L’oleodinamica è una branca della fluidodinamica che trova applicazione in ingegneria meccanica e si occupa dello studio della trasmissione dell’energia tramite fluidi in pressione, in particolare l’olio idraulico. Nella tipica applicazione oleodinamica, la portata d’olio generata da una pompa all’interno di un circuito oleodinamico viene utilizzata per muovere un martinetto o un motore idraulico a seconda che l’effetto meccanico desiderato (forza o coppia) sia lineare o rotatorio.

Vantaggi delle Trasmissioni Idrauliche

Le macchine idrauliche, definite come quella particolare categoria di strumenti e macchinari che utilizzano la potenza di un fluido per compiere lavoro, sono utilizzate in numerose applicazioni pesanti. Il vantaggio principale di una trasmissione idraulica è il fatto di permettere la trasmissione di grandi potenze a qualunque distanza e tramite tubi flessibili. Questo consente di realizzare trasmissioni disassate e senza particolari vincoli di allineamento, con il vantaggio intrinseco di avere un’ottima capacità di assorbire i picchi di carico derivanti da urti e sovraccarichi.

Inoltre la gamma di attuatori standardizzati che possono essere utilizzati nelle trasmissioni idrauliche è molto ampia. Un’altra caratteristica fondamentale dei sistemi a trasmissione idrostatica è la possibilità di moltiplicare la forza o la coppia in modo semplice e in maniera indipendente dalla distanza fra ingresso e uscita, senza la necessità di un collegamento meccanico (ingranaggi, cinghie, pulegge). Questa moltiplicazione si può realizzare in vari modi; come esempio si può pensare ai cilindri idraulici, in cui basta modificare l’area del pistone (a pari pressione) per ottenere una forza maggiore.

Tipologie di Circuiti Idraulici

Nel caso dei circuiti aperti si utilizzano pompe che forniscono una portata continua di fluido, anche pompe economiche, a cilindrata costante. La gamma dei componenti accessori si limita a valvole di sfogo (per evitare sovraccarichi di pressione) e valvole di controllo (per permettere il deflusso del fluido verso il serbatoio). Per permettere il funzionamento del motore in entrambi i sensi di rotazione, è necessario invertire il flusso del fluido.

I circuiti chiusi invece permettono il funzionamento anche in modalità reversibile, ovvero con il motore che assorbe potenza (frenando l’utilizzatore). Per evitare la cavitazione, tutte le condotte vengono alimentate da una pompa ausiliaria, che fornisce una portata di poco superiore a quella di trafilamento. Una valvola di massima pressione scarica la portata in eccesso.

Potenza Idraulica e Rendimento

La potenza idraulica è esprimibile come prodotto fra portata e pressione (P = Q p). Si introducono quindi diversi rendimenti, sempre inferiori a 1: il rendimento volumetrico (ηq) e il rendimento meccanico (ηp) o di pressione.

Per una pompa, il rendimento volumetrico esprime la portata perduta (Qeff = ηq Qteorica). Il rendimento meccanico invece (ηp) viene espresso in funzione della perdita di pressione (peff = ηp pteorica). Per un motore le relazioni vengono invertite, in quanto il motore deve elaborare più fluido (e quindi portata) per ottenere la potenza teorica.

Oltre alle perdite nelle pompe e nei motori, vanno considerate le perdite all’interno dei circuiti con trasmissioni idrostatiche. Queste sono generalmente di due tipi: localizzate o distribuite. Le seconde sono relative alla resistenza dovuta al flusso di fluido all’interno delle tubazioni.

Fluidi Idraulici

Come già spiegato, il fluido idraulico è il mezzo che permette la trasmissione idrostatica della potenza nel circuito. Sono solitamente olii di origine petrolifera, con aggiunta di vari additivi. I campi di temperature ammesse sono, per funzionamento continuo, 130°C per olii di origine petrolifera, 200°C per esteri siliconici e 260°C per esteri.

Viscosità dell'Olio Idraulico

Su Wikipedia troviamo che la viscosità è una grandezza fisica che misura la resistenza di un fluido allo scorrimento. La viscosità è legata all’attrito tra le molecole del fluido: tale attrito varia al variare della temperatura e della pressione a cui è sottoposto il lubrificante. Pertanto all’aumentare della temperatura abbiamo come conseguenza la diminuzione della viscosità.

Ad esempio, un olio idraulico ISO VG 46 dopo circa 30 minuti di utilizzo in un impianto idraulico vedrà diminuire la propria viscosità fino a ISO VG 32. A seguito di questo fenomeno si avrà una conseguente diminuzione dell’efficienza del circuito idraulico e una maggiore usura dei componenti (pompa, servo valvole, ecc.). Questo principio è valido in generale per tutti i lubrificanti e tutte le gradazioni di viscosità.

