Domanda: Come si selezionano e implementano le 'valvole di ritegno' per la ritenzione del carico verticale al fine di gestire i rischi derivanti da una improvvisa perdita di pressione dell'aria?

Risposta: Per sostenere in sicurezza i carichi verticali e gestire i rischi di una perdita improvvisa di pressione dell’aria, gli integratori di sistemi devono installare valvole di ritenuta a comando pilotato (valvole PO) direttamente nei porti del cilindro verticale. Le comuni valvole direzionali a cursore presentano microscopiche fughe interne dovute ai giochi interni, che consentono all’aria di fuoriuscire causando un lento abbassamento dei carichi verticali. Ancora più criticamente, in caso di perdita della pressione di alimentazione principale – ad esempio per rottura di un tubo flessibile o guasto del compressore – un circuito standard si scaricherà immediatamente, provocando la caduta incontrollata del pesante carico verticale. Una valvola di ritenuta a comando pilotato evita tale evenienza agendo come una tenuta meccanica priva di qualsiasi perdita. Essa consente all’aria di entrare liberamente nel cilindro, ma ne impedisce l’uscita dal porto del cilindro fino a quando non viene inviato un segnale pneumatico pilotato positivo al suo pistone interno di comando. Se la pressione del sistema diminuisce, il segnale pilotato viene perso e il valvola di ritegno si chiude istantaneamente, bloccando l'aria compressa all'interno della camera del cilindro e mantenendo il carico in posizione in modo sicuro.

Introduzione: I pericoli associati ai carichi pneumatici verticali

Nell'automazione industriale, gli assi verticali sono molto comuni. I cilindri pneumatici verticali vengono ampiamente utilizzati per sollevare componenti pesanti, alzare le saracinesche di selezione, controllare i dispositivi di serraggio verticali e azionare le teste di indicizzazione per il confezionamento. Tuttavia, i sistemi pneumatici verticali rappresentano una grave sfida ingegneristica poiché devono costantemente contrastare la forza di gravità.

A differenza degli attuatori orizzontali, che semplicemente scivolano fino a fermarsi in caso di perdita di pressione, un cilindro verticale che solleva un carico pesante cade immediatamente se l’aria compressa che lo sostiene viene scaricata. Questa caduta improvvisa può schiacciare gli operatori, distruggere utensili costosi, danneggiare guide lineari e causare ingenti scarti di produzione. La risoluzione di questo pericolo richiede la selezione dei corretti componenti passivi di ritenuta. In quanto produttore consolidato di componenti pneumatici di sicurezza ad alta affidabilità, AIRWORK fornisce ai progettisti di automazione i componenti e le equazioni di dimensionamento necessari per realizzare circuiti di ritenuta verticale a prova di guasto.

Perché le valvole di controllo direzionale standard non sono sufficienti

Un errore comune tra i progettisti principianti di sistemi di automazione consiste nell’affidarsi a una valvola solenoide standard a 5 vie e 3 posizioni con centro chiuso per mantenere un carico verticale in posizione. L’assunzione logica è che, quando la valvola si trova nella sua posizione centrale (chiusa), tutte le vie sono bloccate, intrappolando l’aria in entrambe le camere del cilindro e impedendone il movimento. Tuttavia, questo approccio è estremamente pericoloso per due motivi:

• Perdita dovuta al gioco tra spina e corpo valvola: le valvole standard di comando direzionale a 5 vie utilizzano una spina scorrevole in metallo su metallo o con tenuta morbida. Per consentire lo scorrimento agevole della spina avanti e indietro, tra questa e il foro della valvola deve essere previsto un gioco minimo. Nel tempo, o persino nelle valvole appena acquistate, l’aria compressa tende lentamente a oltrepassare tale gioco. Questa perdita microscopica è sufficiente a provocare un abbassamento graduale (drift) del cilindro verticale di diversi pollici all’ora, specialmente sotto carichi elevati.
• Perdita della pressione di alimentazione: Se la tubazione principale dell'aria compressa proveniente dal compressore si rompe, oppure se viene premuto il pulsante di arresto di emergenza e la valvola di scarico principale svuota il sistema, tutta la pressione a monte della valvola di controllo scende a zero. Una valvola di controllo standard non è in grado di impedire che l'aria fuoriesca nuovamente attraverso il tubo di alimentazione danneggiato, provocando un collasso immediato e violento del carico verticale.

Funzionamento delle valvole di ritenuta pilotate (valvole PO)

Una valvola di ritenuta pilotata è una valvola a tenuta zero, di tipo a sede, che funziona come un blocco meccanico. È dotata di un porto di ingresso (P), un porto per il cilindro (A) e un porto di pilotaggio (X). All'interno della valvola, un otturatore caricato da molla è premuto saldamente contro una sede metallica lucidata, creando una perfetta tenuta ermetica.

