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7/25/2019 Introduzione alla oleodinamica.pdf

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Introduzione alla oleodinamica

CIRCUITI OLEOIDRAULICI

Gli impianti oleoidraulici sono sistemi di trasmissione di energianei quali il vettore è un fluido a limitata comprimibilità.Le funzioni principali sono:

- conversione dell'energia "meccanica" in energia "idraulica";- controllo e regolazione dell'energia;

- trasferimento dell'energia;- conversione dell'energia idraulica in energia meccanica.

Componenti e Funzioni

Le funzioni sono svolte dai seguenti componenti e gruppi:• motore primo• uno o più generatori di portata (pompe, eventualmente incombinazione con accumulatori);

• valvole di controllo della pressione;• dispositivi di controllo del flusso;• valvole direzionali;• cilindri e/o motori idraulici;

Ed inoltre•Trasduttori con sensori•Sistemi di riscaldamento o raffreddamento del fluido•Sistemi di sicurezza

Tipologie e caratteristiche 2

Essi presentano tuttavia alcune limitazioni:

- rendimenti totali di trasmissione non elevati (50-70%);- difficoltà di sincronizzazione di più attuatori in modo semplice;-

difficoltà a mantenere rigorosamente costante la velocità deimovimenti in presenza di resistenze variabili.

Per tali motivi la scelta e l’impiego dei sistemi oleoidraulici viene adottatanei casi in cui è richiesta:

•Elevata potenza assoluta•Elevata potenza specifica•Compattezza delle apparecchiature•Grande flessibilità e versatilità

Funzioni svolte dal fluido

• Trasmissione per via idrostatica dell’energia

portata volumetrica di fluido pressione del fluido dipendente dalle condizioni nel circuito

• lubrificazione delle coppie cinematiche presenti nel sistema

• trasporto di calore dai punti in cui viene generato ad un opportuno organodi scambio con l’ambiente

• trasporto di particelle solide generate per usura entro le coppie cinematiche

• COMPOSIZIONE CHIMICA

• Oli minerali o sintetici additivati

– Miscele di idrocarburi con elevato peso molecolare, additivati concomposti chimici in grado di modificarne determinati comportamenti

• Fluidi a base di acqua – Emulsioni acqua-olio – Emulsioni acqua-glicole

• Fluidi sintetici di varia natura

– Fosfato-esteri semplici o clorurati

– Idrocarburi clorurati – Silicato-esteri

• I circuiti oleodinamici usati nelle macchine automatiche impiegano quasi

esclusivamente fluidi basati su oli minerali additivati

Principali tipi di fluidi utilizzati in oleodinamica

• DENSITA’• COMPRIMIBILITA’

α coefficiente di comprimibilità volumicadel fluido = variazione specificadi volume a seguito di unavariazione unitaria di pressione [Mpa-1]

ε modulo elastico apparente del fluido(bulk modulus) = variazione di pressione che provoca una

variazione specifica di volume unitaria [MPa]

oli minerali ε = 1750 MPaacqua ε = 2350 MPa

Caratteristiche meccaniche del fluido utilizzato

Un ΔP=100 bar (10 MPa) provoca nell’olio una

variazione % di volume pari allo 0.57%

Es. 300 dm3 di olio che passano da 2 a 30

MPa subiscono una variazione di volume

pari a 4.778 dm3

Viscosità Cinematica

Viscosità cinematica di vari fluidial variare della temperatura

Gruppi di alimentazione

GRUPPI DI ALIMENTAZIONE (Centralina Oleodinamica)

II gruppo di alimentazione, nel quale avviene la conversione di energiameccanica in energia idraulica, è costituito essenzialmente da:

•motore (elettrico o endotermico)

•pompa

•valvola limitatrice di pressione (valvola di sicurezza)

•serbatoio

•accumulatore•filtro

•scambiatore di calore

Gruppi di alimentazione - Pompe

La pompa è di solito di tipo volumetrico: le più usate sono le pompe adingranaggi, sono poi disponibili anche pompe a palette, a vite, a pistoni(radiali o assiali). I parametri caratteristici della pompa sono:

- cilindrata V (commercialmente cm3

/giro)- portata Q (litri/s) [( m3/sec)]- coppia M (Nm)- potenza N (kW)- velocità di rotazione n (commercialmente giri/min)- prevalenza p (Pa=N/m2)- rendimento volumetrico v

- rendimento meccanico m

- rendimento totale t = v m

Gruppi di alimentazione – MotoriLa portata della pompa è (nelle unità commerciali indicate)

Q = V n v/60000 (litri/s)

N = Q p/106 (kW)

II motore dovrà fornire una potenza

NM=N k/ tdove k è un coefficiente di sovraccarico superiore a 1.

