INTRODUZIONE AI SISTEMI IDRAULICI

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1 INTRODUZIONE AI SISTEMI IDRAULICI Per molti secoli l energia idraulica dei fluidi è stata utilizzata dall uomo per svolgere le più disparate funzioni tra cui spingere i battelli, far ruotare i mulini e le ruote ad acqua. Oggi un classico esempio di utilizzazione dell energia idraulica dei fluidi è rappresentato dalle centrali idroelettriche. L utilizzazione dell energia idraulica di un fluido non è però limitata solamente alle applicazioni nelle quali si sfrutta la loro azione dinamica. Tale forma di energia è, infatti, tradizionalmente associata con la trasmissione di potenza per mezzo di un fluido in pressione in cui l energia è immagazzinata sotto forma di energia potenziale di pressione anziché sotto forma di energia cinetica. La trasmissione di potenza per mezzo di un fluido in pressione si basa su un semplice principio fondamentale la cui enunciazione deve essere attribuita al francese Pascal che nel 1648 pubblicò un libro sull idrostatica dove era formulata la famosa legge di Pascal: la pressione esercitata su un fluido confinato si trasmette identicamente in tutte le direzioni ed agisce perpendicolarmente alle superfici. Pur costituendo un principio fondamentale dell idrostatica, Pascal, che era fondamentalmente un teorico, non riuscì a tradurre utilmente in pratica il suo principio. Solo un secolo dopo Bramah fu in grado di realizzare i primi dispositivi per l utilizzazione pratica dell energia idraulica di un fluido. Egli dimostrò che una forza relativamente piccola applicata su un pistone di piccolo diametro che si muove lungo un cilindro produceva una forza elevata su un pistone di grande diametro che scorreva in un altro cilindro comunicante con il precedente ma caratterizzato da una corsa inferiore. Realizzò in sostanza il sistema noto con il nome di torchio idraulico. F 1 A 1 F p F1 = p = A 1 1 F A A da cui F = F A A 1 se A = 100A F = 100F Figura 1 Schema del torchio idraulico Questo dispositivo che sta alla base di tutte le trasmissioni idrostatiche, si può ottenere facilmente ponendo in comunicazone fra loro due cilindri con un condotto. Si definisce R=A /A 1 il fattore di amplificazione del torchio idraulico. Un rapporto fra i diametri pari a 10 (la cui realizzazione pratica non presenta alcuna difficoltà), consente di ottenere un fattore di amplificazione R pari a 100. Pertanto se si applica una forza di appena 300 N (corrispondente allo sforzo muscolare), si è in grado di vincere la resistenza di 30 kn (ben 3 tonnellate). Se si indica con h l innalzamento che subisce il carico F per effetto dell abbassamento h 1 esercitato sul pistone 1 mediante l applicazione della forza F 1, si verifica che per l uguaglianza dei volumi spostati deve risultare: h 1 A 1 = h A h = h 1 /R. Pertanto si nota 1

2 che per il torchio idraulico vale il motto quello che si guadagna in forza si perde in spostamento. Nel martinetto si possono individuare due elementi fondamentali di un circuito idraulico: - la pompa rappresentata dal pistone 1 che ha la funzione di convertire l energia muscolare di un operatore (energia meccanica) in energia idraulica o di pressione del liquido; - l attuatore rappresentato dal pistone che riconverte l energia idrostatica in energia meccanica espressa dal prodotto della forza F per il suo spostamento h. b F 1 a F F 1 R Figura Schema del martinetto idraulico perfezionato. I martinetti attuali che sono utilizzati per il sollevamento di carichi sono stati perfezionati ed assumono la configurazione rappresentata in figura. Se nello schema di figura sono noti F = 40 t, D 1 = 10 mm, D = 00 mm, a = 600 mm, b=30 mm, si vuole determinare la forza F applicata all estremo della leva ed il numero di corse necessarie per realizzare uno spostamento del carico h =15 mm risultando h 1max =0 mm. Poichè il fattore di amplificazione R=A /A 1 = (D /D 1 ) =400 risulta F 1 = F /R = 100 kp Per il principio della leva F 1 b = F a da cui F = F 1 b/a = 5 kp Lo spostamento subito dal carico connesso al pistone, si realizza per effetto dello spostamento del volume di liquido impresso con il pistone 1 e pari ad A 1 h 1 che per il principio di conservazione della massa è identico ad A h. Pertanto h 1 =h A /A 1 = h R = 6 m ed N corse = h 1 /h 1,max = 300 corse carico carico serbatoio pompa 1 Figura 3 Collegamento di due cilindri in serie Sistemi più articolati possono richiedere il sollevamento contemporaneo o sequenziale di più carichi. Si consideri la configurazione rappresentata in figura 3 che prevede il collegamento di

