione. Aumentare la pressione oltre il valore nominale del componente non è una soluzione accettabile per un cilindro sottodimensionato.
9. La geometria delle giunzioni riduce la forza al carico
La forza prodotta all'asta del pistone non è sempre uguale alla forza utile fornita dalla macchina. Le leve, i bracci di pivot e i meccanismi a forbice modificano il vantaggio meccanico durante tutto il colpo.
Un meccanismo di sollevamento può avere un scarso vantaggio meccanico all'inizio del suo movimento. Il cilindro può quindi richiedere la sua forza massima durante i primi millimetri di estensione, anche se il carico stesso non è cambiato.
Calcolare la forza del cilindro necessaria all'angolo di giunzione più svantaggioso, non solo a metà del colpo. Le posizioni dei pivot e le posizioni di montaggio del cilindro dovrebbero anche essere verificate rispetto al disegno originale della macchina.
10. Disallineamento o Carico Laterale Crea Resistenza Meccanica
I cilindri idraulici sono principalmente progettati per trasmettere forza assiale. Se il lubrificatore, il carico e la linea centrale del cilindro non sono allineati, una forza laterale agisce sull'asta del pistone, sull'alberino, sui cuscinetti e sulle guarnizioni.
Questo aumenta l'attrito e può far sembrare il cilindro debole. Un carico laterale prolungato può anche causare usura irregolare dei cuscinetti, guarnizioni danneggiate, graffi sul cilindro o un'asta del pistone piegata.
Enerpac identifica il carico laterale, il supporto inadeguato del cilindro e il contatto errato del carico come cause significative di danno al cilindro e performance ridotta. Raccomanda di mantenere il cilindro stabile e correttamente allineato con il carico. Linee guida sulla sicurezza del cilindro Enerpac.
Come diagnosticare un cilindro idraulico che perde forza
Iniziare con i controlli più sicuri e meno invasivi. Supportare o bloccare meccanicamente qualsiasi carico sospeso prima di ispezionare il circuito idraulico. Non allentare mai un tubo, un raccordo o una porta del cilindro per controllare la pressione.
Passo 1: Confermare il Carico Reale e la Forza Richiesta
Verificare il peso del carico, la direzione del movimento e la geometria del collegamento. Calcolare la forza teorica del cilindro utilizzando la pressione operativa disponibile e l'area efficace del pistone.
Ricorda che un cilindro a asta singola produce forze di estensione e ritrazione diverse. Conferma che il problema non sia semplicemente causato dall'aspettativa di una forza di estensione a pieno foro dall'area anulare più piccola durante la ritrazione.
Passo 2: Osservare i Sintomi in Condizioni Controllate
Eseguire il cilindro senza carico e poi sotto un carico controllato sicuro. Registrare se il problema si verifica durante l'estensione, la ritrazione o in entrambe le direzioni.
Nota anche se la condizione peggiora man mano che l'olio si riscalda. La perdita di prestazioni sensibile alla temperatura spesso indica un aumento della perdita interna attraverso la pompa, la valvola o le guarnizioni del pistone.
Passo 3: Misurare la Pressione alla Pompa e al Cilindro
Installare manometri appropriati alla pressione all'uscita della pompa e alle porte del cilindro. Osservare le letture solo mentre la macchina opera sotto un carico controllato.
I seguenti schemi forniscono indizi utili:
| Osservazione della pressione | Probabile direzione per la diagnosi |
|---|---|
| La pressione della pompa rimane bassa | Pompa, azionamento, linea di aspirazione o valvola di sfogo |
| La pressione della pompa è alta ma la pressione in ingresso del cilindro è bassa | Valvola, tubo, raccordo o restrizione della linea |
| La pressione di ingresso è alta e la pressione di ritorno è anch'essa alta | Restrizione di ritorno, valvola di contrappeso o problema della valvola |
| La pressione richiesta è raggiunta ma il cilindro si blocca o deriva | Perdita interna del cilindro, perdita della valvola o bloccaggio meccanico |
| La pressione sale direttamente al valore di rilascio | Sovraccarico, cilindro sottodimensionato, bloccaggio o cattiva geometria del collegamento |
Le letture della pressione devono essere confrontate con i valori progettuali della macchina. Una lettura alta non è automaticamente corretta, e una lettura apparente bassa può essere normale quando il carico richiede poca forza.
Passo 4: Controllare la Valvola di Rilascio e il Circuito della Valvola
Confermare che l'impostazione della valvola di rilascio corrisponda alle specifiche approvate del sistema. Ispezionare la valvola per contaminazione, funzionamento instabile e eccessivo calore attorno al passaggio di ritorno.
Controllare le valvole direzionali, di mantenimento del carico e di bilanciamento per perdite interne o regolazione errata. Non smontare o regolare una valvola di controllo del carico mentre supporta un carico.
Passo 5: Testare per Perdite Interne del Cilindro
Se la pressione corretta raggiunge il cilindro ma la forza o le prestazioni di mantenimento del carico rimangono scarse, testare per perdite del sigillo del pistone utilizzando un metodo approvato.
Il test deve tenere conto della compressibilità dell'olio, dell'espansione termica, delle perdite delle valvole e del design del cilindro. L'olio osservato in una porta isolata non prova sempre il bypass del pistone a meno che l'impostazione del test e la posizione del pistone siano correttamente controllate.
Passo 6: Ispezionare l'Allineamento Meccanico
Disconnettere il carico solo dopo che la macchina è stata messa in sicurezza. Ispezionare perni, boccole, scorrimenti, cuscinetti e bracci di collegamento per bloccaggi, usura o deformazione.
