ELEMENTI DI CONTROLLO DELL ENERGIA IDRAULICA In un circuito idraulico oltre ai due componenti fondamentali che realizzano la conversione dell energia meccanica in energia idraulica e viceversa (pompa e motore), è richiesta la presenza di componenti che svolgano l azione di controllo. Per esigenze di esercizio dei circuiti è quindi necessario intervenire sulle grandezze idrauliche fondamentali (pressione e portata del fluido), nonché sulla direzione del flusso. Gli elementi preposti a svolgere questa funzione sono denominate valvole e possono essere raggruppate in tre categorie principali: - valvole direzionali Valvole per il controllo della direzione - valvole di portata Valvole per il controllo della portata - valvole di pressione Valvole per il controllo della pressione VALVOLE DIREZIONALI Sono valvole che permettono di realizzare e modificare il collegamento fra 2 o più rami del circuito per mezzo di un segnale di controllo esterno che può essere di diversa natura (meccanica, elettrica, pneumatica o idraulica). Le valvole direzionali vengono classificate in base al numero delle connessioni che realizzano con il circuito e al numero delle posizioni che può assumere il distributore. La rappresentazione simbologica di tali valvole prevede un numero di riquadri pari al numero delle posizioni che essa può assumere, ed indica le vie o connessioni con il circuito mediante le lettere A, B, P e T (figura 1). Figura 1 Rappresentazione grafica di valvole a due e tre posizioni La figura 1c indica, in modo semplificato ed ancora incompleto una valvola direzionale 4/2 ovvero una valvola avente 4 vie e 2 posizioni. La figura 2a integra la rappresentazione precedente della valvola 4/2 perché indica, mediante delle frecce, la modalità di connessione prevista con i rami del circuito per ognuna delle posizioni che assume l otturatore della valvola. In figura 2b invece è rappresentato lo schema simbologico di una valvola 4/3 a centri chiusi, ovvero di una valvola caratterizzata da una posizione centrale di riposo dell otturatore che realizza la chiusura completa di tutti i lati del circuito. Esistono tuttavia delle differenti realizzazioni per le valvole 4/3 che differiscono esclusivamente per il collegamento che viene realizzato nella posizione di riposo. La figura 2c ad esempio è previsto l isolamento della sola linea indicata con P e la connessione fra le restanti linee A, B e T. I nomi assegnati alle quattro Figura 2 Valvola con 4 vie e 2 e 3 posizioni. connessioni identificano: con P la 35
linea del circuito alimentata dalla pompa, con T quella diretta verso il serbatoio e con A e B quelle connesse con gli estremi dell attuatore (figura 3b). Figura 3a Figura 3b Figura 3c La rappresentazione simbologica completa delle valvole direzionali deve indicare anche il tipo di azionamento utilizzato. In figura 3a sono indicate le diverse soluzioni previste per l azionamento: manuale mediante un pulsante o una leva, meccanico tramite punteria a rullo o barra dentata, pilotaggio mediante una linea in pressione o elettrico tramite solenoide. La figura 3b rappresenta pertanto una valvola 4/2 ad azionamento manuale a pulsante e ritorno a molla, impiegata per controllare il movimento di un cilindro a doppio effetto differenziale, mentre in figura 3c è raffigurata una elettrovalvola 4/3 combinata avente la linea in pressione posta a scarico quando la valvola è in condizioni di riposo. Da notare che la normativa sulla rappresentazione dei circuiti oleodinamici prevede di rappresentare le valvole sempre nella posizione di riposo. Figura 4 Elementi otturatori delle valvole 36
L organo otturatore delle valvole direzionali è generalmente costituito da un distributore a cassetto con movimento lineare. Tuttavia sono possibili delle configurazioni in cui il distributore è dotato di un movimento di tipo rotativo. Gli otturatori delle valvole possono essere anche del tipo a ghigliottina, a sfera, conici a disco e del tipo ugello-deviatore (flappernozzle) come rappresentato in figura 4. Valvole a due vie La figura 5a mostra una valvola a due vie, due posizioni (2/2), normalmente chiusa, azionabile manualmente mediante un pulsante, con molla di richiamo ed otturatore a sfera. Poiché le valvole sono rappresentate nella loro posizione di riposo, quando vengono azionate la nuova configurazione può essere determinata immaginando di traslare il contorno della valvola, nella direzione