Oleodinamica e Pneumatica. Obiettivi del Corso

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1 Obiettivi del Corso Fornire gli strumenti di base necessari per una corretta progettazione e per un uso razionale dei sistemi a fluido. Acquisire i principi di funzionamento dei principali componenti utilizzati negli impianti pneumatici ed oleodinamici. Prendere confidenza con gli schemi circuitali e i criteri di progettazione di circuiti elettro-idraulici anche mediante lo svolgimento di esercitazioni pratiche Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 1

2 Introduzione Oleodinamica e Pneumatica Programma di OLEODINAMICA Richiami di idrostatica; Proprietà dei fluidi idraulici: viscosità e comprimibilità Simbologia unificata per la rappresentazione dei componenti idraulici. Schemi e circuiti elementari Componenti oleodinamici Classificazione Macchine idrostatiche Pompe e Motori: ad ingranaggi, a palette, a pistoni; Attuatori lineari Componenti di controllo Classificazione e rappresentazione simbolica Valvole di controllo direzione, pressione, portata, Valvole proporzionali e servovalvole Trasmissioni idrostatiche Confronto delle T.I. a ciclo aperto e a ciclo chiuso. Caratteristiche delle T.I. a coppia e a potenza costante. Scelta di una T.I. Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 2

3 Testi indicati per la parte di oleodinamica: Speich, H., Bucciarelli, A., Manuale di Oleodinamica - Principi, Componenti, Circuiti, Applicazioni, Tecniche Nuove Rigamonti, G. Oleodinamica e pneumatica, Hoepli, Milano, 1987 Thoma, J. Macchine e componenti idrostatici, Tecniche Nuove, Milano,1979 Thoma, J. Introduzione all oleodinamica ed ai sistemi oleodinamici, Tecniche Nuove, Milano 1983 McCloy, D., Martin, H.R. Control of fluid power analysis and design, John Wiley & Sons, 1980 James L. Johnson, Introduction to fluid power, Delmar 2002 Esposito A., Fluid Power with applications, Prentice-Hall International, inc Majumdar S.R. Oil Hydraulic Systems Principles and Maintenance McGraw-Hill, 2001 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 3

4 Programma di PNEUMATICA Caratteristiche dell aria compressa Composizione Condizioni nominali e standard Generazione, trattamento e distribuzione dell aria compressa Compressori, Serbatoi, Linee di distribuzione,gruppi trattamento aria Attuatori pneumatici Cilindri pneumatici Cilindri per applicazioni speciali Motori pneumatici Valvole pneumatiche Tipi, simbologia Caratteristiche degli strozzatori Circuiti ed applicazioni Testi indicati per la parte di Pneumatica: - G. Belforte, A. Manuello Bertetto, L. Mazza, Pneumatica, Tecniche Nuove, Milano, G. Belforte, Pneumatica, Tecniche Nuove, Milano, Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 4

5 ESERCITAZIONI: Realizzazione di alcuni circuiti al banco oleodinamico FESTO Verifica di una trasmissione idrostatica E obbligatorio che ogni studente presenti le relazioni scritte delle esercitazioni svolte all atto dell esame orale finale. E previsto un test intermedio (9-14 nov. 2009) ed uno finale. Valutazione: Il voto d esame terrà conto delle relazioni delle esercitazioni, dei giudizi dei test e dell orale. Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 5

6 Principi dell idraulica Legge di Pascal nel 1648 In un liquido in quiete la pressione idrostatica è in ogni punto la medesima e si trasmette inalterata in ogni direzione. Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 6

7 Principi dell idraulica Pressa idraulica - Bramah 1795 F 1 F 2 p=f 1 /A 1 =F 2 /A 2 PASCAL h 2 p h 1 p F 2 = F 1 A 2 /A 1 F 2 = F 1 R R=A 2 /A 1 il fattore di amplificazione del torchio idraulico Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 7

8 F 1 F 2 V=h 1 A 1 =h 2 A 2 Principi dell idraulica Pressa idraulica - Bramah 1795 h 2 h 1 h 2 = h 1 A 1 /A 2 h 2 = h 1 /R Quello che si guadagna in forza si perde in spostamento Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 8

9 Pompa Principi dell idraulica Pressa idraulica - Bramah 1795 F 1 F 2 Attuatore Energia Meccanica Energia Idraulica Energia Meccanica Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 9

