Appunti Automazione a fluido

03/11/25

ELEMENTI DI OLEOIDRAULICA (O OLEODINAMICA)

Caratteristiche dei sistemi oleodinamici

• Elevati valori di potenza trasferibile: poter gestire potenze meccaniche su alti valori,

mantenendo apparecchiature abbastanza semplici anche se con alcune eccezioni (es. Valvole)

• Semplicità dei macchinari

• Semplice trasformazione del moto lineare in rotatorio e viceversa.

• Possibilità di controllare il movimento degli attuatori

• Possibilità di realizzare sistemi e funzioni con logiche anche molto complesse utilizzando

elementi semplici in serie

• Possibilità di controllare il carico

• Elevata sicurezza di esercizio

• Perdite di carico (riduzione rendimento trasmissione): abbiamo a che fare con fluidi a piu alta

viscosità rispetto l'aria, quindi perdite di carico più significative

• Moderata comprimibilità del fluido (riduzione precisione del movimento): la comprimibilità del

fluido in presenza di alte pressioni puo andare a ridurre la precisione del moto, anche se piu

accurata della pneumatica

• Possibilità di trafilamenti: i trafilamenti sicuramente riducono il rendimento ma il problema

principale sono le tenute non perfette verso l'ambient (perdita dal punto di vista energetico ed

essendo trattati degli oli questi creano anche problemi di inquinamento ambientale)

ALCUNE APPLICAZIONI • Macchine movimento terra

• Miniere • Gru semoventi

• Industria Meccanica • Linee di produzione di automobili, elettrodomestici, prodotti in serie

• Siderurgia e metallurgia • Macchine utensili

• Settore Navale • Elettromedicali

• Apparecchi di sollevamento • Veicoli

• Presse • Macchine portuali

Applicazioni oleodinamiche in ambito navale

• argani di tonneggio • organi direzionali e stabilizzatori

• argani salpancora • comandi diretti su motori

• verricelli • meccanismi di variazione del passo (eliche a p.v.)

• portelloni, celate, rampe interne, car deck • meccanismi di sollevamento

• porte stagne • chiusure stive

• comando valvole

QUANDO L’OLEODINAMICA?

• Movimenti lineari

• Forze in gioco elevate

• Facile regolazione di: velocità, accelerazioni, forze

• Semplicità di installazione con ingombri minimi nella zona operativa

• Adattabilità ad ambienti difficili

L’IMPIANTO OLEODINAMICO

• Centrale (generatori: motori primi, pompe)

• Banchi valvole (regolazione: direzione, portata, pressione)

• Cilindri (attuatori)

• Ausiliari (serbatoio, filtri, raffreddatori, accumulatori, strumentazione)

• Tubazioni

Tipi di pompe • pompe ad ingranaggi #

# pompe a portata fissa • pompe a lobi #

# pompe a portata variabile • pompe a palette # #

• pompe a vite #

• pompe a pistoni radiali ed assiali # #

Componente che agisce sullo stato di pressione del fluido. La corrispondenza con la pneumatica è che questa

tipologia di componenti è di tipo volumetrico, come erano volumetrici i compressori nella pneumatica. La

pompa puo essere vista come l'analogo del compressore nel pneumatico ma con una differenza fondamentale:

nel caso di impianto pneumatico ho un circuito aperto mentre quando parliamo di oleodinamica abbiamo un

circuito chiuso, in particolare abbiamo un serbatoio da cui il fluido è stato prelevato (olio ricircola sempre).

UT UT

. .

COMPRESSORE · POMPA

AMBIENTE ↑ SERBATOIO

AMBIENTE

Cilindrata fissa

Pompe Cilindrata variabile

Il fatto di realizzare una portata fissa o variabile viene gestita con una variazione di cilindrata. Si pensa a

componenti in cui a parità di velocità angolare, la portata possa essere variata con la cilindrata e quindi

intervenendo sulla geometria interna della pompa.

La cilindrata rappresenta il volume di fluido che viene elaborato in un giro dell'albero della pompa (cm^3/giro).

Non si pensa di variare la portata variando il numero di giri del motore elettrico che comanda la pompa.

Le principali pompe di nostro interesse sono le pompe a ingranaggi, a lobi, a palette, a viti e a pistoni (con

disposizione radiale o assiale). A seconda della tipologia, le pompe a palette e quelle a pistoni hanno la doppia

possibilità di essere realizzate a cilindrata fissa o variabile.

