Criteri per progettazione ed ottimizzazione di martinetti per sistemi complessi

I martinetti sono dispositivi deputati alla generazione di una forza per la movimentazione o il sollevamento di componenti o strutture. Il meccanismo principale con cui viene applicata la forza varia in relazione alla tipologia di martinetto e, nella maggior parte dei casi, si tratta di sistemi vite-madrevite o di sistemi idraulici/pneumatici cilindro-pistone.

di Giorgio De Pasquale ed Elena Perotti

Introduzione

I martinetti sono, in genere, classificati in relazione alla capacità massima di sollevamento, ad esempio, in ambito industriale, sono dimensionati per carichi fino ad alcune tonnellate. I martinetti possono inoltre essere suddivisi a seconda della tipologia di forza impiegata: meccanica, idraulica o pneumatica. La conformazione più nota del comune martinetto è quella dedicata ad applicazioni automobilistiche, tuttavia, grazie all’integrazione dell’elettronica nel controllo di componenti e sistemi idraulici, si sta assistendo ad una profonda rivoluzione tecnologica di questo componente, specie in ambito idraulico.

Martinetti meccanici

Un martinetto meccanico utilizza un sistema vite-madrevite per il sollevamento di carichi pesanti ed è classificato in base alla capacità di carico (espressa in tonnellate).

Criteri di progettazione di martinetti a vite

Figura 1: Rappresentazione progettuale di un sistema a vite per martinetto meccanico. Fonte: https://mechasource.blogspot.com/2021/06/an-introduction-to-types-of-lifting.html

In figura 1 è riportata la rappresentazione grafica per la progettazione di base di un martinetto meccanico, ricondotta alla configurazione di una vite.

La forza con cui viene azionato il martinetto, trascurando l’attrito, può essere espressa come:

F = (Q p) / (2 π R)

Dove:

  • F rappresenta la forza all’estremità del braccio o dell’impugnatura del martinetto (N)
  • Q è il peso o carico sul martinetto (N)
  • p è il passo, la distanza o lunghezza della filettatura in un giro (m)
  • R è il raggio del braccio di leva (m)

La forza di azionamento del martinetto è direttamente proporzionale al carico applicato e al passo della filettatura, ed è inversamente proporzionale al braccio di leva. Pertanto, un aumento del carico o del passo, o una diminuzione del raggio del braccio di leva, producono un aumento della forza di azionamento del martinetto.

In ambito ingegneristico ed industriale, il calcolo della forza del martinetto è utile in tutti quei settori in cui è necessario sollevare, posizionare o stabilizzare carichi pesanti. Alcuni dei principali esempi di applicazione di martinetti meccanici in ambito industriale sono elencati di seguito.

  • Nel settore automotive ed in edilizia i martinetti vengono impiegati laddove è richiesto il sollevamento di carichi pesanti, in tal caso è spesso necessario conoscere la forza del martinetto al fine di poter determinare la sua dimensione e configurazione.
  • Nei settori manifatturiero e di assemblaggio, quando ci si avvale dei martinetti per posizionare con precisione macchinari o attrezzature, informazioni sulla forza del martinetto si rendono, anche in questo caso, necessarie per una sua configurazione specifica.
  • I martinetti possono essere poi impiegati per stabilizzare ponti ed edifici, mediante applicazione di una forza che si opponga ai carichi o ai movimenti esterni. In questa circostanza occorre determinare la forza necessaria per stabilizzare la struttura.
  • I martinetti sono infine utilizzati per regolare l’altezza di piattaforme o palchi, ad esempio nel settore dell’intrattenimento o simili. Calcolando la forza, è possibile selezionare la tipologia di martinetto più idonea alla specifica applicazione nonché determinare il numero di martinetti necessari.

La coppia T che agisce sulla vite viene, invece, calcolata come:

T = F R

In presenza di un certo coefficiente di attrito, nella condizione in cui il movimento avviene nella stessa direzione del carico (cioè nel caso in cui il martinetto controlla l’azione del carico esterno accompagnandone l’effetto), la forza generata può essere ottenuta come:

F = Q ( (2 π μ r – p) / (2 π r + μ p) ) (r / R)

dove r è il raggio della vite e μ il coefficiente di attrito.