imposta dall'azionamento, rispetto alle connessioni esterne. Ad esempio in figura 5b due valvole pneumatiche aventi questa tipologia costruttiva, possono essere impiegate per controllare un attuatore pneumatico a semplice effetto. Le due valvole devono però essere azionate contemporaneamente per mettere in pressione il cilindro eseguendo la fase di spinta, mentre quando vengono rilasciate consentono lo scarico del cilindro e il riposizionamento del pistone. Nel controllo sequenziale della direzione del flusso queste valvole causano una piccola caduta di pressione in quanto il loro compito è quello di dirigere il flusso nelle diverse direzioni ma non di produrre eccessive perdite con la laminazione del flusso. Figura 5a Valvola 2/2 Figura 5b Applicazione con 2 valvole 2/2 Valvole a tre vie Le valvole a tre vie sono caratterizzate da tre connessioni con l esterno (figura 6). Una sola valvola a tre vie e due posizioni (3/2) può essere usata, per sostituire le due valvole 2/2 del circuito precedente di figura 5b utilizzate per azionare un cilindro a semplice effetto. La figura 6 mostra una valvola a tre vie e due posizioni (3/2), azionata meccanicamente, con molla di richiamo e distributore a cassetto nelle due posizioni che essa può assumere. La presenza dei rilievi a disco sul distributore a cassetto permette non solo la facile commutazione delle linee, ma assicura anche il bilanciamento statico delle forze di pressione in modo automatico che si manifestano al momento dell azionamento esterno della valvola. Figura 6 Valvola 3/2 37
Valvola a quattro e cinque vie La valvola a quattro vie sostanzialmente combina la funzione di due valvole a tre vie, alimentando un lato del cilindro e ponendo a scarico l altro lato e viceversa. In figura 7a è rappresentata una valvola 4/3 a centri chiusi, mentre in figura 7b viene indicato il simbolo grafico corrispondente. In questo caso il cassetto distributore richiede quattro rilievi per assicurare il bilanciamento statico delle pressioni in entrambe le posizioni operative. Alcune di queste valvole benché abbiano 5 vie interne hanno solo quattro connessioni esterne. Infatti due vie dirette verso lo scarico possono essere collegate fra loro internamente e connesse con l esterno con un unica apertura sul corpo valvola (figura 7a). Utilizzando un unica valvola a quattro o cinque vie è possibile controllare un cilindro a doppio effetto. Quando la valvola a quattro o cinque vie si sposta tra le sue posizioni estreme essa passa attraverso la posizione centrale che può determinare diversi comportamenti della valvola in base alla tipologia di costruzione della valvola stessa. Figura 7 Valvola 4/3 valvola a ricoprimento negativo Nelle valvole a ricoprimento negativo il profilo del distributore a cassetto è realizzato in modo che la sua larghezza sia inferiore a quella delle luci di connessione con il circuito. In questa posizione il fluido proveniente dalla pompa può defluire verso il serbatoio ad una pressione relativamente bassa eliminando la generazione di calore causata dalla valvola di relief quando viene usata una pompa a portata costante e la valvola in posizione centrale di riposo realizza invece la chiusura totale delle connessioni. valvola a ricoprimento positivo Quando invece la valvola nella sua posizione centrale presenta tutte le linee chiuse, il distributore è caratterizzato da una larghezza dei rilievi superiore a quella delle aperture. Questa caratteristica permette di bloccare il carico in qualsiasi posizione desiderata anche se la chiusura contemporanea della linea in pressione determina l intervento della valvola di relief. valvola accoppiata (tandem centre valve) Questo tipo di valvola combina i vantaggi delle valvole a ricoprimento positivo con quelle delle valvole a ricoprimento negativo. In questo caso infatti, quando la valvola è in posizione centrale, la pompa è posta a scarico col serbatoio rendendo così minime le perdite e la generazione di calore, ma le aperture connesse con il cilindro sono chiuse per cui il carico rimane bloccato nella sua posizione. 38