3 due cilindri idraulici in serie. I due cilindri per semplicità sono uguali e richiedono entrambi una differenza di pressione di 50 bar per azionare il rispettivo carico. La pressione di 50 bar necessaria al cilindro () per azionare il carico si contrappone però allo spostamento del carico azionato dal cilindro (1). Poiché le aree dei lati del pistone sono uguali è necessario che la pressione fornita dalla pompa sia esattamente doppia di quella necessaria per l azionamento del carico. Pertanto la pompa deve garantire la pressione di 100 bar per l azionamento del cilindro (1). Questo tipo di connessione non è molto usata perché la contropressione che viene creata dall azionamento dei carichi più lontani dalla pompa costringono all innalzamento della pressione di alimentazione per la movimentazione anche dei carichi più vicini dalla pompa. La connessione dei carichi in parallelo avviene invece più frequentemente e viene schematizzata in figura 4. F 1 F 3 F 1 3 pompa Figura 4 Cilindri collegati in parallelo Nella figura 4 le forze valgono rispettivamente F 1 = 500 kp, F =750 kp, F 3 =1000kp In questa configurazione il fluido idraulico agisce preliminarmente sul sistema con minor resistenza azionando pertanto il cilindro (1). Quando il pistone raggiungerà il fondo del cilindro terminando la propria corsa, inizierà la movimentazione del cilindro (). Il cilindro (3) verrà movimentato per ultimo e solamente dopo che quello () ha raggiunto la posizione di fine corsa. L azionamento contemporaneo dei carichi può essere reso possibile mediante delle valvole che controllino la portata da inviare ad ogni cilindro. Benché l effetto di amplificare la forza fosse molto impressionate Bramah capì l importanza di questo principio da realizzare dei dispositivi che consentissero la trasmissione dell energia e non solo delle forze; pose cioè le basi per una efficiente forma di trasmissione di energia attraverso il ciclo energia meccanica energia idraulica energia meccanica In origine la potenza idraulica veniva sviluppata con una pompa a mano e l energia idraulica veniva riconvertita in energia meccanica utilizzando un pistone idraulico. La diffusione dell energia idraulica fu così rapida che nel 1860 Londra e Manchester possedevano una stazione di generazione dell energia idraulica dalla quale il fluido in pressione veniva pompato verso le industrie che riconvertivano l energia idraulica in energia meccanica per l azionamento delle macchine utensili. Solo nel 19 secolo l apparizione delle prime reti di trasmissione dell energia elettrica ne rallentarono la crescita. 3

4 La trasmissione di potenza mediante un fluido in pressione presenta alcuni indiscutibili vantaggi sia sulle trasmissioni meccaniche che su quelle elettriche. Ad esempio il sistema frenante di un autovettura che un tempo era completamente meccanico, comportava un sistema di collegamento molto complesso in quanto doveva consentire il movimento relativo delle ruote sia per l azionamento dello sterzo che per effetto delle sospensioni e nel contempo doveva assicurare una frenata bilanciata. Il sistema idraulico di figura 5 risultò notevolmente superiore perché assicurava forze frenanti perfettamente bilanciate e di elevata intensità in rapporto alle forze applicate. L utilizzazione di un tubo flessibile eliminava inoltre il problema della connessione delle parti in moto relativo fra loro. Figura 5 Schema elementare del circuito idraulico di un impianto frenante La capacità di sviluppare forze notevoli costituisce ancora oggi uno dei notevoli vantaggi dei sistemi idraulici. 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. Oggi le 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 costituisce un altro vantaggio dei sistemi idraulici per cui il loro impiego attrae i progettisti in tutte le applicazioni dove il 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. Le dimensioni e il peso ridotto sono da attribuire all elevata pressione di lavoro dei sistemi idraulici (pressioni di 350 bar risultano di uso corrente), mentre il magnete di un motore elettrico di pari dimensioni può sviluppare un azione equivalente ad una pressione massima di circa 17 bar. P = F V = p A V = p Q La formula della potenza espressa sia in funzione delle grandezze meccaniche forza e velocità sia in termini delle grandezze idrauliche pressione e portata volumetrica, mette in evidenza che per una fissata potenza, le pompe idrauliche che lavorano a pressioni più elevate elaborano portate più piccole e possono essere pertanto di dimensioni e pesi contenuti. Si possono trovare pompe di 50 mm di diametro lunghe 75 mm e motori idraulici capaci di sviluppare 0.6 kw aventi un diametro di appena 3 mm e una lunghezza di appena 50 mm. 4