Al contrario, quando il movimento imposto dal martinetto è diretto in verso opposto al carico esterno, la forza è espressa come:

F = Q ( (2 π μ r + p) / (2 π r – μ p) ) (r / R)

Esempi di integrazione in sistemi complessi

I martinetti a vite trovano applicazione in sistemi e impianti complessi per operazioni di sollevamento, tensionamento di nastri, movimentazione di container, regolazioni assiali di parti meccaniche, etc.

Riguardo le modalità di installazione, è bene ricordare che quest’ultima dovrebbe essere eseguita evitando carichi radiali/laterali, che rappresentano la principale causa di guasti dell’elemento filettato che trasmette il moto e il carico. La vite e il piano di base del martinetto devono essere ortogonali fra loro ed occorre verificare l’assialità tra il carico esterno e la vite stessa, evitando disallineamenti. Qualora siano richiesti più martinetti (collegati anche mediante trasmissioni) è indispensabile che i terminali siano perfettamente allineati in modo tale che il carico sia ripartito in modo uniforme, in questo caso è consigliabile l’utilizzo di giunti elastici o altri elementi deformabili per assorbire eventuali disallineamenti.

La verifica del dimensionamento, da effettuare mediante i dati di targa del martinetto, deve tenere conto dei seguenti parametri principali:

  • Carico (N), equivalente alla forza applicata alla vite traslante del martinetto.
  • Velocità di rotazione (mm/min), corrispondente alla velocità di movimentazione del carico desiderata. È buona norma limitare tale parametro ad un valore massimo di 1500 rpm in ingresso.
  • Corsa (mm), vale a dire la misura lineare necessaria per movimentare il carico che, in genere coincide con la lunghezza totale della vite filettata. 
  • Protezione (parametro opzionale) necessaria per proteggere la filettatura da impurità, sporcizia, corpi estranei e/o montaggio e movimenti trasversali indesiderati. 
  • Momento torcente (Nm), coppia richiesta per la movimentazione del carico. 

Sebbene i martinetti siano progettati per esercitare il carico prevalentemente lungo la direzione assiale, essi, entro certi limiti, sono in grado di sopportare anche carichi trasversali (o radiali).

I carichi hanno origine dagli organi o dai componenti collegati al martinetto. Sono svariate le cause che possono indurre carichi trasversali tra cui, ad esempio, tiri cinghia/catena, accelerazioni e decelerazioni, disallineamenti della struttura, vibrazioni, urti, etc. 
In relazione a quanto detto, i carichi agenti sulla vite filettata, in relazione al suo asse, possono essere di tipo radiale (FR: forza radiale) ed assiale (FA: forza assiale). La forza assiale può essere, a sua volta, di trazione o di compressione. 

Figura 2. Esempi di carichi assiali e radiali in compressione (a) e trazione (b). Fonte: www.fiama.it

In figura 2 si riporta un esempio di carichi assiali e radiali in compressione e trazione dove:

  • FR – forza/carico radiale che agisce nella direzione perpendicolare all’asse della vite
  • FA – forza/carico assiale che agisce nella direzione dell’asse della vite

In figura 3 si riportano alcuni esempi di applicazione di martinetti meccanici a vite per operazioni di sollevamento, tensionamento, allineamento e ribaltamento.

Figura 3. Esempi applicativi di martinetti meccanici a vite per operazioni di sollevamento (a), tensionamento (b), allineamento (c), e ribaltamento (d). Fonte www.fiama.it

Martinetti idraulici

I martinetti idraulici utilizzano fluidi in pressione per il sollevamento di carichi pesanti.

Criteri di progettazione di martinetti idraulici

Il principio di funzionamento di un martinetto idraulico si basa sulla Legge di Pascal. Essa stabilisce che una variazione di pressione in un punto di un fluido incomprimibile chiuso comporta un’identica variazione di pressione in ogni punto. Ne deriva che la pressione in un cilindro idraulico agisce in modo uguale su tutte le superfici. Questa legge regola, fra il resto, anche l’azionamento del martinetto idraulico come anche il sistema frenante della maggior parte dei veicoli. Secondo la legge di Pascal, la forza è calcolata come:

F = p A

dove F è la forza (N), p rappresenta la pressione (N/m²) e A è l’area (m²). Sfruttando un semplice bilanciamento fra forza e area, come si vede in figura 4, lo stesso fluido alla pressione p può generare due spinte molto diverse ai capi del sistema idraulico. Questo principio viene sfruttato per azionare il martinetto idraulico con una forza relativamente bassa (punto A – figura 4) e generare in uscita una forza molto più grande (punto C – figura 4).