Ricoprimento nullo ε=0 ε<0 Ricoprimento negativo ε<0 Figura 8 Caratteristiche costruttive dei distributori a cassetto ε>0 Ricoprimento positivo ε>0 Elettrovalvola a due stadi Le valvole a due stadi sono sostanzialmente due valvole direzionali riunite in un unico corpo valvola. Il sistema di comando dell elettrovalvola, costituito dal solenoide agisce su una piccola valvola direzionale (valvola pilota) che impiega il fluido del sistema idraulico per pilotare la valvola principale. Questo tipo di configurazione a due stadi si rende necessaria nelle valvole di grandi dimensioni che operano nei sistemi ad alta pressione perché le forze richieste per l azionamento diretto del distributore non sarebbero generabili dal solenoide. Nella valvola a due stadi invece il solenoide fornisce la forza sufficiente per l azionamento dello stadio pilota, di piccole dimensioni, che tramite le linee di pilotaggio comandano la valvola principale. Figura 9 Elettrovalvola a due stadi con stadio pilota e valvola principale Esistono altre valvole che possono essere utilizzate per il controllo della direzione anche se non rientrano nella precedente classificazione e sono: - la valvola di logica (shuttle valve) - la valvola di non ritorno o valvola di ritegno (non-return valve) La valvola di tipo logico, rappresentata in figura 10, presenta tre connessioni con il circuito di cui due sono in ingresso e la terza è invece in uscita. La valvola opera in modo che la linea che assume il valore di pressione più elevato viene connessa con l uscita mentre l altra linea è 39
bloccata e non interferisce con la prima. Tale valvola agisce pertanto come un elemento logico di tipo OR in quanto permette il flusso della sola linea che possiede la pressione più elevata. A A p 2 > p 1 p 1 > p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 A p 1 p 2 Figura 10 Schema semplificato e simbologica di una valvola logica La valvola di non ritorno, schematicamente rappresentata in figura 11, invece si inserisce nel circuito e viene utilizzata per permettere il passaggio del fluido in una sola direzione. Nella valvola rappresentata in figura 11a il flusso transita liberamente da sinistra verso destra in quanto l'otturatore viene sollevato dalla sua sede per effetto della forza di pressione del fluido. Quando invece il flusso si inverte la pressione presente sul lato destro risulta superiore a quello presente sul lato di sinistra della valvola ed allora l otturatore viene forzato sulla sua sede impedendo il passaggio del fluido. valvola di ritegno pilotata in apertura linea di pilotaggio valvola di ritegno pilotata in chiusura Figura 11a Valvola di non ritorno semplice linea di pilotaggio Figura 11b Valvole di ritegno pilotate Inoltre,sono state sviluppate alcune varianti della valvola di non ritorno semplice. Una di queste, comunemente utilizzata, è la valvola di non ritorno pilotata (pilot check valve). In figura 11b è rappresentata una valvola di non ritorno pilotata in apertura (pilot-to-open check valve) che si comporta come una normale valvola di non ritorno ma se la pressione di pilotaggio è sufficiente a permetterne l apertura, il passaggio del flusso può avvenire in entrambe le direzioni. E possibile impiegare anche la soluzione che pilota la chiusura anziché l apertura della valvola (figura 11b). VALVOLE PER IL CONTROLLO DELLA PORTATA In molte applicazioni è necessario regolare e controllare la velocità del carico sia che si utilizzi un cilindro oppure un motore idraulico. Nelle applicazioni in cui si utilizzano i cilindri a doppio effetto si opera in modo che la corsa di lavoro, che normalmente è quella di spinta, 40
ovvero di fuoriuscita dello stelo, risulti più lenta della fase di tiro che corrisponde alla corsa di rientro dello stelo per il recupero della posizione di inizio ciclo. La velocità del pistone può essere controllata variando la portata di fluido inviata al cilindro utilizzando una valvola per il controllo della portata. Il controllo accurato della velocità di un cilindro pneumatico è in genere più difficile da ottenere a causa della comprimibilità dell aria. La più semplice valvola di regolazione della portata è lo strozzatore bidireziomale con otturatore a spillo rappresentata in figura 12 che realizza la variazione della portata in entrambe le direzioni in seguito alla modifica della sezione di passaggio attraverso l'otturatore a spillo. In molti sistemi tuttavia è desiderabile regolare la portata in una sola direzione e questo si può ottenere disponendo una valvola di non ritorno in parallelo con lo strozzatore che è sempre l'elemento di regolazione. Normalmente entrambi gli elementi sono Figura 12 Valvola a spillo bidirezionale combinati in un unico corpo valvola come rappresentato in figura 13. Quando