Appunti Sistemi oleodinamici e pneumatici

Introduzione alla lezione del 02 marzo 2022

L'impianto oleodinamico ha un ruolo fondamentale per le seguenti macchine:

• Macchine a deformazione: destinate a deformare una plastica o superficie metallica per produrre un determinato componente. Per esercitare una notevole spinta occorre quindi un circuito oleodinamico (pressa per stampaggio di telai, pressa per imbutitura, pressa per piastrelle, ...).
• Macchine ad asportazione: in campo metallurgico vi sono tornitrice, brocciatrice, alesatrice dove un corpo metallico viene modellato per asportare parti non desiderate.
• Macchine per iniezione plastica: si inietta nella superficie vuota il materiale plastico per fargli assumere una forma desiderata (stampo), attraverso l'iniettore. A sua volta vi è la tramoggia che contiene la materia prima, cioè polvere plastica, che scende per essere iniettata nello stampo. Chiaramente tutto è movimentato da un cilindro di iniezione, che rappresenta l'elemento di spinta e poi fuori c'è un motore dove viene immesso il fluido. Nel circuito oleodinamico vi è una pompa che aspira fluido e dà pressione al fluido trattato, erogando la portata richiesta dalla valvola proporzionale di portata.
• Macchine mobili: per movimento a terra o per sollevamento e trasporto.
• Settore navale: elica a spinta trasversale, coppia di eliche azimutali per la propulsione (nelle grosse petroliere con comandi oleodinamici).
• Tecnologie di scena: azionamenti oleodinamici lineari a bassa rumorosità per pedane teatrali.
• Sollevamento: gru per sollevamento di aeromobili civili.
• Impianti di prova e di simulazione: impianto per crash simulato.

La trasmissione di energia, nei processi produttivi, ha varie forme: meccanica, elettrica, oleodinamica, pneumatica. I vantaggi degli impianti oleodinamici e pneumatici a dispetto di quelli meccanici ed elettrici sono inerenti alla facilità e flessibilità di configurazione. Rimanendo nel campo oleodinamico-pneumatico notiamo che, confrontandoli, un circuito pneumatico lavora a 12-16 bar, mentre nell'oleodinamico si arriva a centinaia di bar. Questo perché nel primo caso abbiamo un fluido comprimibile, mentre nel secondo incomprimibile. Per questo le forze ottenibili e le coppie ottenibili sono limitate per il sistema pneumatico ed elevate per il sistema oleodinamico.

La velocità del fluido è 20/40 m/s per il sistema pneumatico e 4/8 m/s per l’oleodinamico, perché la densità è diversa da un liquido ed un gas (altresì la velocità di lavoro). La comprimibilità del fluido è logicamente molto superiore nel caso oleodinamico (1500 vs 2 Mpa) quindi lo spostamento è indipendente dalla spinta nel sistema oleodinamico. Il moto nel circuito è non controllabile nel circuito pneumatico a causa dell’utilizzo di un gas; quindi, i posizionamenti sono imprecisi (ma i collegamenti sono semplici e la manutenzione è bassa), diversamente per il liquido nel circuito oleodinamico dove i collegamenti sono anche più onerosi e la manutenzione da effettuare è ben più elevata.

In definitiva un sistema pneumatico è caratterizzato da un alto rapporto peso potenza, un rendimento medio, un costo energia elevato ed una sicurezza di esercizio limitata, mentre un sistema oleodinamico ha un basso rapporto peso/potenza, un buon rendimento ed una buona sicurezza di esercizio. Nel campo oleodinamico, ci sono:

• Impianti idrostatici: dove vi è una generazione e trasmissione di forze e la pressione si genera in un liquido con quiete o quasi statico; (torchio idraulico, freni idraulici).
• Impianti idrodinamici: dove vi è una generazione e trasmissione di forze e potenza e la pressione si genera in un liquido in moto; (pompe, motori, cilindri con pistone).
• Impianti idrocinetici: dove vi è generazione di forze e potenza (qui è l’energia in gioco è quella cinetica, mentre la pressione ha poca rilevanza) (giunti idraulici).