• Flusso libero (sollevamento): Quando l'aria viene diretta per sollevare il cilindro verticale, l'aria in pressione entra nel porto di ingresso P, supera la tensione della molla interna, solleva il disco dalla sua sede e fluisce liberamente nel porto del cilindro A per estendere il pistone e sollevare il carico.
• Flusso bloccato (tenuta): Quando il cilindro smette di muoversi, la forza di gravità tenta di spingere il pistone verso il basso, provocando la pressurizzazione del porto A. Questa pressione dell'aria intrappolata, combinata con la molla interna della valvola, spinge il disco ancora più saldamente contro la sua sede metallica. L'aria rimane completamente bloccata all'interno della camera del cilindro, garantendo un'assenza totale di deriva.
• Ritorno pilotato (discesa): Per abbassare il carico, l'aria compressa viene indirizzata sul lato opposto del cilindro (per spingere il pistone verso il basso) e contemporaneamente viene inviata al porto di pilotaggio (X) della valvola di ritenuta pilotata (PO). La pressione di pilotaggio spinge in avanti un pistone interno, che aziona fisicamente un perno metallico per sollevare il disco di ritenuta dalla sua sede. Ciò apre il percorso di scarico, consentendo all'aria intrappolata di fuoriuscire dal porto A attraverso il porto P, permettendo così al cilindro di ritrarsi in modo regolare.

Parametri critici di selezione per gli integratori di sistemi B2B

Per garantire un funzionamento a sicurezza intrinseca, gli integratori di sistemi devono calcolare e abbinare i seguenti parametri tecnici nella selezione delle valvole di ritenuta pilotate (PO):

• Il rapporto di pilotaggio: si tratta del rapporto tra l’area del pistone interno di pilotaggio e l’area della sede del disco di ritegno. I rapporti più comuni sono 3:1, 4:1 e 5:1. Ad esempio, in una valvola con rapporto 3:1, una pressione di pilotaggio di 1 bar al raccordo X può contrastare una pressione intrappolata di 3 bar al raccordo A del cilindro. Se un cilindro verticale sostiene un carico estremamente elevato, la pressione dell’aria nella camera inferiore può salire ben al di sopra della pressione della linea principale. Se la pressione intrappolata è pari a 9 bar e la linea di pilotaggio fornisce soltanto 2,5 bar, una valvola con rapporto 3:1 non riuscirà ad aprirsi, causando l’arresto della macchina. In applicazioni ad alto carico, gli ingegneri devono selezionare valvole con rapporti di pilotaggio più elevati (ad esempio 5:1 o 6:1) oppure garantire che le linee di pilotaggio forniscano una pressione adeguata e regolata.
• Montaggio diretto sul porto: Per gestire il rischio di rottura della tubazione, la valvola di ritenuta PO deve essere avvitata direttamente sul porto del cilindro. Non montare mai la valvola di ritenuta PO su un collettore valvole remoto con diversi metri di tubo flessibile in poliuretano interposto. Se il tubo tra il cilindro e la valvola di ritenuta montata in posizione remota si rompe, il circuito di ritenuta viene bypassato e il carico cade immediatamente. AIRWORK produce valvole di ritenuta PO compatte, montabili direttamente sul porto, che si avvitano direttamente sui porti dei cilindri, garantendo la massima sicurezza.
• Espansione termica e sovrappressione: Se un cilindro verticale sostiene un carico pesante in un ambiente industriale caldo per periodi prolungati, l’aria intrappolata può espandersi, aumentando la pressione fino a superare i valori di sicurezza previsti. Assicurarsi che il sistema includa valvole di sicurezza per lo scarico di pressione qualora sussista il rischio di espansione termica.

Sicurezza ridondante: Integrazione di blocchi meccanici dell’asta

Sebbene le valvole di ritenuta PO offrano un’ottima protezione, queste dipendono dall’integrità delle guarnizioni interne del pistone del cilindro. Se la guarnizione del pistone del cilindro si usura o presenta una perdita di by-pass, l’aria fuoriesce dalla camera inferiore verso quella superiore, provocando il cedimento del carico nonostante le valvole di ritenuta rimangano chiuse.

Per applicazioni critiche dal punto di vista della sicurezza (ad esempio sollevatori posizionati direttamente sopra operatori addetti al montaggio), gli standard di sicurezza richiedono un sistema meccanico di ritenuta ridondante. Ciò viene ottenuto combinando le valvole di ritenuta PO con un Blocco meccanico dell’asta AIRWORK. Il blocco dell’asta è un dispositivo di serraggio a molla inserita, rilasciato pneumaticamente, integrato nel tappo anteriore del cilindro. In caso di perdita della pressione pilota pneumatica, potenti molle interne forzano un collare metallico a serrarsi saldamente sull’asta del pistone, bloccandola in posizione mediante un’elevata forza di attrito fisico e garantendo così una sicurezza meccanica completa, indipendentemente dall’integrità delle guarnizioni pneumatiche.

Approvvigionamento di soluzioni fail-safe da AIRWORK

In AIRWORK, la sicurezza è un requisito ingegneristico. Le nostre valvole di ritenuta pilotate della serie VB sono realizzate in alluminio anodizzato di alta qualità e dotate di otturatori in ottone rettificati con precisione e di guarnizioni in fluorocarbonio ad alta durata, per garantire prestazioni a tenuta zero per milioni di cicli.

Standardizzando l’impiego delle valvole di sicurezza di ritenuta AIRWORK e dei cilindri integrati con blocco dello stelo, distributori e integratori di sistemi possono garantire la massima sicurezza dell’operatore e la piena conformità agli standard di sicurezza macchina. Visita jzpnu.com per scaricare i disegni CAD 3D, i diagrammi del rapporto di pilotaggio e i certificati di conformità alla sicurezza per il tuo prossimo progetto di sollevatore verticale.