il fluido fluisce attraverso la valvola da sinistra verso destra si opera la regolazione della portata tramite la posizione assunta dallo spillo dello strozzatore. Quando il flusso avviene invece in senso opposto, ovvero da destra verso sinistra, la forza di pressione esercitata sulla superficie utile dell'otturatore mobile a disco permette il passaggio libero del fluido evitando l'attrraversamento dello strozzatore. Nei sistemi pneumatici la velocità dell attuatore viene controllata installando le valvole di controllo della portata sulla linea di scarico in modo che il cilindro forzi l aria attraverso la valvola. In questo modo si ottengono le migliori condizioni per ottimizzare la caduta di pressione attraverso la valvola. Questo modo di operare è noto come controllo della portata allo scarico meter-out control e ha il vantaggio di controllare i carichi trascinati. In figura 13b è rappresentato un cilindro in cui viene controllata la fase di spinta del cilindro (movimento da sinistra verso destra del pistone) mentre risulta libera la corsa di tiro che avviene in maniera rapida e non controllata. Sfortunatamente le valvole regolatrici della portata come i semplici strozzatori presentano l'inconveniente di far variare la portata volumetrica non solo in seguito alla regolazione della sezione di passaggio della valvola ma anche per effetto della variazione del carico che si desidera controllare. Figura 13a Valvola regolatrice di portata unidirezionale Figura 13b Regolazione meter-out control 41
La portata attraverso uno strozzatore si valuta con la medesima relazione che esprime la portata attraverso un diaframma. La relazione che esprime la portata volumetrica attraverso il componente può essere pertanto espressa nella seguente forma: p Q = AvC d in cui oltre alla sezione di passaggio della valvola A v compare anche il ρ coefficiente di scarico C d che tiene conto sia dell effetto di contrazione della vena e sia della riduzione della velocità in seguito alle perdite. Poiché le variazioni del carico esterno determinano, a parità di pressione di alimentazione, la variazione della pressione a valle della valvola, allora cambia anche il p attraverso la valvola e conseguentemente si modificano la portata di fluido e la velocità di spostamento del carico stesso. Per superare questa difficoltà sono state progettate delle valvole regolatrici di portata compensate in pressione (figura 14). In figura 14, dove è rappresentata una valvola regolatrice di portata compensata in pressione, si osserva che se la pressione p varia, allora l otturatore mobile si muove in modo da determinare la compensazione di tale cambiamento, ristabilendo la stessa caduta di pressione attraverso l orifizio realizzato dall otturatore a spillo. Per esempio, in seguito ad una riduzione del carico, la pressione p diminuisce, l otturatore mobile si sposta verso il basso riducendo la portata Q 1 e quindi anche la pressione P 1. In tal modo la Figura 14 Valvola regolatrice di portata compensata in pressione caduta di pressione attraverso lo spillo si mantiene costante al variare del carico. VALVOLE PER IL CONTROLLO DELLA PRESSIONE Nel gruppo delle valvole di pressione rientrano sia le valvole per il controllo della pressione, sia le valvole controllate dalla pressione. Valvola di Relief La più nota valvola dio pressione è la valvola di relief che è una valvola di sicurezza usata per proteggere il circuito idraulico dai sovraccarichi di pressione. Infatti senza questa valvola la pressione nel circuito potrebbe crescere fino a raggiungere valori così elevati da causare la rottura dei componenti, bloccare la pompa e il motore elettrico che la aziona. La figura 15 mostra una valvola di relief a comando diretto. Si può osservare che se la pressione supera il valore di chiusura della valvola determinato dal carico sulla molla, l otturatore si solleva connettendo il circuito con il serbatoio. Figura 15 Valvola di relief 42
