Introduzione alla oleodinamica CIRCUITI OLEOIDRAULICI Gli impianti oleoidraulici sono sistemi di trasmissione di energia nei quali il vettore è un fluido a limitata comprimibilità. Le funzioni principali sono: - conversione dell'energia "meccanica" in energia "idraulica"; - controllo e regolazione dell'energia; - trasferimento dell'energia; - conversione dell'energia idraulica in energia meccanica.
Componenti e Funzioni Le funzioni sono svolte dai seguenti componenti e gruppi: motore primo uno o più generatori di portata (pompe, eventualmente in combinazione con accumulatori); valvole di controllo della pressione; dispositivi di controllo del flusso; valvole direzionali; cilindri e/o motori idraulici; Ed inoltre Trasduttori con sensori Sistemi di riscaldamento o raffreddamento del fluido Sistemi di sicurezza
Tipologie e caratteristiche 1 Gli impianti oleoidraulici possono essere suddivisi in due categorie pricipali: - IMPIANTI IDROCINETICI - IMPIANTI IDRODINAMICI - IMPIANTI IDROSTATICI Ci si riferirà principalmente ad impianti di tipo idrostatico. La trasmissione oleoidraulica ha caratteristiche positive quali: capacità di trasmettere di potenze anche elevate; componenti compatti e costruttivamente semplici; elevata affidabilità operativa e ridotta manutenzione; semplicità degli organi di regolazione; affidabilità e precisione di comando; possibilità di trasformare con mezzi elementari il moto rotativo in moto lineare alterno.
Tipologie e caratteristiche 2 Essi presentano tuttavia alcune limitazioni: - rendimenti totali di trasmissione non elevati (50-70%); - difficoltà di sincronizzazione di più attuatori in modo semplice; - difficoltà a mantenere rigorosamente costante la velocità dei movimenti in presenza di resistenze variabili. Per tali motivi la scelta e l impiego dei sistemi oleoidraulici viene adottata nei casi in cui è richiesta: Elevata potenza assoluta Elevata potenza specifica Compattezza delle apparecchiature Grande flessibilità e versatilità
Funzioni svolte dal fluido Trasmissione per via idrostatica dell energia portata volumetrica di fluido pressione del fluido dipendente dalle condizioni nel circuito lubrificazione delle coppie cinematiche presenti nel sistema trasporto di calore dai punti in cui viene generato ad un opportuno organo di scambio con l ambiente trasporto di particelle solide generate per usura entro le coppie cinematiche
Principali tipi di fluidi utilizzati in oleodinamica COMPOSIZIONE CHIMICA Oli minerali o sintetici additivati Miscele di idrocarburi con elevato peso molecolare, additivati con composti chimici in grado di modificarne determinati comportamenti Fluidi a base di acqua Emulsioni acqua-olio Emulsioni acqua-glicole Fluidi sintetici di varia natura Fosfato-esteri semplici o clorurati Idrocarburi clorurati Silicato-esteri I circuiti oleodinamici usati nelle macchine automatiche impiegano quasi esclusivamente fluidi basati su oli minerali additivati
Caratteristiche meccaniche del fluido utilizzato DENSITA COMPRIMIBILITA α coefficiente di comprimibilità volumica del fluido = variazione specifica di volume a seguito di una variazione unitaria di pressione [Mpa -1 ] ε modulo elastico apparente del fluido (bulk modulus) = variazione di pressione che provoca una variazione specifica di volume unitaria [MPa] oli minerali ε = 1750 MPa acqua ε = 2350 MPa Un ΔP=100 bar (10 MPa) provoca nell olio una variazione % di volume pari allo 0.57% Es. 300 dm 3 di olio che passano da 2 a 30 MPa subiscono una variazione di volume pari a 4.778 dm 3
Dati caratteristici per oli minerali additivati Dati fisici di funzionamento Viscosità a 50 C DIN 51562 Densità a 15 C DIN 51757 Indice di viscosità DIN 51563 Punto di scorrimento DIN 51597 Punto di infiammabilità DIN 51584 Caratteristiche che influenzano direttamente il comportamento del fluido all interno del circuito oleodinamico INDICE di VISCOSITA (I.V.) parametro che misura quanto la viscosità di un fluido è sensibile alle variazioni di temperatura. E misurata in rapporto al comportamento di due olii campione Naftenico puro I.V.=0 Paraffinico puro I.V.=100 Più elevato è I.V. minore è la sensibilità alle variazioni di temperatura Olii additivati I.V. > 100 ( 200) Si fa riferimento normalmente alla viscosità cinematica, utilizzando come unità di misura i centistokes [ 1 cst= 10-8 m 2 s -1 ]
Viscosità Cinematica Viscosità cinematica di vari fluidi al variare della temperatura
Gruppi di alimentazione GRUPPI DIALIMENTAZIONE (Centralina Oleodinamica) II gruppo di alimentazione, nel quale avviene la conversione di energia meccanica in energia idraulica, è costituito essenzialmente da: motore (elettrico o endotermico) pompa valvola limitatrice di pressione (valvola di sicurezza) serbatoio accumulatore filtro scambiatore di calore
Gruppi di alimentazione - Pompe La pompa è di solito di tipo volumetrico: le più usate sono le pompe ad ingranaggi, sono poi disponibili anche pompe a palette, a vite, a pistoni (radiali o assiali). I parametri caratteristici della pompa sono: - cilindrata V (commercialmente cm 3 /giro) - portata Q (litri/s) [( m 3 /sec)] - coppia M (Nm) - potenza N (kw) - velocità di rotazione n (commercialmente giri/min) - prevalenza p (Pa=N/m 2 ) - rendimento volumetrico v - rendimento meccanico m - rendimento totale t = v m
Gruppi di alimentazione Motori La portata della pompa è (nelle unità commerciali indicate) Q = V n v/60000 (litri/s) N = Q p/10 6 (kw) II motore dovrà fornire una potenza N M =N k/ t dove k è un coefficiente di sovraccarico superiore a 1. La valvola limitatrice di pressione o valvola di massimo deve avere una sezione di passaggio tale da permettere il deflusso dell'intera portata della pompa più eventuali scarichi degli attuatori in caso di superamento della pressione di taratura (pari alla pressione ammissibile nel componente più debole del circuito).