Nota: POMPE VOLUMETRICHE

• Macchine generatrici, solitamente azionate da motore rotativo, in grado di trasferire da una bocca di

ingresso (aspirazione) ad una di uscita (mandata) una portata volumetrica di liquido il cui valore dipende dai

parametri geometrici (cilindrata) e cinematici (velocità di rotazione)

• LA POMPA GENERA UNA PORTATA IN VOLUME: il valore di pressione alla bocca di mandata è

determinato DALLE RESISTENZE COMPLESSIVE che il fluido incontra nel fluire entro il circuito

Grandezze caratteristiche di una pompa volumetrica

Abbiamo dei coefficienti numerici

correttivi a seconda delle unità di

misura (questo concetto vale sempre!)

Cilindrata: Volume teorico di fluido trasferito dalla bocca di aspirazione a quella di mandata in corrispondenza

di una rotazione unitaria dell’albero motore

Portata volumetrica teorica: Volume teorico di fluido trasferito dalla bocca di aspirazione a quella di mandata

nell’unità di tempo Q = cω

T Velocità angolare albero motore

↳

Cilindrata

Portata volumetrica effettiva: Volume effettivo di fluido trasferito dalla bocca di aspirazione a

quella di mandata nell'unità di tempo Q = c = Q

η ω η

E v VT

Rendimento volumetrico , originato da:

η v

• Imperfetto riempimento dei volumi attivi

• Trafilamenti interni di fluido

• Effetti di compressione del fluido

• Imperfetto svuotamento dei volumi attivi

Il rendimento volumetrico peggiora al crescere della differenza di pressione tra aspirazione e mandata.

Peggiora all'aumentare della temperatura del fluido, cioè per valori di viscosità cinematica troppo bassi

(aumento dei trafilamenti). Peggiora al diminuire della temperatura sotto a certi valori (aumento eccessivo

della viscosità cinematica che ostacola le operazioni di riempimento e svuotamento dei volumi attivi)

2

La viscosità cinematica di un olio, al variare della temperatura, tende a diminuire T

L'olio è più "fluido" ad alta temperatura e ha una maggiore possibilità di trafilamento nei

trafilamenti interni (peggiorando il rendimento volumetrico).

Parametri meccanici

Salto di pressione ∆P: variazione del livello assoluto di pressione tra bocca di mandata e bocca di aspirazione

Coppia motrice teorica richiesta: Proporzionale al prodotto della cilindrata per il salto di pressione M = c ΔP

mt

Coppia motrice effettiva richiesta:

& dip 2 fenomeni d'attrito

dai

dipende

,

Il rendimento meccanico è determinato da fenomeni dissipativi di varia natura che intervengono

η

• Nelle varie coppie cinematiche che sono presenti entro la pompa

• Nell’interazione tra fluido e pareti dei condotti interni

• All’interno del fluido stesso

Il termine ΔP *Q =W viene definito come POTENZA IDRAULICA EFFETTIVA resa della pompa in un

ie

e

certo istante

Rendimento globale è il prodotto di rendimento volumetrico e rendimento meccanico

Esso risulta funzione: Delle condizioni nel circuito (salto effettivo di pressione); Delle condizioni fisiche del

fluido (viscosità); Della velocità nominale di funzionamento della pompa ; Del tipo di pompa considerato

Esistono grafici qualitativi che esprimono la

portata e il rendimento in funzione del salto di

pressione:

• Portata: ha andamenti di fatto rettilinei con

un decadimento modesto all'aumentare di

ΔP.

• Rendimento volumetrico: diminuisce

all'aumentare di ΔP, ma in modo non

particolarmente marcato.

• Rendimento totale: tende ad aumentare

all'aumentare di ΔP fino a zone critiche in cui

il rendimento crolla (specialmente per colpa

del rendimento meccanico).

Cenni sulle PRINCIPALI TIPOLOGIE di POMPE OLEODINAMICHE

Elementi caratterizzanti di impiego

• Cilindrata – Fissa (valore nominale)

– Variabile (limiti di variabilità)

• Velocità massima di rotazione

• Valore massimo di pressione di mandata

• Grado di irregolarità della portata erogata

• Rendimenti

• Parametri del fluido per un funzionamento accettabile : Viscosità, temperatura, capacità lubrificante,

grado di filtrazione

Elementi caratterizzanti dal punto di vista morfologico e costruttivo

• Principio di trasferimento del fluido : A ingranaggi, a vite, a palette, a pistoni assiali, a pistoni radiali, …

