Oscillazione ad alta frequenza: accumulo termico nei

L’accumulo termico nei cilindri a corsa breve si verifica quando la generazione media di calore supera la capacità dell’attuatore installato di dissiparlo. La sola frequenza non basta a definirlo. Occorre anche specificare se un ciclo corrisponde a un singolo movimento o a un’andata e ritorno completi, quindi considerare corsa, profilo di velocità, massa mobile, energia di fine corsa, attrito, soste, pressione, configurazione del circuito, temperatura ambiente e durata del servizio.

Questo articolo analizza il bilancio energetico dell’oscillazione a corsa breve. Per il posizionamento dei sensori e le prove della costante di tempo termica, consultate il metodo più ampio di analisi termica dei cilindri ad alto numero di cicli; se occorre interpretare quantitativamente un’immagine a infrarossi, utilizzate invece la guida alla termografia delle guarnizioni.

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Punti chiave

La norma ISO 19973-3 esprime l’affidabilità dei cilindri in cicli o chilometri, non con un limite universale in hertz.

Un ciclo completo di andata e ritorno comprende due corse e due eventi di fine corsa.

La stessa distanza di scorrimento al secondo può nascondere frequenze di inversione e d’impatto molto diverse.

Applicate il limite specifico del modello più restrittivo per temperatura, velocità, energia cinetica, guarnizioni, grasso, sensori e tubi.

Perché la sola frequenza non definisce il limite termico di un cilindro?

La norma ISO 19973-3:2015 esprime la durata dei cilindri pneumatici in cicli o chilometri e richiede che siano dichiarate le condizioni di prova; non stabilisce una soglia termica universale di 2 Hz (ISO 19973-3, confermata nel 2021). La frequenza di ciclo diventa utile solo dopo aver definito il movimento, il modello del cilindro, le condizioni di esercizio e il limite di accettazione.

Due macchine possono essere entrambe indicate come funzionanti a 3 Hz, pur imponendo carichi termici diversi:

Un controllore può contare ogni estensione o retrazione come un ciclo, mentre un altro può contare la coppia estensione-retrazione.
Un asse può sostare a entrambe le estremità, mentre un altro inverte immediatamente il moto.
La frequenza comandata può rimanere costante mentre la portata della valvola modifica la velocità effettiva del pistone.
Anche con corsa e frequenza uguali, profili di accelerazione diversi possono produrre velocità differenti a fine corsa.
Un forno, un riparo, una staffa di montaggio o un getto di scarico nelle vicinanze possono modificare la dissipazione del calore senza cambiare la frequenza di ciclo.

SMC pubblica un manuale specifico per una variante CM2 ad alta velocità e frequenza. La relativa tabella delle frequenze di esercizio è associata a determinate combinazioni di alesaggio e corsa e a una velocità del pistone di 2500 mm/s. Lo stesso manuale avverte che la temperatura della canna dipende dal circuito pneumatico, dalle condizioni operative e dall’ambiente (manuale del cilindro SMC CM2 ad alta velocità e frequenza, consultato nel 2026).

Questo è il corretto campo di validità. La tabella delle frequenze di un costruttore vale per il prodotto, il circuito, la pressione, la corsa, la velocità, il carico, il montaggio e le condizioni di prova su cui è basata. Non è una regola valida per un’intera categoria di cilindri compatti, guidati, senza stelo o convenzionali.

Considerate gli hertz come un contatore di eventi, non come una classe termica. Il numero di eventi deve essere associato all’energia meccanica e pneumatica gestita in ciascun evento. In caso contrario, un valore preciso come 4 Hz descrive il comando del controllore, ma dice poco su dove venga dissipata l’energia.

Il calore entra ed esce attraverso più percorsi

Carneiro e de Almeida hanno valutato lo scambio termico in tre attuatori pneumatici industriali, riscontrando che la conduttanza termica varia con pressione, temperatura e velocità dell’attuatore (Valutazione dello scambio termico nei cilindri pneumatici industriali, 2007). La temperatura superficiale misurata rappresenta quindi l’effetto combinato della generazione di calore, del trasferimento interno e della dissipazione verso la macchina su cui il cilindro è installato.