I vantaggi della tecnica oleodinamica riguardano la trasmissione a distanza di grandi forze e grandi copie con piccoli ingombri. Inoltre, la coppia e la spinta sono indipendenti dal numero di giro, non condizionandosi reciprocamente. La tecnica oleodinamica ha un’ampia flessibilità nel variare i parametri all’utilizzatore ed una rapidità di risposta a qualsiasi comando grazie all’incomprimibilità del fluido. Si possono quindi controllare gli azionamenti a prescindere dalla velocità utilizzata. Inserendo valvole adatte, si limita la pressione a cui il fluido è sottoposto, inducendo una facilità di protezione da sovraccarichi. Si ha la possibilità di accumulare energia per far fronte a picchi di potenza richiesta. Inoltre, il fluido stesso che funge da autolubrificante e la standardizzazione dei componenti rende questo sistema molto efficiente.

Vi sono però anche degli svantaggi: si possono avere fughe di lavoro di fluido, cioè punti in cui si hanno parti che escono dall’impianto e basse tolleranze di lavorazione, che comportano ad un aumento del costo dei componenti. Vi è una sensibilità termica dovuta all’attrito del fluido (viscosità), quindi un condizionamento termico del fluido (troppo caldo meno attrito, troppo freddo viscoso e meno lubrificato). Il fluido può essere contaminato da sostanze estranee, causando erosione ed abrasione.

La catena energetica che si realizza in un generico sistema che rende un servizio utile prevede una sorgente iniziale, sede di energia utilizzabile, per poi passare al trasformatore, che adatta la potenza della sorgente alla richiesta dell’utilizzatore, che produce il servizio, attraverso un insieme di organi meccanici, per arrivare al pozzo, che è lo stato finale. Nel trasformatore vi è un motore vero e proprio, che fornisce potenza meccanica; poi il motore aziona componenti oleodinamici, quindi eseguo una trasmissione del circuito oleodinamico. Nell’ambito di quest’ultimo distinguiamo un gruppo generatore o di alimentazione (potenza meccanica -> potenza fluida, vedi pompe) da un gruppo attuatore o utilizzatore (potenza fluida -> potenza meccanica). (P = potenza idraulica, Q= portata volumetrica, p=pressione, i P=perdite)

Lezione del 03 marzo 2022

Descrizione di un semplice impianto oleodinamico

C’è una pompa in basso ed un bacino dove si riporta il fluido di lavoro; c’è un motore che trascina la pompa e la linea del fluido pompato che segue è quella verticale. Vi è un ritorno al bacino di partenza, attraverso una valvola di sovrappressione (la freccia indica la direzione del flusso), ovvero quando la pressione di mandata arriva al suo livello massimo questa valvola si apre, cosicché il fluido non va in utenza ma rientra nel serbatoio. Se è chiusa, si arriva ad un distributore, rappresentato nella posizione di riposo (quadrato centrale); nella posizione b invece il flusso sale ed alimenta il martinetto, nella camera sinistra, e chiaramente c’è un flusso che muove il martinetto verso destra (la camera a destra del martinetto è in uscita e torna per cui al bacino finale di raccolta); nella posizione a invece la pompa va ad alimentare la camera senza stelo, per cui la camera che scarica questa volta è l’altra. La centralina idraulica è un unico corpo che comprende gli aspetti di pompaggio di andata e ritorno di fluido.

Abbiamo un serbatoio che assolve a più funzioni:

• Riserva di olio.
• Spazio per la variazione di volume dell’olio.
• Dispersione di calore.
• Decantazione di impurità.
• Supporto al gruppo motore-pompa.

Per favorire la dispersione di calore, il fondo deve essere rialzato e l’estremità del tubo di ritorno, immersa nell’olio, è con taglio obliquo rivolto verso la parete del serbatoio affinché il fluido lambisca. All’interno sono installate delle paratie, che separano la zona di aspirazione da quella di ritorno. Un indicatore di livello permette il controllo della superficie libera del liquido che non deve rimanere troppo vicino alla bocca di aspirazione per evitare il trascinamento di bolle d’aria. Le tubazioni di aspirazione e di ritorno devono terminare sotto il livello minimo dell’olio mentre la tubazione di ritorno dei drenaggi deve terminare al di sopra la superficie libera del livello massimo.

Vi è una relazione tra le dimensioni del serbatoio in litri, che sono circa 3-5 volte la portata della pompa in l/min. Dalle normative a disposizione, facciamo riferimento alla ISO 1219-1, che contiene la rappresentazione del modello funzionale di un componente o di un circuito oleodinamico (la funzione, il funzionamento e i collegamenti ma NON le modalità costruttive, le dimensioni e l’installazione).

