Le macchine idrauliche rappresentano una categoria di strumenti e macchinari che sfruttano la potenza di un fluido per compiere lavoro in numerose applicazioni pesanti.

Principi Fondamentali della Potenza Idraulica

La potenza di una pompa, nota anche come potenza assorbita, rappresenta l’energia impartita al fluido pompato per aumentarne la velocità e la pressione. Tutte le pompe idrauliche, al fine di spostare e aumentare la pressione di un fluido, consumano energia.

La potenza richiesta dalla pompa dipende da una serie di fattori accessori della pompa stessa, tra cui l’efficienza del motore della pompa e la pressione. Ulteriori fattori che influiscono sulla potenza della pompa fanno riferimento alle caratteristiche di densità, viscosità e portata del fluido trasportato.

Rendimento di una Pompa

Le pompe non sono in grado di trasferire tutta l’energia che ricevono; a causa degli attriti, dissipazioni, turbolenze; per cui l’energia assorbita nell’unità di tempo dal motore, chiamata potenza assorbita, sarà maggiore di quella effettivamente acquistata dal liquido. Il rapporto tra la potenza utile e la potenza assorbita definisce il rendimento della pompa.

Il rendimento di una pompa può essere definito come il rapporto fra la potenza utile e la potenza assorbita. Nello specifico il rendimento è la capacità della pompa di trasformare energia meccanica in energia idraulica (efficienza), rappresenta la relazione tra la potenza fornita al fluido pompato (potenza idraulica) e la potenza del motore, quest’ultimo deve avere una potenza superiore a quella che si intende applicare al fluido, in modo da sopperire alla dissipazione.

Il rendimento totale di una pompa considera le perdite di carico interne alla macchina. Il rendimento volumetrico di una pompa è usato per quantificare le perdite di volume di fluido dovuto ai giochi tra girante della pompa e il relativo corpo.

La potenza della pompa che si ottiene è espressa in watt (o in kilowatt, dove 1 kW = 1000 W). Conoscendo le diverse caratteristiche e applicando le formule riportate in questo articolo è possibile identificare correttamente i valori necessari.

Applicazioni delle Macchine Idrauliche

Le macchine idrauliche 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.

Tipi di Circuiti Idraulici

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. La potenza idraulica è esprimibile come prodotto fra portata e pressione (P = Q p).

Componenti e Perdite nei Circuiti Idraulici

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.

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.

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).

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.

Pompe Rotative

Le pompe rotative sono caratterizzate dal moto rotatorio lento di organi mobili: ruote dentate o lobi. Il trasferimento dell’energia avviene esercitando una pressione sul fluido in maniera analoga alle pompe a stantuffo. Il funzionamento di una pompa rotativa prevede che per ogni rotazione venga spostato un volume fisso di fluido. Queste pompe sono autoadescanti e forniscono una portata quasi costante, indipendentemente dalla pressione.

Tipologie di Pompe Idrauliche

  • Pompe a ingranaggi: sono tra le più diffuse grazie alla loro semplicità costruttiva e affidabilità. Funzionano attraverso l’ingranamento di due ruote dentate che creano un movimento continuo del fluido.
  • Pompe a palette: queste pompe utilizzano palette scorrevoli all’interno di un rotore per creare variazioni di volume che spingono il fluido in pressione.
  • Pompe a pistoni: sono impiegate in applicazioni che richiedono alte pressioni e precisione. Il fluido viene compresso attraverso il movimento alternato di pistoni, garantendo un’elevata efficienza e prestazioni superiori rispetto ad altre tipologie.

Applicazioni delle Pompe Idrauliche

Le pompe idrauliche trovano impiego in molteplici settori, garantendo il funzionamento di impianti e macchinari: nel settore industriale, sono utilizzate in presse idrauliche, macchine utensili e sistemi di automazione per garantire un flusso costante di energia.

Motori Idraulici

I motori idraulici svolgono la funzione inversa delle pompe, cioè convertono 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.

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.

L’Oleodinamica: Un Approfondimento

L’oleodinamica è una tecnica che utilizza i fluidi per generare pressione e convertirla in energia meccanica. I cilindri e le pompe idrauliche consentono di sollevare carichi pesanti con il minimo sforzo. Questi vengono inoltre utilizzati anche nelle frizioni o nei sistemi frenanti dei veicoli commerciali.

La parola oleodinamica è composta da due parole greche: “élaion”, riferito a sostanze dotate di untuosità, e “dynamikós” riferito alla forza e al movimento. Da ciò si può dedurre in cosa consiste un sistema oleodinamico: un fluido viscoso viene immesso in un sistema chiuso dove successivamente viene creata o aumentata una certa pressione per azione meccanica o statica.

