L’escavatore è un elemento fondamentale nel settore delle costruzioni e dell’ingegneria. Tuttavia, può capitare che questi potenti macchinari perdano efficienza e potenza. Hai notato che il tuo escavatore sta lavorando più lentamente del normale? Questo problema può causare ritardi costosi, riducendo l’efficienza operativa. Affrontare tempestivamente i problemi meccanici può evitare gravi rallentamenti e aumentare la produttività. La perdita di potenza in un escavatore può avere molteplici cause, ma con una manutenzione adeguata e un uso corretto, è possibile ridurre il rischio di tali problemi.

Problemi nel Sistema Idraulico

Una delle cause principali della perdita di potenza è legata a problemi nel sistema idraulico. Gli escavatori moderni dipendono fortemente da sistemi idraulici complessi, che possono causare rallentamenti se non funzionano correttamente. Questo può includere perdite o bassa pressione idraulica, che limita il flusso d’olio necessario per muovere i bracci e altri componenti. Controlla regolarmente i livelli di olio idraulico e assicurati che non ci siano perdite evidenti.

Usura del Motore

L’usura del motore può ridurre significativamente la potenza dell’escavatore. Un motore sporco o mal mantenuto può rallentare l’escavatore, influenzando negativamente la velocità complessiva. Se la pompa principale non funziona in modo ottimale, l’escavatore può perdere potenza e velocità.

Il Ruolo dell'Olio nell'Industria Moderna

Nelle foto d’epoca di vecchie officine, in bianco e nero o seppiate, il manutentore, con in mano l’immancabile straccio ed un bell’oliatore, è intento ad accudire il proprio macchinario lubrificando i vari meccanismi. Poi la tecnica ci ha dato materiali migliori, elettronica ed informatica, l’olio però è rimasto sempre al centro della meccanica, attore insostituibile: possiamo senza dubbi affermare che l’intera industria moderna poggia su un film di olio, non più spesso di 10 micron. L’olio, oltre che lubrificare, viene utilizzare per trasferire energia e quindi muovere cilindri, motori, ruote, interagendo con tutte le parti di un circuito.

Tribologia e Sistemi di Trasmissione dell'Energia

La tribologia è la disciplina che studia l’attrito, la lubrificazione e l’usura di superfici a contatto e in moto relativo. Essa è inerente quindi a tutti quei processi produttivi che utilizzano la trasmissione dell’energia: le forme più comunemente usate sono la meccanica, la pneumatica, l’idraulica e quella elettrica. Queste forme di energia presentano caratteristiche peculiari con relativi vantaggi e svantaggi che, per ogni settore applicativo, ne orientano in molti casi la scelta.

Vantaggi dell'Oleoidraulica

Una caratteristica peculiare di un impianto oleoidraulico è quella di ottenere molto facilmente movimenti in grado di vincere forze resistenti di centinaia di tonnellate, unitamente ad una precisione di posizionamento elevato. Un classico attuatore lineare oleodinamico è il cilindro idraulico, costituito da una camicia in cui scorre un pistone, il quale spinge uno stelo che esplica il moto. Il fluido che permette la trasmissione dell’energia, possiede, seppur in minima quantità, una certa elasticità, che, se da un lato diminuisce la prontezza di intervento e la precisione, dall’altro permette di eliminare i giunti elastici meccanici sulle trasmissioni.

Caratteristiche dell'Olio

L’olio, sia minerale che sintetico, è il liquido comunemente utilizzato per la trasmissione di energia. Le sue caratteristiche sono la viscosità, che influisce direttamente sull’attrito che incontra nel passaggio attraverso tubazioni ed apparecchiature, il potere lubrificante e la protezione contro la corrosione dei vari componenti.