Capiamo perciò perché è importante utilizzare lubrificanti che limitino questo fenomeno. A parità di viscosità si consiglia quindi di utilizzare oli ad Alto Indice di Viscosità. Attenzione! Una miglior capacità di resistere a questa riduzione di viscosità causata dalla temperatura la possiamo riscontrare in due tipologie di lubrificanti differenti: olio totalmente sintetico e olio minerale ad alto indice di viscosità.

Pompe Idrauliche

Le pompe idrauliche forniscono fluido ai componenti nel sistema. Solitamente ricevono potenza da un motore elettrico o a scoppio, connesso tramite cinghie, ingranaggi, o accoppiamenti flessibili. Economiche, a durata elevata, dal funzionamento semplice. Sono meno efficienti perché hanno una cilindrata fissa, e sono solitamente utilizzate per pressioni sotto ai 20 MPa.

Il funzionamento è molto semplice: un motore fa ruotare una delle due ruote dentate, che trascina l’altra. Il fluido viene trascinato nei vani che si realizzano fra i fianchi dei denti e la superficie cilindrica del corpo pompa. In questo modo si genera una portata volumetrica, mentre una piccola parte di fluido defluisce all’indietro (abbassando quindi l’efficienza). Sono pompe molto diffuse, soprattutto per le applicazioni a funzionamento continuativo.

Vengono progettate in genere con un meccanismo a spostamento variabile, per modificare il flusso in uscita e controllare la pressione del sistema. In genere è presente un corpo cilindrico rotante con cilindri scavati. I pistoni sono collegati mediante cerniere e pattini al piatto inclinato (che è fisso rispetto al carter); i pistoni sono trascinati dal corpo rotante.

Un’altra modalità costruttiva è quella a corpo inclinato. Nelle pompe a pistoni assiali il numero cilindri è in genere 5 o 7, comunque dispari (per evitare punti morti). Nelle pompe a cilindrata variabile, la portata può variare per effetto di due regolazioni. Da catalogo si ricava il diagramma di funzionamento del motore scelto. La cilindrata richiesta Vr è pari a V = Q 1000 / n. Ipotizzando di fornire potenza alla pompa tramite un motore operante a 1000 giri/min, si ricava una cilindrata di 8.2 cm3, il 45% della cilindrata massima.

Una volta scelti i componenti principali non resta che scegliere i tubi. La scelta è facilitata dai cataloghi dei produttori, che forniscono abachi per il calcolo del diametro dei tubi in funzione della pressione.

Le pompe a pistoni

Le pompe a pistoni sono uno degli elementi fondamentali nel design e nel funzionamento di sistemi oleodinamici. Queste pompe sono progettate per generare un flusso costante di fluido ad alta pressione, mediante il movimento alternato di uno o più pistoni all'interno di cilindri.

  1. Pompe a pistoni assiali: Il movimento dei pistoni è parallelo all'asse della pompa.
  2. Le pompe a pistoni offrono numerosi vantaggi rispetto ad altre tipologie di pompe, come quelle a palette o a ingranaggi.
  3. Regolabilità del flusso: Molte pompe a pistoni sono dotate di un sistema di controllo della portata, che permette di regolare il flusso in base alle esigenze del sistema.
  4. Le pompe a pistoni sono utilizzate in una vasta gamma di applicazioni, soprattutto dove è richiesto un alto livello di potenza e precisione nel controllo del flusso.

Applicazioni delle pompe a pistoni:

  • Sistemi idraulici industriali: Le pompe a pistoni sono impiegate per alimentare macchinari industriali ad alta pressione, come presse, piegatrici, e sistemi di movimentazione.
  • Sistemi di trasmissione su macchine movimento terra e veicoli: In queste applicazioni, la pompa a pistoni è utilizzata per alimentare i sistemi di sterzo, le leve di comando e i sistemi di sollevamento idraulico.
  • Sistemi di controllo in ambito navale e offshore: Le pompe a pistoni sono utilizzate per il controllo di timoni, gru e altre attrezzature marine.
  • Le pompe a pistoni richiedono una manutenzione regolare per garantire il corretto funzionamento nel tempo.

Cos'è e come funziona un motore idraulico?

I motori idraulici svolgono la funzione inversa delle pompe, cioè convertono l’energia idraulica in energia meccanica di tipo rotatorio. Come per le pompe, anche per i motori esiste una ampia gamma di forme e principi costruttivi. Gran parte delle considerazioni costruttive fatte per le pompe volumetriche possono essere riferite anche ai motori volumetrici corrispondenti.