La pressione alla quale la valvola inizia ad aprirsi dipende dal precarico della molla e differirà dalla pressione per la quale si ha lo scarico totale del sistema. Tale differenza sarà tanto maggiore quanto più rigida sarà la molla e determinerà una curva caratteristica della valvola non perfettamente verticale (figura 16). Inoltre se la valvola di relief pur trovandosi con l otturatore completamente aperto non è in grado di scaricare tutta la portata fornita dalla pompa per quel valore di pressione massima, si determinerà comunque l aumento della pressione secondo il noto andamento parabolico tipico delle valvole regolatrici di portata (figura 16). Q Andamento teorico Andamento reale in regolazione Andamento reale completa apertura p Figura 16 Curva caratteristica della valvola di relief Se però si utilizzano delle molle dotate di una elevata elasticità (bassa rigidezza), si possono determinano delle caratteristiche della valvola più ripide. Queste hanno però lo svantaggio che possono risentire facilmente degli effetti indotti dalle forze perturbatrici che nascono dall azione di impulso dei getti fluidi e che provocano l instabilità della valvola. Figura 17 Valvola di relief a 2 stadi Tale inconveniente può essere quasi completamente superato dalla valvola di relief a due stadi mostrata in figura 17 che presenta una caratteristica praticamente verticale. Nella configurazione a due stadi si permette alla pressione vigente sul sistema di agire sulla valvola pilota grazie al foro passante presente sull otturatore principale. Quando la pressione nel sistema raggiunge il valore di taratura della molla della valvola pilota il suo otturatore si solleva dalla sede consentendo al fluido di scaricarsi verso il serbatoio. Questo comporta la rapida caduta della pressione a valle del foro dell'otturatore principale che quindi si solleva completamente liberando la luce in pressione verso il serbatoio. Valvola di scarico La valvola di scarico consente lo scarico rapido dell olio alla pressione atmosferica nel momento in cui la pressione, in un punto prestabilito del sistema, ha raggiunto il valore di 43
taratura della valvola prefissato con il precarico della molla. In figura 18 è rappresentata una valvola di questo tipo insieme al simbolo identificativo mentre la figura 19 mostra l utilizzo di questa valvola in un circuito con pompa doppia. Questa valvola si differenzia da quella di relief perché il suo pilotaggio è indiretto in quanto risente della pressione prelevata esternamente alla valvola e non direttamente dall'interno della valvola stessa. Nel circuito di figura 19 si verifica che inizialmente entrambe le pompe operando a portata costante inviano il fluido al sistema, ma quando sulla linea viene raggiunto il livello di pressione massimo da attivare la valvola di scarico, quest ultima si apre e scarica verso il serbatoio la portata elaborata dalla pompa B. Figura 18 Valvola di scarico Figura 19 Impiego della valvola di scarico Questo intervento consente di eliminare la perdita di energia che si sarebbe verificata se il flusso creato dalla pompa B fosse stato scaricato direttamente attraverso la valvola di relief ad una pressione prossima a quella massima di lavoro del sistema. Valvola riduttrice di pressione Questo tipo di valvola permette di stabilire differenti pressioni massime di lavoro in punti differenti di un circuito idraulico. La figura 20 rappresenta questo tipo di valvola. La pressione presente sulla bocca di uscita della valvola, agisce sul lato sinistro del cursore mediante la linea di pilotaggio. Pertanto un aumento della pressione sulla linea d uscita, che risulti superiore al valore impostato con il carico della molla, sposta il cursore verso destra riducendo la portata e quindi anche la pressione all'uscita della valvola. Figura 20 Valvola riduttrice di pressione 44
Se venisse ancora una volta usata una valvola di relief al posto della valvola riduttrice di pressione essa impedirebbe l aumento di pressione sull intero circuito. Infatti, la valvola di relief, al raggiungimento del valore di pressione di intervento, connette la linea in pressione con il serbatoio, provocando la riduzione drastica della pressione su tutto il circuito. Inoltre la valvola riduttrice di pressione risulta normalmente aperta mentre quella di relief è normalmente chiusa. Valvola di sequenza Nei circuiti in cui sono presenti più cilindri è spesso necessario azionarli secondo una ben definita sequenza. Se ad esempio si desidera eseguire prima la fase di spinta di un solo cilindro e successivamente quello del secondo, tale risultato si può ottenere con una valvola di sequenza (figura 21). Questa valvola di pressione risulta normalmente chiusa e si apre solo quando la pressione in ingresso alla valvola ha raggiunto il valore di taratura preimpostato con l azione di precarico sulla molla. La figura 22 mostra un circuito