Un esempio di impianto idraulico è il seguente: immaginiamo di dover attivare una movimentazione in ingresso per ottenerne una in uscita (inizialmente vi è una connessione meccanica, rappresentata da una leva). Applicando una forza F, con distanza L dal centro del perno, ed una forza F, con distanza L, vi sarà una correlazione tra forza applicata ed utilizzata. La leva meccanica posso immaginarla come un sistema idraulico: a sinistra c’è un serbatoio, poi si connette una condotta ad un altro serbatoio a destra; l’alesaggio a destra è maggiore di quello a sinistra; applico F al serbatoio a sinistra mentre a destra F (all’interno, in giallo ho una pressione interna): in questo caso ho una maggiore flessibilità ed una trasmissione non meccanica ma idraulica, per cui non si devono rispettare delle distanze tra i bracci, ma le aree di spinta. Inoltre, lo spostamento h è determinato anch’esso dal rapporto tra le aree.

Nell’ultimo caso, abbiamo sempre un circuito idraulico, ma con in aggiunta una leva meccanica (è una combinazione dei due casi precedenti): abbiamo un braccio corto F e un braccio lungo F (spingendo F, trasmetto all’impianto idraulico una spinta maggiore F). Si entra quindi nel circuito idraulico, analogo a quello precedente: Vi è però un prolungamento della camera di spinta ed un serbatoio in fondo. X, Y, Z rappresentano delle valvole unidirezionali (aprono il flusso in una sola direzione). Se Z è chiusa, allora spingo F in basso, F va anch’essa in basso ed il fluido passa all’altra camera salendo a destra; anche quando la leva sale, grazie al serbatoio in basso di raccolta, posso fornire sempre un livello di olio sufficiente, per rendere l’attività di innalzamento continua (eseguo diversi pompaggi). Aprendo la valvola Z, c’è un riflusso di olio che torna nel bacino in basso, accumulando olio, per tornare alla posizione iniziale.

Fluidi idraulici

Requisiti dei fluidi idraulici

I fluidi idraulici da utilizzare nei circuiti devono avere alcuni requisiti:

• Trasmettere energia con basse perdite ed elevate velocità di risposta.
• Lubrificare le parti in movimento relativo.
• Mantenere puliti gli organi meccanici e proteggerli dalla corrosione.
• Possedere una buona conducibilità termica.
• Non essere infiammabile, dunque sicuro.
• Avere stabilità chimica.

I fluidi idraulici possono essere classificati in quattro classi:

• Oli a base minerale (dal petrolio).
• Fluidi resistenti alla fiamma (possono essere classificati a sua volta in fluidi a base d’acqua e fluidi non acquosi sintetici).
• Fluidi ecologici (oli vegetali, poliglicoli, esteri sintetici).
• Liquidi speciali sintetici (per usi aeronautici e marini).

Secondo la normativa ISO 6743-4:

• Gli oli a base minerale hanno il simbolo H (HH = privi di additivi, HL = additivi antiruggine, HM = additivi antiusura, HV = additivi correttori di viscosità).
• I fluidi resistenti alla fiamma hanno il simbolo HF (HFA = emulsioni olio in acqua [acqua>80%], HFB = emulsioni invertite acqua in olio [acqua 40/60%], …).
• I fluidi ecologici hanno il simbolo HE (HETG = oli vegetali, HEPG = poliglicoli, HEE = esteri sintetici).
• I liquidi speciali sintetici hanno una simbologia differente (Nato H515 per gli aeronautici e Nato H540 per i marini).

La conducibilità [ ], che correla il flusso termico e la temperatura, è 0,130 < < 0,136, per oli minerali a circa 20°, e diminuisce per temperature dell’ordine dei 300°. Il calore specifico [ ], per oli minerali, ha un ordine di grandezza di circa 1,8 ed aumenta con la temperatura fino a 2,9. Per convenzione, la temperatura di congelamento è +2°C e rappresenta il punto di scorrimento (pour point), per cui il fluido è molto viscoso ed il suo moto è quasi impedito.

