L’obiettivo di questo articolo è fornire una solida conoscenza dei concetti generali associati alle attrezzature idrauliche e pneumatiche presenti oggi nell’industria, concentrandosi in particolare sul martinetto idraulico ad aria compressa.
Introduzione all'Idraulica e alla Pneumatica
L’idraulica è stata inizialmente definita come lo studio dei comportamenti fisici dell’acqua a riposo ed in movimento, ma ha poi assunto un significato più ampio includendo i comportamenti fisici di tutti i fluidi. La potenza idraulica viene utilizzata praticamente in ogni settore industriale. La si può trovare quotidianamente nelle automobili, macchine utensili, aerei, nei satelliti e nelle macchine planetarie.
La pneumatica è simile all’idraulica, ma si riferisce ad aria pressurizzata (aria compressa) o altri gas, anziché liquidi come nell’idraulica. La differenza principale tra un liquido ed un gas è che quest’ultimo è comprimibile, mentre un liquido è considerato virtualmente non comprimibile.
Principi Fondamentali
Un fluido è, per definizione, una sostanza che fluisce e che assume la forma del recipiente che lo contiene. Sia i liquidi sia i gas sono considerati fluidi. Una forza è, per definizione, qualsiasi causa che tende a generare o modificare moto. Per muovere un corpo, deve essere applicata ad esso una forza. La quantità di forza necessaria per muoverlo dipende dalla sua inerzia.
Le pompe idrauliche non creano pressione, creano un flusso. I compressori ad aria o gas creano pressione, tuttavia la pressione “scorre” da zone ad alta a bassa pressione. La pressione viene creata quando il flusso trova una resistenza. Se il flusso incontra una resistenza leggera o minima, allora la pressione sviluppata sarà lieve o minima. All’aumentare della forza corrisponde un aumento della pressione.
Il lavoro invece è una misura di realizzazione. Se una forza di 1200 libbre (5280 Newton) muove uno stelo di 4 pollici (10 centimetri), il lavoro risultante è 4800 pollici per libbre o 528 Joule (𝐽=𝑁𝑚). La potenza è il lavoro per unità di tempo. Le unità di misura standard per la misurazione della potenza sono il Watt (W) o il cavallo vapore (CV).
Legge di Pascal
Blaise Pascal, scienziato, filosofo e matematico francese, è stato un pioniere nel campo dello studio dei fluidi. Essendo i fluidi liquidi virtualmente incomprimibili, una forza meccanica può essere trasmessa, moltiplicata, controllata e diretta mediante fluidi sotto pressione. Quando una forza viene applicata ad un liquido confinato, questo mostra sostanzialmente lo stesso effetto di rigidità di un solido.
Una piccola forza di 1 libbra su una superficie di un pollice quadrato equivale ad 1 psi (pound per square inch, ovvero libbre per pollice quadrato). Applicando 1 psi ad un recipiente contenente un fluido, allora la pressione del fluido sarà di 1 psi. Qui è dove la forza è moltiplicata grazie alle leggi della fisica ed avviene la “magia”.
Componenti e Funzionamento del Martinetto Idraulico ad Aria Compressa
La forza o energia d’ingresso all’interno di un sistema idraulico o pneumatico proviene da un flusso di fluido. Questo flusso incontra una resistenza e viene sviluppata una pressione. La pressione agisce sulla superficie di un pistone o di uno stelo creando una forza.
Il passaggio di un flusso di un fluido all’interno di un sistema genera attrito e produce calore. L’attrito all’interno di un sistema non può essere eliminato, ma può essere controllato. Fattori che influenzano l'attrito includono:
- Distanza coperta dal fluido.
- Numero di giri e raccordi.
- Linee troppo strette comportano un’elevata velocità del fluido.
- Elevata viscosità del fluido.
In un sistema idraulico o pneumatico, il fluido passante attraverso un tubo viaggia ad una certa velocità, espressa in metri al secondo. La quantità di fluido che scorre all’interno del tubo in un dato periodo di tempo è detta flow rate, o portata, ed è misurata in litri al minuto.
Con il passaggio di un fluido all’interno di un tubo parte dell’energia viene persa con l’attrito producendo un calo di pressione o differenziale di pressione. Deve esserci un calo di pressione attraverso una restrizione per provocare il passaggio di un fluido attraverso di essa. Se non c’è il fluido non ci sarà alcun calo di pressione.
All’interno di un fluido in movimento, il differenziale di pressione tenderà a salire e la pressione a diminuire all’aumentare della distanza dalla sorgente di pressione (pompa, compressore). Un fluido perderà energia a causa dell’attrito e pressione a causa delle restrizioni.
Fluidi Utilizzati nei Sistemi Idraulici
Nei sistemi oleodinamici sono utilizzati una vasta gamma di fluidi. Il fluido utilizzato ha un grosso impatto sul funzionamento e sulla manutenzione del macchinario. L’utilizzo di un fluido pulito e di alta qualità è il primo passo verso il raggiungimento a lungo termine di un sistema affidabile. Oltre a svolgere la funzione di mezzo per trasmettere energia, il fluido deve ridurre al minimo la resistenza attraverso una buona lubrificazione.