• Modalità di compensazione dell’usura

• Modalità di bilanciamento dei carichi interni

Pompe a ingranaggi • Pompe a cilindrata fissa, definita dal numero di denti e vani

• Cilindrate dell’ordine di 1-35 cm^3/radiante

• Velocità max di rotazione 3000 rpm

• Pressioni di esercizio fino a 150 bar

• Elevata semplicità costruttiva

• Basso costo

• Rendimento complessivo non elevato (0,55-0,75)

• Poco sensibili alla presenza di particelle entro il fluido ( 90µm)

• Discreta rumorosità

1: statore

2: ruota matrice

3: ruota condotta

È una pompa a cilindrata fissa. Do

Il fluido è trascinato nei vani tra due

denti consecutivi e lo statore. asso

Le pompe ad ingranaggi sono quelle pompe che hanno un limite del rendimento che tende a peggiorare più

rapidamente nel tempo rispetto a rendimenti di altre tipologie di pompe. Questo a causa dei fenomeni di usura.

Il singolo contatto tra denti è soggetto alla fatica superficiale: i denti sono ciclicamente sollecitati da azioni

variabili. La fatica superficiale ha un comportamento abbastanza particolare, perche tra due superfici a contatto

si crea un danno al di sotto dello strato superiore e la superficie tende a sfaldarsi verso l'esterno. Il lubrificante

tende a penetrare nelle zone di sfaldamento e ne aumenta l'azione di sfaldamento, è quindi un elemento

negativo in questo caso -> una delle cause del calo di rendimento precoce

Si tratta comunque di componenti molto robusti.

Il numero di denti incide sullo strisciamento:

• Minor numero di denti: Tende a generare un maggiore strisciamento tra i denti a contatto.

• Vincoli cinematici: Non si può scendere sotto una soglia minima di denti per evitare interferenze.

• Criteri di resistenza: Con meno denti, è necessario realizzare denti più grandi e alti. Aumentando l'altezza,

ci si allontana dalle circonferenze primitive (dove si avrebbe rotolamento puro), incrementando gli effetti di

strisciamento.

Le pompe a ingranaggi sono componenti robusti e hanno una modesta sensibilità alle particelle inquinanti nel

fluido, non richiedendo sistemi di filtrazione estremamente spinti a monte.

Principio di Funzionamento

Immaginiamo una ruota motrice che ruota in senso antiorario, trascinando una ruota condotta:

1. Aspirazione: In una determinata zona, il fluido trova un volume più ampio rispetto a quello tra le sedi dei

denti, venendo richiamato all'interno della pompa.

2. Trasferimento: Il fluido viene catturato nell'interspazio tra due denti consecutivi e lo statore, venendo

trascinato verso la zona di mandata.

3. Mandata: Il fluido viene reso disponibile all'utenza.

Per calcolare la cilindrata, è necessario considerare:

• Il numero di denti ciclicamente a contatto con lo statore.

• L'interspazio tra un dente e l'altro.

• La velocità di rotazione.

• Lo spessore della ruota (dimensione perpendicolare al disegno).

In questa macchina volumetrica, al fluido non viene conferita una particolare energia cinetica (la velocità in

uscita non è elevata). La pressione (il ΔP) non è creata dalla pompa stessa, ma dall'utenza collegata. Se non

c'è utenza, il ΔP misurato corrisponde solo alle perdite interne della pompa.

Pompe a VITE • Cilindrata fissa

• Cilindrata 5-50 cm3/rad

• max fino a 600 rads-1

ω

• Rendimento complessivo elevato (0,70-0,85)

• Costo elevato

• Filtraggio sotto i 90 µm

• Bassa rumorosità

• Bassa irregolarità di portata

Il fluido è trasferito dall'aspirazione alla mandata attraverso viti a sezione trapezioidale.

Configurazione: Una vite motrice centrale collegata all'albero motore a una o più vite condotte.

Ottima regolarità di funzionamento e bassa rumorosità ma ingombro elevato.

Pompe a PALETTE • Sia a cilindrata fissa che a cilindrata variabile

• Cilindrate fino a 70 cm3/rad

• Pressioni massime di esercizio fino a 200 bar

• Rendimento complessivo tra 0,6 e 0,8

• Rumorosità medio-bassa

• Buona regolarità della portata

• Necessaria una filtrazione di grado medio (< 40µm)

• Costi medi S

Vale il principio dei compressori a palette. R

Un rotore è inserito in modo eccentrico rispetto a uno statore. Il fluido è

trasferito nei vani creati tra due palette consecutive, il rotore e lo statore. 04/11/25

Sul rotore sono ricavate delle cave e in queste cave possono scorrere radialmente le palette. Le palette vanno a

contatto con lo statore per effetto della forza centrifuga.

