In questo articolo esploreremo il funzionamento dei distributori idraulici, delle valvole pneumatiche e dei motori idraulici, analizzando i principi di funzionamento e le applicazioni pratiche. Approfondiremo anche l'analisi CFD (Computational Fluid Dynamics) applicata ai distributori oleodinamici, concentrandoci sull'ottimizzazione della forza di flusso.
Motori Idraulici: Trasformazione dell'Energia Idraulica in Energia Meccanica
I motori idraulici svolgono la funzione inversa delle pompe, convertendo l’energia idraulica in energia meccanica di tipo rotatorio. Come per le pompe, anche per i motori esiste una ampia gamma di forme e principi costruttivi. Gran parte delle considerazioni costruttive fatte per le pompe volumetriche possono essere riferite anche ai motori volumetrici corrispondenti.
Pochi tipi di motori sono utilizzabili sia a velocità di rotazione molto basse che a quelle superiori a 1000 RPM. 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. Questo condotto, a causa della rotazione del rotore, viene in contatto, alternativamente, con i condotti fissi di alta e bassa pressione.
La versione multicorsa di questi motori presenta, al posto del piatto inclinato, un disco che è disposto perpendicolarmente all’asse di rotazione. Solo i motori a palette fanno eccezione in quanto all'avviamento, per l'iniziale assenza delle forze centrifughe, le palette non riescono ad aderire sufficientemente ai fianchi dello statore per fare una adeguata tenuta, conseguentemente la coppia di avviamento si riduce notevolmente.
Valvole Pneumatiche: Comando e Controllo nei Sistemi Pneumatici
Le valvole impiegate nella pneumatica servono innanzitutto per il comando. Per poter comandare occorre energia, cercando di realizzare il massimo effetto con un consumo minimo. Il tipo di valvola è subordinato all’impianto pneumatico. I fattori importanti sono la funzione da eseguire, il tipo di pilotaggio e l’attacco.
Principi di Funzionamento delle Valvole Pneumatiche
Le valvole regolatrici permettono di variare uno dei due parametri fondamentali dell’aria compressa che sono la portata e la pressione. Nei cilindri la prima influenza la velocità del movimento dello stelo, la seconda fa variare la forza esercitata.
Come vie si considerano: attacchi alla rete di aria compressa, deviazioni per gli utilizzatori e aperture di scarico. I cosiddetti rubinetti di intercettazione fanno parte delle valvole a due vie poiché essi hanno un attacco per l’alimentazione (1° via) ed un attacco per l’utilizzazione (2° via).
Valvole 3/2: Caratteristiche e Modalità di Funzionamento
Una valvola 3/2 è dotata di tre porte d’aria su due posizioni. Le due posizioni si riferiscono a due diverse posizioni di lavoro (ON, OFF) del nucleo dell’elettrovalvola pneumatica. Il nucleo della valvola controlla diversi passaggi di fluido quando la valvola guadagna e perde potenza. Il corpo della valvola pneumatica ha tre porte, cioè A, P e T, di cui una (P) è per l’ingresso e due (A & T) sono per l’uscita: una delle uscite è normalmente aperta e l’altra è normalmente chiusa.
Le valvole 3/2 possono essere suddivise in modalità normalmente chiusa e normalmente aperta. Una valvola a 2 posizioni e 3 vie normalmente chiusa prevede che la circolazione del fluido sia inibita quando la bobina non è alimentata (l’ingresso e l’uscita sono chiusi), o che A e P siano scollegati ad alimentazione spenta e A e T siano collegati con l’alimentazione accesa. Una valvola a 2 posizioni e 3 vie normalmente aperta prevede che la circolazione del fluido sia permessa quando la bobina non è alimentata, o che A e P siano collegati con alimentazione spenta.
Una valvola 3/2 vie ha tre porte e due posizioni che possono essere azionate pneumaticamente, meccanicamente, manualmente o elettricamente tramite un’elettrovalvola.
Progettazione e Materiali
Le valvole a 3/2 vie possono essere progettate in diversi modi. Il meccanismo di tenuta delle valvole può essere un otturatore o una spola. Nelle valvole ad azionamento diretto, l’otturatore è mosso direttamente dall’attuatore. Nella progettazione di una valvola 3/2 è necessario considerare le condizioni di lavoro e l’ambiente di un sistema pneumatico. In presenza di sostanze aggressive il corpo della valvola e le guarnizioni devono essere resistenti alla corrosione.