I principali percorsi energetici sono:

Attrito di guarnizioni, cuscinetti e guide. La resistenza allo scorrimento converte il lavoro meccanico in calore. La quantità dipende dalla forza resistente effettiva, dalla distanza totale di scorrimento, dalla lubrificazione, dal precarico delle guarnizioni, dall’allineamento, dalla pressione, dallo stato delle superfici e dalla velocità.
Decelerazione a fine corsa. Strozzature di ammortizzazione, tamponi elastomerici, arresti esterni, ammortizzatori e struttura della macchina assorbono l’energia della massa mobile. La destinazione di questa energia determina quale componente si riscalda.
Compressione, riempimento, espansione e scarico del gas. Il gas nella camera può riscaldarsi e raffreddarsi durante lo stesso ciclo. Un transitorio del gas non equivale alla temperatura della superficie del cilindro o della guarnizione.
Restrizioni nelle valvole e nelle linee. Le perdite di pressione e il comportamento dello scarico influiscono sul movimento, sulla pressione nella camera e sulla velocità d’ingresso nell’ammortizzazione. Non trasformano automaticamente ogni watt pneumatico perso in calore nel corpo del cilindro.
Scambio termico esterno. Supporti, ripari, attrezzature di processo, sorgenti radianti, ventilazione e temperatura ambiente possono determinare in larga misura la lettura superficiale.

La frequenza stabilisce quante volte si ripetono i percorsi energetici. Non determina l'energia di ciascun percorso né la capacità di dissipazione termica dell'installazione.

Il processo del gas richiede un proprio limite di analisi. Per una camera isolata può essere adatta un’approssimazione politropica a massa chiusa, mentre una corsa alimentata con la valvola aperta richiede bilanci di portata massica e di energia. La guida al processo politropico spiega questa distinzione. Per il raffreddamento allo scarico e la formazione di brina, consultate l’analisi dell’espansione adiabatica.

In che modo corsa e frequenza determinano la velocità di scorrimento?

SMC definisce la propria tabella per alta velocità e frequenza a 2500 mm/s, dimostrando perché la frequenza debba essere associata alla velocità del pistone e alla corsa (manuale SMC CM2, consultato nel 2026). Durante un’andata e ritorno completi, guarnizioni e guide percorrono due volte la lunghezza della corsa: è quindi possibile calcolare la distanza totale di scorrimento al secondo prima di discutere il calore.

Se $L$ è la corsa in metri e $f$ è il numero di cicli completi di andata e ritorno al secondo:

s_{\mathrm{cycle}} = 2L

\dot{s} = 2Lf

$s_{\mathrm{cycle}}$ è la distanza di scorrimento per ciclo completo, mentre $\dot{s}$ è la distanza totale di scorrimento al secondo. La seconda equazione rimane una media sul tempo trascorso anche quando il ciclo comprende soste. Non indica la velocità di picco del pistone né l’accelerazione.

Se la forza resistente media durante estensione e retrazione può essere rappresentata in modo giustificabile da $\overline{F}_{\mathrm{f}}$ , una prima stima orientativa della potenza d’attrito è:

\dot{Q}_{\mathrm{f}} \approx \overline{F}_{\mathrm{f}}\,2Lf

$\dot{Q}_{\mathrm{f}}$ è la stima del calore medio generato dall’attrito, in watt, quando la forza è espressa in newton e la velocità di scorrimento in metri al secondo. La stima presuppone che la resistenza misurata o modellata rappresenti l’intero percorso. Non attribuisce tutto il calore a una sola guarnizione o a un’unica superficie visibile.

Consideriamo due comandi di ciclo completo:

Movimento	Distanza di scorrimento al secondo	Eventi di fine corsa al secondo
Corsa di 25 mm a 5 Hz	250 mm/s	10
Corsa di 125 mm a 1 Hz	250 mm/s	2

Entrambi i movimenti producono la stessa distanza totale di scorrimento al secondo. L’asse a corsa breve presenta cinque volte più eventi di fine corsa. Se la resistenza delle guarnizioni è comparabile, la potenza d’attrito per scorrimento può essere simile, ma le perdite dovute ad ammortizzazione, tamponi, inversione, commutazione delle valvole e accelerazione possono differire notevolmente.

