L'oleodinamica è una branca della fluidodinamica applicata all'ingegneria meccanica, che studia la trasmissione dell'energia tramite fluidi in pressione, in particolare l'olio idraulico. L'esempio più classico è quello del cilindro, formato 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.

Componenti di un sistema oleodinamico

Un sistema oleodinamico presenta:

  • Un gruppo generatore in cui si ha la trasformazione di energia meccanica in energia idraulica.
  • Un gruppo di controllo in cui il fluido viene condizionato facendo assumere ad esso determinati valori di pressione e portata e distribuendolo dove necessario.
  • Un gruppo di utilizzo formato da attuatori di diverso tipo.

La centralina oleodinamica è composta da:

  • Un motore asincrono elettrico trifase.
  • Una pompa immersa.
  • Una lanterna per proteggere il giunto.
  • Un giunto elastico.
  • Un filtro in aspirazione.
  • Una valvola limitatrice di pressione.
  • Un manometro.
  • Un rubinetto per escludere il manometro.
  • Un filtro allo scarico.
  • Uno scambiatore di calore.
  • Un tappo di carico.
  • Un indicatore per il livello dell’olio.
  • Degli anelli per il sollevamento.
  • Un tappo di scarico serbatoio.
  • Un coperchio.

Pompe, valvole e olio

Le pompe di calore, quando utilizzate in un circuito idrostatico, sono normalmente di tipo volumetrico, in quanto vengono richiesti, nel caso di tali circuiti, elevati salti di pressione, nell’ordine di centinaia di bar. Le pompe volumetriche possono essere sia di tipo rotativo che di tipo alternativo; di tipo rotativo sono le pompe ad ingranaggi, mentre di tipo alternativo sono le pompe a pistoni. Entrambe le tipologie di pompe, possono funzionare sia da unità idrostatica primaria che da secondaria (motori idraulici) ed in particolare le pompe a pistoni assiali possono anche funzionare a portata variabile. Esistono diverse tipologie di pompe ma le più diffuse nei circuiti idrostatici sono quelle a pistoni assiali e quelle ad ingranaggi esterni.

Esistono valvole per il controllo della pressione del flusso di fluido (massima pressione, riduttrici di pressione) e valvole per il controllo della portata (non ritorno, distribuzione, selezione, regolazione, ecc.). Grazie all’uso delle valvole si riesce a dare una logica di funzionamento ad un impianto oleodinamico e se ne può garantire la sicurezza con opportuno utilizzo. In un circuito oleodinamico, se non si prevedono opportuni dispositivi, la pressione tende a crescere sempre più sino a danneggiare sia la pompa che tutte le altre componenti del circuito. Le valvole dette “normalmente chiuse”, sono quelle che in condizioni di riposo non lasciano passare del fluido ed evitano che nell’intero circuito si superi una pressione prefissata.

In oleodinamica l’olio è un componente che interagisce con tutti i componenti del circuito. Il suo ruolo principale è quello di trasportare l’energia dal generatore all’utilizzatore, ma non va dimenticata la sua importante funzione lubrificante e di asportatore di calore, che evita l’usura e l’installazione di ingombranti sistemi di raffreddamento per i componenti del circuito.

L’ossidazione dell’olio però, a causa dell’aria in seguito a riscaldamento, sbattimenti, presenza di elementi metallici che fungono da catalizzatori, altera le caratteristiche chimiche e di viscosità del fluido. Vengono perciò aggiunti additivi chimici.

Radiatori olio idraulico: il funzionamento

Un ruolo importante dell'olio è anche quello di raffreddare il motore dal calore generato durante il processo di combustione. Nelle auto di serie, se l'olio non si raffredda correttamente, si surriscalda, riducendo l'attrito e la viscosità. L'olio non è quindi in grado di lubrificare correttamente le parti in movimento e l'esposizione prolungata a tale olio surriscaldato provoca danni al motore. I motori più recenti utilizzano i cosiddetti scambiatori acqua-olio. Questo sistema collega indirettamente i condotti dell'acqua e dell'olio all'interno del motore, facendo sì che l'olio stesso si riscaldi più velocemente all'avvio e raggiunga quindi più rapidamente la corretta temperatura di esercizio, e allo stesso tempo il liquido di raffreddamento lo raffreddi e lo mantenga agli stessi valori di temperatura. Questo sistema funziona solo fino a quando uno dei due fluidi non supera i valori tollerabili e allora entrambi i fluidi si surriscaldano contemporaneamente, con effetti negativi sulle prestazioni del motore.

In tutte le parti in movimento in cui si verifica l'attrito, si genera calore che deve essere trattenuto. Un radiatore dell'olio viene utilizzato per eliminare il surriscaldamento dell'olio. Questo componente si trova nei veicoli sportivi o di serie ad alte prestazioni, sia per raffreddare l'olio del motore, l'olio del servo, l'olio della trasmissione o l'olio del differenziale. Il metodo di raffreddamento con il radiatore dell'olio è semplice e identico a quello in un radiatore ad acqua. L'olio scorre sulle alette del radiatore e la corrente d'aria durante la guida o con la ventola accesa lo raffredda. L'olio freddo arriva direttamente al motore dove raffredda le parti in movimento e le mantiene nella finestra di temperatura corretta per il loro funzionamento ideale.

