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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.
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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
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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
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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
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• 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
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• 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
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Viscosità Cinematica
Viscosità cinematica di vari fluidial variare della temperatura
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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
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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
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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).
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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.
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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)
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Attuatori 2
Valgono le seguenti relazioni
velocità di uscita stelo v1= 4000Q/ D2
velocità di rientro stelo v2= 4000Q/ (D2
-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.
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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
amm
amm
3.14.0
Spessore fondo
10;45.0 r
amm
amm
s
pd h
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Attuatori: Instabilità steli
Cerniera-Cerniera
L
L
L
Llib= 2L
LLlib= L
Llib= 0,7L
Llib= 0.5L
Incastro-Libero Incastro-Cerniera Incastro-Incastro
Pcrit= 2EI/L2lib
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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
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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.
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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.
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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
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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
GAPFA
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Principali gruppi di alimentazione GAQF
Valvola direzionalePilotaggio elettromagneticoRitorno a molla
Filtrazione e condizionamento
Valvola limitatrice di pressioneContrasto molla
Pilotaggio (tratteggiato)
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Principali gruppi di alimentazione GAQVD
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Principali gruppi di alimentazione GAQVC
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Principali gruppi di alimentazione GAPFA
Azionamento idraulico pilotato
Accumulatore
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Circuito per attuatore lineare a doppio effetto
Dal gruppo GAQF
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Circuito per attuatore lineare a doppio effetto
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Pompe: tipi palette
Ingranaggi esterniCilindrata fissa Ingranaggi interni
capsulismi
rotativa vite
Cilindrata variabile palette
Pompe
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
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Pompa non volumetrica
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Pompe: Curve caratteristiche generiche
Caratteristica di pompa non volumetrica
Caratteristica di pompa volumetrica
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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
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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
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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
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Pompe: Curve caratteristiche
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Pompe ad ingranaggi esterniPer piccole e medie potenze a cilindrata fissa
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Pompe ad ingranaggi interni
A 300 bar rumorosità inferiore a 78 dBaspirazione
mezzaluna
pignone
corona mandata
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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
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Pompe a lobi
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Pompe a viti (elicoidali)
flusso di olio continuo e privo di pulsazioni
basso rendimento e notevole surriscaldamento del fluido
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Pompe a palette (cilindrata fissa)
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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.
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Pompe a pistoni assiali(cilindrata fissa o variabile)
Quattro pompanti sonosempre in fase di
aspirazione
Generalmente nove pistoni pompanti
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Pompe a pistoni con cilindri stazionari
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Pompe a pistoni radiali 1
pmax oltre 650 bar
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Pompe a pistoni radiali 2