Il confronto utilizza cicli completi di andata e ritorno. Prima di convertire i cicli macchina al minuto in hertz, dichiarate la convenzione di conteggio.

Nella nostra esperienza di verifica delle applicazioni, la prima correzione riguarda spesso la definizione: indichiamo un ciclo come «estensione più retrazione» e registriamo separatamente le soste. Questo semplice passaggio evita un errore pari a un fattore due quando un fornitore esprime la frequenza in singole corse al minuto e un altro in cicli completi di andata e ritorno.

Quanto carico termico deriva dall’inversione e dall’energia di fine corsa?

Un manuale SMC per un cilindro compatto ad alta potenza specifica una velocità del pistone compresa tra 0,05 e 0,5 m/s e un’energia cinetica ammessa da 0,11 a 0,52 J per le quattro taglie elencate (manuale SMC CQE, consultato nel 2026). Questi valori specifici del modello mostrano perché massa mobile e velocità di fine corsa debbano essere considerate insieme alla frequenza.

Per ciascun evento di fine corsa:

E_{\mathrm{k},i} = \frac{1}{2}m_{\mathrm{eq}}v_i^2

$E_{\mathrm{k},i}$ è l’energia cinetica prima della decelerazione all’estremità $i$ , $m_{\mathrm{eq}}$ è la massa mobile equivalente e $v_i$ è la velocità misurata o calcolata all’ingresso nell’ammortizzazione. Poiché la velocità è elevata al quadrato, una variazione di velocità può essere più importante di una variazione percentuale analoga della frequenza di ciclo.

Per un ciclo completo, con un evento sul lato fondello e uno sul lato stelo:

\dot{E}_{\mathrm{end}} = f\left(E_{\mathrm{cap}} + E_{\mathrm{rod}}\right)

$\dot{E}_{\mathrm{end}}$ è l’energia meccanica gestita da entrambi gli eventi di fine corsa in un secondo. Non si trasforma automaticamente in calore nel cilindro. Parte dell’energia può uscire con l’aria di scarico oppure essere assorbita da un ammortizzatore esterno, da un arresto della macchina, dal carico o dalla struttura.

Prima di considerare l’ammortizzazione interna come un dissipatore continuo di energia ad alta frequenza, utilizzate il diagramma della capacità di ammortizzazione del costruttore del cilindro specifico. La guida al diagramma massa del carico-velocità per la capacità di ammortizzazione spiega come leggere i limiti specifici del modello. Per un primo calcolo, il Calcolatore dell’energia di ammortizzazione del cilindro pneumatico aiuta a organizzare i valori di massa e velocità, ma resta determinante il limite di catalogo.

Ascoltate anche il movimento. Un aumento termico stabile accompagnato da un forte impatto a fine corsa, rimbalzi o variazioni del tempo di corsa indica un meccanismo diverso rispetto al riscaldamento della zona della guarnizione stelo con normale decelerazione finale. Le tracce di pressione e posizione consentono di misurare questa differenza.

Come va misurato l’accumulo termico sulla macchina installata?

Carneiro e de Almeida hanno impiegato una costante di tempo termica e una conduttanza termica determinata sperimentalmente su tre attuatori industriali. Il loro risultato giustifica prove sull’andamento nel tempo, anziché una singola lettura istantanea (Carneiro e de Almeida, 2007). Registrate la ricetta di produzione effettiva durante il riscaldamento, il funzionamento stabile o fino al criterio di arresto, quindi durante il raffreddamento.

Per ogni confronto, utilizzate le stesse posizioni e impostazioni di misura:

Registrate la temperatura ambiente locale lontano dallo scarico diretto e dalle fonti di calore radiante.
Misurate la zona della guarnizione stelo o la fessura di tenuta del cilindro senza stelo, entrambi i fondelli, la canna, l’interfaccia di montaggio, la valvola e il dispositivo di scarico.
Registrate comando, posizione, numero di cicli, pressioni su entrambe le porte se disponibili e temperature superficiali con orologi sincronizzati.
Mantenete invariati corsa, soste, carico, pressione, valvola, regolazioni di portata, impostazioni dell’ammortizzazione, ripari e ventilazione.
Proseguite finché la temperatura non si avvicina a un plateau ripetibile o raggiunge il limite di arresto predefinito e specifico del modello.
Arrestate il movimento senza spostare i sensori e registrate la curva di raffreddamento.
Modificate un solo fattore, quindi ripetete la stessa ricetta.

