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

• 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

Principali tipi di fluidi utilizzati in oleodinamica

• 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

Caratteristiche meccaniche del fluido utilizzato

Un ΔP=100 bar (10 MPa) provoca nell’olio una

variazione % di volume pari allo 0.57%

Es. 300 dm3 di olio che passano da 2 a 30

MPa subiscono una variazione di volume

pari a 4.778 dm3

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

Dati caratteristici per oli minerali additivati

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)

Caratteristiche che influenzano direttamente il

comportamento del fluido all’interno del circuito

oleodinamico

Si fa riferimento normalmente alla viscosità

cinematica, utilizzando come unità di misura

i centistokes [ 1 cSt= 10-8 m2s-1]

Dati fisici di funzionamento

Viscosità Cinematica

Viscosità cinematica di vari fluidi

al variare della temperatura

Gruppi di alimentazione

GRUPPI DI ALIMENTAZIONE (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 cm3/giro)

- portata Q (litri/s) [( m3/sec)]

- coppia M (Nm)

- potenza N (kW)

- velocità di rotazione n (commercialmente giri/min)

- prevalenza p (Pa=N/m2)

- 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/106 (kW)

II motore dovrà fornire una potenza

NM=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 distributoresia 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 v1 (m/s)

- velocità di rientro stelo v2 (m/s) (per cilindri a doppio effetto)

- pressione di esercizio p (bar=105 Pa)

- diametro stelo d (mm)

- alesaggio pistone D (mm)

- spinta F1 (N)

- tiro F2 (N) (per cilindri a doppio effetto)

Attuatori 2

Valgono le seguenti relazioni

velocità di uscita stelo v1= 4000Q/ D2

velocità di rientro stelo v2= 4000Q/ (D2-d2) (doppio effetto)

Spinta F1= D2p/40

Tiro F2 = (D2-d2)p/40 (doppio effetto)

Commercialmente sono disponibili attuatori lineari a catalogo, è tuttavia

possibile progettare e costruire cilindri su misura di qualsiasi dimensione.

Attuatori Verifiche

Verifiche

Notazioni

D = diametro esterno del cilindro (mm)

d = diametro interno del cilindro (mm)

ds = diametro di saldatura fondo (mm)

h = spessore fondo (mm)

p = pressione (Pa)

amm = tensione ammissibile (Pa)

Diametro cilindro

p

pdD

amm

amm

3.1

4.0

Spessore fondo

10;45.0 r

amm

amm

s

pdh

Attuatori: Instabilità steli

Cerniera-Cerniera

L

L

L

Llib= 2L

L

Llib= L

Llib= 0,7L

Llib= 0.5L

Incastro-Libero Incastro-Cerniera Incastro-Incastro

Pcrit=2EI/L2

lib

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 articolain cinque fasi fondamentali:

A - a) definizione delle funzioni richieste al circuito

- b) definizione delle forze e/o coppie da sviluppare, dei tempi, deipercorsi, delle velocità di lavoro e di ritorno.

È assolutamente indispensabile una descrizione completa ed esauriente delciclo 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 conriferimento 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

Portata fissa GAQF

Gruppo di alimentazione

GA

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

Filtrazione e condizionamento

Valvola limitatrice di pressione

Contrasto molla

Pilotaggio (tratteggiato)

Principali gruppi di alimentazione GAQVD

Principali gruppi di alimentazione GAQVC

Principali gruppi di alimentazione GAPFA

Azionamento idraulico pilotato

Accumulatore

Circuito per attuatore lineare a doppio effetto

Dal gruppo GAQF

Circuito per attuatore lineare a doppio effetto

Pompe: tipipalette

Ingranaggi esterni

Cilindrata fissa Ingranaggi interni

capsulismi

rotativa vite

Cilindrata variabile palette

Pompe

Volumetriche

Pistoni alternativi e

Cilindri stazionari

Cilindrata fissa Cil. In linea

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

QT = (1- v ) V 10-3 (dm3/s)

V = cilindrata (cm3/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 pn e n, si può ottenere la durata in

presenza di pm e m attraverso la relazione

Hm = Hm(pn / pm)10/3n / m

con Hm ed Hm 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

mezzaluna

pignone

corona mandata

Pompe ad ingranaggi: portata

La portata è fornita dalla relazione

Q = m dp b 10-6 (dm3/s)

m = modulo della dentatura (mm)

dp= diametro della primitiva (mm)

= velocità angolare (rad/s)

b = larghezza del dente (mm)

z = numero di denti

dp = 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)

Quattro pompanti sono

sempre in fase di

aspirazione

Generalmente nove pistoni pompanti

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