In entrambi i processi, la pressione che si crea viene trasmessa attraverso tubi o sistemi di tubature fino a innescare la reazione (meccanica) desiderata in un punto specifico. In virtù del loro semplice funzionamento, gli impianti oleodinamici vengono utilizzati in un’ampia gamma di aree di lavoro.

Per il funzionamento di sistemi oleodinamici viene raramente utilizzata l’acqua. Di solito tali impianti vengono azionati con l’aiuto di un olio speciale (olio idraulico). Grazie alle sue proprietà, l’olio è perfettamente idoneo a garantire un funzionamento delicato all’interno della meccanica di precisione di macchine e motori. Come oli oleodinamici si possono utilizzare, a seconda del settore di applicazione, oli minerali, oli vegetali, emulsioni acqua-olio o fluidi sintetici.

I sistemi oleodinamici possono movimentare grandi carichi con una forza facile da gestire. In tale processo sono coinvolti diversi componenti all’interno del circuito oleodinamico. La seguente panoramica passo dopo passo spiega in maniera semplice come funziona l’oleodinamica.

  1. Aumento della pressione La pompa idraulica viene azionata manualmente (ad esempio azionando una leva o un pedale) o tramite un motore. Il movimento del pistone riduce lo spazio per l’olio idraulico. La pressione continua a salire.
  2. Distribuzione del volume o del flusso Il fluido in pressione è chiamato anche volume o flusso. Questo viene distribuito attraverso i tubi idraulici del sistema. Nei sistemi oleodinamici complessi è possibile utilizzare delle valvole per controllare la direzione del flusso volumetrico.
  3. Conversione in energia meccanica Una volta che il fluido si è diffuso attraverso i tubi e ha accumulato una pressione sufficiente, attiva un secondo cilindro o motore idraulico (cilindro idraulico doppio effetto) che è responsabile del processo corrispondente (ad esempio, il sollevamento di una piattaforma o l’attivazione del freno).
  4. Ritorno del fluido idraulico Infine, per abbassare nuovamente la pressione nel caso di sistemi manuali a molla (in un sistema frenante, ad esempio), è sufficiente riposizionare la leva nella sua collocazione iniziale. Sulle macchine edili più grandi o su elevatori idraulici potenti è presente di solito un secondo interruttore che abbassa il pistone e, se necessario, apre una valvola di ritorno in modo che il fluido idraulico venga nuovamente distribuito in maniera uniforme all’interno del sistema.

Nota bene: Il funzionamento della centralina oleodinamica è essenziale per gestire la distribuzione del fluido e il controllo delle valvole, inclusa la valvola di massima pressione.

Anche se le modalità di funzionamento sono molto simili, l’oleodinamica presenta alcuni vantaggi rispetto alla pneumatica. I sistemi e gli azionamenti oleodinamici sono estremamente potenti.

Vantaggi di un Sistema Oleodinamico

  • Elevata trasmissione di potenza
  • Ingombro relativamente ridotto
  • Buona adattabilità alle contingenti condizioni di spazio grazie a tubi e collegamenti flessibili
  • Idoneità anche per macchine di precisione grazie a sequenze di movimento lente e regolabili separatamente
  • Lunga durata e bassa usura (se mantenuti e utilizzati seguendo le istruzioni)
  • L’olio idraulico previene l’attrito e allo stesso tempo svolge una funzione refrigerante, aumentando così la durata del sistema

Settori che Impiegano l’Oleodinamica

  • Macchine agricole e da costruzione: accessori per escavatori, gru, trattori e benne ad alto ribaltamento
  • Officina meccanica: piattaforme di sollevamento, utensili, sollevatori idraulici
  • Ingegneria automobilistica: frizione, freni, servosterzo, telaio
  • Ingegneria logistica: carrelli elevatori, transpallet manuali
  • Impianti di sollevamento
  • Produzione: presse idrauliche, banchi prova, nastri trasportatori

Spaccalegna: Un'Applicazione Pratica

Gli spaccalegna sono macchine progettate per facilitare la spaccatura della legna da ardere, un'operazione che può risultare faticosa e pericolosa se eseguita manualmente.