10 Principi dell idraulica Martinetto idraulico perfezionato Noti: F 2 =40 t D 1 =10 mm D 2 =200 mm a=600 mm b=30 mm h 1max = 20 mm Determinare: F e N corse b F 1 a F 1 2 spostamento del carico h 2 =15 mm R F 2 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 10

11 Principi dell idraulica Cilindri in serie carico carico IPOTESI Cilindri uguali Carichi uguali p=50 bar p=0 bar pompa 1 2 p=100 bar p=50 bar Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 11

12 Principi dell idraulica Cilindri in parallelo F 1 F 3 F 2 pompa IPOTESI F 1 = 500 kp F 2 = 750 kp F 3 = 1000 kp Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 12

13 Principi dell idraulica Schema elementare di un impianto frenante Vantaggi Forze frenanti perfettamente bilanciate e di elevata intensità in rapporto alle forze applicate. L utilizzazione di un tubo flessibile elimina il problema della connessione delle parti in moto relativo fra loro Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 13

14 Principi dell idraulica Vantaggi dei sistemi idraulici La capacità di sviluppare forze notevoli (Brunel realizzò un imponente sistema propulsivo navale impiegando 18 pistoni idraulici disposti 9 a prua e 9 a poppa della sua imbarcazione ottenendo una spinta complessiva di 45 MN.) Applicazioni che richiedono lo sviluppo di forze elevate si trovano nell industria metallurgica dove magli e presse richiedono forze di almeno 3MN. L elevato rapporto forza-peso rappresenta un fattore importante (campo aeronautico e missilistico). Per esempio a parità di potenza sviluppata una pompa idraulica è notevolmente più compatta di un motore elettrico. Ridotto peso e dimensioni si ottengono per l elevata pressione di lavoro dei sistemi idraulici (operano senza problemi con pressioni anche superiori a 350 bar), mentre il magnete di un motore elettrico di pari dimensioni può sviluppare un azione equivalente ad una pressione massima di circa 17 bar. Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 14

15 Il fluido operativo nei sistemi idraulici Il fluido utilizzato è di norma costituito da OLIO MINERALE Caratteristiche: Elevata viscosità superiore a quella dell acqua; Elevata azione protettiva (anticorrosione) con un alto potere lubrificante che agevola il moto relativo delle parti striscianti; L utilizzo di additivi conferiscono all olio specifiche caratteristiche in relazione al campo di applicazione. Funzioni: Trasporto dell energia (trasmissione di forze e coppie); Capacità lubrificanti dei componenti in moto relativo; Smaltimento del calore; Smorzamento delle oscillazioni di pressione Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 15

16 Classificazione ISO degli oli minerali DENOMINAZIONE Fluidi a base minerale Scopo della additivazione HH privo di additivi HL anticorrosivi, antiossidanti HM antiusura HV correttori di viscosità Fluidi resistenti alla fiamma struttura HFA emulsione di olio in acqua (acqua >90%) HFB emulsione di acqua in olio (acqua >40%) HFC acqua in soluzione di glicoli (alcoli poliidrati) HFD fluidi sintetici privi di acqua (esteri fosforici) Fluidi ecologici struttura HTG fluidi a base vegetale HPG fluidi sintetici a base di glicoli HE fluidi sintetici a base di esteri Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 16

17 Proprietà dei fluidi: Viscosità degli oli minerali E una caratteristica dell attrito interno dei fluidi. Varia con la temperatura e la pressione. Per gli oli minerali si verifica una sensibile diminuzione della viscosità all aumentare della temperatura. La viscosità di tutti i liquidi cresce con la pressione La viscosità dinamica è legata allo sforzo tangenziale dalla relazione τ = µ du dy µ = τ dy du N m 2 ms m = [ Pa s] Nella pratica si usa il centipoise [cp] = 10-3 Pa s Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 17

18 Proprietà dei fluidi: Viscosità degli oli minerali La viscosità cinematica è invece definita come υ = µ ρ Ns 2 m / kg 3 m = m s 2 Nella pratica si usa spesso il centistokes [cst]= 10-6 m 2 /s = 1 mm 2 /s Un altra unità di misura della viscosità cinematica è rappresentata dai gradi Engler [ E] che rappresenta una misura relativa della viscosità del fluido rispetto a quella dell acqua a 20 C. In Inghilterra si usano i secondi Redwood [RI] negli USA si usano i secondi Saybolt Universal [SSU]. La misura della viscosità si effettua con i viscosimetri a capillarità, i viscosimetri a gravità e i viscosimetri a rotazione. Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 18