Tipologie di radiatori olio

Dopo gli scambiatori di calore, i più utilizzati (soprattutto negli sport motoristici) sono i radiatori dell'olio a più file. I radiatori dell'olio impilati (piegati) sono i più convenienti e forniscono il livello di raffreddamento ideale. Hanno il vantaggio della facilità di installazione e di una moltitudine di dimensioni tra cui scegliere, sia in termini di dimensioni effettive che di uscite. I più venduti sono quelli da 13, 16 o 19 file utilizzati su veicoli di serie o leggermente modificati. Per carichi elevati e soprattutto per le derapate, dove non c'è un picco di raffreddamento, si consiglia un radiatore più grande, idealmente da 25 file o oltre, in combinazione con una ventola di aspirazione o di spinta.

Vantaggi e svantaggi dei radiatori dell'olio a più file:

  • Vantaggi: facile installazione, molte dimensioni e uscite tra cui scegliere, prezzo basso.
  • Svantaggi: resistenza fino a 10 bar, bassa resistenza agli urti, uscite solo su un lato.

I raffreddatori dell'olio del servosterzo o della trasmissione sono installati sui veicoli dalla fabbrica sotto forma di un tubo rigido piegato nella parte anteriore del veicolo o del raffreddatore stesso. Questi raffreddatori sono installati sul lato di ritorno del fluido tra lo sterzo e il serbatoio, dove la pressione non è più dell'ordine delle decine di bar come sul lato opposto dello sterzo. L'olio così raffreddato viene riportato nel serbatoio, dove si raffredda ulteriormente per poi tornare allo sterzo. Se il radiatore originale non è sufficiente, o se la vostra auto ne è sprovvista, potete ricorrere ai vari radiatori in linea menzionati in precedenza, oppure a quelli dedicati a questo sistema idraulico. Sono costituiti da un tubo piegato con una serie di alette di raffreddamento per distribuire meglio il calore e il conseguente raffreddamento. In alcuni casi contengono alette interne in acciaio per accelerare il flusso del liquido.

Vantaggi e svantaggi dei radiatori dell'olio del servosterzo o della trasmissione

  • Vantaggi: installazione semplice, peso ridotto, basso prezzo.
  • Svantaggi: bassa resistenza agli urti.

I radiatori dell'olio in alluminio saldato sono identici ai radiatori in linea sovrapposti, ma possono sopportare pressioni più elevate (15+ bar) e le loro uscite sfalsate assicurano che il fluido passi attraverso l'intero radiatore e quindi utilizzi l'intera superficie di raffreddamento per garantire un raffreddamento perfetto. La struttura robusta assicura la massima resistenza anche in caso di danni meccanici, un vantaggio soprattutto negli sport motoristici dove le condizioni di utilizzo sono senza compromessi. È la fuoriuscita di olio che può causare danni permanenti al motore, per questo un radiatore più resistente è un grande vantaggio. Offrono la possibilità di scegliere tra più opzioni di ingresso e uscita o dimensioni complessive rispetto ad altri radiatori.

Vantaggi e svantaggi dei radiatori dell'olio in alluminio saldato

  • Vantaggi: elevata resistenza ai danni e alla pressione, alta portata, raffreddamento ideale dell'olio, grande volume, costruzione saldata che consente qualsiasi modifica.
  • Svantaggi: prezzo più alto, peso più elevato, necessità di utilizzare raccordi.

Installazione e manutenzione

Il radiatore viene installato all'uscita del filtro dell'olio o alla presa di pressione del motore (in caso di raffreddamento dell'olio motore). L'installazione è semplificata da adattatori sotto il filtro dell'olio o i tappi del filtro dell'olio, dove tubi e raccordi in gomma o teflon possono essere collegati direttamente al radiatore. In questo sistema è possibile installare anche un termostato che regola il flusso dell'olio al radiatore in base alla temperatura, garantendo un riscaldamento più rapido dell'olio e un successivo raffreddamento controllato. Come già detto, per garantire la massima efficienza, è consigliabile installare sul radiatore una ventola o un gruppo di ventole che forniscano un flusso d'aria costante e quindi riducano la temperatura anche in assenza di correnti d'aria. Per aumentare l'efficienza del raffreddamento, si consiglia di fabbricare o acquistare un deviatore d'aria o un sahara.

Offriamo anche sostituzioni per i radiatori dell'olio di serie. Sono sostituzioni dirette e nelle dimensioni massime previste dalla posizione in cui vengono installati. Realizzati in alluminio, sono più resistenti e garantiscono una maggiore portata. L'installazione plug 'n' play può essere effettuata in pochi minuti e in questo caso non sono necessarie ulteriori modifiche.

Vantaggi e svantaggi delle sostituzioni dei radiatori dell'olio di serie

  • Vantaggi: sostituzione diretta del radiatore di serie, senza ulteriori modifiche.
  • Svantaggi: prezzo più alto, raffreddamento minore rispetto a quelli aggiuntivi, dimensioni limitate.

La maggior parte dei veicoli di serie non fornisce informazioni sulla temperatura dell'olio, quindi il fatto che l'olio sia surriscaldato potrebbe non essere noto, ovvero fino a quando non si sentono rumori avversi provenienti dalla vettura (come il surriscaldamento dei sollevatori idraulici). Per avere un'indicazione migliore della temperatura raggiunta dall'olio, è consigliabile installare un indicatore di temperatura il cui sensore può essere installato con una riduzione al sensore di pressione dell'olio o al sistema di raffreddamento dell'olio nel caso di un adattatore sotto il filtro dell'olio.

Importanza della manutenzione degli scambiatori di calore

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. 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.

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.

Funzioni aggiuntive dei serbatoi

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.
  • 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.

Filtrazione e analisi dell'olio

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.

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).

Accumulatori: stabilizzazione di pressione e portata

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.

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