Attuatori oleodinamici

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1 Un sistema oleodinamico con regolazione di potenza utilizza come vettore di energia olio minerale, o sintetico, che in prima approssimazione può essere considerato incomprimibile. Un tale sistema comprende tre componenti fondamentali: la pompa, l attuatore ed il sistema di valvole che influenza la trasmissione di potenza per via idrostatica.

2 Olio Grazie all incomprimibilità dell olio è possibile: generare forze molto elevate (elevate pressioni senza grosse perdite lungo il circuito) seguire leggi di moto complesse con alta precisione Un buon olio deve possedere i seguenti requisiti: Trasmettere energia con basse perdite ed elevata velocità di risposta; Lubrificare le parti in movimento relativo (pompe, pistoni, valvole, etc) Mantenere puliti gli organi meccanici e proteggerli dalla corrosione; Possedere una buona conducibilità termica; Possedere elevata stabilità chimica; Essere poco infiammabile.

3 Viscosità La viscosità indica la resistenza che le particelle del fluido incontrano a scorrere le une sulle altre,in altre parole la viscosità misura la forza necessaria per muovere alla velocità di 1 cm/s l'uno rispetto all'altro due strati aventi la superficie di un 1 cm quadro e distanti tra loro 1 cm. La viscosità dei fluidi varia notevolmente al variare della temperatura, con l'aggiunta di idonei additivi si possono, tuttavia, ottenere fluidi più o meno sensibili alla variazione della temperatura. Infatti un olio con eccessiva escursione di viscosità con la temperatura se adatto al freddo, diverrebbe troppo fluido a caldo, con eccessivi trafilamenti ed insufficiente potere lubrificante; se, per contro, adatto al caldo, avrebbe viscosità troppo elevata a freddo, con notevoli perdite di carico nel circuito. La dipendenza dalla temperatura è molto importante nei liquidi idraulici nei quali normalmente, la temperatura dell'olio passa da C all'avviamento ai C a regime.

4 Attuatori oleodinamici Gli attuatori oleodinamici sono i più usati per il posizionamento lineare di carichi elevati. Hanno una costruzione più pesante rispetto ai pistoni pneumatici, perché le pressioni di lavoro sono molto più elevate ( bar), ma consentono un posizionamento preciso dei carichi ( 0.01 mm). Vantaggi forma compatta carichi elevati controllo preciso in posizione e velocità Svantaggi perdite di fluido di lavoro costosi peso protezione da sovraccarichi (valvola di scarico). Si distingue tra: cilindri oleodinamici (attuatori lineari) motori oleodinamici (attuatori rotativi)

5 Cilindri oleodinamici Tranne i martinetti (che sfruttano il peso del carico per ritornare alla posizione iniziale) i cilindri oleodinamici, sono tutti a doppio effetto, cioè la spinta del pistone è prodotta dalla differenza di pressione del fluido presente in due camere. Il moto è bidirezionale e controllato dal sistema oleodinamico.

6 Nella realizzazione dello stelo si raggiungono tolleranze molto ristrette mentre per i fine corsa si prevedono spesso controlli di tipo elettrico.

7 Motori oleodinamici Gli attuatori oleodinamici con moto rotativo continuo possono essere del tipo a turbina, o del tipo a palette.

8 Compito di un attuatore oleoidraulico è quello di trasformare l'energia idraulica fornita dalla pompa in energia meccanica. La scelta di un cilindro viene fatta in base alla forza sviluppata ed alla corsa, cioè alla massima escursione dello stelo. La forza che un cilindro a doppio effetto può esercitare dipende dalla geometria del cilindro stesso e dalla differenza di pressione esistente tra le due camere e vale: Dove: p 1 e la pressione nella camera anteriore p 2 e la pressione nella camera posteriore F =p 2 A 2 -p 1 A 1n - F r A 1n = A 1n - A st è l area netta del pistone sulla faccia anteriore A 2 è I'area del pistone sulla faccia posteriore F r è la forza d'attrito, espressa come percentuale (10 30%) della forza massima ottenibile dal cilindro.

