CENNI STORICI SULLA PNEUMATICA PROPORZIONALE

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1 INTRODUZIONE Lo scopo di questa tesi è quello di studiare il funzionamento delle valvole proporzionali, analizzando i prodotti attualmente in commercio, confrontandone le prestazioni e analizzandone le possibili applicazioni. Si parte innanzitutto dal concetto di dispositivo pneumatico proporzionale, in particolare le valvole proporzionali, così chiamate perché forniscono un segnale in uscita proporzionale al segnale in entrata. Attraverso un accurata ricerca è stata, in parte, ricostruita l evoluzione delle valvole proporzionali a partire dalle prime applicazioni, percorrendo poi il loro sviluppo fino ai giorni nostri. Successivamente si è cercato di dare una classificazione delle diverse tipologie di valvole proporzionali cercando di spiegarne le caratteristiche ed il loro funzionamento, anche attraverso l uso di schemi e disegni al fine di ottenere una migliore comprensione. Si è poi passati ad uno studio complessivo di alcuni dei prodotti attualmente in commercio, analizzando le caratteristiche che questi devono avere in funzione del loro utilizzo, ricercando i punti di forza di ogni singolo prodotto e i punti su cui invece bisognerebbe lavorare per migliorarne la qualità. È stato fatto un confronto tra le valvole attualmente in commercio di diverse case produttrici, con un accurata osservazione di tutte le loro caratteristiche per riscontrare analogie e differenze. Viene infine presentata una panoramica generale di alcune delle applicazioni attuali di valvole proporzionali in pressione. I

2 CAPITOLO 1 CENNI STORICI SULLA PNEUMATICA PROPORZIONALE 1.1 ORIGINI Nei cataloghi dei costruttori di apparecchiature pneumatiche, che per molti anni hanno prevalentemente presentato valvole ed elettrovalvole direzionali, si incontrano ora sempre più frequentemente valvole ed elettrovalvole proporzionali. Tali apparecchi sono componenti importanti per la realizzazione di impianti pneumatici, la cui tecnica si è rilevata particolarmente conveniente ed affidabile nel campo dell automazione industriale. I primi apparecchi di regolazione (fig. 1.1) erano preposti al mantenimento di una certa pressione stabile nelle condotte che alimentavano la frenatura dei convogli ferroviari, indipendentemente dalle variazioni di pressione nei serbatoi principali. Queste valvole sono paragonabili agli attuali riduttori di pressione. 1

3 CAPITOLO 1 Figura 1.1 Rubinetto di comando per freno non automatico Figura 1.2 Schema di un riduttore di pressione 2

4 CENNI STORICI SULLA PNEUMATICA PROPORZIONALE La figura 1.2 mostra la configurazione di un moderno riduttore di pressione. L aria in ingresso è bloccata dalla valvola di alimentazione, che rimane chiusa fintanto che la molla non viene messa in tensione con la vite di regolazione. La valvola di alimentazione è sempre bilanciata, poiché sotto di essa viene mantenuta la stessa pressione che si stabilisce a valle. Quando si ruota la vite, la molla viene compressa e l asta di spinta apre la valvola di alimentazione lasciando fluire l aria verso valle finché non si crea sotto la membrana una pressione tale da eguagliare la forza della molla. La valvola di alimentazione e l asta di spinta si muovono verso l alto contro la molla, finché la valvola si richiude. Se a valle viene prelevata dell aria, la pressione scende e la valvola si riapre, provvedendo a fornire altra aria. In caso di consumo costante la valvola rimane aperta quanto basta per fornire l aria necessaria. Se la pressione a valle supera quella impostata, la membrana viene ulteriormente spinta verso l alto contro la molla ed apre la valvola di scarico, finché la pressione non ritorna al punto di bilanciamento. Altri dispositivi erano studiati e realizzati per ottenere una frenatura graduale del convoglio e sono paragonabili alle attuali valvole di regolazione proporzionale (fig. 1.3). Figura 1.3 Rubinetto di comando a scarica egualizzatrice 3

5 CAPITOLO 1 Le figure 1.1 e 1.3 mostrano un tipo di questi apparecchi presentati in un catalogo della Westinghouse edito nel Il principio di funzionamento è rimasto lo stesso nel corso degli anni ed i modelli che si sono succeduti, fino a quelli attuali, hanno subito solo modificazioni di carattere tecnologico, per ottenere produzioni sempre più grandi e caratteristiche funzionali sempre migliori. La diffusione degli elastomeri sintetici ha permesso la realizzazione di tenute sempre più efficaci, laddove queste non esistevano (come si nota dalle figure 1.1 e 1.2) o erano realizzate con manufatti in cuoio. In altri casi le tenute erano realizzate con accurate lavorazioni, per ottenere l ermeticità con accoppiamenti solo metallici. Potrebbe obbiettarsi che, se le valvole proporzionali a comando meccanico o pneumatico sono di antica datazione, non altrettanto potrebbe dirsi delle valvole proporzionali a comando elettrico. Si hanno invece, anche per le valvole proporzionali a comando elettrico, esempi di realizzazioni nel campo della frenatura veicolare risalenti a diversi decenni orsono. Nella figura 1.4 è possibile vedere una valvola di questo tipo, tratta dal catalogo ricambi della Westinghouse risalente al È presumibile che la valvola in oggetto sia stata realizzata alquanto prima. Figura 1.4 Valvola elettropneumatica graduale tipo G 4