Applicazioni Tipiche
Una tipica applicazione per una valvola 3/2 è l’azionamento di un cilindro a semplice effetto. Un cilindro a semplice effetto ha una porta pneumatica per riempire e svuotare una camera d’aria. Il cilindro si muove in una direzione riempiendo la camera d’aria e torna indietro grazie alla forza di una molla. Le valvole a 3/2 vie sono adatte per applicazioni di soffiaggio, rilascio della pressione e vuoto.
Distributori Idraulici: Controllo della Direzione del Flusso Oleodinamico
Nel campo della simulazione di componenti oleodinamici, due sono i possibili approcci: l'utilizzo di modelli a parametri concentrati, detti anche 0D, e la fluidodinamica computazionale (CFD). La simulazione a zero dimensioni ha il vantaggio di richiedere poche risorse di calcolo ed è adatta prevalentemente allo studio di un intero sistema costituito da numerosi componenti. Il principale svantaggio consiste nella necessità di conoscere alcuni coefficienti che solo in prima approssimazione possono essere assunti come parametri costanti e indipendenti dal componente specifico analizzato.
La simulazione CFD invece può tenere in conto la reale geometria tridimensionale del componente senza la necessità di semplificare i complessi fenomeni che avvengono al suo interno, tuttavia richiede risorse di calcolo significative. Inoltre, anche l'utilizzo della tecnica CFD necessita di particolare attenzione su come viene impostato il modello.
Con riferimento ai distributori oleodinamici, due grandezze sono di particolare interesse per definirne le prestazioni: le perdite di carico interne e la forza di flusso sull'elemento mobile (cassetto) che definisce la sezione di passaggio. La forza di flusso è originata dalla variazione del momento della quantità di moto che il fluido subisce nell'attraversare la valvola ed ha sempre direzione tale da tentare di chiudere la sezione di passaggio. La conoscenza della sua entità è importante per definire la forza che il sistema di controllo della posizione del cassetto deve essere in grado di fornire per mantenere la valvola aperta. Tale forza è proporzionale alla portata e pertanto può assumere valori considerevoli in valvole di grossa taglia.
In questo contesto è importante avere un modello di simulazione capace di quantificare la forza di flusso in un distributore, in modo che possa essere utilizzato per ottimizzarne la geometria al fine della sua riduzione.
Analisi CFD di un Distributore Load Sensing Postcompensato
Nel presente articolo viene presentato un modello CFD realizzato con il software commerciale FloEFD di un distributore load sensing postcompensato. Tale tipologia di valvole viene utilizzata in sistemi oleodinamici mobili a bordo di diversi veicoli quali ad esempio escavatori, sollevatori telescopici o macchine agricole, per controllare la velocità degli attuatori. La configurazione tipica prevede una pompa a cilindrata variabile con limitatore di pressione differenziale e la posizione del cassetto di ogni distributore viene controllata da un dispositivo elettroidraulico che riceve il comando dall'operatore tramite un joystick.
Le simulazioni sono state effettuate per diverse aperture del cassetto e diverse portate. È stato dimostrato, tramite prove sperimentali su un banco prova dedicato nel laboratorio di oleodinamica del Politecnico di Torino, che il modello è in grado di prevedere con buona precisione sia la caduta di pressione interna alla valvola che la forza di flusso. Inoltre è stata valutata una possibile modifica del cassetto per ridurre la forza di flusso a fronte di un modesto incremento della caduta di pressione.
Descrizione del Componente
Il componente analizzato riportato in Fig. 1 è un distributore load sensing del tipo flow sharing utilizzato in applicazioni di oleodinamica mobile multiutenza. Il modulo è costituito da un cassetto principale (CP) e un compensatore locale (CL); quest'ultimo ha la funzione di mantenere una caduta di pressione costante ai capi degli spigoli pilotanti con intagli semicircolari del cassetto, la cui area di passaggio è decisa direttamente dall'operatore.