Moto dei Fluidi

Il movimento dei fluidi entro condotti a sezione chiusa o canali aperti può essere a regime laminare e turbolento. Per individuare il tipo di moto viene utilizzato il numero di Reynolds (Re): per numeri di Reynolds minori di 2000, si ha un moto laminare. Per numeri di Reynolds compresi fra 2000 e 3500 si ha una zona critica di instabilità, caratterizzata dal fatto che possono verificarsi sia condizioni di moto laminare che turbolento, a seconda di particolari situazioni contingenti. Per numeri di Reynolds maggiori di 3500 si ha moto turbolento.

Come in tutti fenomeni fisici, la linea di demarcazione fra i due tipi di moto non è esattamente definita, vi è cioè un passaggio graduale dal moto laminare al turbolento. Il moto laminare avviene quando il fluido in movimento segue traiettorie che costituiscono dei filetti rettilinei e paralleli. Il moto turbolento si ha quando il moto dei filetti segue traiettorie irregolari e tortuose, continuamente variabili con creazione di moto vorticosi, in modo che tutta la massa liquida subisce un incessante rimescolamento. Poiché il tipo di moto influenza in modo determinante le perdite di carico nelle tubazioni, è evidente la notevole importanza di poter disporre di un criterio per individuare a priori il tipo di moto.

Principio di Pascal e Pompe Volumetriche

Principio di Pascal: la pressione esercitata su un qualunque elemento di superficie di una stessa massa liquida, contenuta in un recipiente, è trasmessa con pari intensità in tutte le direzioni. La famiglia delle pompe volumetriche sono impiegate in vari campi dell’industria. Quelle che in genere troviamo nella maggioranza dei circuiti oleodinamici sono divise in due grandi tipologie: pompe rotative e pompe a pistoni alternativi.

Pompe Rotative ad Ingranaggi Esterni

Le pompe rotative basano il loro funzionamento grazie al passaggio di un fluido attraverso un meato o gioco, cioè una millimetrica o micrometrica intercapedine, che separa le superfici di due corpi in movimento relativo, riempita di lubrificante che ne evita lo sfregamento. Esso viene realizzato meccanicamente attraverso l’uso di coppie di ingranaggi o di viti oppure sfruttando gli spazi generati da palette mobili. In questo articolo prenderemo in considerazione le più comuni pompe rotative ad ingranaggi esterni. La ruota dentata primaria (2) ruota nel senso indicato dalla freccia (vedi figura 2), trascinando la ruota dentata secondaria (3), in senso di rotazione contrario.

A seguito della rotazione, si rendono liberi i vani di dentatura: la conseguente depressione che viene generata e l’azione della pressione atmosferica, fanno in modo che il fluido affluisca nella camera di aspirazione E. Il fluido riempie i vani dei denti e, percorrendo la parte esterna, viene spinto verso l’uscita P, la cosiddetta mandata: per un buon rendimento volumetrico occorre tenere sotto controllo il gioco di accoppiamento laterale (rasamento sui fianchi) tra ingranaggi (5) e gli organi di tenuta, le ralle (6). Inoltre questo tipo di pompe sono dotate di cuscinetti di sostentamento e bilanciamento idrostatico funzionanti tramite i dischi (7), i quali, spinti dalla pressione del sistema, premono sui fianchi degli ingranaggi.

Come si sottolineato all’inizio di questo articolo, la pompa costituisce il cuore di ogni impianto oleodinamico, per cui è fondamentale conoscerne le modalità di guasto, le possibili cause ed i rimedi più efficaci.

Rendimento della Pompa

Un ulteriore parametro fondamentale, indicatore dello stato di salute della pompa, è il Rendimento: esso viene considerato normale se pari a 95% o comunque superiore a 90%.

Componenti Accessori

L’aggettivo “accessori” serve più per distinguerli che per classificarli, visto che la loro funzione è determinante per valorizzare al meglio i pregi della trasmissione di potenza oleodinamica. Per facilitare l’analisi abbiamo dividiso i componenti accessori in due gruppi: quelli dedicati alla regolazione del regime di flusso e quelli dedicati al collegamento delle varie parti del circuito.