Confrontate l’aumento della temperatura superficiale corretto rispetto all’ambiente:

\Delta T_{\mathrm{s}} = T_{\mathrm{s}} - T_{\mathrm{amb}}

$T_{\mathrm{s}}$ è la temperatura superficiale in un punto definito, $T_{\mathrm{amb}}$ è la temperatura ambiente locale e $\Delta T_{\mathrm{s}}$ è la loro differenza. Utilizzate in modo coerente gradi Celsius o kelvin. Questa normalizzazione non rivela la temperatura interna della guarnizione o del gas nella camera.

L’intervallo di misura deve essere adeguato a ciascun segnale. La temperatura superficiale varia in genere più lentamente della pressione nella camera o del movimento del pistone, perciò non è necessario usare la stessa frequenza di campionamento per ogni canale. Documentate risposta e montaggio dei sensori, impostazioni dei filtri, allineamento temporale e incertezza.

Un’immagine a infrarossi è utile per individuare una zona calda, ma può essere influenzata da emissività, riflessi, dimensioni del bersaglio, angolo e messa a fuoco. Verificate una superficie critica con un metodo a contatto ripetibile. Non utilizzate un termogramma sintetico o una scala cromatica come prova di accettazione.

Che cosa rivelano le tracce di temperatura e movimento?

In un esperimento del 2017 su un cilindro pneumatico con alesaggio di 50 mm è stato misurato un aumento di 23 K della temperatura nella camera durante la compressione e un calo di 17 K durante l’espansione. Lo stesso ciclo può comprendere riscaldamento e raffreddamento; la temperatura della canna o della guarnizione deve quindi essere interpretata insieme ai dati di movimento e pressione (Hassan et al., 2017).

Andamento osservato	Percorso energetico plausibile	Verifica successiva
La zona della guarnizione stelo si scalda più della canna	attrito della guarnizione, carico laterale, guida serrata, danno superficiale	allineamento, carico laterale, forza di distacco, stato dello stelo
Un fondello si scalda e aumenta il rumore d’impatto	velocità d’ingresso nell’ammortizzazione, perdita nel tampone, arresto rigido	posizione, velocità di picco, pressione di ammortizzazione, massa mobile
Entrambi i fondelli si scaldano mentre la zona stelo resta stabile	dissipazione ripetuta negli eventi di fine corsa	confronto dell’energia finale con il diagramma di capacità esatto
Valvola o silenziatore sono freddi mentre il cilindro si scalda	raffreddamento per espansione allo scarico e perdite separate nel cilindro	punto di rugiada, restrizione allo scarico, pressioni alle porte
Il supporto è il punto più caldo	calore di processo condotto o dissipazione limitata	temperatura del telaio, ripari, flusso d’aria, distanziale
La temperatura aumenta dopo la sostituzione delle guarnizioni	precarico, lubrificante, allineamento, variazione di montaggio	rapporto d’intervento, forza di distacco, perdite, ripetizione della prova
Il tempo di ciclo deriva prima che cambi la temperatura superficiale	problema di alimentazione, valvola, portata, attrito o sensore	traccia sincronizzata di pressione e posizione

La guida al carico laterale e all’usura delle guarnizioni è la verifica successiva per il riscaldamento della zona stelo. Per un’anomalia localizzata sul fondello, controllate la guarnizione di ammortizzazione e il percorso dell’ammortizzazione regolabile prima di sostituire la guarnizione principale del pistone.

La posizione e la sequenza temporale della temperatura forniscono indicazioni diagnostiche più utili del solo valore massimo. Se l’aumento superficiale compare dopo l’inizio degli impatti a fine corsa, l’impatto merita priorità. Se la traccia termica cambia dopo l’installazione di un riparo, mentre pressione e movimento restano stabili, l’ipotesi più probabile è una variazione della dissipazione termica.

