In un mondo sempre più orientato verso l'efficienza e la precisione, la trasmissione di potenza è una delle sfide ingegneristiche più complesse. Come possiamo quindi affrontare questa complessa equazione per trasmettere potenza in modo efficiente, affidabile e adattabile?
L'oleodinamica è una tecnologia di movimentazione basata sull'uso di fluidi, in particolare olio, per trasmettere forza e movimento. Ma come funziona l'oleodinamica? Il cuore di un sistema oleodinamico è la pompa, che trasforma l'energia meccanica in energia fluida. La pompa agisce da generatore di pressione, facendo in modo che il fluido venga spinto attraverso il sistema.
Il fluido utilizzato nell'oleodinamica ha delle proprietà particolari che lo rendono adatto a questo tipo di applicazioni. In primo luogo, l'olio è incompressibile, il che significa che la pressione generata dalla pompa viene trasmessa senza perdite di energia. Gli elementi principali di un sistema oleodinamico sono la pompa, i tubi, le valvole e il cilindro o pistone. Il cilindro o pistone è il componente che converte la pressione del fluido in movimento meccanico.
L'oleodinamica offre diversi vantaggi rispetto ad altre tecnologie di movimentazione. In primo luogo, i sistemi oleodinamici possono generare una grande quantità di forza, grazie alla pressione generata dal fluido. In secondo luogo, gli oleodinamici sono molto precisi e possono essere facilmente controllati grazie alle valvole e ai dispositivi di regolazione della pressione.
Principi di Funzionamento dei Motori Idraulici
La peculiarità di questi motori è l'utilizzo di un fluido, solitamente olio, come mezzo di trasmissione di energia. Questo contraddistingue i motori idraulici da quelli elettrici, che utilizzano campi elettromagnetici per la trasmissione di potenza.
Un motore oleodinamico opera attraverso una sequenza di passaggi accuratamente coordinati. Inizialmente, una pompa idraulica preleva olio da un serbatoio e lo comprime, generando un flusso ad alta pressione. Questo flusso viene poi inviato attraverso un circuito di tubi e valvole al motore idraulico. Qui, il fluido viene iniettato in camere sigillate contenenti pistoni, o in alcuni casi, una turbina.
Per ottenere un controllo preciso del movimento, il sistema utilizza spesso valvole direzionali e sensori di feedback che permettono di variare la pressione e il flusso del fluido in tempo reale.
Vantaggi dei Motori Idraulici Oleodinamici
I motori idraulici oleodinamici presentano una serie di vantaggi tecnici che li rendono insostituibili in molti ambiti:
- Coppia elevata: grazie al principio oleodinamico, questi motori possono generare una coppia molto elevata in relazione al loro volume.
- Efficienza energetica: se progettati e mantenuti correttamente, i motori idraulici possono raggiungere efficienze energetiche fino al 95%.
Applicazioni dei Motori Idraulici
L'ampio spettro di vantaggi tecnici si traduce in una gamma altrettanto ampia di applicazioni. I motori oleodinamici sono delle componenti indispensabili per il corretto funzionamento dei macchinari impiegati in vari ambiti: a partire dalle macchine industriali e agricole fino ad arrivare al settore mobile. Sono inoltre comuni in settori come l'agricoltura, la produzione industriale, e l'estrazione di risorse naturali. I motori oleodinamici vengono impiegati soprattutto nel settore industriale, per il sollevamento e il movimento di carichi pesanti, e in quello mobile.
Tipologie di Motori Oleodinamici
Questi motori possono assumere diversi aspetti in base all’impiego finale. Infatti ci sono svariate tipologie: ad ingranaggi esterni, a pistoni radiali o assiali a cilindrata fissa, orbitali, unidirezionali o bidirezionali. I motori oleodinamici sono le componenti principali dei macchinari; infatti servono per trasformare l’energia idraulica, fornita dalla pompa, in energia meccanica tramite un movimento rotatorio. Questi motori sono molto compatti e per funzionare correttamente devono avere una specifica struttura.
Nel dettaglio, questi motori devono essere accoppiati ad una pompa idraulica costituita da diversi ingranaggi o da pistoni e piccole pale.
