Quando si affronta la decisione di utilizzare pistoni idraulici o attuatori elettromeccanici in determinate applicazioni, il solo fattore decisivo è il seguente: quale delle due soluzioni risulta tecnicamente ed economicamente migliore nel caso specifico?
Nondimeno le caratteristiche peculiari di ogni applicazione vanno esaminate individualmente; risulta conveniente stilare un elenco delle numerose variabili che influenzano il processo di scelta e che vanno quindi considerate nel progetto di un sistema di attuazione lineare.
Considerazioni Tecniche ed Economiche
Oltre agli aspetti propriamente tecnici ed al costo degli stessi attuatori e dei relativi azionamenti, bisogna considerare il costo di tutte le apparecchiature ausiliarie, nonché valutare l’entità dei costi che possono sorgere lungo l’intero ciclo di vita, comprese le spese di manutenzione e riparazione. Tenendo presente l’attuale tendenza ad incrementare il periodo di garanzia, sarà opportuno considerare anche il costo, la durata e la disponibilità dei ricambi.
Componenti Ausiliari e Fluidi Idraulici
Tali apparecchiature comprendono un serbatoio d’olio in pressione, una pompa, possibilmente un accumulatore, un sistema di filtraggio e tutte le tubazioni ad alta pressione che distribuiscono il fluido idraulico e ritornano al serbatoio.
Prendiamo ora in considerazione il fluido idraulico: talvolta, per motivi legati all’ambiente o a particolari problemi di sicurezza antincendio, si utilizzano oli idraulici biodegradabili, come fluidi a base d’acqua, sostenendo così spese aggiuntive.
Come ogni altro fluido tecnico, l’olio idraulico andrà controllato regolarmente per determinarne le condizioni (tipo e quantità delle particelle sospese nel fluido, eventuale contenuto d’acqua e proprietà lubrificanti).
Infine si consideri che nelle applicazioni operanti in ambiente aperto, o soggette a basse temperature, talvolta si ricorre all’ausilio di un sistema di riscaldamento per migliorare le proprietà di scorrevolezza del fluido nelle tubazioni.
Comparativa: Sistemi Idraulici vs. Elettromeccanici
Sebbene il costo puro di un pistone idraulico sia inferiore a quello di un attuatore elettrico, il sistema idraulico nel suo complesso può risultare più caro del suo equivalente elettromeccanico. Questo è il caso in cui l’applicazione richiede un solo attuatore o un piccolo numero, poiché il costo delle apparecchiature ausiliarie peserà percentualmente di più, rendendo il sistema idraulico più costoso.
Al contrario, gli attuatori lineari elettrici necessitano solo di cavi di potenza e di trasmissione segnali o connessioni tipo bus.
Ciò nonostante, se più pistoni sono concentrati in un piccolo spazio all’interno della macchina, il costo di tutta questa attrezzatura ausiliaria può essere ripartito su tutti gli attuatori. Per questo, finché gli svantaggi potenziali derivanti dall’uso di olio (tenuto conto della pulizia in produzione, dell’inquinamento e del rischio d’incendi) sono poco significativi, un sistema idraulico può rivelarsi più adatto della sua alternativa elettromeccanica.
Vantaggi degli Attuatori Elettrici Lineari
L’intenzione è dimostrare quanto gli attuatori lineari elettrici siano sempre più una reale alternativa a quelli idraulici nelle più svariate applicazioni sia da un punto di vista tecnico che economico. Questo perché la conoscenza dei vantaggi di una soluzione elettromeccanica non è ancora molto diffusa.
Di conseguenza i potenziali utilizzatori sono spesso sorpresi che attuatori standard abbiano capacità di carico fino a 100 kN e corse fino a 1.500 mm.
Gli attuatori lineari, inoltre, sono spesso utilizzati in applicazioni con cambi di direzione di moto ad elevata frequenza. Questo sottopone il sistema idraulico a notevoli sforzi, in particolare per quanto concerne le tenute, causando perdite d’olio.
Nel caso più favorevole ciò può essere semplicemente sgradevole, ma in talune situazioni - soprattutto in processi puliti - rischia di causare considerevoli problemi produttivi perché l’olio danneggia la qualità dei prodotti realizzati.
Problemi di questa natura non accadono con sistemi elettromeccanici: è possibile raggiungere accelerazioni fino a 10 g senza perdite e l’inversione di moto non comporta alcun problema.