Temperatura dell'Olio

La temperatura dell’olio di un circuito idraulico aumenta per effetto delle perdite dovute all’attrito durante il flusso nei condotti e, soprattutto, a causa delle perdite di rendimento nelle trasformazioni energetiche compiute. Anche le caratteristiche intrinseche dell’olio usato danno un contributo significativo. E’ qualcosa di molto simile all’effetto Joule per un circuito elettrico. Alla dissipazione in calore corrispondono diminuzione di energia: potenziale, di velocità o di pressione; l’energia corrispondente rimane nel sistema ma non è utilizzabile.

Molto dipende dal tipo di applicazione: se le condizioni di lavoro non sono particolarmente gravose, l’aumento della temperatura dell’olio è contenuto: se il serbatoio è sufficientemente grande e ventilato la permanenza dell’olio è abbastanza lunga da dissipare verso l’esterno il calore accumulato.

Scambiatori di Calore

Sono normalmente a fascio tubiero e con flussi in controcorrente. Questo permette la regolazione di temperatura dell’olio variando la portata dell’acqua. La manutenzione è quella classica degli scambiatori e viene programmata in funzione dell’efficienza dello scambio termico, a propria volta strettamente correlata alla pulizia delle superfici di scambio. Si tratta quindi di monitorare le temperature di entrata e uscita dell’acqua e dell’olio secondo uno scadenziario adeguato. E’ una tipica attività di “automanutenzione” , ovvero di manutenzione svolta autonomamente dall’Esercizio. In caso di perdite d’olio, l’acqua di raffreddamento potrebbe risultarne contaminata: pertanto è obbligatorio usare circuiti chiusi.

Raffreddamento ad Aria

Pur con capacità refrigeranti nettamente minori, l’aria è il fluido più comodo ed immediato per asportare il calore dai fasci tubieri percorsi dall’olio. La superficie di scambio termico deve essere però molto più ampia e quindi si utilizzano tubi sottili, numerosi, di materiali con coefficiente di scambio termico elevato ed alettati. E’ il classico “radiatore”. Anche in questo caso la manutenzione preventiva consiste soprattutto nel monitoraggio della temperatura e nella pulizia periodica delle superfici alettate, molto soggette a sporcamento a causa del flusso di aria forzata.

Una macchina di movimento terra che lavori nella Pianura Padana nel mese di maggio, è esposta a vere e proprie nuvole di fiocchi (pappi) provenienti dai pioppi, che ostruiscono rapidamente qualsiasi alettatura. Una pulizia periodica con aria compressa è indispensabile.

Nella pratica comune gli scambiatori di calore hanno il compito di mantenere l’olio e i fluidi idraulici in genere entro un range prestabilito di temperatura. Per le macchine semoventi ( tipiche quelle di movimento terra ) si possono sfruttare i gas di scarico dei motori termici, convogliandoli in appositi fasci tubieri situati nei serbatoi o addirittura utilizzando veri e propri scambiatori accessori inseribili in parallelo al circuito principale. Scambio termico: raffreddamento a regime e/o riscaldo in avviamento (climi freddi, viscosità elevata), in “affiancamento” agli scambiatori veri e propri.

Serbatoi

Prima purificazione/separazione di particelle solide estranee via decantazione sul fondo. Prima filtrazione ( in aspirazione ). Compensazione delle espansioni e contrazioni di volume dovute alle variazioni di temperatura dell’olio, in “affiancamento” agli accumulatori. Sono impiegati anche serbatoi pressurizzati. La pressione è relativamente bassa. Lo scopo è quello di impedire l’ingresso di contaminanti/umidità dall’esterno ed il traboccamento del liquido dal serbatoio. L’applicazione è tipica dei servomeccanismi di aerei, sommergibili e altri semoventi.