19 Proprietà dei fluidi: Viscosità degli oli minerali Per la misura della viscosità dei fluidi è molto usato il viscosimetro a gravità Engler. E = 3 tempo di efflusso di 200 cm di olio 3 tempo di efflusso di 200cm di acqua a 20 C La relazione di trasformazione è approssimativamente la seguente: ν[cst] = ν[ E] / Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 19

20 Proprietà dei fluidi: Viscosità degli oli minerali La temperatura di lavoro influenza sensibilmente la viscosità dei fluidi. Per gli oli minerali si verifica una sensibile diminuzione della viscosità all aumentare della temperatura. Per la sua valutazione si può utilizzare la legge di Ubbelhode-Walter: log log ( υ + a) = k mlog T con ν [m 2 /s] e T [K] Per un olio minerale le costanti valgono: k=9.07, m=3.54, a=0.8 La viscosità dei liquidi cresce con la pressione. Per valori di pressione inferiori a 200 bar l effetto è trascurabile mentre è sensibile per valori superiori. La relazione analitica che ne esprime la variazione è di tipo esponenziale. bp µ = µ 0,T e dove µ 0,T èla viscositàa p e T ambiente, mentre b è una costante dipendente dal tipo di olio. b= bar -1 per oli minerali Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 20

21 Proprietà dei fluidi: Comprimibilità degli oli minerali m ρ = ρ = f ( p,t ) La densità dei fluidi dipende dalla V pressione e dalla temperatura dv = V p T dp + V T p dt Nel campo compreso fra bar si ha: V V 0 = p β β coefficiente di comprimibilità isotermo V=V 1 -V 0 <0 p=p 1 -p 0 >0 V V = β 0 p V 0 p 0 V 1 p 1 K = K modulo elastico bulk modulus 1 β Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 21

22 Proprietà dei fluidi: Comprimibilità degli oli minerali β è molto sensibile alle inclusioni d aria Quando si applica una pressione di 150 bar si verifica una riduzione di volume di appena 1%. Nel campo bar si ha quindi al massimo una riduzione del volume del 3.6%. Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 22

23 Proprietà dei fluidi: Comprimibilità degli oli minerali dv = V p T dp + V T p dt Per effetto di un aumento di temperatura il fluido idraulico si espande linearrmente nel campo C. V V V = γ( T1 T0 ) γ = Si definisce pertanto un coefficiente di V0 T dilatazione termica γ che vale 6.5*10-4 C Se invece il fluido non può espandersi a causa dell aumento di temperatura si realizza un aumento della pressione. V V = γ T V V = p β p T = γβ bar C Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 23

24 Pressa idraulica F 1 F 2 Pompa Attuatore Energia Meccanica Energia Idraulica Energia Meccanica Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 24

25 E. Mecc. M LINEE ATTUATORE E. Mecc. VALVOLE SERBATOIO POMPA ACCESSORI: filtri, manometri, scambiatori Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 25

26 ALTERNATIVE POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE DINAMICHE LINEARI cilindro e pistone idraulico ATTUATORI ROTANTI motori idraulici Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 26

27 CONTROLLO DELLA DIREZIONE VALVOLE CONTROLLO DELLA PORTATA CONTROLLO DELLA PRESSIONE LINEE DI CONNESSIONE ACCESSORI LINEE DI LAVORO LINEE AUSILIARIE FILTRI SCAMBIATORI ACCUMULATORI INDICATORI DI LIVELLO FLUSSIMETRI TERMOMETRI MANOMETRI Linea di mandata Linea di ritorno Linea di aspirazione Linea di drenaggio Linea di pilotaggio Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 27

28 NORMATIVA ISO CONSENTE: Rappresentazione del modello funzionale di un componente o di un circuito oleodinamico SI DESCRIVE: NO Funzione Modalità costruttive Funzionamento Dimensioni Collegamenti Installazione e taratura RIPORTA Simboli grafici di base Organi operatori e motori Valvole di controllo della direzione e della portata Apparecchi di condizionamento e di misura Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 28

29 SIMBOLI ISO Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 29

32 Simbologia grafica di un circuito idraulico Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 32