Valvole di distribuzione e regolazione Le valvole di distribuzione (distributori) effettuano la distribuzione del fluido nei rami del circuito. Sono disponibili sul mercato le tipologie più diverse nelle dimensioni necessarie per le portate usuali. È molto importante controllare che la pressione di esercizio del distributore sia congruente con quella del circuito. Anche per le valvole di regolazione, che controllano il flusso del fluido nelle connessioni, sono disponibili componenti standard sul mercato a pilotaggi oleoidraulici, pneumatici, elettrici o meccanici.
Attuatori 1 Gli attuatori si dividono in due categorie: - attuatori lineari (cilindri a semplice e a doppio effetto) - attuatori rotativi (motori oleoidraulici) Per quanto riguarda i cilindri oleoidraulici le grandezze caratteristiche sono: - velocità di uscita stelo v 1 (m/s) - velocità di rientro stelo v 2 (m/s) (per cilindri a doppio effetto) - pressione di esercizio p (bar=10 5 Pa) - diametro stelo d (mm) - alesaggio pistone D (mm) - spinta F 1 (N) - tiro F 2 (N) (per cilindri a doppio effetto)
Attuatori 2 Valgono le seguenti relazioni velocità di uscita stelo v 1 = 4000Q/ D 2 velocità di rientro stelo v 2 = 4000Q/ (D 2 -d 2 ) (doppio effetto) Spinta F 1 = D 2 p/40 Tiro F 2 = (D 2 -d 2 )p/40 (doppio effetto) Commercialmente sono disponibili attuatori lineari a catalogo, è tuttavia possibile progettare e costruire cilindri su misura di qualsiasi dimensione.
Notazioni D = diametro esterno del cilindro (mm) d = diametro interno del cilindro (mm) d s = diametro di saldatura fondo (mm) h = spessore fondo (mm) p = pressione (Pa) amm = tensione ammissibile (Pa) h Attuatori Verifiche Verifiche Diametro cilindro D d amm amm Spessore fondo 0.4 p 1.3p p r 0.45d s ; amm 10 amm
Attuatori: Instabilità steli P crit = 2 EI/L 2 lib Cerniera-Cerniera Incastro-Libero Incastro-Cerniera Incastro-Incastro L L lib = L L L lib = 2L L lib = 0,7L L L lib = 0.5L L
Accumulatori Gli accumulatori sono sottogruppi atti ad accumulare energia sotto forma di energia potenziale per compensare le fluttuazioni di pressione dovute alla irregolarità dell alimentazione o alle improvvise richieste
Criteri generali di progettazione A Allo scopo di definire una procedura di progettazione automatica, occorre analizzare in dettaglio lo schema del metodo di progettazione at-tuale, le funzioni svolte dai componenti, il modello matematico funzionale di questi e del generico circuito. II lavoro del progettista, in linea di massima, si articola in cinque fasi fondamentali: A - a) definizione delle funzioni richieste al circuito - b) definizione delle forze e/o coppie da sviluppare, dei tempi, dei percorsi, delle velocità di lavoro e di ritorno. È assolutamente indispensabile una descrizione completa ed esauriente del ciclo funzionale desiderate.
Criteri generali di progettazione B - C B - scelta della pressione di esercizio Le possibilità di scelta del progettista sono assai ampie in termini tecnici, per cui il fattore determinante è generalmente di natura economica. L'uso di pressioni elevate permette, a parità di prestazioni, di impiegare attuatori più piccoli e quindi meno costosi (in relazione alle prestazioni). D'altra parte, esistono limiti che condizionano la scelta della pressione di esercizio: - comprimibilità dell'olio, - necessità di tubazioni flessibili, - accumulatori, etc. etc. C - definizione delle portate e delle potenze necessarie, tenendo conto dei rendimenti, dai punti A e B.