9 A regime, la portata di fluido Q 2 in ingresso al cilindro è costante, in queste condizioni lo spostamento in avanti dello stelo del cilindro nell intervallo di tempo Δt vale: Δx = V 2 / A 2 = Q 2 Δt / A 2 essendo V 2 il volume dell olio immesso nella camera posteriore del cilindro nel tempo Δt. La velocità di traslazione dello stelo vale: v = Q 2 / A 2

10 La potenza sviluppata dall attuatore (potenza utile) vale: P aout =Fv=(p = 2 A 2 - p 1 A 1n - F r ) Q 2 /A 2 La potenza assorbita dall attuatore vale: P ain = p 2 Q 2 La massima potenza sviluppabile da un attuatore oleodinamico dipende dalla massima pressione di lavoro dell attuatore, che è una caratteristica del componente che viene fornita dal costruttore, e dalla massima portata di fluido generata dalla pompa, che è limitata dalla cilindrata della pompa e dal massimo regime di rotazione.

11 Pompe La portata di fluido inviata all attuatore viene generata da una pompa, il cui compito è quello di trasformare l'energia meccanica fornita da un motore primo a cui è accoppiata, in energia idraulica. Il tipo di pompa più utilizzato è quella volumetrica a cilindrata fissa. Una pompa di questo tipo è quella a pistoni assiali in cui i pistoni sono azionati dal moto di un piattello inclinato, mentre il blocco cilindri è stazionario.

12 Nelle pompe volumetriche a cilindrata fissa la pressione che si genera alla bocca di mandata della pompa dipende, oltre che dalla somma delle resistenze distribuite o concentrate, anche dal valore del carico resistente applicato all attuatore. Pertanto, quando aumenta il carico, aumenta anche la pressione del liquido alla mandata, in quanto i trafilamenti interni sono minimi. Se si chiudesse la mandata, la pressione raggiungerebbe valori cosi elevati da provocare l'arresto del motore e/o la rottura degli organi della pompa. Da qui la necessità di installare valvole di sicurezza per limitare la pressione nel circuito idraulico.

13 Il salto di pressione Δp è la differenza tra la pressione alla mandata e la pressione all aspirazione La cilindrata q [lt] di una pompa volumetrica è pari al volume teorico di fluido trasferito dall aspirazione alla a mandata in corrispondenza di una rotazione o dell albero motore. La portata volumetrica teorica Q teor [lt/min] è data dal prodotto della cilindrata per la velocità di rotazione del motore primo n [giri/min]. Q teor = q n La portata volumetrica effettiva Q è inferiore a quella teorica, a causa dell imperfetto riempimento/svuotamento dei volumi attivi, dei trafilamenti interni di fluido e degli effetti di compressione del fluido. Si definisce pertanto un rendimento volumetrico η v =Q/Q teor A differenza degli attuatori t pneumatici, i ove l aria estratta tt dall attuatore t viene dispersa nell ambiente, negli attuatori oleodinamici il fluido estratto dall attuatore viene convogliato in un apposito serbatoio e da questo rimandato alla pompa. La portata al serbatoio (fluido in uscita dall attuatore) vale: Q s = Q A 1n / A 2

14 La coppia motrice teorica richiesta è pari a: C mteor = q Δp La coppia motrice effettiva richiesta C m è superiore al valore teorico a causa di fenomeni dissipativi che si verificano: nei meccanismi della pompa, nel contatto tra fluido e pareti dei condotti, all interno del fluido stesso. Si definisce pertanto un rendimento meccanico η m = C m /C mteor. La potenza meccanica richiesta all albero è data da: P me = C m ω Il rendimento totale η t =η v η m ed il rendimento volumetrico dipendono dl salto di pressione.