Figura 4: Principio di funzionamento di un martinetto idraulico (Legge di Pascal): una piccola forza (A), un fluido incomprimibile (B) e una grande forza di sollevamento (C).

Come mostrato in figura, l’azionamento può avvenire ad esempio tramite una pompa a pistone (A). Il movimento verso il basso del pistone crea una variazione di pressione. Il fluido contenuto nel cilindro idraulico più grande (B) subisce la stessa variazione di pressione, applicandola al pistone di uscita (C). Poiché la pressione è il rapporto tra la forza e l’area, la maggiore superficie del pistone in uscita produrrà una forza di sollevamento amplificata proporzionalmente.

L’inconveniente di questo sistema è rappresentato dall’entità delle corse di azionamento e uscita; infatti, per ottenere una azione di sollevamento di una certa entità in uscita, è necessario che il pistone di ingresso (A) copra una corsa proporzionalmente maggiore. La figura 4 può essere semplificata come segue.

Considerando che la pressione che agisce sui pistoni di un martinetto idraulico è la stessa, la forza, nel caso del cilindro più piccolo può essere calcolata come

Fs = p As

dove

  • Fs è la forza che agisce sul pistone nel cilindro più piccolo (N)
  • As è l’area del cilindro più piccolo (m²)
  • p è la pressione nei due cilindri, grande e piccolo (N/m²)

La forza, nel caso del cilindro più grande si ottiene, invece, come

Fl = p Al

dove

  • Fl è la forza che agisce sul pistone nel cilindro più grande (N)
  • Al è l’area del cilindro più grande (m²)
  • p corrisponde alla pressione nei due cilindri, grande e piccolo (Pa, N/m²)

Dalle precedenti relazioni emerge che:

Fs / As = FI / Al

o, in alternativa,

Fs = Fl As / Al

Esempi di integrazione in sistemi complessi

I martinetti idraulici trovano impiego in officine meccaniche, nell’industria automobilistica, nelle attrezzature per la movimentazione dei materiali, nelle piattaforme di sollevamento, nei settori ferroviario e idroelettrico, etc.

Diverse sono le specifiche del martinetto da tenere in considerazione per selezionare il modello più appropriato a seconda dell’applicazione. Di seguito alcuni elementi da considerare:

 

  • Capacità di carico, il parametro più importante.
  • Spazio libero disponibile: occorre verificare che il martinetto idraulico passi al di sotto del carico. Il martinetto idraulico da pavimento, ad esempio, offre un profilo basso.
  • Altezza di sollevamento: è necessario controllare che il martinetto si sollevi abbastanza in alto da poter eseguire il compito necessario.
  • Azionamento automatico o manuale: i martinetti idraulici possono essere manuali o automatici.  I primi si avvalgono dell’energia manuale, mentre i secondi utilizzano l’aria o l’energia elettrica come sistema di azionamento. Il principio di funzionamento è lo stesso.
  • Applicazione: alcuni martinetti idraulici sono progettati espressamente per specifiche applicazioni industriali, occorre pertanto accertarsi che i martinetti siano in grado di funzionare per lo scopo previsto.

Anche un corretto utilizzo di un martinetto idraulico dipende dall’applicazione specifica. Tuttavia, alcune considerazioni sono comuni in quasi tutte le situazioni.

Ad esempio, prima dell’utilizzo di un martinetto idraulico è bene:

  • Assicurarsi che il martinetto sia in piano.
  • Controllare che il martinetto non presenti danni o perdite.
  • Preparare i supporti del martinetto affinché sostengano il peso del carico dopo il sollevamento.

