Cilindri ad alte prestazioni in telai meccanici - Da 0 a 30 m/s con 850 g

L'impiego di cilindri ad alta velocità in telai meccanici

Una nuova dimensione di prestazioni in telai meccanici è stata potuta raggiungere con l'idraulica della ditta Jäger di Münster. Queste macchine, sulle quali si è specializzata l'azienda della Vestfalia, producono teli di rivestimento per macchine continue per carta a partire da materie plastiche di alta resistenza. Su distanze di 30 m si 'spara' una navetta - per mezzo di un cilindro idraulico sviluppato appositamente dalla Hänchen.

I requisiti di affidabilità del sistema sono estremi: la produzione di tali teli di materia plastica dura da cinque a sei giorni con tre turni di lavoro. Durante questa settimana, la macchina non deve essere arrestata più a lungo di 10-15 minuti, in quanto le forze di trazione che si generano durante la tessitura sono così grandi da deformare il telo se l'interruzione dura più a lungo. I danni provocati da un tale evento sono senza eccezione quantificabili a cinque cifre.

Nonostante questi alti requisiti di qualità, le prestazioni sono state dovute aumentare notevolmente aumentando la frequenza della navetta della trama: su una distanza da 12 a 30 metri, la velocità svolge un ruolo decisivo. Il classico sistema meccanico a leve, il cui principio non è cambiato fin dalla fondazione della ditta Jäger nel secolo scorso, era giunto ai suoi limiti fisici di velocità apri a 15 - 18 m/s. Nelle macchine di prova a velocità di lavoro maggiore, dopo breve tempo si verificavano avarie dovute all'affaticamento del materiale delle leve battenti. La rumorosità era inoltre così elevata da risultare insopportabile per il personale.

La nuova progettazione presso la Jäger sotto la direzione dell'ing. Dieter Hambrock si trovava così davanti a tre possibilità: in primo luogo il perfezionamento della meccanica a leve giunta quasi ai suoi limiti. L'unica prospettiva sarebbe stata di ottenere eventualmente un miglioramento di qualche punto percentuale con grandi sforzi e spese. La problematica del livello di rumorosità si sarebbe ulteriormente acuita. La seconda alternativa era costituita da tecniche elettromeccaniche con lo svantaggio della bassa densità di potenza sul luogo di impiego ed in particolare per la navetta da accelerare. La terza possibilità consisteva nell'impiego di un sistema idraulico alla quale, durante la fase decisionale alla fine degli anni settanta ed all'inizio degli anni ottanta, solo pochi affidavano un tale salto di potenza. Tuttavia le possibilità fisiche di questa tecnica sembravano comportare per i progettisti meccanici di Münster un notevole aumento di potenza del telaio meccanico al termine della relativa fase di sviluppo. E lo sviluppo effettivo dei cilindri ad alta velocità ha confermato questa previsione. Nel giro di circa dieci anni, in un settore delle classiche costruzioni meccaniche la potenza del sistema è stata potuta raddoppiare grazie ai componenti idraulici.

Con questo sviluppo, l'azienda ha potuto difendere la sua posizione di leader raggiunta grazie alla qualità ed alla tradizione. Per la Jäger sono decisive le esportazioni pari all'80% del fatturato che la ditta realizza con i suoi 200 dipendenti. Per il passo idraulico verso il futuro, Hambrock e l'ing. Axel Hundertmark, direttore tecnico e procuratore dell'azienda, hanno assegnato particolare importanza alla ricerca di un partner competente nel campo dell'idraulica. La Hänchen Hydraulik GmbH aveva già sviluppato cilindri idraulici ad alta velocità per la tecnologia ad alta tensione per separare contatti conduttori senza formazione di scintille nonostante l'elevata tensione ed intensità di corrente. La specialista sveva dei cilindri aveva inoltre acquisito vaste esperienze nella costruzione di cilindri di serie e speciali. Il punto forte della Hänchen consiste in un programma da catalogo estremamente vasto che è stato ampliato e ridefinito dal catalogo elettronico su CD-ROM. La maggior parte dei classici campi di impiego di cilindri speciali vengono oggi coperti dalla specialista sveva dell'idraulica con cilindri da catalogo e con cilindri da catalogo modificati. Hans-Dieter Fabrowsky, direttore vendite della Hänchen afferma che per i cilindri di serie valgono gli stessi criteri di qualità di quelli dei prodotti speciali. Questi ultimi sono tuttavia connessi a spese notevolmente maggiori ed ogni cilindro speciale è di fatto un prototipo con i rischi da ciò derivanti. La costruzione di cilindri di serie e speciali non può essere tuttavia separata, in quanto si influenzano tecnicamente a vicenda. Perché la costruzione di cilindri speciali è per la Hänchen il settore in cui, in collaborazione con clienti nel quadro di soluzioni tecnicamente sofisticate, i limiti dell'idraulica vengono costantemente ridefiniti. Il cilindro ad alta velocità della Jäger, sviluppato come cilindro speciale, ha così condotto a cilindri Hänchen con una velocità fino a 40 m/s. 30 m/s sono per la Jäger già uno standard affermato per telai meccanici di alte prestazioni. Ed anche a Münster si svolge attività di ricerca in collaborazione con la Hänchen sulle possibilità per sistemi ancora più veloci; per il futuro prossimo si parla di un aumento delle prestazioni dell'ordine di grandezza del 20%.