5 Le macchine idrauliche rotative sono reversibili perché possono ruotare in entrambi i sensi, possono raggiungere velocità di rotazione di giri/min. con pesi minimi di soli 0.3 kg. La conversione dell energia idraulica in energia meccanica può essere ottenuta utilizzando sia un attuatore lineare sia un motore idraulico. L attuatore lineare denominato comunemente cilindro è in grado di fornire una forza durante il suo movimento lineare, mentre il motore rende disponibile sul proprio asse una coppia motrice ad un dato regime di rotazione. La rigidità del comando idraulico è un altro importante vantaggio e questo dipende dal fatto che l olio idraulico utilizzato come fluido di lavoro è un fluido incomprimibile. Questa caratteristica determina un azione di smorzamento di eventuali disturbi indotti dal carico, favorendo in modo diffuso l utilizzazione di azionamenti e servocomandi di tipo idraulico in campo aerospaziale e nell industria delle macchine utensili. Il mezzo utilizzato per realizzare la conversione dell energia e l amplificazione delle forze è di norma costituito da olio minerale. L olio idraulico deve mantenere elevati i rendimenti e permettere un funzionamento regolare esente da disturbi e preservare l usura dei componenti. Gli oli idraulici utilizzati in oleodinamica presentano una viscosità superiore a quella dell acqua ma associano un elevata azione protettiva (anticorrosione) con un alto potere lubrificante che agevola il moto relativo delle parti striscianti. Spesso si impiegano degli additivi che conferiscono all olio caratteristiche particolari in relazione al campo di applicazione. Le principli funzioni svolte dall olio idraulico in oleodinamica sono: - Trasporto dell energia (trasmissione di forze e coppie); - Capacità lubrificanti dei componenti in moto relativo; - Smaltimento del calore; - Smorzamento delle oscillazioni di pressione 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 VISCOSITÀ E COMPRIMIBILITÀ Il fluido di lavoro per gli impianti idraulici deve presentare bassa comprimibilità e buone caratteristiche lubrificanti. Gli oli idraulici speciali soddisfano bene queste caratteristiche. 5

6 La caratteristica più importante di un olio è la viscosità dinamica µ che presenta la prerogativa di aumentare con il crescere della pressione e di decrescere fortemente all aumentare della temperatura. La viscosità dinamica è legata allo sforzo tangenziale dalla relazione: τ = µ du dy da cui dy N ms µ = τ [ ] du m m = Pa s Nella pratica si usa il centipoise [cp] = 10-3 Pa s µ Ns kg m La viscosità cinematica è invece definita come υ = / = 3 ρ m m s Nella pratica si usa spesso il centistokes [cst]= 10-6 m /s = 1 mm /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 0 C. In Inghilterra si usano i secondi Redwood [RI] mentre 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. Per la misura della viscosità dei fluidi è molto usato il viscosimetro a gravità Engler. Il principio di funzionamento consiste nel valutare il tempo di efflusso di 00 cm 3 del fluido in esame e rapportarlo al tempo impiegato da una uguale quantità di acqua distillata a 0 C. E = 3 tempo di efflusso di 00 cm di olio 3 tempo di efflusso di 00cm di acqua a 0 C La relazione di trasformazione è approssimativamente la seguente: ν[cst] = ν[ E] / 0.13 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 /s] e T [K]. Per un olio minerale le costanti valgono: k=9.07, m=3.54, a=0.8 La viscosità di tutti i liquidi cresce con la pressione. Per valori di pressione inferiori a 00 bar l effetto si può ritenere 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 è la viscosità dinamica a pressione atmosferica e temperatura T, mentre b è una costante dipendente dal tipo di olio. b= bar -1 per oli minerali; b= bar -1 per oli HFC; b= bar -1 per oli HFD; Comprimibilità Altre importanti proprietà dell olio idraulico sono la compressibilità e la dilatazione termica. Se si considera un volume V di olio contenuto all interno di un cilindro sul quale viene esercitata un azione di compressione mediante un pistone, si osserva che nel campo fra bar ed una prefissata temperatura la riduzione di volume ha andamento lineare. 6