Durante l’utilizzo:

  • Inserire la leva manuale nell’alloggiamento collegato al pistone di azionamento e sollevare il carico all’altezza desiderata. Assicurarsi che il pistone del martinetto tocchi il carico nel punto di sollevamento adeguato, ad esempio, l’asse di un veicolo.
  • Inserire i cavalletti di stazionamento statico del carico al di sotto della struttura sollevata, accanto al martinetto idraulico, ed abbassare il carico sui cavalletti.
  • Eseguire gli interventi necessari.
  • Sollevare nuovamente il carico con il martinetto idraulico e procedere alla rimozione dei cavalletti.
  • Aprire la valvola di rilascio idraulico per abbassare lentamente il carico.

La sicurezza di attrezzature come i martinetti idraulici è fondamentale. Oltre ai criteri di selezione, occorre, pertanto, considerare alcune fondamentali linee guida:

  • Non superare il peso massimo di sollevamento, espresso in tonnellate. Un eventuale sovraccarico potrebbe infatti danneggiare le pareti del cilindro o causare perdite di fluido. Il progetto di alcuni martinetti idraulici prevede una valvola di sovraccarico che entra in azione nel caso di superamento della pressione massima.
  • Il serbatoio deve sempre contenere una quantità sufficiente di fluido. In caso contrario, non sarà possibile raggiungere la pressione massima del martinetto idraulico.
  • Una perdita nel cilindro durante il funzionamento può provocare situazioni di pericolo rilevante. Controllare le linee guida del produttore in merito alla manutenzione preventiva.

Manutenzione e riparazione di martinetti idraulici

I martinetti idraulici sono dispositivi resistenti che tuttavia non sono indenni da fenomeni di danneggiamento legati, ad esempio, ad un prolungato utilizzo, a fattori ambientali o ad una manutenzione scorretta, cause che ne compromettono il corretto funzionamento. Una regolare manutenzione dei martinetti idraulici si rende quindi essenziale per risolvere e prevenire i potenziali problemi da usura o prolungato utilizzo. Di seguito si riporta una analisi delle casistiche più comuni che possono interessare i martinetti idraulici e le loro possibili soluzioni.

Figura 5. Semplificazione del principio di funzionamento di un martinetto idraulico (Legge di Pascal).

Caso 1: il martinetto idraulico non è in grado di sollevare il carico.

Un martinetto idraulico non riesce a sollevare carichi pesanti quando il suo pistone non funziona correttamente. Ciò accade per molteplici ragioni come presenza di ruggine, scarsa o assente lubrificazione, sovraccarico o ridotti/elevati livelli di fluido nel serbatoio. Le possibili soluzioni sono le seguenti:

  • Ogni martinetto idraulico ha una capacità di sollevamento specifica. Prima di selezionare il martinetto più idoneo, occorre pertanto controllare le specifiche tecniche presenti nel suo manuale, per evitare sovraccarichi.
  • Serrare i tappi e sostituire le guarnizioni usurate per impedire l’ingresso di aria ed altre particelle estranee, poiché impediscono la corretta tenuta in pressione del fluido.
  • Migliorare la capacità di sollevamento del martinetto utilizzando un lubrificante sulle parti mobili.
  • Ispezionare periodicamente il livello del fluido idraulico e mantenerlo ad un livello ottimale per scongiurare i problemi legati a livelli di fluido insufficienti/eccessivi.
  • Rimuovere la ruggine dalle zone interessate o sostituire le parti se necessario. Come noto, la ruggine tra le parti metalliche provoca perdite dal martinetto o ostacola il movimento dei componenti a causa dell’attrito.

Caso 2: perdita di fluido

Il fluido idraulico (olio idraulico) può fuoriuscire internamente ed esternamente a causa di guarnizioni/o-ring danneggiati o raccordi inappropriati. Anche le parti metalliche corrose causano perdite di fluido. Ispezionare visivamente il dispositivo per eventuali perdite esterne. Se necessario, sostituire le guarnizioni/gli o-ring danneggiati e i raccordi ordinando un kit di riparazione del martinetto idraulico. Il serbatoio può anche traboccare, in questo caso rimuovere l’olio in eccesso dal serbatoio.

Caso 3: movimento limitato delle ruote di movimentazione

Le ruote del martinetto sono essenziali per il suo spostamento da un luogo all’altro. Se le ruote del martinetto non si muovono correttamente potrebbe essere difficile per l’operatore eseguire le attività. Tra le cause più comuni del limitato movimento delle ruote ci sono la corrosione delle parti e la mancanza di lubrificazione. Ãˆ necessario quindi utilizzare un olio lubrificante per ridurre l’attrito e garantire un funzionamento regolare delle ruote. Conservare poi i martinetti idraulici in luoghi asciutti per prevenire l’accumulo di umidità e ruggine, soprattutto delle parti interne.

