Oleodinamica e pneumatica

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Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 1 Oleodinamica e Pneumatica Obiettivi del Corso Fornire gli strumenti di base necessari per una corretta progettazione e per un uso razionale dei sistemi a fluido. Acquisire i principi di funzionamento dei principali componenti utilizzati negli impianti pneumatici ed oleodinamici. Prendere confidenza con gli schemi circuitali e i criteri di progettazione di circuiti elettro-idraulici anche mediante lo svolgimento di esercitazioni pratiche

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Simbologia e terminologia

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Oleodinamica e Pneumatica

Obiettivi del Corso

Fornire gli strumenti di base necessari per una corretta

progettazione e per un uso razionale dei sistemi a fluido.

Acquisire i principi di funzionamento dei principali

componenti utilizzati negli impianti pneumatici ed oleodinamici.

Prendere confidenza con gli schemi circuitali e i criteri di

progettazione di circuiti elettro-idraulici anche mediante lo

svolgimento di esercitazioni pratiche

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Oleodinamica e PneumaticaProgramma di OLEODINAMICA

IntroduzioneRichiami di idrostatica; Proprietà dei fluidi idraulici: viscosità e comprimibilità

Simbologia unificata per la rappresentazione dei componenti idraulici.

Schemi e circuiti elementari

Componenti oleodinamiciClassificazione Macchine idrostatiche

Pompe e Motori: ad ingranaggi, a palette, a pistoni; Attuatori lineari

Componenti di controlloClassificazione e rappresentazione simbolica

Valvole di controllo direzione, pressione, portata,

Valvole proporzionali e servovalvole

Trasmissioni idrostatiche

Confronto delle T.I. a ciclo aperto e a ciclo chiuso. Caratteristiche delle T.I. a coppia e a potenza costante. Scelta di una T.I.

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Oleodinamica e Pneumatica

Testi indicati per la parte di oleodinamica:

• Speich, H., Bucciarelli, A., Manuale di Oleodinamica - Principi, Componenti, Circuiti, Applicazioni, Tecniche Nuove

• Rigamonti, G. Oleodinamica e pneumatica, Hoepli, Milano, 1987

• Thoma, J. Macchine e componenti idrostatici, Tecniche Nuove, Milano,1979

• Thoma, J. Introduzione all’oleodinamica ed ai sistemi oleodinamici, Tecniche Nuove, Milano 1983

• McCloy, D., Martin, H.R. Control of fluid power analysis and design, John Wiley & Sons, 1980

• James L. Johnson, Introduction to fluid power, Delmar 2002

• Esposito A., Fluid Power with applications, Prentice-Hall International, inc. 2000

• Majumdar S.R. Oil Hydraulic Systems Principles and Maintenance McGraw-Hill, 2001

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Oleodinamica e PneumaticaProgramma di PNEUMATICA

Caratteristiche dell’aria compressaComposizione Condizioni nominali e standard

Generazione, trattamento e distribuzione dell’aria compressaCompressori, Serbatoi, Linee di distribuzione,Gruppi trattamento aria

Attuatori pneumaticiCilindri pneumatici Cilindri per applicazioni speciali Motori pneumatici

Valvole pneumaticheTipi, simbologia Caratteristiche degli strozzatori

Circuiti ed applicazioni

Testi indicati per la parte di Pneumatica:- G. Belforte, A. Manuello Bertetto, L. Mazza, Pneumatica, Tecniche Nuove, Milano, 1998.

- G. Belforte, Pneumatica, Tecniche Nuove, Milano, 1987.

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Oleodinamica e Pneumatica

ESERCITAZIONI:

Realizzazione di alcuni circuiti al banco oleodinamico FESTOVerifica di una trasmissione idrostatica

E’ obbligatorio che ogni studente presenti le relazioni scritte delle

esercitazioni svolte all’atto dell’esame orale finale.

E’ previsto un test intermedio (9-14 nov. 2009) ed uno finale.

Valutazione:

Il voto d’esame terrà conto delle relazioni delle esercitazioni, dei giudizi dei test e dell’orale.

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Oleodinamica e Pneumatica

Principi dell’idraulicaLegge di Pascal nel 1648

In un liquido in quiete la pressione idrostatica è in ogni punto la medesima e si trasmette inalterata in ogni direzione.