7 V p = con β modulo di comprimibilità V β V=V 1 -V 0 <0 p=p 1 -p 0 >0 V 0 p 0 V 1 p 1 Figura 6 Determinazione della comprimibiltà degli oli β è molto sensibile alle inclusioni d aria. Per un olio minerale privo d aria si può assumere β = MN/m. Quindi 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 di appena 3.6%. Figura 7 Comprimibiltà degli oli in presenza di inclusioni gassose. Per pressioni superiori a 500 bar l olio diventa più rigido e la riduzione di volume risulta men che lineare. Se inoltre si tiene conto anche dell effetto di una variazione di temperatura del fluido idraulico, esso si espande linearmente nel campo C quando la temperatura aumenta V = γ V ( T T ) V γ = V T Si definisce pertanto un coefficiente di dilatazione termica α che vale 6.5*10-4 C -1. Se invece il fluido non può espandersi a causa dell aumento di temperatura si realizza un aumento della pressione. 7

8 V V V p p = γ T = = γβ V β T bar 9 C 0 0 La variazione relativa di volume derivante da entrambi gli effetti può essere espressa anche in termini di variazione relativa della densità ρ V = ρ V 0 0 p = = γ T β In certe applicazioni si usano degli oli idraulici che possiedono caratteristiche di resistenza alla fiamma. Condizioni ambientali e regole anti-infortunistiche richiedono inoltre che in caso di accensione locale il fuoco non possa propagarsi al liquido adiacente. I liquidi termoresistenti che possiedono queste caratteristiche possono essere di natura sintetica o a base acquosa. La caratteristica di lubrificazione, protezione anti-corrosione, resistenza all invecchiamento e alla formazione di schiuma devono poter essere garantite. LIQUIDI RESISTENTI AL FUOCO Emulsioni olio in acqua Esteri fosforici SINTETICI Cloruri aromatici Siliconi BASE ACQUOSA Emulsioni acqua-glicole Emulsioni acqua in olio Figura 8 Classificazione degli oli termoresistenti CONVERSIONE DELL ENERGIA Se si considera il semplice circuito idraulico rappresentato in figura, si possono individuare i principali componenti idraulici. M Essi possono essere così raggruppati: pompa = input valvole recipienti (serbatoio) linea di connessione accessori vari (filtri, manometri, scambiatori) cilindro = output (attuatori) 8

9 Classificazione delle pompe Le pompe possono essere classificate secondo il seguente schema: ALTERNATIVE POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE DINAMICHE La portata elaborata dalla pompa dipende dalla sua velocità di rotazione (macchina rotativa) e dalla sua cilindrata. La cilindrata della pompa rappresenta il volume di fluido che la pompa può teoricamente elaborare per ogni ciclo o rotazione. Le pompe possono essere a cilindrata fissa o a cilindrata variabile. Classificazione degli attuatori Per attuatori si intendono quei componenti che costituiscono il sistema di uscita del circuito idraulico in quanto realizzano la conversione dell energia di pressione in energia meccanica Gli attuatori lineari forniscono una forza che sposta linearmente il carico, mentre i motori idraulici forniscono una coppia ad una data velocità angolare. LINEARI cilindro e pistone idraulico ATTUATORI ROTANTI motori idraulici Classificazione delle valvole CONTROLLO DELLA DIREZIONE VALVOLE CONTROLLO DELLA PORTATA CONTROLLO DELLA PRESSIONE Classificazione delle linee di connessione LINEE DI CONNESSIONE LINEE DI LAVORO LINEE AUSILIARIE Linea di mandata Linea di ritorno Linea di aspirazione Linea di drenaggio Linea di pilotaggio 9

10 Vantaggi dei sistemi idraulici Semplicità di progettazione La componentistica sviluppata ed ampiamente disponibile rende possibile la realizzazione di impianti complicati. Flessibilità di dislocazione Controllo Consente il controllo delle forze e della velocità in un ampio campo con estrema facilità Costo della potenza trasmessa minima in relazione agli elevati rendimenti. Protezione automatica contro i sovraccarichi. L inserimento di valvole automatiche consente di salvaguardare il sistema da sovrapressioni e rotture. 10