Principi di oleodinamica L oleodinamica consente di realizzare rilevanti trasmissioni di potenza con grande flessibilità e ingombri ridotti.

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1 Principi di oleodinamica L oleodinamica consente di realizzare rilevanti trasmissioni di potenza con grande flessibilità e ingombri ridotti. Un impianto oleodinamico sarà composto da una centralina di pompaggio e dal circuito (chiuso) di utilizzazione. Conviene premettere alla descrizione dei singoli componenti (dati e figure di queste note sono tratti da: H. Speich, A. Bucciarelli, Manuale di oleodinamica : principi, componenti, circuiti, applicazioni, Tecniche Nuove 2002 e da materiale tecnico informativo della Casappa Fluid Power Division) una breve analisi delle proprietà dei liquidi idraulici. A) I liquidi idraulici Sono olii additivati per adeguarsi alle seguenti funzioni: trasmissione di forza; lubrificazione dei componenti mobili; capacità di smaltimento del calore; capacità di smorzamento di rumori e vibrazioni. Talo olii devono quindi presentate le seguenti caratteristiche: elevata stabilità della viscosità in funzione della temperatura (la viscosità deve essere sufficiente anche alle alte temperature); resistenza all invecchiamento (ossia all ossidazione); potere anticorrosivo; capacità di assorbire modeste quantità di acqua (circa 1%) senza dare luogo ad emulsioni. L aspetto fondamentale da considerare è la comprimibilità dell olio: a titolo di esempio, con un incremento di pressione di 100 bar il volume di un olio si ridurrà di circa lo 0.7%. Il volume aumenta con la temperatura. L aumento è piccolo, ma accoppiato con l incomprimibilità fa sì che in un volume d olio impossibilitato a espandersi, un aumento di temperatura di 1 C provochi un aumento di pressione di 9 bar. Ne derivano due conseguenze importanti: in un circuito oleodinamico bisogna provvedere al raffreddamento dell olio; se, in un circuito, un volume d olio può rimanere in una camera a volume fisso, deve essere posto in derivazione a tale volume un componente ad elevata elasticità (accumulatore oleopneumatico). B) I componenti dei circuiti oleodinamici La centralina di pompaggio sarà composta da un serbatoio dell olio, una pompa azionata da un motore primo, uno scambiatore di calore per il raffreddamento dell olio (se non è sufficiente la superficie dispersiva del serbatoio). La pompa può essere di diversi tipi e in generale (con qualche eccezione) è strutturalmente identica a un motore, per cui questo sarà trattato nel seguito come un normale componente d impianto. Gli elementi principali di un circuito oleodinamico sono quindi: pompe e motori idraulici (*); cilindri idraulici; valvole di controllo e servo valvole; valvole di controllo della pressione e della portata; accumulatori idraulici (*); componenti accessori (tubi, raccordi ecc.). I componenti oleodinamici che concettualmente più differiscono dagli equivalenti pneumatici sono indicati con (*), e sono quindi trattati nel seguito con particolare accuratezza.

2 B1 Pompe e motori idraulici. Le pompe convertono energia meccanica in energia idraulica, mentre i motori eseguono la riconversione dell energia idraulica in energia meccanica. Oltre ai motori rotativi, cioè a moto rotatorio continuo, esistono anche i motori semirotativi, che possono compiere solo una frazione di giro, e i motori lineari (cilindri). Considerando per il momento solo i tipi rotativi, spesso pompe e motori sono molto simili tra di loro e in alcuni casi possono svolgere entrambe le funzioni. B1.1 Pompe oleodinamiche Le pompe usate in oleodinamica sono del tipo volumetrico. La loro classificazione è data in Fig. 1. Fig. 1 Classificazione delle pompe volumetriche usate in oleodinamica. I principali parametri di prestazione sono la pressione continua ammessa, la pressione massima di esercizio ammessa, la portata e la velocità di azionamento, minima e massima. Nella Tabella 1 sono riportate le caratteristiche principali di dieci diversi tipi di pompa, compresa una valutazione del costo. Quest ultimo è rapportato al costo del tipo più economico, cioè della pompa a ingranaggi esterni, e deve intendersi calcolato a parità di portata. La cilindrata di una pompa può essere costante o variabile. Nel secondo caso la portata può essere regolata agendo sulla variazione di cilindrata anziché sulla variazione della velocità di rotazione. In alcuni casi la variazione può essere anche di segno, con inversione della direzione del flusso e degli attacchi di aspirazione e di mandata. La Fig. 2 illustra la simbologia descrittiva delle pompe e dei motori idraulici a cilindrata variabile. La Fig. 3 mostra in dettaglio la struttura delle pompe ad ingranaggi e la Fig. 4 quella delle pompe a palette e a pistoni. La Fig. 5 mostra un esempio di pompa a cilindri assiali a cilindrata variabile con le relative curve caratteristiche di funzionamento e un esempio di circuito di controllo della pressione mediante variazione della cilindrata. Le curve caratteristiche danno anche i valori del rendimenti volumetrico, del rendimento totale e della rumorosità. Altri parametri importanti di una pompa sono poi la durata, di difficile previsione, la sensibilità all inquinamento dell olio, la pulsazione della portata, il peso e l ingombro. La Fig. 6, infine, illustra i diversi tipi di dispositivi di azionamento (per la comprensione della simbologia si vedano le Figg. 9-20).