idraulico nel quale la valvola direzionale V1 viene azionata in modo da alimentare il cilindro 1 per eseguire la fase di spinta, ed ottenere il bloccaggio del pezzo. Quando il cilindro 1 è giunto a fine corsa, la pressione nella linea tende a salire fino a raggiungere il valore di azionamento della valvola di sequenza che determina così l inizio della fase di spinta del cilindro 2. Questo azionamento potrebbe costituire il comando per il taglio del pezzo. Quando la valvola V1 assume la posizione opposta, entrambi i cilindri si ritraggono ed il fluido in uscita dal cilindro 2 bypassa la valvola di sequenza attraverso la valvola di non ritorno. Figura 21 Valvola di sequenza Figura 22 Applicazione della valvola di sequenza VALVOLE A POSIZIONAMENTO CONTINUO Le elettrovalvole finora presentate possono assumere solamente due stati: attuata o non attuata nel senso che lo stato assunto dal solenoide può determinare la chiusura e la completa apertura del distributore della valvola ma non permette alcuna posizione intermedia. Fra le valvole a posizionamento continuo rientrano sia le valvole proporzionali sia le servovalvole. Le servovalvole sono simili alle elettrovalvole in quanto sono controllate elettricamente ma si differenziarono per il fatto che sono in grado di assumere precise posizioni intermedie fra la posizione di completa apertura e quella di totale chiusura del distributore. Questo modo di operare permette non solo di controllare la direzione del flusso ma anche di regolarne la portata ed eventualmente anche la pressione a valle attraverso le perdite di carico indotte dall otturatore. 45
Le servovalvole vengono spesso utilizzate nei servosistemi con un dispositivo di controllo a ciclo chiuso capace di rendere il segnale di uscita uguale a quello desiderato, mentre le valvole proporzionali vengono preferibilmente utilizzate nei sistemi con controllo a ciclo aperto. Occorre tuttavia sottolineare che oggi non esiste più una differenza netta fra le valvole proporzionali e le servovalvole perché vengono entrambe utilizzate come componenti per il controllo della posizione, della velocità e dell accelerazione. Le servovalvole per il controllo della portata sono distributori a posizionamento continuo in cui il legame tra la corrente di eccitazione del solenoide e la portata regolata è lineare. I modelli più diffusi sono del tipo a due stadi in cui nel primo stadio un segnale elettrico di bassa potenza (max. 50 mw) viene convertito in un segnale di pressione che pilota il distributore a posizionamento continuo del secondo stadio. La posizione del distributore determina, attraverso la luce di passaggio lasciata libera dagli spigoli pilotanti, la portata attraverso la servovalvola (figura 23). Figura 23 Servovalvola e valvola proporzionale La valvola con otturatore a cassetto, quando si trova in posizione di riposo, può risultare a luci aperte oppure chiuse. Benché questo tipo di valvola appaia costruttivamente semplice e risultando il tipo di servovalvola più diffuso, è in realtà di difficile realizzazione per le strette tolleranze richieste. I distributori a cassetto sono realizzati in modo da ottenere delle camere anulari tramite variazioni simmetriche del diametro dell otturatore che permettono di bilanciare le forze di pressione che si vengono a sviluppare su di esso. Questo costituisce un fattore importante soprattutto nei sistemi ad elevata pressione. Il differente comportamento della valvola, quando il distributore si trova nella posizione centrale di riposo, può essere facilmente realizzato variando l entità del gioco con la sede della valvola. Tale comportamento è stato messo in evidenza quando sono state esaminate le elettrovalvole il cui distributore a cassetto poteva assumere le tre differenti configurazioni di figura 8: ricoprimento negativo che determina la condizione di valvola aperta; ricoprimento positivo che comporta la chiusura completa della valvola; ricoprimento nullo pone la valvola in posizione critica con gioco nullo In seguito alle strette tolleranze richieste da questo tipo di valvole è necessario che il fluido sia ben filtrato per evitare che piccole particelle metalliche causino l inceppamento del distributore e la parziale ostruzione dei meati determinando il choking del flusso. Per ovviare a questo inconveniente si utilizzano dei distributori del tipo a getto (jet pipe) e del tipo ugello con deflettore (flapper-nozzle). 46