Cercare aree lucide su un lato del stelo del pistone, usura irregolare del sigillo, staffe di montaggio piegate e perni danneggiati. Questi segnali indicano che le forze meccaniche possono agire al di fuori della linea centrale del cilindro.
Pressione, flusso e perdite: un confronto rapido
| Condizione | Comportamento tipico a carico nullo | Comportamento sotto carico | Test comune |
|---|---|---|---|
| Bassa portata della pompa | Movimento lento | Movimento lento | Test di flusso |
| Bassa pressione del sistema | Può muoversi normalmente | Si ferma o non può sollevare | Test di pressione |
| Perdite interne del pistone | Può apparire normale | Debole, lento o in deriva | Test di bypass del cilindro |
| Perdita della valvola | Può apparire normale | Movimento debole o deriva del carico | Isolamento del circuito |
| Alta pressione di ritorno | Lento o irregolare | Forza netta ridotta | Misurare entrambe le porte |
| Bloccaggio meccanico | Irregolare o a scatti | Alta pressione ma poco movimento | Ispezione meccanica |
| Cilindro sottodimensionato | Si muove senza carico | Raggiunge la pressione di rilascio e si ferma | Calcolo della forza |
Quando dovrebbe essere riparato o sostituito il cilindro?
La riparazione può essere appropriata quando il test conferma guarnizioni del pistone usurate, guarnizioni d'asta danneggiate, cuscinetti usurati o danni al cilindro riparabili. Il cilindro dovrebbe essere smontato solo dopo che sono stati stabiliti controlli di contaminazione e procedure sicure di depressurizzazione.
La sostituzione può essere più appropriata quando l'asta è gravemente piegata, il cilindro è profondamente rigato, le strutture di montaggio saldate sono crepate o le riparazioni precedenti hanno alterato dimensioni critiche. Per i cilindri personalizzati, la sostituzione dovrebbe basarsi su disegni verificati, pressione, carico, corsa, dimensioni di montaggio e geometria dell'applicazione.
Non sostituire il cilindro solo perché la macchina è debole. Se il difetto reale è una pompa, una valvola di rilascio, una valvola di controllo o un collegamento meccanico, un nuovo cilindro mostrerà lo stesso problema di prestazioni.
Domande frequenti
Perché il mio cilindro idraulico si muove senza carico ma si ferma sotto carico?
Muoversi senza carico richiede relativamente poca pressione. Quando il cilindro incontra resistenza, la pressione deve aumentare sufficientemente per produrre la forza richiesta. Se la pompa, la valvola di rilascio o il circuito non possono mantenere questa pressione—oppure l'olio bypassa internamente—il cilindro si ferma.
Un cilindro idraulico può avere pressione ma produrre comunque forza insufficiente?
Sì. La pressione misurata vicino alla pompa potrebbe non essere la stessa della pressione efficace attraverso il pistone del cilindro. Le perdite della valvola, la contropressione sul lato di ritorno, la perdita interna e l'attrito meccanico possono ridurre la forza disponibile al carico.
Il basso flusso idraulico riduce la forza del cilindro?
Il basso flusso riduce principalmente la velocità del cilindro. Tuttavia, una pompa usurata o una restrizione grave potrebbero non essere in grado di mantenere la pressione richiesta mentre l'olio scorre, causando al cilindro di apparire sia lento che debole.
Come posso capire se la pompa o il cilindro sono difettosi?
Misura la pressione all'uscita della pompa e nei porti del cilindro sotto carico controllato. Se la pompa non riesce a sviluppare la pressione specificata, indaga sulla pompa, sulla linea di aspirazione e sulla valvola di sfogo. Se la corretta pressione raggiunge il cilindro ma non riesce a mantenere o muovere il carico, indaga sulla perdita interna del cilindro, sulla perdita della valvola e sull'inceppamento meccanico.
L'olio idraulico caldo può far perdere forza a un cilindro?
Sì. Con l'aumento della temperatura dell'olio, la viscosità diminuisce. Temperature eccessive possono aumentare la perdita interna attraverso giochi usurati della pompa, punte delle valvole e guarnizioni del pistone, riducendo la capacità del sistema di mantenere la forza sotto carico.
Dovrei aumentare la pressione della valvola di sfogo quando il cilindro è debole?
Non fino a quando non siano stati verificati il requisito del carico e le condizioni del sistema. Aumentare la pressione oltre il valore approvato può danneggiare il cilindro, la pompa, le valvole, i tubi o la struttura della macchina e potrebbe creare un serio rischio per la sicurezza.
Conclusione
Un cilindro idraulico che perde forza sotto carico non è automaticamente un cilindro guasto. Il problema può essere causato da una pressione di sistema insufficiente, da una valvola di sicurezza che non funziona correttamente, dall'usura della pompa, dal bypass del gruppo stantuffo-guarnizione, dalle perdite nelle valvole, da un'eccessiva contropressione, da tubazioni ristrette o da resistenza meccanica.
La diagnosi più affidabile inizia con il carico effettivo e la forza necessaria del cilindro, seguita da misurazioni della pressione in entrambi i porti del cilindro. L'isolamento del circuito e il test delle perdite interne possono quindi distinguere un problema del cilindro da un problema di pompa, valvola o macchina.
AISOAR Hydraulics produce cilindri idraulici standard e personalizzati per macchinari agricoli, attrezzature da costruzione, sistemi di movimentazione materiali, veicoli speciali e macchine industriali. La dimensione del foro, il diametro della asta, la corsa, la configurazione di montaggio, le guarnizioni, i porti, le valvole e il trattamento superficiale possono essere progettati in base alla pressione operativa, al carico e all'ambiente di lavoro.