Un vantaggio ulteriore delle soluzioni elettromeccaniche è la controllabilità. Mentre per quanto riguarda le soluzioni idrauliche il controllo elettronico deve essere progettato con particolare attenzione, gli attuatori elettrici possono utilizzare tutti i tipi di controllo elettronico esistenti - anche rotativi.
Grazie all’incremento dei volumi produttivi, il range di attuatori sul mercato si è ampliato e il prezzo è diminuito consentendo notevoli risparmi.
Controllo Elettronico
Per qualsiasi attuatore elettromeccanico sono disponibili sistemi di controllo compatibili con tutti software e i sistemi di comunicazione via Bus più diffusi sul mercato.
La programmazione dell’unità di controllo si è dimostrata particolarmente semplice per tutti i drive elettrici: essendo il movimento prodotto dai motori non affetto da un fluido, la risposta al controllo rimane costante per tutto il periodo di funzionamento della macchina.
Per esempio, quando una macchina per iniezione plastica è attivata la mattina, si producono inizialmente parti difettose. Nel caso di una macchina elettro-attuata, i componenti vengono prodotti senza difetti sin dalla prima operazione.
Danni Causati da Ostacoli
Esiste una proprietà del sistema che rende gli attuatori idraulici la prima scelta per applicazioni come le macchine movimento terra. Se la pala di un escavatore idraulico colpisce una roccia, la comprimibilità del fluido idraulico assorbe l’urto e previene danni alle parti mobili del mezzo.
Tuttavia, questa tolleranza sull’errore può essere ingegnerizzata in altri modi, per esempio utilizzando sensori di potenza, che spengono o invertono l’attuatore non appena si riscontra una resistenza meccanica.
Costi Operativi
I costi dell’elettricità sono recentemente aumentati e purtroppo continueranno a crescere. Questa situazione fornisce agli attuatori elettromeccanici un vantaggio in termini di costi operativi.
Dopotutto è noto che ogni tipo di conversione energetica comporta delle perdite. Per esempio, la corrente elettrica è utilizzata nei sistemi idraulici per generare la pressione del fluido tramite pompe; questa pressione è quindiconvertita in movimento lineare da un pistone.
Per molti sistemi, inoltre, è necessario utilizzare un accumulatore nel quale mantenere un’elevata pressione per sopportare picchi di carico: in caso contrario, una pressione sufficiente non sarebbe fornibile così rapidamente.
Nelle macchine elettriche, al contrario, se è richiesto un basso output, viene utilizzata una bassa quantità di corrente. Non appena il carico aumenta, l’input di corrente si adatta alla richiesta senza alcun ritardo e le performance del sistema aumentano.
I sistemi elettromeccanici quindi non presentano perdite, non dovendo immagazzinare alcun tipo di energia.
Ascensore Elettrico o Oleodinamico?
È una domanda che si trovano di fronte tanti progettisti incaricati di definire le caratteristiche di nuovi edifici o alle prese con la ristrutturazione di vecchie strutture. I due tipi di impianti di sollevamento presentano caratteristiche diverse, differenti costi e, soprattutto, vantaggi e svantaggi.
L’ascensore elettrico (o ascensore a trazione tramite argano) è un elevatore che si sposta grazie a una particolare macchina di sollevamento: l’argano, che può essere gearlees nei modelli più recenti.
Diverso è il funzionamento dell’ascensore oleodinamico (o ascensore idraulico). In questo caso è presente un sistema a pistone in cui viene immesso dell’olio minerale in pressione. È una centralina oleodinamica a mettere in pressione l’olio all’interno del pistone in modo da estenderlo, per raggiungere il piano desiderato.
Quando la cabina deve salire a un piano superiore, la centralina spinge il liquido nel pistone generando il movimento verso l’alto.
L’ascensore ad argano, rispetto a un impianto oleodinamico, garantisce un minore consumo di energia e viene quindi considerato più ecologico, perché è pochissimo l’olio del motore da smaltire.
Un vantaggio dell’ascensore oleodinamico è certamente la convenienza in termini di consumi energetici in caso di basso utilizzo. Questi impianti, sono più convenienti di quelli a trazione se non vengono utilizzati in maniera intensa. Si stima una convenienza con un uso inferiore alle 150 corse giornaliere.
