L'oleodinamica è una branca della fluidodinamica che trova applicazione nell'ingegneria meccanica e si occupa dello studio della trasmissione dell'energia tramite fluidi in pressione, in particolare l'olio idraulico (vettore energetico).
Principi Fondamentali dell'Oleodinamica
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 movimento) sia lineare o rotatorio.
- Un classico attuatore lineare oleodinamico è il cilindro, costituito da una camicia in cui scorre un pistone, il quale spinge uno stelo che esplica il moto.
- Per il moto rotatorio basti pensare alle ruote delle macchine movimento terra come gli escavatori o grandi trattori agricoli, oppure pensare agli argani per issare le reti dei pescherecci dove servono coppie elevate e solitamente velocità angolari modeste.
Il settore oleodinamico è in forte espansione a livello mondiale grazie alla sua grande capacità di gestire notevoli potenze tramite componentistica di dimensioni e pesi ridotti rispetto a tecnologie alternative. L'Italia occupa un ruolo di punta nel mercato europeo ed è tra i primi 5 produttori mondiali di componenti oleodinamici.
Motivi del Successo dell'Oleodinamica
Il settore Oleodinamico ha riscontrato, a partire dal 1960, un notevole successo nei più disparati settori. Il motivo è rappresentato dal fatto che questa nuova tecnologia riesce a combinare formidabili concentrazioni di potenza con straordinarie capacità di regolazione e controllo.
Essa consente di realizzare soluzioni eleganti ed efficaci per problemi di notevole importanza che prima erano considerati impossibili da risolvere. Ecco perché ha sostituito di fatto le trasmissioni elettromeccaniche in progetti complessi, che vanno dalle perforazioni petrolifere ad elevata profondità, alla siderurgia ed il settore aeronautico, alle grandi opere di ingegneria, i quali sono stati realizzati grazie ad un'oleodinamica sempre più avanzata che ha portato a cambiamenti globali nella vita di tutti i giorni.
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.
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 - 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.
Tipi 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). 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.
- 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. Anche queste vengono in genere fornite dal produttore dei tubi, in genere con abachi che legano la perdita alla lunghezza della tubazione, alla sua dimensione e alla velocità del fluido.
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.
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.
Pompe a Ingranaggi
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.
Pompe a Pistoni
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. Come già visto è possibile regolare la cilindrata della pompa modificando la corsa dei pistoni, ma è anche possibile modificare la velocità di rotazione del motore, e di conseguenza della pompa.
Motori Idraulici
In un sistema a trasmissione idrostatica assorbono la potenza idraulica generata dalla pompa.
Ipotizziamo di voler effettuare un predimensionamento di un circuito idraulico semplice, costituito da due motori che assorbono 80 Nm a 60 giri/min (500 W circa). 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.
Scelta dei Componenti e Tubazioni
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.
Lo stesso vale per i raccordi e per le valvole di controllo; una volta scelti questi componenti e calcolate le perdite distribuite e concentrate, è utile ricalcolare la pressione e la portata richieste alla pompa, per valutare se si è ancora nel campo di regolazione della stessa.
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