La portata in uscita dal compensatore locale è indirizzata verso la porta A o B tramite un secondo passaggio attraverso il cassetto. Il compensatore è mantenuto normalmente chiuso da una moletta a basso precarico con pressione equivalente sc , e dalla pressione di load sensing massima pLS tra tutti i carichi alimentati simultaneamente. La forza in chiusura è generata dalla pressione a valle dello spigolo pilotante del cassetto principale che quindi è mantenuta al valore pLS + sc . Poiché la pressione a monte dello spigolo pilotante è imposta dal limitatore di pressione differenziale della pompa al valore pLS + s, dove s è la taratura del limitatore, la caduta di pressione ai capi dello spigolo pilotante è mantenuta costante al valore s - sc . In questo modo la portata inviata dal distributore è solo funzione del comando imposto dall'operatore tramite il joystick e non dipende dal carico applicato sull'attuatore, il quale varia in base alle condizioni operative.
Attrezzatura Sperimentale
Lo scopo delle misure sperimentali è stato di valutare la caduta di pressione ai capi della valvola, sia sul percorso di andata verso l'attuatore che su quello di ritorno a serbatoio, e la forza di flusso agente sul cassetto principale per diverse posizioni da quest'ultimo assunte e imponendo diverse portate in ingresso. La valvola è stata provata senza carico connettendo tra loro direttamente le porte A e B tramite un tubo flessibile.
Un blocco di interfaccia in lega di alluminio è stato appositamente progettato per alimentare il distributore e poter misurare le pressioni di interesse all'interno del componente. Il compensatore locale è stato bloccato in posizione aperta tramite un distanziale metallico collocato al posto della molla e la linea di load sensing è stata collegata alla pressione di scarico (bocca T). Il distributore è stato alimentato da una centrale oleodinamica con olio idraulico ISO VG 46 con installata una pompa a pistoni assiali a cilindrata variabile da 119 cm3/giro dotata di limitatore di pressione a taratura variabile. La portata di olio è stata controllata da una valvola regolatrice di portata a due bocche e misurata da una turbina Flo-Tech FSC-1000 con campo di misura 11.5 - 227 L/min.
In Fig. 2 è illustrato uno spaccato 3D del distributore con una vista in trasparenza di metà del blocco di ingresso, sul quale sono stati montati 4 trasduttori di pressione miniaturizzati GS XPM5. I trasduttori PP , con campo di misura 0-100 bar, e PT , con campo 0-20 bar, sono stati utilizzati per misurare la pressione rispettivamente nei condotti di alimentazione e scarico. Per il rilievo della pressione alle bocche di lavoro A e B sono state eseguite due forature sulla carcassa del distributore in corrispondenza di due canali sul blocco di ingresso, alla cui estremità sono stati montati due trasduttori con campo di misura 0-50 bar (in figura è visibile solo PB ).
Per la misura della forza di flusso sul cassetto principale, il modulo elettroidraulico per il controllo della posizione del cassetto è stato rimosso e al suo posto sono stati collocati due coperchi appositamente realizzati. Per garantire pressione nulla sulle due facce laterali del cassetto, le camere sono state connesse direttamente all'atmosfera tramite raccordi a 90° che hanno avuto anche la funzione di raccogliere la portata di trafilamento. Il coperchio di destra è provvisto di un foro passante per connettere il cassetto, tramite una barra filettata, a una cella di carico Applied Measurements DBBE campo di misura 0-50 kg.
Sul lato opposto, la cella di carico è semplicemente appoggiata, senza alcun altro vicolo, contro lo stelo di una vite micrometrica con la quale si decide la posizione del cassetto. Tale soluzione presenta il vantaggio di non generare nessun sforzo radiale sul cassetto che avrebbe potuto provocare l'insorgere di attrito statico e falsare la misura.
Configurazione e Simulazioni CFD
È stata analizzata la configurazione del distributore per cui la bocca P alimentava la B, mentre la bocca A era connessa a T. FloEFD discretizza le equazioni di governo con il metodo dei volumi finiti e riconosce automaticamente il dominio fluido racchiuso in una regione della geometria CAD. Nel caso di una valvola è necessario quindi chiudere tutte le bocche tramite dei tappi virtuali chiamati "lid", sulla superficie dei quali è stato possibile imporre le condizioni al contorno coerentemente con i valori di pressione o portata misurati sperimentalmente.