Caratteristiche Chiave degli Spaccalegna

Quando scegli uno spaccalegna, ci sono diverse caratteristiche chiave da tenere in considerazione per assicurarti di fare la scelta giusta:

  • Forza di spacco: espressa in tonnellate, indica la forza con cui lo spaccalegna può spingere il cuneo contro il legno.
  • Tipologia di spacco: alcuni modelli permettono lo spacco in due tronchi (spacco semplice), mentre altri possono dividere il tronco in più pezzi (spacco multiplo).
  • Corsa del cilindro: indica la distanza che il cuneo o la vite può percorrere durante la fase di spinta. Una corsa maggiore permette di spaccare ciocchi più lunghi.
  • Tipo di lama: può essere a cuneo o a X. Le lame a cuneo sono più adatte per tronchi dritti, mentre quelle a croce ( dette anche a X) sono più efficaci con tronchi nodosi.
  • Tipologia di alimentazione: può essere elettrica, idraulica o a scoppio. La scelta dipende dalle tue esigenze specifiche e dalle condizioni in cui lavorerai.
  • Tipologia di orientamento: possono essere verticali o orizzontali.

Tipi di Spaccalegna

Esistono diverse tipologie di spaccalegna, ognuna adatta a specifiche necessità e condizioni d'uso.

Spaccalegna Elettrici

Gli spaccalegna elettrici funzionano mediante un sistema oleodinamico alimentato da un motore elettrico. La pompa idraulica pressurizza l'olio in un cilindro, il quale spinge un cuneo contro il tronco di legno da spaccare. La forza di spinta, misurata in tonnellate, determina la capacità dello spaccalegna di affrontare tronchi di dimensioni e durezza differenti.

Rispetto agli spaccalegna a scoppio, sono molto più silenziosi, non producono emissioni di gas di scarico e sono indicati per essere utilizzati in zone residenziali.

Spaccalegna Idraulici

Il funzionamento degli spaccalegna idraulici si basa sul principio della potenza idraulica. Una pompa idraulica azionata da un motore elettrico o a scoppio, genera olio in pressione che viene convogliato ad un cilindro. La forza del cilindro spinge un cuneo contro il tronco, esercitando una pressione che lo divide in due o più pezzi.

Il sistema idraulico garantisce una potenza elevata e una spinta costante, permettendo di affrontare anche legni duri e nodosi con il minimo sforzo.

Spaccalegna a Scoppio

Gli spaccalegna a scoppio funzionano grazie a un motore a benzina che aziona un sistema idraulico o a vite, generando una forza di spinta considerevole in grado di spaccare anche i ciocchi più resistenti.

Il motore aziona una pompa idraulica che pressurizza l'olio in un cilindro. Nel cilindro scorre un pistone che spinge un cuneo o una vite contro il legno.

Lo spaccalegna a scoppio è dotato di una struttura robusta in acciaio che sostiene il motore, il sistema di spinta e il tronco di legno. La struttura può essere verticale o orizzontale, a seconda del modello.

Alimentato da un affidabile motore Honda da 6,5 CV, è perfetto per un uso in ambienti esterni o dove l'allacciamento alla rete elettrica non è disponibile, o ancora per tutte quelle persone che non dispongono di un trattore agricolo. Dotato di una spinta di 10 tonnellate, questo spaccalegna è in grado di tagliare tronchi di diametro fino a 50 cm e di altezza massima 90 cm.

Lo spaccalegna è dotato di ruote per il trasporto che facilitano gli spostamenti, mentre l'ampio piano di lavoro rinforzato offre una superficie stabile per il posizionamento dei tronchi.

Spaccalegna a Trattore e a Cardano

Gli spaccalegna a trattore sfruttano la potenza del trattore agricolo a cui vengono collegati, generando una forza notevole e permettendo di spaccare anche i tronchi più duri e nodosi con facilità. La forza di spinta può variare notevolmente da modello a modello, arrivando a superare anche le 20 tonnellate.

Oltre agli spaccalegna a trattore, esistono anche modelli a cardano. Questi ultimi si collegano alla presa di forza del trattore tramite un albero cardanico, sfruttando la potenza del motore del trattore per azionare il meccanismo di spacco.

C’è da sottolineare, che gli spaccalegna a cardano sono generalmente più potenti di quelli a trattore, grazie al maggior apporto di potenza proveniente dal sistema a cardano.

Altre Applicazioni delle Macchine Idrauliche

  • Presse a Iniezione
  • Pompe di sollevamento, hanno la funzione di trasportare dei liquidi dal basso verso l’altro.
  • Pompe di circolazione, utilizzate principalmente negli impianti di riscaldamento in quanto trasportano l’acqua calda all’ interno dell’impianto e conducono quella fredda al generatore
  • Pompe di spinta che forniscono ad un determinato liquido una pressione tale che esso riesca a superare un certo dislivello
  • Pompe di alimentazione che si occupano di aspirare un liquido e lo convogliano, con una pressione necessaria, verso un altro sistema

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