La valvola limitatrice di pressione o valvola di massimo deve avere unasezione di passaggio tale da permettere il deflusso dell'intera portata della

pompa più eventuali scarichi degli attuatori in caso di superamento della pressione di taratura (pari alla pressione ammissibile nel componente più

debole del circuito).

Valvole di distribuzione e regolazione

•Le valvole di distribuzione (distributori) effettuano la distribuzione delfluido nei rami del circuito. Sono disponibili sul mercato le tipologie più

diverse nelle dimensioni necessarie per le portate usuali.•È molto importante controllare che la pressione di esercizio del distributoresia congruente con quella del circuito.

•Anche per le valvole di regolazione, che controllano il flusso del fluido

nelle connessioni, sono disponibili componenti standard sul mercato a pilotaggi oleoidraulici, pneumatici, elettrici o meccanici.

Attuatori 1

Gli attuatori si dividono in due categorie:- attuatori lineari (cilindri a semplice e a doppio effetto)- attuatori rotativi (motori oleoidraulici)Per quanto riguarda i cilindri oleoidraulici le grandezze caratteristiche sono:

- velocità di uscita stelo v1 (m/s)- velocità di rientro stelo v2 (m/s) (per cilindri a doppio effetto)- pressione di esercizio p (bar=105 Pa)- diametro stelo d (mm)- alesaggio pistone D (mm)-

spinta F1 (N)- tiro F2 (N) (per cilindri a doppio effetto)

Attuatori 2

Valgono le seguenti relazioni

velocità di uscita stelo v1= 4000Q/ D2

velocità di rientro stelo v2= 4000Q/ (D2

) (doppio effetto)Spinta F1= D2 p/40Tiro F2 = (D2-d2)p/40 (doppio effetto)

Commercialmente sono disponibili attuatori lineari a catalogo, è tuttavia possibile progettare e costruire cilindri su misura di qualsiasi dimensione.

Attuatori Verifiche

Verifiche

Notazioni

D = diametro esterno del cilindro (mm)d = diametro interno del cilindro (mm)

ds = diametro di saldatura fondo (mm)h = spessore fondo (mm) p = pressione (Pa)

amm = tensione ammissibile (Pa)

Diametro cilindro

p pd D

3.14.0

Spessore fondo

10;45.0 r

Attuatori: Instabilità steli

Cerniera-Cerniera

Llib= 2L

LLlib= L

Llib= 0,7L

Llib= 0.5L

Incastro-Libero Incastro-Cerniera Incastro-Incastro

Pcrit= 2EI/L2lib

Accumulatori

Gli accumulatori sono sottogruppi atti ad accumulare energia sotto forma dienergia potenziale per compensare le fluttuazioni di pressione dovute alla

irregolarità dell’alimentazione o alle improvvise richieste

Criteri generali di progettazione A

Allo scopo di definire una procedura di progettazione automatica, occorreanalizzare in dettaglio lo schema del metodo di progettazione at-tuale, le

funzioni svolte dai componenti, il modello matematico funzionale di questi edel generico circuito. II lavoro del progettista, in linea di massima, si articolain cinque fasi fondamentali:

A - a) definizione delle funzioni richieste al circuito

- b) definizione delle forze e/o coppie da sviluppare, dei tempi, dei percorsi, delle velocità di lavoro e di ritorno.È assolutamente indispensabile una descrizione completa ed esauriente delciclo funzionale desiderate.

Criteri generali di progettazione B - C

B - scelta della pressione di esercizioLe possibilità di scelta del progettista sono assai ampie in termini tecnici, per cui il fattore determinante è generalmente di natura economica. L'uso di

pressioni elevate permette, a parità di prestazioni, di impiegare attuatori più

piccoli e quindi meno costosi (in relazione alle prestazioni). D'altra parte,esistono limiti che condizionano la scelta della pressione di esercizio:- comprimibilità dell'olio,- necessità di tubazioni flessibili,- accumulatori, etc. etc.

C - definizione delle portate e delle potenze necessarie, tenendo conto deirendimenti, dai punti A e B.

Criteri generali di progettazione D - E

D - stesura dello schema oleoidraulico: si definisce il circuito che soddi-sfale condizioni di progetto individuate in A - a); da esso si ottiene lo schema

dell'impianto oleoidraulico scegliendo ed "assemblando" i componenti conriferimento alle loro caratteristiche e a quanto specificato in A - b).