Proprietà importanti dei fluidi idraulici:
- Viscosità: Indica il valore della resistenza di un fluido che scorre. Fluidi più densi hanno un'elevata viscosità, mentre fluidi più sottili hanno una bassa viscosità.
- Lubrificazione: Previene l’abrasione tra parti a scorrimento che si trovano a stretto contatto tra loro.
- Resistenza all’ossidazione: Determina l’efficacia operativa e la vita del fluido.
Tipi di fluidi idraulici:
- Oli animali e vegetali
- Acqua
- Oli non infiammabili
- Acqua e glicole
- Sintetico
- Emulsioni di olio e acqua
Le raccomandazioni del produttore devono essere seguite attentamente nel passare da un fluido a base di petrolio ad un olio non infiammabile o da un fluido non infiammabile ad un altro. Il sistema deve essere drenato a fondo, lavato, risciacquato e riempito correttamente. Potrebbe anche essere necessario cambiare tenute e guarnizioni ai componenti.
L’analisi periodica in laboratorio è il metodo più accurato per sapere quando e con che frequenza i fluidi vanno sostituiti. Solitamente il fornitore di fluidi offre questi test.
Presse Pneumatiche e Idrauliche
Le presse pneumatiche sono alimentate da aria compressa. L’aria riempie il cilindro superiore creando una pressione che spinge verso il basso la piastra di pressatura. Le Presse idrauliche utilizzano un motore elettrico per pompare olio idraulico. Entrambi questi tipi di presse possono aiutare la tua azienda a gestire i rifiuti in modo efficiente.
Le presse pneumatiche possono collegarsi direttamente alle linee d’aria esistenti. Il tipo di valvola è subordinato all’impianto pneumatico.
Valvole Pneumatiche
Le valvole impiegate nella pneumatica servono innanzitutto per il comando. Per poter comandare occorre energia, cercando di realizzare il massimo effetto con un consumo minimo. Le valvole regolatrici permettono di variare uno dei due parametri fondamentali dell’aria compressa che sono la portata e la pressione.
Una valvola 3/2 è dotata di tre porte d’aria su due posizioni. Le due posizioni si riferiscono a due diverse posizioni di lavoro (ON, OFF) del nucleo dell’elettrovalvola pneumatica. Il corpo della valvola pneumatica ha tre porte, cioè A, P e T, di cui una (P) è per l’ingresso e due (A & T) sono per l’uscita: una delle uscite è normalmente aperta e l’altra è normalmente chiusa.
Una valvola a 2 posizioni e 3 vie normalmente chiusa prevede che la circolazione del fluido sia inibita quando la bobina non è alimentata (l’ingresso e l’uscita sono chiusi), o che A e P siano scollegati ad alimentazione spenta e A e T siano collegati con l’alimentazione accesa. Una valvola a 2 posizioni e 3 vie normalmente aperta prevede che la circolazione del fluido sia permessa quando la bobina non è alimentata, o che A e P siano collegati con alimentazione spenta.
Nella progettazione di una valvola 3/2 è necessario considerare le condizioni di lavoro l’ambiente di un sistema pneumatico. In presenza di sostanze aggressive il corpo della valvola e le guarnizioni devono essere resistenti alla corrosione.
Una tipica applicazione per una valvola 3/2 è l’azionamento di un cilindro a semplice effetto. Un cilindro a semplice effetto ha una porta pneumatica per riempire e svuotare una camera d’aria. Il cilindro si muove in una direzione riempiendo la camera d’aria e torna indietro grazie alla forza di una molla. Le valvole a 3/2 vie sono adatte per applicazioni di soffiaggio, rilascio della pressione e vuoto.
Pompa Idropneumatica
Generare una pressione idraulica elevata (fino a 700 bar) con aria compressa a 6 o 7 bar e un piccolo motore ad azionamento pneumatico: questo è il principio di una pompa idropneumatica. Si tratta di una fonte d'energia estremamente compatta e portatile, che presenta il vantaggio importante di poter essere impiegata ovunque sia a disposizione dell'aria compressa.
La pompa idropneumatica è una soluzione migliore rispetto alla pompa a mano, che richiede l'impiego di forza manuale. A prima vista la pompa idropneumatica si presenta come una piccola scatola chiusa con un pedale e le connessioni per l'aria compressa e l'olio. Il segreto si trova però sotto il coperchio, perché la scatola funge da serbatoio per l'olio e all'interno è presente un piccolo motore lineare ad azionamento pneumatico (a stantuffo) con una pompa idraulica ad alta pressione integrata.
Il funzionamento è semplice. Il motore ad azionamento pneumatico viene azionato con il pedale (o a mano) tramite una valvola ad aria, e il flusso dell'olio crea la necessaria pressione idraulica per esercitare la forza necessaria. Rilasciando il pedale, lo stesso riprenderà automaticamente la propria posizione centrale e la pressione idraulica verrà trattenuta con una valvola di non ritorno.