Infine va fatta una valutazione sui costi di installazione, che tendono ad essere più contenuti nel caso dell’ascensore idraulico, ma gli interventi per la manutenzione risultano più dispendiosi.
Macchine Idrauliche: Principi e Componenti
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 - di nuovo - 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.
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).
La potenza idraulica è esprimibile come prodotto fra portata e pressione (P = Q p). In realtà la potenza reale è diversa dalla potenza teorica. Si introducono quindi diversi rendimenti, sempre inferiori a 1: il rendimento volumetrico (ηq) e il rendimento meccanico (ηp) o di pressione.
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.
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.
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.
In un sistema a trasmissione idrostatica assorbono la potenza idraulica generata dalla pompa.
Ascensori Idraulici ed Elettrici: Una Comparazione
Gli ascensori sono dispositivi essenziali per migliorare la mobilità e la qualità di vita, in modo particolare per gli anziani o persone con disabilità. Le opzioni più comuni sono l’idraulico (conosciuto anche come oleodinamico) o elettrico (detto anche a fune).
L‘ascensore idraulico funziona utilizzando la pressione di un fluido su un pistone, il quale permette di spingere e abbassare la cabina dell’ascensore. È ideale per edifici di dimensioni ridotte con pochi piani, fino a un massimo di 6, e con una corsa di 15 metri. Questo tipo di ascensore è noto per la sua silenziosità e affidabilità, e richiede meno spazio a differenza di quello elettrico.
L’ascensore elettrico, invece, è comunemente utilizzato in edifici più grandi, è azionato tramite un motore elettrico gearless che utilizza una trasmissione a cinghia con contrappeso.
Per scegliere la soluzione migliore, è importante considerare il contesto in cui l’ascensore verrà installato e le tue esigenze. Ad esempio, se possiedi una casa singola di dimensioni ridotte, potresti beneficiare di un ascensore idraulico che si adatta meglio alle dimensioni limitate e offre una soluzione efficiente per il trasporto verticale.
È importante considerare attentamente il numero di piani da servire, le dimensioni della cabina e lo spazio disponibile prima di prendere una decisione definitiva. Inoltre, è fondamentale verificare che l’ascensore selezionato sia conforme alle normative di sicurezza attuali per garantire la tua protezione durante l’utilizzo.
Servosterzo Idraulico vs. Elettrico
Il servosterzo, secondo il Dizionario dell’auto di Quattroruote, è un sistema che “riduce lo sforzo da esercitare sul volante per sterzare le ruote”, in particolare a basse velocità e durante le manovre. Senza un servosterzo, il conducente dovrebbe applicare molta più forza per girare il volante, soprattutto in situazioni in cui il veicolo è fermo.
Il servosterzo idraulico fu sviluppato negli anni 30 del 1900 da un ingegnere americano, Francis W. Davis, che lavorava per la Pierce-Arrow Motor Car Company.
Secondo il Dizionario dell’auto di Quattroruote, il servosterzo “agisce tramite un circuito idraulico ad alta pressione che si avvale di una pompa azionata dal motore e di un complesso sistema di valvole. Il servosterzo non è quindi attivo a motore spento”.
In pratica, come vedremo più avanti nel dettaglio, una pompa alimentata dal motore della macchina genera pressione in un circuito idraulico e questa pressione viene applicata allo sterzo per assisterne il movimento.
In pratica, il servosterzo elettrico utilizza un più semplice motore elettrico per fornire assistenza al sistema dello sterzo.
Come accennato, il servosterzo idraulico utilizza la pressione generata da una pompa su un fluido idraulico, pressione che è utilizzata per agevolare la rotazione del volante nelle automobili. Quando il conducente gira il volante, la valvola di comando rileva la direzione e la forza applicata dal guidatore.
La pompa idraulica invia fluido pressurizzato al cilindro idraulico nella direzione appropriata. Un sistema di regolazione elettronico interviene sulla parte idraulica tenendo conto della velocità della vettura.
Il servosterzo idraulico fornisce un'assistenza costante e fluida e per questo è preferito dai puristi della guida. Tuttavia, si tratta di sistemi più complessi e, dunque, più costosi, anche in termini di manutenzione ordinaria. Inoltre, il loro funzionamento richiede più energia dei sistemi elettrici, cosa che impatta negativamente sui consumi della vettura.
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