Gli interventi correttivi devono corrispondere al percorso termico misurato

Un modello di cilindro compatto SMC è indicato per temperature da -10 a 60°C, mentre un cilindro Festo AEVC a corsa breve riporta una temperatura ambiente da -20 a 80°C. Nessuno dei due intervalli è universale (manuale SMC CQE, consultato nel 2026; scheda tecnica Festo AEVC-63-10, datata 2025-10-08). Scegliete l’intervento correttivo in base al limite applicabile più basso dell’assieme specifico.

Procedete in quest’ordine:

Correggere il carico meccanico. Eliminate carichi laterali, impuntamenti, disallineamento delle guide, errori di accoppiamento rigido, danni alla superficie dello stelo e supporti allentati.
Controllare l’energia di fine corsa. Riducete la velocità d’ingresso nell’ammortizzazione, la massa mobile o l’impatto contro arresti rigidi. Regolate l’ammortizzazione secondo la procedura del costruttore oppure aggiungete un ammortizzatore esterno correttamente dimensionato.
Ripristinare il percorso pneumatico. Controllate capacità della valvola, diametro interno dei tubi, raccordi, orientamento dei regolatori di flusso, stato del silenziatore, pressione di alimentazione, contropressione allo scarico e cadute di pressione locali.
Verificare lubrificazione e qualità dell’aria. Seguite le istruzioni del costruttore del cilindro per il grasso e l’aria compressa. La generica indicazione «lubrificante per alte temperature» non dimostra la compatibilità con guarnizione, grasso o materiali.
Migliorare la dissipazione solo dopo aver localizzato la fonte. Ripristinate la ventilazione, eliminate gli apporti termici esterni, aggiungete schermature o modificate il percorso di montaggio. Una ventola può ridurre la lettura superficiale lasciando irrisolti attrito o impatti eccessivi.
Scegliere un cilindro con caratteristiche nominali adeguate. Verificate come un unico sistema i limiti di cilindro, guarnizione, grasso, sensore, raccordo, tubo, cavo e sensori vicini.

Ridurre la pressione può diminuire la forza disponibile e, in alcuni casi, modificare il consumo energetico, ma non è una soluzione termica universale. Una pressione inferiore può anche rallentare il movimento, prolungare l’apertura della valvola, modificare l’ammortizzazione o lasciare un margine di forza insufficiente. Ricalcolate la forza e verificate le pressioni su entrambe le porte prima di accettare la modifica.

Le guarnizioni per alte temperature non sono necessariamente guarnizioni a minore attrito. Mescola, geometria, finitura superficiale, lubrificazione, pressione, velocità e gioco di estrusione interagiscono tra loro. Utilizzate la guida alla scelta della temperatura e del materiale delle guarnizioni quando la temperatura misurata supera il limite dell’opzione standard.

Come si specifica un cilindro a corsa breve e alta frequenza?

La norma ISO 19973-3 esprime l’affidabilità in cicli o chilometri, mentre il manuale SMC per alta velocità e frequenza associa la frequenza ad alesaggio, corsa, circuito e a una velocità del pistone di 2500 mm/s. Una specifica utile deve quindi definire il ciclo meccanico, il circuito pneumatico, l’ambiente termico e la durata richiesta, anziché limitarsi a chiedere un cilindro «adatto a 5 Hz».

Includete:

tipo di cilindro, alesaggio, diametro dello stelo, corsa, montaggio e orientamento;
se un ciclo indica un singolo movimento o un’andata e ritorno completi;
cicli completi al secondo, sosta a ciascuna estremità e programma dei turni;
profilo posizione-tempo comandato e misurato;
velocità di picco e velocità all’ingresso di ciascuna ammortizzazione;
massa mobile, forza esterna, carico laterale e baricentro del carico;
pressione di alimentazione, pressioni su entrambe le porte, valvola, tubi, raccordi, regolatori di flusso e silenziatori;
tipo e regolazione dell’ammortizzazione, arresto esterno e ammortizzatore;
intervallo di temperatura ambiente, fonti di calore vicine, ripari, lavaggio e ventilazione;
durata richiesta in cicli o distanza percorsa, intervallo d’ispezione e criterio di perdita;
punti ammessi di temperatura superficiale e condizioni di arresto specifiche del modello.