Inoltre, si prende in considerazione, in un fluido, anche il punto di nebbia (cloud point), superiore a quella di congelamento, a cui corrisponde una brusca variazione nel legame temperatura-viscosità (tende ad assumere i colori dell’arcobaleno). Per gli oli e fluidi non acquosi, la tensione di vapore è dell’ordine di 1/1000 di quella dell’acqua per cui bollono per notevoli depressioni. La demulsività è l’attitudine a separarsi dall’acqua con rapidità. La presenza di H₂O è dovuta alla condensazione dell’umidità atmosferica all’interno del serbatoio ed alle perdite delle serpentine dell’eventuale scambiatore di calore ad acqua. L’acqua, se non separata, viene inglobata dall’olio e forma un’emulsione sotto l’azione di frullamento della pompa: in tal modo, si riducono le proprietà lubrificanti, antiusura ed antiruggine; La proprietà antischiuma è connessa alla presenza di aria separata dall’olio, che provoca la formazione di questa schiuma che, se aspirata dalla pompa, provoca risposte dei comandi imprecisi, vibrazioni, rumorosità.

Inoltre, gli oli hanno la tendenza di combinarsi con l’ossigeno dell’aria dando luogo a sostanze acide che inducono corrosione. Si parla quindi di detergenza quando si intende la capacità di limitare il deposito di sostanze estranee e di prodotti di invecchiamento, mentre si parla di disperdibilità come la capacità di mantenere eventuali contaminanti uniformemente suddivisi in sospensione, in modo che possano venire convogliati al filtro e quindi separati dal fluido. Per quanto concerne l’arrugginimento, esso può essere causato da due fattori, ovvero gli agenti interni costituiti da sostanze acide e gli agenti esterni costituiti da acqua ed aria (per cui occorre utilizzare un fluido antiruggine). Allo stesso tempo è utile averne uno con proprietà lubrificante ed antiusura. Inoltre, i fluidi devono resistere all’ignizione e limitare la propagazione della fiamma. Vi sono alcune prove di infiammabilità:

• Punto di fiamma ("fire point"): temperatura alla quale il fluido si incendia a contatto con una fiamma libera.
• Punto di fiamma dei vapori ("flash point"): temperatura più bassa alla quale una sufficiente quantità di fluido è evaporata in modo da formare con aria una miscela combustibile a contatto con una fiamma libera.
• Temperatura di auto ignizione ("AIT"): temperatura minima alla quale il fluido si incendia spontaneamente.

La tossicità può essere di diversi livelli a seconda che il rischio venga dal liquido o dal vapore e riguarda il contatto con la pelle, gli occhi, l’inalazione, l’ingestione (gli oli minerali provocano irritazione alla pelle, mentre i fluidi clorurati sono notevolmente tossici se allo stesso di vapore).

Lezione del 09 marzo 2022

Equazione di stato per i fluidi

L’equazione di stato per i fluidi è: dove Quindi si ricava che: Il valore della densità varia se è considerata sulla pressione o sulla temperatura: Un altro parametro che prendiamo in esame è la viscosità (o attrito interno). Rappresentiamo un fluido a contatto con una parete (asse x), che scorre. Il gradiente di velocità w è lineare crescente, dalla parete bagnata e la legge laminare che determina questo evento è: Δ F = , dove n = variazione posizione e = viscosità dinamica [ ].att Δ Δ La stessa relazione può essere espressa sotto forma di tensione (σ = = ). Per cui l’attrito intrinseco del Δ fluido, che scorre su strati paralleli, è espresso dalla viscosità dinamica (come unità di misura si usa anche il -3 centiPoise cP = 10 Pa s).

Invece, si definisce anche la viscosità cinematica data dal rapporto tra la viscosità dinamica e la densità del fluido = [ ma si usa il centiStoke cSt = 10 ]. Per misurare la viscosità si utilizzano viscosimetri, che possono essere a rotazione, a capillare o a caduta. Per quello rotativo, abbiamo una parte fissa centrale ed intorno è bagnato (in grigio) e intorno al quale vi è un contenitore vuoto per far scorrere la zona grigia. La parte esterna ruota (h è l’altezza del fluido contenuto in questa rotazione) e vi sono due raggi interni ed esterni (R e R ).1 2 (Y rappresenta il gradiente di velocità mentre la tensione viscosa) Per quello capillare industriale, invece, abbiamo una parte cava dove si riempie il fluido che voglio valutare, mentre nella parte in basso c’è una zona di scarico (il diametro è molto corto e stretto, dove d=diametro, L=lunghezza). Il fluido, nella foratura piccola, si muove con un moto laminare (il fluido scende e vi è una variazione di livello da h a h , fino a 0 1 giungere alla piccola tubazione, per cui nella prima parte ho una quota h che determina un salto di pressione, infatti nel tubo finale ho una sovrappressione dettata dalla quota e quindi dalla gravità). All’uscita vi è una forte dissipazi...