Le macchine idrauliche sono strumenti e macchinari che utilizzano la potenza di un fluido per compiere lavoro e 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.
Circuiti 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. 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.
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.
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).
Pompe a Cilindrata Variabile
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.
Dimensionamento di un Circuito Idraulico
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.
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.
Esempio di Pompa Idraulica Reversibile: Haldex Barnes 1070045
La pompa idraulica Haldex Barnes (Concentric) 1070045 è una pompa/motore bi-rotazionale che converte la potenza meccanica in energia idraulica nei sistemi idraulici di livello industriale. È una pompa affidabile e ad alta efficienza che fornisce un flusso regolare e continuo. Questa pompa è utilizzata per applicazioni con trasmissione a cinghia, trasmissione diretta, agricoltura, movimentazione di materiali e macchine movimento terra (oltre a robotica, macchine utensili e altri tipi di macchinari).
Caratteristiche Principali
- Tenuta a labbro in Viton e valvole di ritegno di inversione che consentono l'uso bidirezionale ed evitano la porta di scarico della custodia.
- Alloggiamento in ghisa per una resistenza eccezionale.
- Velocità di 5000 giri/min e una pressione continua massima di 3000 psi.
- Montaggio 4F4 a 17 bulloni, un'estensione dell'albero con chiavetta da 1/2 x 1-1/2 pollici e porte di uscita laterali con porte filettate diritte SAE per collegamenti facili.
- Design a spostamento fisso dell'ingranaggio esterno per un flusso regolare e non pulsante.
- Cuscinetto a sfere lubrificato internamente sull'albero di trasmissione per resistere a carichi laterali fino a 150 libbre.
- Adatta per tavole indexate, azionamenti per avvolgitubo, tosaerba, azionamenti per nastri trasportatori e altre applicazioni in cui è richiesto il movimento rotatorio.
Informazioni sulla Sicurezza
- Non superare la pressione o la velocità di esercizio più elevate.
- Quando si utilizzano motori CA, mettere a terra correttamente il motore.
- Scaricare tutti i liquidi dal sistema prima della manutenzione.
- Controllare i tubi flessibili e le connessioni per la sicurezza prima di ogni utilizzo.
- Controllare periodicamente la pompa/motore fluido e i componenti del sistema.
- Indossare occhiali di sicurezza quando si lavora con i motori.
- Non forzare il semigiunto sull'albero di trasmissione.
- All'avvio iniziale, avviare e arrestare più volte per consentire l'adescamento dell'assieme.
- Spurgare tutta l'aria dall'impianto idraulico per prevenire un funzionamento irregolare.
- Ricontrollare il livello dell'olio nel serbatoio dopo alcuni cicli completi dell'impianto idraulico e rabboccare se necessario.
Installazione con Giunto Flessibile
- Collegare l'albero della pompa/motore fluido con il semigiunto flessibile.
- Inserire il ragno di gomma nella metà del giunto dopo aver serrato la vite di fermo.
- Fissare il motore utilizzando l'adattatore per pompa di montaggio a quattro bulloni di tipo SAE.
- Assicurarsi che gli alberi siano centrati l'uno rispetto all'altro allineandoli.
- Avvitare saldamente i bulloni di montaggio.
- Collegare le metà del giunto, lasciando uno spazio di 1/16 di pollice tra loro e verificare nuovamente l'allineamento.
- Serrare la vite di fermo nel semigiunto di accoppiamento.
- Rimuovere i tappi di plastica per la spedizione delle porte di ingresso e uscita.
- Versare olio pulito nella pompa per avviarla e lubrificarla.
- Ruotare lentamente il giunto dell'albero per controllare l'allineamento.
- Collegare le linee di ingresso e uscita con un raccordo filettato dritto SAE e serrare.
- Mantenere il tubo di aspirazione corto e di dimensioni adeguate per prevenire la cavitazione.
- Ruotare manualmente l'albero di trasmissione numerose volte al primo avvio per adescarlo.
- Eliminare l'aria dal sistema per evitare un funzionamento imprevedibile.
- Controllare il livello dell'olio nel serbatoio dopo alcuni cicli e rabboccare se necessario.
Manutenzione
- Mantenere il serbatoio pieno di fluido idraulico utilizzando un buon grado di fluido per cambio automatico.
- Effettuare un'ispezione frequente del fluido idraulico e sostituirlo se contaminato.
- Utilizzare un imbuto pulito dotato di una rete metallica a maglia fine per riempire il serbatoio con olio pulito.
Altri modelli di pompe includono: 10024963.16 "0.065 Cu, 10024973.16 "0.097 Cu, 10024983.16 "0.129 Cu, 10700543.16 "0.258 Cu, 10700433.69 "0.323 Cu, 10700473.69 "0.453 Cu, 10700493.69 "0.517 Cu.