Motori Orbitali:
Motori gerotor a distribuzione radiale. Motori roller a distribuzione frontale compensata e con supporto dell'albero a cuscinetti. Motori con gruppo orbitale a roller quadro, distributore frontale compensato e supporto albero con cuscinetti a rulli. Motori con gruppo orbitale a roller quadro ad alte prestazioni, valvola di distribuzione compensata con giunto di trascinamento separato e albero di uscita supportato da cuscinetti a rulli conici. Le soluzioni costruttive adottate consentono di raggiungere pressioni di 280 bar e potenze sino a 40 kW.
Motori a Pistoni Radiali:
I nuovi motori idraulici a pistoni radiali Hägglunds CAb nelle versioni da 10 a 40, più compatti e leggeri delle serie precedenti, mantengono invariate le prestazioni, raggiungendo così un’impareggiabile densità di potenza. Questo motore a pistoni radiali compatto rende gli azionamenti idraulici diretti la scelta ottimale per applicazioni di peso e dimensioni più contenute.
Motori a Pistoni Assiali:
I motori a pistoni assiali sono disponibili in versione a piastra oscillante o ad asse inclinato, per applicazioni a pressioni medio-alte. I nostri azionamenti idrostatici, concepiti per applicazioni mobili e stazionarie, si distinguono per robustezza, affidabilità, resistenza, silenziosità nonchè un'elevata efficienza e ottimizzazione dei costi.
Motori a Ingranaggi Esterni:
I motori a ingranaggi esterni rappresentano una possibile alternativa fra gli azionamenti rotativi per potenze fino a circa 50 kW. Questi motori sono disponibili in versione a rotazione monodirezionale o reversibile, per funzionamento a 2 e a 4 quadranti.
Componenti e Fornitori Affidabili
Nel campo dei motori idraulici, la qualità e l'adattabilità sono due fattori che non possono essere compromessi. Ecco alcuni fornitori affidabili:
- Oleodinamica Mas: Con una gamma vasta e diversificata di motori idraulici, l'azienda offre soluzioni specifiche per svariati settori.
- Eurofor srl: Grazie all’esperienza pluriennale dei soci fondatori nel settore dell’oleodinamica, della pneumatica e dell’automazione sono in grado di offrire ai clienti prodotti di altissima qualità e servizi di riparazione eccellenti.
- Bosch Rexroth: Offre macchine e sistemi di qualsiasi dimensione che sono economici, precisi, sicuri ed efficienti dal punto di vista energetico.
Principi di Funzionamento Dettagliati
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.
I motori idraulici svolgono la funzione inversa delle pompe, convertendo l'energia idraulica in energia meccanica di tipo rotatorio. Analogamente alle pompe, esiste una vasta gamma di forme e principi costruttivi per i motori. Molte delle considerazioni costruttive applicabili alle pompe volumetriche possono essere estese anche ai motori volumetrici corrispondenti.
Circuiti Idraulici: Aperti e Chiusi
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.
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.
Tipologie di 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.
Motori Lenti (LSHT)
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.
Predimensionamento di un Circuito Idraulico
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.
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.
Impianti Oleodinamici
In un impianto oleodinamico, l’energia meccanica viene inizialmente convertita in energia idraulica. Riassumendo, il funzionamento di un impianto oleodinamico è il seguente: partendo da energia di tipo termico o elettrico tramite un motore primo è possibile azionare una pompa che genera energia idraulica.
La possibilità di partenza a pieno carico è legata alla facilità di ridurre la coppia resistente utilizzando componenti (di solito valvole) che sono già presenti nell’impianto per svolgere altre funzioni, ciò permette di evitare l’uso di frizioni. Attualmente, mediante convertitori di frequenza, è fattibile anche con sistemi elettricielettronici, ma l’analisi dei costi dimostra che i sistemi oleodinamici sono da preferire.
Simboli Idraulici
Che cosa rappresentano i vari simboli idraulici impiegati nell’ambito della circuiteria fluidica, ovvero cerchi, semicerchi, quadrati, rettangoli, rombi e linee negli schemi idraulici? I cerchi e i semicerchi sono utilizzati per rappresentare dispositivi rotanti come pompe o motori. I motori sono spesso capaci di ruotare in entrambe le direzioni, quindi presentano triangoli sia nella parte superiore che inferiore del cerchio.
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