6 CENNI STORICI SULLA PNEUMATICA PROPORZIONALE In questo tipo di valvole la corrente di comando, contrasta direttamente la forza esercitata dalla pressione dell aria di lavoro. È evidente che la potenza elettrica necessaria era notevole, contrariamente a quanto vedremo essere quella del segnale necessario alle moderne valvole proporzionali. In queste ultime il segnale elettrico pilota stadi elettronici di amplificazione e viene generato un segnale pneumatico di modesta portata, che pilota successivi stadi di amplificazione pneumatica (amplificatori di portata). Notevoli esempi di realizzazione ed applicazione della valvole pneumatiche proporzionali si trovano da moltissimo tempo nei telecomandi navali. In queste applicazioni le valvole vengono impiegate per comandare dai posti di manovra i regolatori di giri (regolazione di velocità) o direttamente le aste combustibile dei motori di propulsione (regolazione di potenza). Nella figura 1.5 si vede una valvola del tipo citato impiegata in un telecomando, realizzato nel 1955, a bordo di navi militari. Figura 1.5 Valvola pneumatica utilizzata nei telecomandi navali 5

7 CAPITOLO SVILUPPO La pneumatica proporzionale è un campo in continuo sviluppo; applicazioni di elementi e di tecniche pneumatiche analogiche sono state effettuate nel settore del controllo dei processi a partire dagli anni cinquanta, favorite da un ambiente particolarmente recettivo a una tecnologia intrinsecamente sicura, idonea ad ambienti pericolosi e deflagranti e di costo relativamente contenuto. Nonostante però abbia iniziato a muovere i primi passi molti anni addietro, solo negli anni novanta la pneumatica proporzionale ha iniziato a trovare un adeguato sviluppo di componenti industriali affidabili e di facile impiego. La necessità di avere prestazioni sempre più spinte e applicazioni sempre più diverse, hanno portato la pneumatica proporzionale verso un ruolo di primo piano nell automazione industriale e non. Se nel panorama globale della pneumatica industriale la pneumatica di regolazione ha svolto un ruolo secondario, dovuto tra l altro alla mancanza di valvole proporzionali efficienti, ormai la problematica della regolazione ha acquistato un importanza determinante. Attualmente nella tecnologia pneumatica di comando sono in pieno svolgimento processi innovativi che lasciano intravedere ulteriori novità ed evoluzioni per l intero mondo della pneumatica e quindi anche della servopneumatica. Le valvole pneumatiche proporzionali della prima generazione, a comando diretto e concettualmente derivate dalle valvole idrauliche, erano troppo ingombranti, pesanti e costose in rapporto alla potenza da gestire. Vennero poi sviluppate valvole pneumatiche pilotate di seconda generazione senza regolazione che, se in qualche punto superavano la prima generazione ed erano di impiego più facile, risultavano relativamente imprecise e sensibili alle oscillazioni di pressione. Si è giunti infine attraverso un ulteriore evoluzione tecnologica alle valvole di terza generazione, che tornano ad essere a comando diretto. 6

8 CENNI STORICI SULLA PNEUMATICA PROPORZIONALE Rispetto alle valvole pilotate esse hanno dimostrato due fondamentali punti di superiorità: costruzione più semplice ed economica e minore sensibilità agli inquinanti, con evidente vantaggio per l affidabilità. Le valvole dell ultima generazione presentano una concezione costruttiva più rispondente ai criteri ed alle esigenze della tecnologia pneumatica. Poiché per posizionare il cursore delle valvole a comando diretto sono richieste forze relativamente modeste, ne consegue un ragionevole contenimento dell ingombro, da cui nasce la disponibilità di grandezze nominali notevolmente maggiori rispetto al passato senza apprezzabili aumenti di ingombro. In servopneumatica si impiegano soluzioni costruttive finalizzate all applicazione specifica. L aumento del numero dei componenti offerti sul mercato e la progressiva riduzione dei costi hanno indotto a uno sviluppo graduale costante, tanto che tuttora la tecnologia pneumatica proporzionale offre potenzialità nuove rispetto a quanto esisteva precedentemente, con caratteristiche proprie e particolari. Anche il mercato industriale si è evoluto passando da esigenze di tipo modesto ad esigenze di elevate prestazioni, e superando la logica rigida di un automazione fortemente digitale e di basso costo. [1] 7