Pochi tipi di motori sono utilizzabili sia a velocità di rotazione molto basse che a quelle superiori a 1000 RPM. I motori lenti detti anche motori LSHT (Low Speed High Torque) oltre a presentare basse velocità di rotazione presentano coppie elevate e sono ideali per tutte quelle applicazioni nelle quali l’utilizzatore richiede un carico notevole e basse velocità; infatti in questi casi un motore veloce, oltre a lavorare male, richiede ingombri e, quindi, costi molto più elevati.

Nell’esempio in esame, ciò è realizzato tramite un anello fisso che presenta una serie di condottini disposti in direzione assiale, di questi una metà (pari al numero delle camme) è posta in comunicazione con condotto toroidale in comunicazione con l’ammissione e l’altra metà con un condotto toroidale collegato allo scarico. Il rotore, all’interno del quale sono realizzati i cilindri in cui alloggiano i corrispondenti pistoni, presenta, per ciascun cilindro, un condottino disposto anch’esso in direzione assiale e collegato al cilindro stesso. Questo condotto, a causa della rotazione del rotore, viene in contatto, alternativamente, con i condotti fissi di alta e bassa pressione.

La versione multicorsa di questi motori presenta, al posto del piatto inclinato, un disco che è disposto perpendicolarmente all’asse di rotazione. Solo i motori a palette fanno eccezione in quanto all’avviamento, per l'iniziale assenza delle forze centrifughe, le palette non riescono ad aderire sufficientemente ai fianchi dello statore per fare una adeguata tenuta, conseguentemente la coppia di avviamento si riduce notevolmente.

Principio di Funzionamento delle Pompe a Pistoni Assiali

Il principio di funzionamento di una pompa a pistoni assiali si basa sul movimento alternativo di un certo numero di pistoni all'interno di cilindri disposti parallelamente all'asse di rotazione. Questi pistoni sono collegati a un elemento rotante, tipicamente un piatto oscillante (o swashplate), tramite bielle o pattini.

Quando l'elemento rotante ruota, i pistoni compiono un movimento alternato di aspirazione e mandata all'interno dei cilindri:

  • Fase di Aspirazione: Durante la fase di aspirazione, il pistone si ritrae all'interno del cilindro, creando un volume crescente. Questa depressione aspira il fluido idraulico attraverso una valvola di ingresso nel cilindro.
  • Fase di Mandata: Successivamente, il pistone si sposta in avanti, riducendo il volume del cilindro. Questa compressione spinge il fluido idraulico attraverso una valvola di uscita verso il circuito idraulico a una determinata pressione.

L'angolo del piatto oscillante determina la corsa dei pistoni e, di conseguenza, la portata della pompa. Regolando l'angolo del piatto oscillante, è possibile variare la portata della pompa, rendendola adatta a diverse applicazioni che richiedono flussi variabili. Esistono anche design con cilindri rotanti attorno a un albero fisso, ottenendo un effetto simile.

Componenti Chiave di una Pompa a Pistoni Assiali

Per comprendere appieno il funzionamento di una pompa a pistoni assiali, è fondamentale conoscere le sue componenti principali:

  • Albero di trasmissione: Fornisce la potenza meccanica per azionare la pompa.
  • Blocco cilindri (o tamburo): Contiene i cilindri in cui si muovono i pistoni.
  • Pistoni: Elementi che eseguono il movimento alternato per aspirare e spingere il fluido.
  • Piatto oscillante (o swashplate): Converte il movimento rotatorio dell'albero in movimento lineare dei pistoni. L'angolo del piatto oscillante determina la corsa dei pistoni e, quindi, la portata della pompa.
  • Bielle o pattini: Collegano i pistoni al piatto oscillante, trasmettendo il movimento.
  • Valvole di ingresso e uscita: Controllano il flusso del fluido idraulico dentro e fuori dai cilindri, garantendo che il flusso avvenga nella direzione corretta.
  • Corpo pompa: Involucro che contiene e protegge tutti i componenti interni.

Vantaggi delle Pompe a Pistoni Assiali

Le pompe a pistoni assiali offrono numerosi vantaggi rispetto ad altri tipi di pompe idrauliche, che le rendono la scelta preferita in molte applicazioni:

  • Alta Pressione di Esercizio: Sono in grado di generare e sostenere pressioni molto elevate, essenziali per applicazioni che richiedono forze considerevoli.
  • Alta Efficienza: Offrono un'elevata efficienza volumetrica e meccanica, il che significa che convertono una grande percentuale della potenza in ingresso in potenza idraulica in uscita, riducendo le perdite e il consumo energetico.
  • Portata Variabile: Molte pompe a pistoni assiali sono progettate per variare la portata, consentendo di adattare il flusso del fluido idraulico alle esigenze specifiche dell'applicazione. Questo è particolarmente utile in sistemi che richiedono un controllo preciso della velocità e della forza.
  • Lunga Durata: Grazie alla loro costruzione robusta e all'utilizzo di materiali di alta qualità, le pompe a pistoni assiali tendono ad avere una lunga durata operativa, riducendo i costi di manutenzione e sostituzione.
  • Affidabilità: Sono generalmente molto affidabili e in grado di operare in condizioni gravose.
  • Design Compatto: Nonostante la loro elevata potenza, possono avere un design relativamente compatto, facilitando l'integrazione in spazi ristretti.