Pulizia dell'Olio e Manutenzione Predittiva

Anche l’olio può essere sistematicamente pulito mediante l’utilizzo di filtri carrellati con pompa autonoma. La filtrazione (più spinta di quella effettuata dai filtri a bordo macchina) può quasi sempre essere effettuata senza fermare l’impianto. Interessantissime le possibilità di manutenzione predittiva (diagnostica precoce), attraverso l’analisi periodica dell’olio: esistono correlazioni precise tra i tipi di inquinanti, la relativa concentrazione, la progressione della medesima e il grado di affidabilità del sistema.

Questa attività è di norma affidata a Specialisti esterni ed è normalmente utilizzata per tutti i tipi di olio (lubrificanti, isolanti nei trasformatori etc.). Il ricorso a Specialisti esterni è raccomandabile anche perché condizione necessaria che la diagnostica precoce sia attendibile è che i campioni di olio siano prelevati con modalità assolutamente rigide e ripetitive nonchè in posizioni indicate e (meglio ancora) predisposte dal provider.

Manutenibilità

La manutenibilità (e non solo in questo caso ! ) si persegue soprattutto in fase di progetto e viene perfezionata eventualmente come manutenzione migliorativa. Nel caso rappresentato nelle figure precedenti, il serbatoio è facilmente ispezionabile e pulibile grazie ai due portelli di ispezione (fase progettuale espressamente rivolta alla manutenibilità).

Componenti Accessori di Regolazione

Premettiamo che l’aggettivo “accessori” serve più per distinguerli che per classificarli, visto che la loro funzione è determinante per valorizzare al meglio i pregi della trasmissione di potenza oleodinamica. Per facilitare l’analisi dividiamo i componenti accessori in due gruppi: quelli dedicati alla regolazione del regime di flusso e quelli dedicati al collegamento delle varie parti del circuito. In questo articolo inizieremo col trattare i componenti accessori “di regolazione”, ad eccezione dei filtri che, avendo un’importanza fondamentale ed una diversificazione particolarmente complessa saranno trattati in forma specifica.

Accumulatori

Si trovano installati su tutti i circuiti, oleodinamici ma non solo, in cui operano fluidi incomprimibili soggetti a variazioni di pressione. Nel caso dei circuiti oleodinamici tali variazioni derivano sostanzialmente dalle normali modalità di impiego dei sistemi, in quanto i tipi di pompe volumetriche normalmente impiegati erogano un flusso assimilabile al continuo ( pompe a ingranaggi, palette, pistoncini ). In figura è riportata una classica centralina con accumulatore a sacca e blocco di sicurezza. In altri circuiti industriali gestiti con pompe volumetriche di altra tipologia è invece il tipo di pompa stesso a produrre pulsazioni ( pompe a membrana, a pistoni, a disco cavo, peristaltiche etc.).

Rimanendo nell’oleodinamica, sempre a titolo esemplificativo e non esaustivo, brusche variazioni di pressione possono essere normalmente indotte dall’azionamento di valvole, da variazioni di carico, dall’arrivo a fine corsa degli attuatori e, non trascurabile, da sovrasollecitazioni dovute al comportamento degli operatori, errori compresi. Essendo l’olio incomprimibile, repentini incrementi di pressione determinano quello che in idraulica prende il nome di “colpo di ariete”. L’energia in eccesso impatta su tutto il circuito, causando danni o usura precoce. Esiste anche il problema opposto, quello di bruschi cali di pressione, quando ad esempio la richiesta di portata degli attuatori supera la portata della pompa e la mancanza di continuità di pressione crea problemi nell’esecuzione della funzione richiesta (es. allentamento di un bloccaggio, movimenti discontinui, perdita di ciclo etc.). Per inciso, quanto sopra descritto costituisce anche un segnale per il manutentore.

L’intensità del segnale può spaziare tra quella del “sintomo premonitore” , percepibile strumentalmente in sede di Predittiva a quella del malfunzionamento conclamato con effetti sul funzionamento ( con richiesta di intervento). Funzione fondamentale degli accumulatori è mantenere il più possibile regolare nel tempo l’andamento dei valori di pressione e di portata dell’olio che circola nel sistema oleodinamico, rendendone “fluide” e senza picchi le variazioni. Spesso infatti sono detti anche “smorzatori”. Fisicamente questo compito viene svolto da un fluido comprimibile, tenuto separato dall’olio e in grado di comprimersi od espandersi in funzione e sincronia con le fluttuazioni di pressione dell’olio stesso.