La mesh di base è stata realizzata con lo strumento automatico disponibile all'interno del software scegliendo un opportuno livello iniziale di discretizzazione insieme al criterio di affinamento advanced channel refinement. Per definire delle regioni con mesh più raffinata in corrispondenza dei fori del compensatore locale, delle parti virtuali a forma di anello sono state sovrapposte all'assieme. Tali parti non interferiscono con il passaggio del fluido, ma su di esse è possibile definire una griglia più fine. In maniera analoga sono state definite delle regioni cilindriche a cavallo degli intagli e dei risalti del cassetto, ovvero in corrispondenza dei restringimenti delle sezioni di efflusso. In questo modo è stato possibile ottenere risultati più affidabili riguardo al calcolo delle forze sulle superfici del cassetto e garantire un numero adeguato di celle nelle sezioni ristrette. Ogni mesh locale creata è stata caratterizzata da un coerente livello di raffinamento in modo da avere le sezioni di passaggio minime discretizzate con almeno 14 celle.
Inoltre, dopo il numero di iterazioni richiesto per ottenere la propagazione di un'onda di pressione attraverso l'intero dominio di calcolo, la mesh è stata automaticamente aggiornata nelle regioni con i maggiori gradienti. L'intera griglia computazionale ha raggiunto approssimativamente 3.5 milioni di celle alla fine dell'autoraffinamento. Le simulazioni sono state eseguite con una workstation con processore a 8 core i7-9800X a 3.80 GHz e hanno richiesto circa 5 ore ciascuna.
Come condizioni al contorno sono state imposte le portate in ingresso sulle porte P ed A, mentre sulle porte B e T sono stati imposti i valori di pressione misurati sperimentalmente nelle stesse condizioni di lavoro. Le quantità calcolate dal modello sono state le pressioni alle porte P ed A e la forza assiale totale sul cassetto principale. Poiché non c'era pressione sulle superfici laterali alle estremità del cassetto, la forza calcolata dal software è l'unica forza dovuta al passaggio del fluido che quindi ha potuto essere confrontata direttamente con il valore misurato dalla cella di carico.
Risultati Sperimentali e Validazione del Modello CFD
Le prove sperimentali sono state effettuate con tre posizioni del cassetto imposte dalla vite micrometrica, ovvero 6, 7 e 8 mm, alla temperatura costante dell'olio di 40 °C. Per ciascuna posizione del cassetto sono stati imposti 4-5 valori di portata. In Fig. 3a è riportato il confronto tra le misure sperimentali (sper.) e i valori calcolati (sim.) relativamente alle pressioni alle bocche P ed A in funzione della portata. I dati sperimentali sono stati interpolati con una curva di regressione quadratica (linea tratteggiata) a dimostrazione della natura prevalentemente turbolenta del regime di moto.
Per quanto riguarda la pressione alla porta A, il valore non è influenzato dalla posizione del cassetto, poiché le sezioni di efflusso A-T attraverso il risalto del cassetto principale sono molto più larghe dell'area attraverso gli intagli circolari nel percorso P-B. Nelle prove sperimentali, per ciascuna posizione del cassetto, la portata è stata incrementata e ridotta due volte in modo da acquisire più volte lo stesso punto di funzionamento per verificare la ripetibilità del test. In Fig. 3b è riportata in maniera analoga la forza di flusso.
Dal confronto con le misure sperimentali si può affermare che il modello CFD sviluppato è in grado di riprodurre con buona accuratezza le cadute di pressione interne alla valvola; inoltre anche la forza di flusso, che solitamente è la quantità più difficile da simulare, nonostante una sottostima ad aperture più basse del cassetto, è prevista in modo adeguatamente accurato. La validazione in diverse condizioni operative ha dimostrato che il modello CFD è sufficientemente affidabile per essere utilizzato come strumento di ottimizzazione. Infatti la validazione della sola caduta di pressione è una condizione necessaria ma non sufficiente per affermare che il modello sarà in grado di prevedere correttamente anche la forza di flusso, perché tale forza è la conseguenza del campo di pressione attorno all'intero cassetto e non solo nelle regioni localizzate in corrispondenza delle aree di passaggio minime.
Simboli Idraulici: Un Linguaggio Universale
CAMAR fornisce una tabella completa che illustra le definizioni di ogni simbolo utilizzato in uno schema idraulico. 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.
I simboli idraulici possono essere combinati in infinite modalità che rappresentano macchine reali. Gli esempi sotto riportati sono solo un minimo campione dei simboli comunemente utilizzati. Sono generalmente indicate con il simbolo di una “scatola”, con le varie posizioni di riposo e la posizione di commutazione (elettrica, manuale, pneumatica, idraulica) chiaramente segnate. Generalmente la posizione di riposo è quella indicata a disegno e si collega al resto dello schema idraulico.
Volete scoprire di più sull’affascinante mondo dell’idraulica?
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