Uno dei problemi più rilevanti per questo tipo di pompa è il contatto tra paletta e statore, perché su questo

contatto si gioca il rendimento della pompa. Se abbiamo una sede di contatto con un elevato attrito, abbiamo

un decadimento del rendimento meccanico. Viceversa, se il contatto non è caratterizzato da una sufficiente

forza in direzione normale, abbiamo il rischio di un trafilamento del fluido da una zona all'altra della paletta, con

un decadimento del rendimento volumetrico.

Sono due effetti contrastanti e questa situazione non è eliminabile; quello che possiamo fare è cercare di

massimizzare il loro prodotto. Adottiamo solitamente palette con una geometria che non è rettangolare, ma a

"coltello", per limitare l'area di contatto. Spesso la zona di contatto è caratterizzata da un arrotondamento del

profilo.

Sul fondo della guida di scorrimento della paletta si realizza una sorta di camera in cui si porta olio in pressione.

Viene spillata una minima quantità di olio dall'interno della pompa e portata alla base della paletta. La forza

prodotta sulla paletta non è data solo dalla forza centrifuga, ma anche dalla spinta del fluido in pressione nella

parte posteriore. Questo garantisce maggiore stabilità di funzionamento a bassi regimi. ST .

Fr

Con la geometria a coltello sorge un problema sul senso di rotazione.

Se il rotore ruota in senso orario, il fluido in questa zona tende a

distaccare la paletta dal contatto, producendo una forza diretta verso il ST

centro del rotore. Questo non è un problema per le pompe che hanno dio

un solo senso di flusso, ma il componente pompa può funzionare anche ga

da motore. Qualunque pompa, senza particolari modifiche costruttive,

opera anche come macchina motrice. Se parliamo di un motore a

palette, il problema del senso di rotazione si pone perché normalmente #

un motore deve funzionare in entrambi i sensi. E uo

-

Allora si fanno delle modifiche sulla paletta: si realizza una geometria

costituita da due palette contrapposte, parzialmente sovrapposte, entrambe a

in scorrimento radiale. In questo modo si ottiene un buon risultato di

funzionamento sia che il senso di rotazione sia orario che antiorario.

Pompa a palette a CILINDRATA VARIABILE

Si estende il concetto di rotore e statore inserendo un terzo

elemento: un anello di scorrimento, anch'esso eccentrico. Il

rotore vede come proprio statore non lo statore vero e proprio

della pompa, ma l'anello di scorrimento.

Per variare la cilindrata di una pompa di questo genere bisogna

variare l'eccentricità tra rotore e statore. Solo variando questa

quantità posso cambiare i volumi che il fluido trova tra le pareti

delle palette, dello statore e del rotore.

• Lo statore è il corpo principale della pompa, ↑

STATORE

vincolato al telaio Scorrimento

di

Anello

>

-

• Cambiare la posizione dell'asse del rotore ROTORE

>

-

significherebbe spostare il motore che I

comanda la pompa, il che non è

ragionevole, soprattutto istante per istante.

L'idea è inserire l'anello di scorrimento che il rotore vede come proprio

statore. Il vantaggio è che possiamo cambiare la posizione eccentrica

dell'anello di scorrimento tramite un comando interno alla pompa (ad ⑧

①

esempio un cilindro con un pistone collegato all'anello). P

In condizioni di eccentricità zero, la portata sarebbe nulla: il rotore T

sarebbe perfettamente centrato e tutti i volumi tra le palette sarebbero

uguali. La portata è massima quando è massima l'eccentricità dell'anello.

Posso pensare a un attuatore (cilindro idraulico) che sposta radialmente

l'anello di scorrimento, contrastato da un elemento elastico (una molla).

Pm

↑

a

STATORE

P · L'indicazione a livello di

UtenzA

Scorrimento

di

Anello

>

-

· simbolo e' una freccia

ROTORE trasversale che segnala

>

- if che quella pompa ha la

I caratteristica di essere a

La molla serve per realizzare un cilindrata variabile.

contrasto all'azione dell'attuatore

Il vantaggio di un simile sistema risiede nel fatto che la forza prodotta dall'attuatore, e dunque lo stato di

pressione all'interno della sua camera, può derivare direttamente dall'impianto o dalla rete