La pompa idropneumatica offre vantaggi importanti. È compatta e pesa, a seconda del volume del serbatoio, al massimo 7 kg circa. Il livello sonoro molto contenuto evita l'insorgere di stanchezza dell'utente. In altre parole: è portatile e in qualsiasi luogo, in presenza di aria compressa è possibile sviluppare in modo semplice una forza molto elevata.
Un vantaggio importante è anche l'alta pressione fornita dalla pompa idropneumatica. 70 Mpa (700 bar) permettono la generazione di forze enormi. Forze che normalmente richiedono utensili voluminosi e pesanti. Gli utensili idraulici ad alta pressione sono al contrario molto più compatti e pertanto leggeri.
Esistono ovviamente limiti alle possibilità della pompa idropneumatica. L'unità contiene in effetti solo una quantità limitata di olio (2,5 o 5 litri). La portata e la pressione dell'olio dipendono dalla pressione pneumatica disponibile. Soltanto una pressione pneumatica normale di circa 0,7 Mpa (7 bar) permette un pieno sfruttamento delle potenzialità.
La Turbo II Air Hydraulic Pump di Enerpac è composta di un serbatoio per l'olio di 2,5 litri, con all'interno un motore ad azionamento pneumatico che a sua volta aziona una piccola e leggera pompa idraulica. Sono disponibili due modelli standard: per applicazioni di produzione con una pressione massima di ca. 35 Mpa (350 bar) e per lavori di manutenzione e di montaggio con una pressione massima di 70 Mpa (700 bar).
Pompe a Doppia Membrana
Una pompa a doppia membrana è una tecnologia sviluppata per l'aspirazione e l'alimentazione di determinati materiali che vanno dai fanghi agli acidi e agli alcali, dai solventi alle pitture e vernici e addirittura fino alle miscele solidi-liquidi, a seconda della prestazione della pompa. Nel complesso, la pompa a doppia membrana assicura anche un ampio campo di applicazione ed è ad esempio molto in uso nell'industria chimica e tessile o nel settore della costruzione macchine.
I sistemi a spruzzo WAGNER si affidano a pompe a doppia membrana pneumatiche, cioè a dire a tipi di pompe a doppia membrana ad aria compressa. L'aria compressa genera il movimento ascendente e discendente del pistone pneumatico alloggiato nel motore della pompa. Nelle nostre pompe pneumatiche a doppia membrana WAGNER Cobra 40-25 e WAGNER Cobra 40-10 (AC) l'olio idraulico viene alimentato alla membrana assicurandone il movimento.
Come esprime il nome stesso, la pompa a doppia membrana è dotata di due membrane a movimento parallelo. Mentre una membrana alimenta a compressione il materiale dalla pompa nel tubo, la seconda aspira contemporaneamente il nuovo materiale.
Vantaggi della pompa a doppia membrana:
- Movimentazione dei materiali: flusso del materiale a pulsazioni molto ridotte a garanzia di un'alimentazione e di un getto del materiale uniforme. La pompa a doppia membrana è inoltre dotata di protezione contro il funzionamento a secco
- Manutenzione: grazie al facile accesso a tutti i componenti, anche la pompa a doppia membrana consente interventi di manutenzione e il montaggio di parti di ricambio in tempi rapidi.
Moltiplicatore di Pressione
Un moltiplicatore di pressione, o booster, è un dispositivo automatico che comprime l’aria per ottenere una pressione in uscita maggiore rispetto a quella in entrata. Viene normalmente utilizzato per intensificare localmente la pressione di ingresso di uno o più attuatori. Un moltiplicatore di pressione converte aria compressa in alta pressione sfruttando il principio delle aree differenziali. Non è necessario nessun collegamento elettrico e nessuna lubrificazione.
I moltiplicatori di pressione sono dotati di valvole di non ritorno che permettono di mantenere la pressione in uscita anche quando l’alimentazione di aria compressa viene interrotta. È pertanto necessario interrompere l’alimentazione e scaricare il circuito prima di effettuare qualsiasi intervento sul dispositivo.
Quando il booster viene pressurizzato con aria compressa, le valvole integrate garantiscono automaticamente l’aumento della pressione sul lato secondario. Il moltiplicatore di pressione si avvia automaticamente quando viene applicata la pressione di ingresso e non è ancora stata raggiunta la pressione di uscita desiderata. Quando viene raggiunta la pressione di uscita impostata, il moltiplicatore di pressione smette di funzionare per risparmiare energia, ma si riavvia automaticamente quando la pressione di uscita scende nuovamente.
Nella linea d’ingresso dell’aria compressa verso il moltiplicatore di pressione è raccomandato l’utilizzo di una valvola 3/2. Questa non deve essere aperta fino a quando non viene applicata la pressione in ingresso.
Mec Fluid 2 progetta e produce moltiplicatori di pressione caratterizzati da una pressione massima in uscita di 40 bar e da una minima occupazione di spazio. I dispositivi possono essere forniti con o senza regolatore di pressione.
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