Abbiamo scritto “funzione fondamentale” in quanto gli accumulatori possono essere impiegati in sostituzione o integrazione delle pompe, anche se ciò è possibile per intervalli di tempo molto brevi. Tipicamente, “punte” di fabbisogno di energia oppure il caso di dispositivi di emergenza che debbano comunque intervenire in caso di blocco dei componenti operatori veri e propri (es. Valvole di intercettazione ad azionamento oleodinamico) oppure l’impiego di accumulatori a scarica comandata preposti a fornire un surplus di energia in fase di avviamento e messa a regime di impianti complessi. In questo caso si realizzano vere e proprie batterie di accumulatori di grandi dimensioni, molto simili alle “rampe” di bombole per lo stoccaggio dei gas tecnici.

Perdite d'Olio

Hai notato una fuoriuscita di olio da una pompa o da un motore oleodinamico installato nel tuo macchinario? In questi casi la perdita deriva da un problema nelle guarnizioni che garantiscono la tenuta tra i vari elementi che compongono le pompe e i motori. Esistono però anche altri motivi alla base della perdita, per esempio, a volte, il difetto è all’origine. In questo caso la fuoriuscita si verifica quando il sistema di tenuta non è stato montato correttamente. In altri casi il problema è la temperatura eccessiva.

Agenti Contaminanti e Filtrazione

Gli agenti contaminanti che entrano nei circuiti dei sistemi oleodinamici possono determinare notevoli guasti all’impianto. Per limitare i danni è fondamentale una buona pulizia dell’olio attraverso, ad esempio, l’adozione di un sistema di filtrazione dimensionato opportunamente e non solo. Per i costruttori e gli utilizzatori finali delle macchine la filtrazione rappresenta una priorità e rientra pienamente nelle strategie di fluid care, quelle soluzioni e sistemi cioè che hanno il compito di ridurre e abbattere il livello di contaminazione del fluido idraulico.

La strategia di fluid care da adottare ha uno stretto legame con la tipologia di sistema di filtrazione installato. Il punto di partenza, per garantire che il sistema di filtrazione sia adeguato, è determinare la più corretta classe di contaminazione per lo specifico impianto. I diversi componenti che lo compongono sono, infatti, soggetti a classi di contaminazione diverse il cui valore specifico è generalmente indicato nell’apposito manuale di uso e manutenzione. La scelta dei filtri deve essere quindi eseguita in funzione della necessità di rientrare nella classe di contaminazione tollerata. Successivamente il sistema deve essere equilibrato, per questa ragione solitamente si utilizza lo stesso grado di filtrazione in mandata e ritorno. È altresì possibile scegliere un grado di filtrazione più fine, sul ritorno in modo da alleggerire il lavoro del filtro in mandata. Ciò rappresenta spesso una scelta vantaggiosa dal punto di vista economico.

Non da ultimo, è bene ricordare che anche l'aria è un contaminante che potrebbe danneggiare il sistema. I filtri aria, chiamati di polmonazione (standardizzati a 3 micron), filtrano la contaminazione che potrebbe entrare attraverso il serbatoio dall’ambiente esterno. La scelta della dimensione corretta dipende dal tipo di applicazione.

Interventi di Pulizia e Filtri Aggiuntivi

Quando il cliente finale riscontra malfunzionamenti (es. rotture a pompe e valvole, surriscaldamenti etc..) o quando, dopo un’analisi, si rilevano classi di contaminazione non all’interno del range fissato per il sistema, allora è il momento di verificare lo stato del sistema di filtrazione. Qualora non fosse possibile intervenire sul sistema esistente per abbassare i livelli di contaminazione possono essere impiegati dei filtri aggiuntivi offline e rientrare così nella classe di contaminazione richiesta. Questi sistemi aspirano l'olio dal serbatoio, lo ricondizionano per poi restituirlo, pulito, nello stesso serbatoio.