Se la portata disponibile è nota, il Calcolatore della velocità del cilindro può fornire una prima stima delle velocità di estensione e retrazione. Non può prevedere accelerazione di picco, temperatura delle guarnizioni o velocità d’ingresso nell’ammortizzazione senza conoscere il movimento e il circuito effettivi.

Un fornitore può valutare l’idoneità termica solo se il campo di prova è riproducibile. Frequenza, corsa e pressione, da sole, non comprendono l’energia gestita durante le inversioni né il percorso installato per dissiparla.

Domande frequenti sui cilindri a corsa breve e alta frequenza

Il manuale SMC CM2 elenca almeno nove controlli periodici, tra cui regolarità del funzionamento, variazione del tempo di ciclo, perdite, corsa, danni superficiali e scarico del filtro. Il controllo termico ad alta frequenza è quindi un’attività di monitoraggio delle condizioni, non il compito di un unico interruttore di temperatura (manuale SMC CM2, consultato nel 2026).

2 Hz sono un’alta frequenza per qualsiasi cilindro pneumatico?

No. Due hertz dicono poco finché non sono noti la convenzione di conteggio del ciclo, la corsa, il profilo di velocità, le soste, il carico, il circuito e il modello del cilindro. La norma ISO 19973-3 esprime l’affidabilità in cicli o chilometri, mentre i costruttori pubblicano limiti di velocità, energia cinetica e temperatura specifici per il prodotto. Fate riferimento al catalogo e al manuale d’uso del modello esatto.

Una corsa più breve genera sempre meno calore?

No. Una corsa più breve riduce la distanza di scorrimento per ciclo, ma la macchina può compiere più cicli e più inversioni al secondo. Una corsa di 25 mm a 5 cicli completi al secondo e una corsa di 125 mm a 1 ciclo al secondo producono entrambe una distanza di scorrimento totale di 250 mm al secondo.

La temperatura superficiale del cilindro coincide con quella della guarnizione?

No. La temperatura superficiale deriva dalla combinazione di generazione interna, conduzione, convezione, irraggiamento, montaggio e condizioni ambientali. Il labbro nascosto di una guarnizione o il gas nella camera possono essere più caldi o più freddi dell’involucro accessibile. Indicate il punto di misura e verificate le letture infrarosse critiche con un sensore a contatto ripetibile.

Ridurre la pressione dell’aria diminuisce sempre l’accumulo termico?

No. Una pressione inferiore modifica il margine di forza, l’accelerazione, il tempo di corsa, la durata di apertura della valvola e il comportamento dell’ammortizzazione. Può aiutare una macchina e rendere instabile un’altra. Ricalcolate la forza, registrate le pressioni in entrambe le camere e ripetete la stessa prova termica con il ciclo di produzione prima di accettare la riduzione della pressione come intervento correttivo.

Quando va scelta una guarnizione per alte temperature?

Sceglietela dopo aver misurato la condizione installata e individuato il limite applicabile più basso. Un modello compatto SMC indica da -10 a 60°C, mentre un modello Festo a corsa breve indica una temperatura ambiente da -20 a 80°C. Verificate insieme cilindro, guarnizione, grasso, sensore, raccordo, tubo e cavo del modello esatto.

Fonti e riferimenti tecnici

ISO 19973-3:2015, Oleoidraulica e pneumatica, valutazione mediante prova dell’affidabilità dei componenti, cilindri con stelo, confermata nel 2021, consultata il 2026-07-26.
Manuale d’uso del cilindro SMC CM2 ad alta velocità e frequenza, documento CM2*-OM0300Q, consultato il 2026-07-26.
Manuale d’uso del cilindro compatto SMC CQE ad alta potenza, documento CQ2*-OM0288Q, consultato il 2026-07-26.
Carneiro e de Almeida, Valutazione dello scambio termico nei cilindri pneumatici industriali, 2007, consultato il 2026-07-26.
Hassan et al., Indagine sperimentale sulla variazione di temperatura nelle camere di un cilindro pneumatico, 2017, consultato il 2026-07-26.
Scheda tecnica del cilindro a corsa breve Festo AEVC-63-10-A-P-A, datata 2025-10-08, consultata il 2026-07-26.

Oscillazione ad alta frequenza: accumulo termico nei cilindri a corsa breve

Jack Chen