Svantaggi delle Pompe a Pistoni Assiali

Nonostante i numerosi vantaggi, le pompe a pistoni assiali presentano anche alcuni svantaggi che è importante considerare:

  • Costo Elevato: Rispetto ad altri tipi di pompe, come le pompe a ingranaggi o a palette, le pompe a pistoni assiali sono generalmente più costose, sia in termini di acquisto iniziale che di manutenzione.
  • Rumorosità: Possono essere più rumorose rispetto ad altri tipi di pompe, soprattutto a pressioni elevate.
  • Complessità: La loro costruzione è più complessa, il che può rendere la manutenzione più difficile e richiedere personale specializzato.
  • Sensibilità alla Contaminazione: Sono più sensibili alla contaminazione del fluido idraulico rispetto ad altri tipi di pompe. La presenza di particelle contaminanti può causare usura prematura e guasti.

Applicazioni delle Pompe a Pistoni Assiali

Le pompe a pistoni assiali trovano impiego in una vasta gamma di applicazioni industriali e mobili, grazie alla loro capacità di fornire alte pressioni, flussi variabili e affidabilità. Alcuni esempi includono:

  • Macchinari Edili e Movimento Terra: Escavatori, bulldozer, gru, pale caricatrici.
  • Macchinari Agricoli: Trattori, mietitrebbie, irroratrici.
  • Macchinari Industriali: Presse idrauliche, macchine utensili, macchine per lo stampaggio a iniezione.
  • Settore Marittimo: Sistemi di propulsione navale, gru di bordo, verricelli.
  • Settore Aeronautico: Sistemi di controllo del volo, carrelli di atterraggio.
  • Settore Minerario: Macchinari per l'estrazione mineraria, perforatrici.
  • Veicoli Industriali: Camion, Autobus, mezzi speciali.

Tipi di Pompe a Pistoni Assiali

Esistono diverse varianti di pompe a pistoni assiali, progettate per soddisfare esigenze specifiche. Le principali tipologie sono:

  • Pompe a Piatto Oscillante: Sono le più comuni. L'angolo del piatto oscillante determina la corsa dei pistoni e, quindi, la portata della pompa. Possono essere a cilindrata fissa o variabile.
  • Pompe ad Albero Inclinato: In queste pompe, il blocco cilindri è inclinato rispetto all'asse di rotazione. L'inclinazione determina la corsa dei pistoni. Anche queste possono essere a cilindrata fissa o variabile.
  • Pompe con Cilindri Rotanti: In questo design, i cilindri ruotano attorno a un albero fisso, mentre i pistoni si muovono assialmente.

Selezione di una Pompa a Pistoni Assiali

La selezione della pompa a pistoni assiali più adatta a una specifica applicazione richiede un'attenta valutazione di diversi fattori:

  • Pressione di esercizio richiesta: Determinare la pressione massima che la pompa dovrà generare.
  • Portata richiesta: Calcolare il flusso di fluido idraulico necessario per soddisfare le esigenze dell'applicazione.
  • Tipo di fluido idraulico: Assicurarsi che la pompa sia compatibile con il fluido idraulico utilizzato.
  • Temperatura di esercizio: Verificare che la pompa possa operare in sicurezza all'interno dell'intervallo di temperatura previsto.
  • Efficienza: Scegliere una pompa con un'elevata efficienza per ridurre il consumo energetico e i costi operativi.
  • Rumorosità: Considerare il livello di rumorosità della pompa, soprattutto in ambienti sensibili al rumore.
  • Costo: Valutare il costo iniziale della pompa, nonché i costi di manutenzione e riparazione a lungo termine.
  • Affidabilità e Durata: Ricercare modelli con una comprovata affidabilità e durata.
  • Controllo: Valutare le opzioni di controllo disponibili (elettroproporzionale, manuale, ecc.) e scegliere quella più adatta all'applicazione.

Manutenzione delle Pompe a Pistoni Assiali

Una corretta manutenzione è essenziale per garantire la lunga durata e l'affidabilità delle pompe a pistoni assiali. La loro capacità di fornire alte pressioni, flussi variabili e affidabilità le rende insostituibili in molte applicazioni industriali e mobili.

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