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Oleodinamica e Pneumatica

Principi dell’idraulica

Pressa idraulica - Bramah 1795PASCAL

h1p

F1 F2p=F1/A1=F2/A2h2

R=A2/A1 il fattore di amplificazione del torchio idraulico

p F2 = F1 A2/A1

F2 = F1 R

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Oleodinamica e Pneumatica

Principi dell’idraulicaPressa idraulica - Bramah 1795

F1 F2 ∆V=h1 A1=h2 A2h2

Quello che si guadagna in forza si perde in spostamento

h1 h2 = h1 A1/A2

h2 = h1 /R

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Oleodinamica e Pneumatica

Principi dell’idraulicaPressa idraulica - Bramah 1795

F1 F2

Pompa Attuatore

Energia Meccanica

Energia Idraulica

Energia Meccanica

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Oleodinamica e Pneumatica

Principi dell’idraulicaMartinetto idraulico perfezionato

F2

FF1

1 2

a

b

R

spostamento del carico h2=15 mmNoti:

F2 =40 t

D1=10 mm

D2=200 mm

a=600 mm

b=30 mm

h1max= 20 mm

Determinare: F e Ncorse

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Oleodinamica e Pneumatica

Principi dell’idraulica

Cilindri in serie

1 2

carico carico

pompa

IPOTESICilindri ugualiCarichi uguali

∆p=50 bar

p=0 bar

p=100 barp=50 bar

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Oleodinamica e Pneumatica

Principi dell’idraulica

Cilindri in parallelo

1 2

F2

3

F1 F3

pompa

IPOTESIF1 = 500 kp

F2 = 750 kp

F3 = 1000 kp

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Oleodinamica e Pneumatica

Principi dell’idraulica

Schema elementare di un impianto frenante

Vantaggi

Forze frenanti perfettamente bilanciate e di elevata intensità in rapporto alle forze applicate.

L’utilizzazione di un tubo flessibile elimina il problema della connessione delle parti in moto relativo fra loro

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Oleodinamica e Pneumatica

Principi dell’idraulica

Vantaggi dei sistemi idrauliciLa capacità di sviluppare forze notevoli (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.)

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 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.

Ridotto peso e dimensioni si ottengono per l’elevata pressione di lavoro dei sistemi idraulici (operano senza problemi con pressioni anche superiori a 350 bar), mentre il magnete di un motore elettrico di pari dimensioni può sviluppare un’azione equivalente ad una pressione massima di circa 17 bar.

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Oleodinamica e Pneumatica

Il fluido operativo nei sistemi idraulici

Il fluido utilizzato è di norma costituito da OLIO MINERALE

Caratteristiche:

Elevata viscosità superiore a quella dell’acqua;

Elevata azione protettiva (anticorrosione) con un alto potere lubrificante che agevola il moto relativo delle parti striscianti;

L’utilizzo di additivi conferiscono all’olio specifiche caratteristiche in relazione al campo di applicazione.

Funzioni:Trasporto dell’energia (trasmissione di forze e coppie);Capacità lubrificanti dei componenti in moto relativo;Smaltimento del calore;Smorzamento delle oscillazioni di pressione

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Oleodinamica e Pneumatica

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

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Oleodinamica e Pneumatica

Proprietà dei fluidi: Viscosità degli oli minerali

E’ una caratteristica dell’attrito interno dei fluidi.

Varia con la temperatura e la pressione.

Per gli oli minerali si verifica una sensibile diminuzione della viscositàall’aumentare della temperatura.

La viscosità di tutti i liquidi cresce con la pressione

La viscosità dinamica è legata allo sforzo tangenziale dalla relazione

τ µ=dudy [ ]µ τ=

=

dydu

Nm

msm

Pa s2

Nella pratica si usa ilcentiPoise [cP] = 10-3 Pa s

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Oleodinamica e Pneumatica

Proprietà dei fluidi: Viscosità degli oli minerali

La viscosità cinematica è invece definita come

=

=

sm

mkg/

msN 2

32ρµ

υNella pratica si usa spesso ilcentiStokes [cSt]= 10-6 m2/s = 1 mm2/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 20°C.

In Inghilterra si usano i secondi Redwood [RI]

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.

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Oleodinamica e Pneumatica

Proprietà dei fluidi: Viscosità degli oli minerali

Per la misura della viscosità dei fluidi è molto usato il viscosimetro a gravità Engler.

La relazione di trasformazione èapprossimativamente la seguente:

ν[cSt] = ν[°E] / 0.132

° =°

E tempo di efflusso di cm di oliotempo di efflusso di cm di acqua a C

200200 20

3

3

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Oleodinamica e Pneumatica

Proprietà dei fluidi: Viscosità degli oli minerali La temperatura di lavoro influenza sensibilmente la viscosità dei fluidi.