3 Tab. 1 Principali delle pompe volumetriche per oleodinamica.

4 Fig. 2 Simbologia delle pompe e dei motori idraulici a cilindrata variabile.

5 Fig. 3 Pompe a ingranaggi. Fig. 4 Pompe a palette e a pistoni.

6 Fig. 5 Sezione, curve caratteristiche ed esempio di circuito di regolazione della pressione di una pompa a pistoni assiali a cilindrata variabile.

7 Fig. 6 Rappresentazione simbolica dei dispositivi per la variazione della cilindrata.

8 B1.2 Motori idraulici. I parametri di funzionamento fondamentali di un motore idraulico sono: la coppia erogabile; il regime di rotazione. Detti V il volume elaborabile in un giro dal motore (cioè la sua cilindrata ), Dp il salto di pressione elaborato, h v e h m il rendimento interno-meccanico del motore e n la velocità di rotazione in giri al minuto, la portata volumetrica elaborata dal motore è Q = V n/η v, la potenza fornita è P = Q Δp η v η m e quindi la coppia vale M = P (2 π n 60) = V Δp η m /(120 π). La coppia dipende quindi dal prodotto della cilindrata per la differenza di pressione. Per quanto riguarda il regime di rotazione, si distinguono i motori veloci da quelli lenti. Il campo di velocità utile dei primi è 30<n<3000 mentre quello dei secondi è frazione di giro<n<300. Nel campo di velocità comune, 30<n<300, si preferiscono in generale i motori lenti, per motivi di costo e d ingombro. Infatti, a parità di portata volumetrica da trattare, un motore veloce utilizzato a bassi giri dovrebbe avere, cilindrata elevata e sarebbe quindi sovradimensionato e funzionante a basso rendimento. La flessibilità d uso dell impianto si può ampliare con un motore a cilindrata variabile, oppure con un motore a cilindrata fissa associato a una pompa a cilindrata variabile, oppure ancora con entrambe le macchine a cilindrata variabile. La variazione della cilindrata nei motori si usa per variarne la velocità di rotazione (alla cilindrata minima corrisponde la velocità massima). Per quanto riguarda la struttura e le caratteristiche funzionali, i motori sono simili alle pompe e in alcuni casi si tratta proprio della stessa macchina. Possono funzionare come motori tutte le pompe non munite di valvole (si tratta sempre di valvole automatiche, che consentono il flusso in una sola direzione). In alcuni tipi di pompe utilizzate come motori manca però la coppia di spunto, e quindi la capacità di avviarsi senza l applicazione di un momento ausiliario esterno. E abbastanza intuitivo osservare che hanno coppia di spunto i motori a pistoni mentre non c è l hanno quelli a ingranaggi e a palette, se del tipo autobilanciato. I motori migliori sono complessivamente quelli veloci a pistoni assiali e quelli lenti a pistoni radiali. Fig. 7 Sezione di cilindro idraulico. Fig. 8 Accumulatore a sacca.

9 B2 Cilindri idraulici. Strutturalmente e funzionalmente sono simili a quelli pneumatici, si veda la Fig.7. B3 Valvole di controllo e servo valvole. Strutturalmente e funzionalmente sono simili a quelle pneumatiche. B4 Valvole di controllo della pressione e delle portate. Hanno le stesse funzioni delle valvole pneumatiche, ma strutturalmente sono diverse (non c è un diaframma per il controllo della pressione, bensì uno stantuffo contrastato da una molla). B5 Accumulatori idraulici. Gli accumulatori idraulici, oltre alla funzione, fondamentale e irrinunciabile, di compensazione delle dilatazioni volumetriche del liquido, possono svolgerne diverse altre: smorzamento delle oscillazioni di portata e di pressione; assorbimento di eventuali colpi di ariete; neutralizzazione delle perdite di trafilamento; convertitore di potenza (mediante la restituzione di un precedente accumulo di energia elastica possono coprire i picchi di potenza assorbita limitando la taglia della pompa dell impianto). Gli accumulatori possono essere a pressione costante o variabile. I primi sono del tipo a peso, costituiti da un cilindro connesso al circuito e chiuso superiormente da uno stantuffo a tenuta, caricato con pesi di massa tale da realizzare nel circuito la pressione voluta. Sono a pressione variabile gli accumulatori a molla e quelli a gas compresso. Il tipo più usato, soprattutto per la mancanza di parti in moto relativo (con il vantaggio accessorio di non richiedere lavorazioni meccaniche particolarmente accurate), la separazione garantita tra olio idraulico ed elemento elastico e la capacità di operare a pressioni anche altissime è l accumulatore a gas compresso con elemento separatore (sacca o diaframma) flessibile, Fig. 8. Il gas più usato per la precarica è l azoto, in virtù della sua inerzia chimica. B6 Componenti accessori. Sono tubazioni e raccordi normalizzati e standardizzati. C) Scelta della pressione di esercizio. La pressione di esercizio è una scelta di progetto di natura fondamentalmente economica. In generale sono preferibili pressioni elevate perché si riducono la portata e le dimensioni dei componenti dell impianto. A seconda delle applicazioni la pressione può variare da un minimo di bar (avanzamento utensili, azionamenti) a un massimo di bar (presse, piegatrici, macchine per l edilizia ecc.). D) Simbologia. Le figg riportano la simbologia in uso nella rappresentazione dei circuiti oleodinamici.

10 Fig. 9

11 Fig. 10

12 Fig. 11

13 Fig. 12

14 Fig. 13

15 Fig. 14

16 Fig. 15

17 Fig. 16

18 Fig. 17

19 Fig. 18

20 Fig. 19

21 Fig. 20