Caso 4: la leva non si solleva

Spesso la leva di sollevamento del martinetto, sotto il peso del carico, non riesce a sollevarsi. Ciò accade quando le valvole non sono correttamente chiuse o in presenza di materiale estraneo nelle valvole. In questo caso, la pulizia delle valvole deve essere eseguita tenendo conto della seguente procedura:

  1. Abbassare lo stelo del pistone del martinetto
  2. Chiudere la valvola di sfiato
  3. Sollevare manualmente lo stelo del pistone del martinetto
  4. Aprire la valvola di sfiato ed abbassare rapidamente lo stelo

Caso 5: il martinetto non riesce a sollevare il carico fino all’altezza massima

Le bolle d’aria nel circuito idraulico impediscono al martinetto di sollevarsi alla sua corsa massima, si rende quindi necessario spurgare l’aria nel circuito idraulico.

I casi analizzati ci consentono di comprendere quanto la manutenzione dei martinetti idraulici sia essenziale per un servizio prolungato del sistema e per il rispetto delle norme sulla sicurezza sul lavoro. Di seguito le pratiche standard per garantire una corretta manutenzione dei martinetti idraulici. Si precisa di fare riferimento al manuale del produttore per la frequenza (giornaliera/settimanale/mensile) richiesta per eseguire tali azioni.

  • Ispezione visiva: controllare le condizioni generali della macchina alla ricerca di parti danneggiate o mancanti.
  • Perdite: verificare che non vi siano perdite accidentali misurabili nel circuito idraulico. Una leggera umidità è accettabile, ma non dovrebbe essere sufficiente a formare una goccia.
  • Pulizia: pulire il dispositivo per liberare la struttura esterna e le parti mobili dall’accumulo di incrostazioni e polvere. Per fare ciò, svuotare il fluido idraulico, lavarlo e soffiare il sistema. Utilizzare attrezzature e solventi adeguati per la pulizia del dispositivo.
  • Lubrificazione: ingrassare le parti mobili dei martinetti idraulici, come la leva, le ruote, le viti di regolazione e le cerniere.
  • Livello dell’olio: controllare il livello dell’olio nel serbatoio e, se necessario, rabboccare con olio minerale idraulico. Utilizzare solo la tipologia di olio consigliata dal produttore. Non utilizzare mai liquidi per freni o oli motore, poiché possono deteriorare le guarnizioni.
  • Conservazione: rilasciare la pressione dal dispositivo e mantenerlo nella posizione prevista come suggerito dal produttore per evitare bolle d’aria nel sistema idraulico.
  • Spurgare l’aria dal circuito idraulico: le bolle d’aria intrappolate riducono l’efficienza di un martinetto idraulico. Eseguire i seguenti passaggi per rimuovere l’aria intrappolata dal dispositivo:
    • Aprire la valvola di sfiato ruotandola in senso antiorario. Inoltre, aprire il tappo del serbatoio dell’olio.Pompare ripetutamente per rilasciare l’aria.Chiudere la valvola di sfiato ruotandola in senso orario. Riposizionare il tappo del serbatoio dell’olio esercitando pressione su di esso.
    • Controllare se il martinetto funziona correttamente.

Conclusioni

I termini di progettazione, i trend che si osservano in merito alla evoluzione delle caratteristiche principali coinvolgono i seguenti aspetti, almeno per quanto riguarda i martinetti per uso industriale:

  • Migliorare la semplicità di utilizzo mediante innovazioni nei sistemi di applicazione del carico, ergonomia, leggerezza, materiali più efficienti e duraturi;
  • Aumentare la capacità di carico mediante soluzioni costruttive più elaborate, sempre tenendo in considerazione la voce relativa ai costi;
  • Ridurre i costi, in relazione alle possibili migliorie applicabili come citato al punto precedente;
  • Garantire la sicurezza del dispositivo e consentire affidabilità elevate anche in presenza di manutenzione ridotta e anche evitando, ove possibile, l’azionamento manuale del martinetto.