Criteri generali di progettazione D - E D - stesura dello schema oleoidraulico: si definisce il circuito che soddi-sfa le condizioni di progetto individuate in A - a); da esso si ottiene lo schema dell'impianto oleoidraulico scegliendo ed "assemblando" i componenti con riferimento alle loro caratteristiche e a quanto specificato in A - b). E - calcolo delle grandezze caratteristiche dell'impianto. Dal confronto di queste ultime con quanto definite in A si ottengono informazioni sull'opportunità o meno di reiterare lo schema e da quale fase
Classificazione gruppi di alimentazione Gruppo di alimentazione GA Gruppo di alimentazione Portata fissa GAQF Gruppo di alimentazione Portata variabile GAQV Gruppo di alimentazione Pressione fissa GAPF Continua GAQVC Discreta GAQVD Effettiva o vera GAPFV Approssimata GAPFA
Principali gruppi di alimentazione GAQF Valvola direzionale Pilotaggio elettromagnetico Ritorno a molla Valvola limitatrice di pressione Contrasto molla Pilotaggio (tratteggiato) Filtrazione e condizionamento
Principali gruppi di alimentazione GAQVD
Principali gruppi di alimentazione GAQVC
Principali gruppi di alimentazione GAPFA Accumulatore Azionamento idraulico pilotato
Circuito per attuatore lineare a doppio effetto Dal gruppo GAQF
Circuito per attuatore lineare a doppio effetto
Pompe: tipi palette Ingranaggi esterni Cilindrata fissa Ingranaggi interni capsulismi rotativa vite Cilindrata variabile palette Pompe Pistoni alternativi e Cilindrata fissa Cil. In linea Volumetriche Cilindri stazionari Cil. A stella Cilindrata fissa Pistoni assiali Pistoni rotoalternativi Pistoni radiali Cilindrata variabile Pistoni assiali Pistoni radiali
Pompa non volumetrica
Pompe: Curve caratteristiche generiche Caratteristica di pompa non volumetrica Caratteristica di pompa volumetrica
Pompe: perdite per trafilamenti La portata perduta per trafilamento è la portata residua fornita dalla relazione Q T = (1- v ) V 10-3 (dm 3 /s) V = cilindrata (cm 3 /rad) = velocità angolare (rad/sec) v = rendimento volumetrico
Pompe: durata La durata di una pompa è regolata da formulazioni analoghe a quelle dei cuscinetti per cui, se è nota quella che si realizza in condizioni nominali caratterizzate da pressione e velocità angolare rispettivamente p n e n, si può ottenere la durata in presenza di p m e m attraverso la relazione H m = H m (p n / p m ) 10/3 n / m con H m ed H m di solito espresse in ore
Pompe: dati caratteristici Si riportano nel seguito i dati caratteristici di funzionamento delle pompe più utilizzate: Ingranaggi esterni 130 200 bar 1000 5000 giri/min Palette cilindrata fissa 120 200 bar 1200 2200 giri/min Palette a cilindrata variabile 50 100 bar 1200 2200 giri/min A vite 50 120 bar 1000 4000 giri/min Pistoni assiali 200 500 bar 1200 3600 giri/min Pistoni radiali 200 700 bar 1000 3000 giri/min
Pompe: Curve caratteristiche
Pompe ad ingranaggi esterni Per piccole e medie potenze a cilindrata fissa
Pompe ad ingranaggi interni A 300 bar rumorosità inferiore a 78 db aspirazione pignone mezzaluna corona mandata
Pompe ad ingranaggi: portata La portata è fornita dalla relazione Q = m d p b 10-6 (dm 3 /s) m = modulo della dentatura (mm) d p = diametro della primitiva (mm) = velocità angolare (rad/s) b = larghezza del dente (mm) z = numero di denti d p = m z
Pompe a lobi
Pompe a viti (elicoidali) flusso di olio continuo e privo di pulsazioni basso rendimento e notevole surriscaldamento del fluido
Pompe a palette (cilindrata fissa)
Pompe a palette (cilindrata variabile) 4) Anello circolare 7) Limitatore della cilindrata 8) Regolatore del pistoncino 7 9) Regolatore di pressione meccanico 10) Vite di pre-carico molla 9. Con questo tipo di pompa (piccolo riscaldamento dell olio) si può rinunciare all installazione della valvola di sicurezza.
Pompe a pistoni assiali (cilindrata fissa o variabile) Generalmente nove pistoni pompanti Quattro pompanti sono sempre in fase di aspirazione
Pompe a pistoni assiali a piastra inclinabile (portata variabile)
Pompe a pistoni con cilindri stazionari
Pompe a pistoni radiali 1 pmax oltre 650 bar
Pompe a pistoni radiali 2