La sicurezza con cui la Hänchen domina le odierne prestazioni standard delle macchine della Jäger è indicata dai 5 milioni di alternanze di carico per cilindro con una garanzia di un anno ed un intervallo medio di 5 anni per un intervento di assistenza di notevole entità. 25 milioni di volte un tale cilindro accelera quindi la navetta fino a 108 km/h e frena infine lo stantuffo e l'asta dello stantuffo. Il tratto di accelerazione è solo di 380 mm circa. Il sistema deve generare pressioni fino a 1000 bar e forze di accelerazione fino a 850 g, cioè fino ad 850 volte l'accelerazione di gravità della terra. Alle alte accelerazioni si aggiunge il posizionamento con una precisione di 0,1 mm: al termine della fase di decelerazione, l'asta dello stantuffo viene posizionata in maniera tale per cui la navetta rilanciata dal lato opposto possa essere captata con sicurezza. Poi avviene la fase di decelerazione, la navetta e lo stantuffo vengono ricondotti in posizione iniziale portando l'asta dello stantuffo a contatto con la navetta. Il ciclo inizia da capo.

Sono stati dovuti risolvere molteplici problemi di dettaglio per rendere possibile queste caratteristiche: entrano in gioco in particolare la tribologia e l'idrodinamica quando occorre mandare 30 litri di fluido al secondo, 1,8 m³ al minuto, a tali pressioni e si richiede una precisione alla quale sul telo non deve cadere neppure una goccia di fluido. Persino la nebbia d'olio e la polvere più fine derivante dall'abrasione delle guarnizioni sono dannose per il telo high-tech. Guarnizioni speciali e blocchi di controllo con valvole Cartridge completano il cilindro rendendolo un'unità funzionale, la quale si contraddistingue per una densità di potenza non ottenibile con altre tecnologie e che è estremamente importante dal punto di vista costruttivo: perché il sistema ad alta velocità poggia sulla cassa battente del telaio, la quale diventa a sua volta più veloce nei suoi movimenti grazie alla struttura leggera. Questo sistema complessivo è caratterizzato da sezioni ottimizzate nella guida del fluido, la quale, nonostante la grande potenza del sistema, necessita solo di una pompa da 7,5 kW in combinazione con accumulatori di alte prestazioni prodotti allo scopo specifico.

Il calore dissipato che ne deriva è molto basso in rapporto alla potenza complessiva del sistema e le perdite di potenza, un vero problema per un cilindro ad alta velocità, anche. L'intero sistema è controllato da un'unità PLC che consente un tempo di commutazione di 10 - 15 ms. Questa unità di controllo estremamente precisa, in cui sono integrati il blocco di controllo e le valvole, assicura che ogni azione avvenga all'istante giusto. È decisivo che tutti gli elementi corrispondano, da un lato, alla precisione dell'unità complessiva e che, dall'altro lato, consentano il trasporto di quantità di olio estremamente grandi in tempi molto brevi con minime cadute di pressione all'interno del cilindro.

I problemi tribologici ed idrodinamici sono comparsi in particolare per l'unità ad alta velocità, la quale è composta da due cilindri idraulici in serie: un cilindro, il cilindro di posizionamento, porta l'asta dello stantuffo del vero e proprio cilindro ad alta velocità, il cilindro battente, in posizione di intercettazione e di sparo. Il cilindro battente spara ovvero intercetta la navetta proveniente dal lato opposto. Questa complessa struttura del cilindro è stata dovuta quindi ottimizzare sotto l'aspetto fluidodinamico senza pregiudicare la resistenza dei singoli componenti del cilindro. Particolarmente la ricerca di nuove combinazioni di guarnizioni è stata decisiva. È stato inoltre sviluppato un nuovo concetto di ammortizzazione, in modo che l'asta dello stantuffo estremamente accelerata per lo sparo della navetta venga frenata senza distruggere se stessa ed il cilindro in un tempo relativamente breve. Infine si sono dovuti adattare i collegamenti con le tubazioni, il blocco di controllo e le valvole per non generare perdite di carico non ammissibili sulle sezioni di interfaccia.

Per la Jäger, è stata decisiva la stretta e fiduciosa collaborazione con la Hänchen, nella quale è stato sviluppato passo dopo passo il sistema complessivo e sono stati integrati i diversi componenti. Solo grazie a questa stretta cooperazione proprio in fase di sviluppo è stato possibile conseguire il successo finale. Ognuno ha dovuto portare le proprie esperienze e discutere apertamente i problemi, in modo da poter individuare le soluzioni richieste. Su questo sfondo sono stati poi ottenuti molti miglioramenti per mezzo di prove. Perché le conoscenze teoriche e le formule di progettazione non coprono più molti degli effetti che si presentano in questo settore di condizioni estreme. Le conoscenze specialistiche e la competenza tecnica si sono così dovute accoppiare con un'impegnata costruzione e molteplici prove per conseguire l'obiettivo finale. Un team tecnicamente creativo composto di clienti e fornitori è stata la strada verso questo successo.

Jörg Beyer