15 Valvole di regolazione Per regolare la potenza erogata da un attuatore oleodinamico è possibile agire sia sulla portata che sulla pressione. Gli attuatori oleodinamici sono comandati per mezzo di valvole di controllo direzionale o distributori, che, in funzione del segnale elettrico di comando convogliano opportunamente il flusso di fluido verso le varie parti del circuito o da queste verso il serbatoio. Poiché le potenze erogate in un circuito oleodinamico possono essere molto elevate (fino ad alcune decine di KW), per la regolazione della potenza, è generalmente richiesta l'adozione di una valvola pilota, che riceva il segnale da un organo di comando ed azioni una valvola principale di potenza, che a sua volta comanda l'attuatore. La valvola di regolazione può essere considerata un amplificatore lineare di potenza, in quanto la potenza richiesta dal circuito di controllo (dell'ordine del W) e almeno di due ordini di grandezza inferiore alla potenza dell'uscita controllata.

16 Le valvole di controllo direzionale si distinguono in: Distributori comandati in modalità on-off, con passaggio rapido da condizione tutto aperto a condizione tutto chiuso. Distributori comandati con segnali di comando di tipo continuo, in grado di modulare con continuità le sezioni di passaggio del fluido e quindi i valori istantanei di portata.

17 Si possono distinguere due tipi i di valvole l direzionali i con segnale di comando continuo ad azionamento elettrico: le valvole proporzionali e le servovalvole. Nelle valvole a regolazione proporzionale la portata è idealmente proporzionale al segnale elettrico in ingresso, tuttavia, le ineliminabili non idealità del sistema generano differenze tra il valore di riferimento della portata ed il valore effettivo. Le servovalvole sono costituite dalla valvola principale ad attuazione pneumatica o oleodinamica, da una valvola pilota ad azionamento elettrico, e dal meccanismo di controreazione meccanica costituito da un astina che connette gli organi mobili delle due valvole. L astina di controreazione genera sulla parte mobile della valvola pilota una coppia proporzionale alla posizione del pistone della valvola principale.

18 Grazie all effetto linearizzante della retroazione meccanica, la funzione di trasferimento tra tensione di alimenazione dell attuatore elettrico V c e posizione dello stelo della valvola a cassetto y è data da: Essendo: y( s ) G V ( s ) + c = s 1+ st s G il guadagno equivalente della servovalvola. s T la costante di tempo della servovalvola, dell ordine dei millisecondi. s Servovalvole elettroidrauliche controllate a cerniera vengono impiegate in tutte quelle applicazioni in cui g p g q pp è necessario esercitare un controllo dei parametri d uscita come la posizione, la velocità, l accelerazione, la forza (o la coppia), di attuatori oleodinamici.

19 Attuatore oleodinamico lineare con controllo in retroazione

20 La parte meccanica dell attuatore ed il carico meccanico sono descritti dalle equazioni: ove: dx = dt dv = 1 ( F F Bv ) dt m m v r x= posizione dello stelo dell attuatore v= velocità dello stelo dell attuatore m= massa complessiva delle parti mobili B= coefficiente d attrito F r = forza resistente F m = forza generata dall attuatore, attuatore, proporzionale alla pressione differenziale di carico P, sesiponepersi per semplicità A 2 =A 1n =A: Fm = P2 A2 - P1 A1n = k P è legata alla portata di fluido Q erogata dal distributore, dall espressione: t P Q = Qm + Ql + Qc = kqv + kl P + γ + dp ( V' Ax) dt ove: Q m = portata volumetrica trasmessa all attuatore Q l = portata volumetrica dovuta alle perdite per trafilamento Q c = portata volumetrica dovuta alle perdite per compressione del fluido γ = coefficiente di comprimibilità del fluido V = volume di fluido contenuto t nei condotti in pressione Ax = volume di fluido contenuto nella camera dell attuatore

21 Il legame tra la portata Q, la pressione di carico P e la posizione y del pistone della valvola a cassetto è non lineare. Linearizzando attorno ad un punto di lavoro si ha: P = k x y k r Q Si ottiene il seguente schema a blocchi: Il parametro k c =V +Ax non è costante, ma funzione di x. Ciò introduce una non linearità implicita nel p c, p sistema, che può essere risolta linearizzando attorno al punto di lavoro.