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
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