Prima di procedere con una pulizia straordinaria è sempre opportuno effettuare un’analisi dell’impianto e dell’olio per definire il livello e la tipologia di contaminazione. Questa operazione permette di procedere con il dimensionamento del sistema di filtrazione aggiuntivo: finezza di filtrazione, portata e tipologia. Data la straordinarietà di questi interventi il noleggio di sistemi di filtrazione offline è divenuto una prassi comune. Il dimensionamento del sistema di filtrazione deve tenere conto di ciò al fine di garantire adeguate prestazioni.

Per esempio, nell’ambito specifico dell’energia, che deve assicurare elevati standard di sicurezza, è richiesta una lunga durata della cartuccia, quindi si tende a sovra-dimensionare il filtro in modo che duri di più e non necessiti di frequenti interventi di manutenzione. Sempre per il campo dell’energia sono stati sviluppati dei setti filtranti speciali che eliminano le scariche elettrostatiche per evitare danni al fluido e ai filtri. Una delle caratteristiche principali del settore macchine mobili, invece, è la partenza a freddo. I filtri quindi sono progettati per sopperire a questa problematica per evitare una danni e guasti all’intero sistema. In ogni caso, il sistema di filtrazione, a prescindere dal settore, va sempre scelto in base alla specifica applicazione a cui è destinato: ad esempio in una piattaforma aerea mobile il sistema è soggetto a minori sollecitazioni mentre un escavatore che svolge un lavoro più gravoso nei cantieri necessita di un sistema molto più complesso.

Principali Categorie di Filtri

Oltre a definire grado di filtrazione, portata, pressione necessari all'impianto è opportuno considerare l'applicazione e quando, invece, l'impianto è già avviato tenere sotto controllo i livelli di contaminazione.

  • Filtri su ritorno: filtrano l’olio che torna dall’impianto e servono per evitare che la contaminazione rientri nel serbatoio.
  • Filtri aria: sono filtri di polmonazione per il serbatoio, servono a evitare che la contaminazione dell’ambiente entri nel circuito quando il livello del serbatoio sale e scende. I filtri aria trovano anche usi differenti come nel caso della lubrificazione.
  • Filtri offline fissi: sono filtri che montati esternamente al sistema servono a mantenere sempre bassa la classe di contaminazione. Vengono montati spesso in combinazione con scambiatori di calore e hanno il vantaggio di garantire la massima efficienza perché vengono utilizzati a una portata fissa.
  • Filtri in aspirazione: sono filtri di sicurezza che, posizionati all'interno del serbatoio prima della pompa, evitano l'ingresso di particelle grossolane all’interno della stessa.

Al fine di agevolare il manutentore sono stati messi a punto anche degli speciali indicatori di intasamento che sono da considerare come parte integrante dei sistemi di filtrazione. Gli indicatori di intasamento possono essere di molte tipologie diverse e rendono possibile la manutenzione e sostituzione della cartuccia. A titolo di esempio possiamo fare riferimento al VFL, sensore smart in grado di indicare le ore rimanenti prima dell’intasamento.

Indicatori di Intasamento

  • Ottici
  • Elettrici
  • Elettronici

Tabella: Tipi di Filtri e Loro Funzione

Tipo di Filtro Funzione Principale
Filtri su Ritorno Impediscono alla contaminazione di rientrare nel serbatoio.
Filtri Aria Evitano che la contaminazione ambientale entri nel circuito.
Filtri Offline Fissi Mantengono bassa la classe di contaminazione.
Filtri in Aspirazione Prevengono l'ingresso di particelle grossolane nella pompa.

Quali sintomi indicano un problema con le valvole di controllo? Una risposta ritardata dei comandi o movimenti irregolari della macchina sono segni di possibili problemi alle valvole.

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