E - calcolo delle grandezze caratteristiche dell'impianto.Dal confronto di queste ultime con quanto definite in A si ottengono

informazioni sull'opportunità o meno di reiterare lo schema e da quale fase

Classificazione gruppi di alimentazione

Gruppo di alimentazionePortata fissa GAQF

Gruppo di alimentazioneGA

Gruppo di alimentazionePortata variabile GAQV

Gruppo di alimentazionePressione fissa GAPF

Continua

GAQVCDiscretaGAQVD

Effettiva o vera

GAPFVApprossimata

Principali gruppi di alimentazione GAQF

Valvola direzionalePilotaggio elettromagneticoRitorno a molla

Filtrazione e condizionamento

Valvola limitatrice di pressioneContrasto molla

Pilotaggio (tratteggiato)

Principali gruppi di alimentazione GAQVD

Principali gruppi di alimentazione GAQVC

Principali gruppi di alimentazione GAPFA

Azionamento idraulico pilotato

Accumulatore

Circuito per attuatore lineare a doppio effetto

Dal gruppo GAQF

Circuito per attuatore lineare a doppio effetto

Pompe: tipi palette

Ingranaggi esterniCilindrata fissa Ingranaggi interni

capsulismi

rotativa vite

Cilindrata variabile palette

Volumetriche

Pistoni alternativi e

Cilindri stazionari

Cilindrata fissa Cil. In linea

Cil. A stella

Cilindrata fissa Pistoni assiali

Pistoni rotoalternativi Pistoni radiali

Cilindrata variabile Pistoni assiali

Pistoni radiali

Pompa non volumetrica

Pompe: Curve caratteristiche generiche

Caratteristica di pompa non volumetrica

Caratteristica di pompa volumetrica

Pompe: perdite per trafilamenti

La portata perduta per trafilamento è la portata residua fornitadalla relazione

QT = (1- v )V 10-3 (dm3/s)

V = cilindrata (cm3/rad)= velocità angolare (rad/sec)

v = rendimento volumetrico

Pompe: durata

La durata di una pompa è regolata da formulazioni analoghe aquelle dei cuscinetti per cui, se è nota quella che si realizza incondizioni nominali caratterizzate da pressione e velocitàangolare rispettivamente pn e n, si può ottenere la durata in

presenza di pm e m attraverso la relazione

Hm = Hm(pn / pm)10/3n / m

con Hm ed Hm di solito espresse in ore

Pompe: dati caratteristici

Si riportano nel seguito i dati caratteristici di funzionamento delle pompe più utilizzate:

Ingranaggi esterni 130 – 200 bar 1000 – 5000 giri/minPalette cilindrata fissa 120 – 200 bar 1200 – 2200 giri/minPalette a cilindrata variabile 50 – 100 bar 1200 – 2200 giri/minA vite 50 – 120 bar 1000 – 4000 giri/minPistoni assiali 200 – 500 bar 1200 – 3600 giri/min

Pistoni radiali 200 – 700 bar 1000 – 3000 giri/min

Pompe: Curve caratteristiche

Pompe ad ingranaggi esterniPer piccole e medie potenze a cilindrata fissa

Pompe ad ingranaggi interni

A 300 bar rumorosità inferiore a 78 dBaspirazione

mezzaluna

pignone

corona mandata

Pompe ad ingranaggi: portata

La portata è fornita dalla relazione

Q = m d p b 10-6 (dm3/s)

m = modulo della dentatura (mm)d p= diametro della primitiva (mm)

= velocità angolare (rad/s)

b = larghezza del dente (mm)z = numero di dentid p = m z

Pompe a lobi

Pompe a viti (elicoidali)

flusso di olio continuo e privo di pulsazioni

basso rendimento e notevole surriscaldamento del fluido

Pompe a palette (cilindrata fissa)

Pompe a palette (cilindrata variabile)

4) Anello circolare7) Limitatore della cilindrata8) Regolatore del pistoncino 79) Regolatore di pressione meccanico10) Vite di pre-carico molla 9.

Con questo tipo di pompa (piccolo riscaldamento dell’olio) si puòrinunciare all’installazione della valvola di sicurezza.

Pompe a pistoni assiali(cilindrata fissa o variabile)

Quattro pompanti sonosempre in fase di

aspirazione

Generalmente nove pistoni pompanti

Pompe a pistoni con cilindri stazionari

Pompe a pistoni radiali 1

pmax oltre 650 bar

Pompe a pistoni radiali 2

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