Per gli oli minerali si verifica una sensibile diminuzione della viscositàall’aumentare della temperatura.

Per la sua valutazione si può utilizzare la legge di Ubbelhode-Walter:

log log ( ) log10 10 10υ + = −a k m T con ν [m2/s] e T [K]

Per un olio minerale le costanti valgono: k=9.07, m=3.54, a=0.8

La viscosità dei liquidi cresce con la pressione. Per valori di pressione inferiori a 200 bar l’effetto è trascurabile mentre è sensibile per valori superiori. La relazione analitica che ne esprime la variazione è di tipo esponenziale.

µ µ= 0,Tbpe

dove µ0,T è la viscosità a p e T ambiente, mentre b è una costante dipendente dal tipo di olio.

b= 1.7 10-3 bar-1 per oli minerali

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Oleodinamica e Pneumatica

Proprietà dei fluidi: Comprimibilità degli oli minerali

)T,p(fVm

== ρρ La densità dei fluidi dipende dalla pressione e dalla temperatura

dTTVdp

pVdV

pT

∂∂

+

∂∂

= β∆∆ p

VV

0−=Nel campo compreso

fra 0-500 bar si ha:

β coefficiente di comprimibilità isotermo

V0p0

V1p1

∆V=V1-V0 <0∆p=p1-p0 >0 pVV 0 ∆

β∆ −=

β1K −=

K modulo elastico “bulk modulus”

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Oleodinamica e Pneumatica

Proprietà dei fluidi: Comprimibilità degli oli minerali

β è molto sensibile alle inclusioni d’aria

Quando si applica una pressione di 150 bar si verifica una riduzione di volume di appena 1%.

Nel campo 0÷500 bar si ha quindi al massimo una riduzione del volume del 3.6%.

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Oleodinamica e Pneumatica

Proprietà dei fluidi: Comprimibilità degli oli minerali

dTTVdp

pVdV

pT

∂∂

+

∂∂

=Per effetto di un aumento di temperatura il fluido idraulico si espande linearrmentenel campo 0÷100°C.

( )TV

VTTVV

001

0 ∆∆

γγ∆

=⇒−= Si definisce pertanto un coefficiente di

dilatazione termica γ 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.

Cbar9

Tpp

VVT

VV

00 °≈γβ=

∆∆

⇒β∆

=∆

−∆γ=∆

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Oleodinamica e Pneumatica

Pressa idraulica

F1 F2

AttuatorePompa

Energia Meccanica

Energia Idraulica

Energia Meccanica

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Oleodinamica e Pneumatica

M

ATTUATORELINEE

VALVOLE

E. Mecc.

E. Mecc.

SERBATOIO

POMPA

ACCESSORI: filtri, manometri, scambiatori

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Oleodinamica e Pneumatica

POMPE

ALTERNATIVE

ROTATIVE

VOLUMETRICHE

DINAMICHE

ATTUATORI

LINEARI

ROTANTI

cilindro e pistone idraulico

motori idraulici

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Oleodinamica e Pneumatica

VALVOLE

CONTROLLO DELLA DIREZIONE

CONTROLLO DELLA PORTATA

CONTROLLO DELLA PRESSIONE

ACCESSORI

FILTRISCAMBIATORIACCUMULATORIINDICATORI DI LIVELLOFLUSSIMETRITERMOMETRIMANOMETRI

LINEE DICONNESSIONE

LINEE DI LAVORO

LINEE AUSILIARIE

Linea di mandataLinea di ritornoLinea di aspirazione

Linea di drenaggioLinea di pilotaggio

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Oleodinamica e PneumaticaNORMATIVA ISO 1219-1

CONSENTE:

Rappresentazione del modello funzionale di un componente o di un circuito oleodinamico

Funzione

Funzionamento

Collegamenti

Modalità costruttive

Dimensioni

Installazione e taratura

NODESCRIVE:

SI

RIPORTA

Simboli grafici di baseOrgani operatori e motoriValvole di controllo della direzione e della portataApparecchi di condizionamento e di misura

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Oleodinamica e PneumaticaSIMBOLI ISO 1219-1

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Oleodinamica e PneumaticaSIMBOLI ISO 1219-1

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Oleodinamica e PneumaticaSIMBOLI ISO 1219-1

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Oleodinamica e PneumaticaSimbologia grafica di un circuito idraulico