Distributore Idraulico Proporzionale: Funzionamento e Applicazioni
Nel campo dei componenti oleodinamici, si possono utilizzare due approcci principali per la simulazione: modelli a parametri concentrati (0D) e la fluidodinamica computazionale (CFD). La simulazione 0D richiede meno risorse di calcolo ed è adatta allo studio di sistemi complessi, ma necessita della conoscenza di coefficienti che possono essere approssimati solo come costanti.
La simulazione CFD, invece, considera la geometria tridimensionale del componente senza semplificare i fenomeni interni, ma richiede risorse di calcolo maggiori e attenzione nell'impostazione del modello.
Importanza della Forza di Flusso e delle Perdite di Carico
Con riferimento ai distributori oleodinamici, due grandezze sono di particolare interesse: le perdite di carico interne e la forza di flusso sull'elemento mobile (cassetto). La forza di flusso è causata dalla variazione del momento della quantità di moto del fluido e tende a chiudere la sezione di passaggio. Conoscere la sua entità è importante per definire la forza che il sistema di controllo della posizione del cassetto deve fornire per mantenere la valvola aperta. Tale forza è proporzionale alla portata e può essere considerevole in valvole di grossa taglia.
In questo contesto, è fondamentale avere un modello di simulazione capace di quantificare la forza di flusso in un distributore, al fine di ottimizzarne la geometria per ridurla.
Analisi CFD di un Distributore Load Sensing
Nel presente articolo, viene presentato un modello CFD realizzato con il software FloEFD di un distributore load sensing postcompensato. Questa tipologia di valvole è impiegata in sistemi oleodinamici mobili per controllare la velocità degli attuatori, come in escavatori, sollevatori telescopici o macchine agricole.
La configurazione tipica include una pompa a cilindrata variabile con limitatore di pressione differenziale, e la posizione del cassetto di ogni distributore è controllata da un dispositivo elettroidraulico che riceve il comando da un joystick.
Le simulazioni sono state effettuate per diverse aperture del cassetto e diverse portate. Prove sperimentali hanno dimostrato che il modello prevede con buona precisione sia la caduta di pressione interna alla valvola che la forza di flusso.
Inoltre, è stata valutata una possibile modifica del cassetto per ridurre la forza di flusso, con un modesto incremento della caduta di pressione.
Descrizione del Componente Analizzato
Il componente analizzato è un distributore load sensing del tipo flow sharing, utilizzato in applicazioni di oleodinamica mobile multiutenza. È costituito da un cassetto principale (CP) e un compensatore locale (CL). Quest'ultimo mantiene una caduta di pressione costante ai capi degli spigoli pilotanti con intagli semicircolari del cassetto, la cui area di passaggio è decisa dall'operatore.
La portata in uscita dal compensatore locale è indirizzata verso la porta A o B tramite un secondo passaggio attraverso il cassetto. Il compensatore è mantenuto normalmente chiuso da una molla a basso precarico e dalla pressione di load sensing massima tra tutti i carichi alimentati simultaneamente. La forza in chiusura è generata dalla pressione a valle dello spigolo pilotante del cassetto principale, mantenuta al valore pLS + sc. La caduta di pressione ai capi dello spigolo pilotante è mantenuta costante al valore s - sc. In questo modo, la portata inviata dal distributore dipende solo dal comando imposto dall'operatore e non dal carico sull'attuatore.
Attrezzatura Sperimentale Utilizzata
Lo scopo delle misure sperimentali è stato di valutare la caduta di pressione ai capi della valvola, sia sul percorso di andata verso l'attuatore che su quello di ritorno a serbatoio, e la forza di flusso agente sul cassetto principale per diverse posizioni da quest'ultimo assunte e imponendo diverse portate in ingresso.
La valvola è stata provata senza carico, connettendo tra loro direttamente le porte A e B tramite un tubo flessibile. Un blocco di interfaccia in lega di alluminio è stato appositamente progettato per alimentare il distributore e poter misurare le pressioni di interesse all'interno del componente. Il compensatore locale è stato bloccato in posizione aperta tramite un distanziale metallico collocato al posto della molla e la linea di load sensing è stata collegata alla pressione di scarico (bocca T). Il distributore è stato alimentato da una centrale oleodinamica con olio idraulico ISO VG 46 con installata una pompa a pistoni assiali a cilindrata variabile da 119 cm3/giro dotata di limitatore di pressione a taratura variabile. La portata di olio è stata controllata da una valvola regolatrice di portata a due bocche e misurata da una turbina Flo-Tech FSC-1000 con campo di misura 11.5 - 227 L/min.
Per la misura della forza di flusso sul cassetto principale, il modulo elettroidraulico per il controllo della posizione del cassetto è stato rimosso e al suo posto sono stati collocati due coperchi appositamente realizzati. Per garantire pressione nulla sulle due facce laterali del cassetto, le camere sono state connesse direttamente all'atmosfera tramite raccordi a 90° che hanno avuto anche la funzione di raccogliere la portata di trafilamento. Il coperchio di destra è provvisto di un foro passante per connettere il cassetto, tramite una barra filettata, a una cella di carico Applied Measurements DBBE campo di misura 0-50 kg. Sul lato opposto, la cella di carico è semplicemente appoggiata, senza alcun altro vicolo, contro lo stelo di una vite micrometrica con la quale si decide la posizione del cassetto. Tale soluzione presenta il vantaggio di non generare nessun sforzo radiale sul cassetto che avrebbe potuto provocare l'insorgere di attrito statico e falsare la misura.
Configurazione della Simulazione CFD
È stata analizzata la configurazione del distributore per cui la bocca P alimentava la B, mentre la bocca A era connessa a T. FloEFD discretizza le equazioni di governo con il metodo dei volumi finiti e riconosce automaticamente il dominio fluido racchiuso in una regione della geometria CAD.
Nel caso di una valvola è necessario quindi chiudere tutte le bocche tramite dei tappi virtuali chiamati "lid", sulla superficie dei quali è stato possibile imporre le condizioni al contorno coerentemente con i valori di pressione o portata misurati sperimentalmente. La mesh di base è stata realizzata con lo strumento automatico disponibile all'interno del software scegliendo un opportuno livello iniziale di discretizzazione insieme al criterio di affinamento advanced channel refinement.
Per definire delle regioni con mesh più raffinata in corrispondenza dei fori del compensatore locale, delle parti virtuali a forma di anello sono state sovrapposte all'assieme. Tali parti non interferiscono con il passaggio del fluido, ma su di esse è possibile definire una griglia più fine. In maniera analoga sono state definite delle regioni cilindriche a cavallo degli intagli e dei risalti del cassetto, ovvero in corrispondenza dei restringimenti delle sezioni di efflusso. In questo modo è stato possibile ottenere risultati più affidabili riguardo al calcolo delle forze sulle superfici del cassetto e garantire un numero adeguato di celle nelle sezioni ristrette.
Ogni mesh locale creata è stata caratterizzata da un coerente livello di raffinamento in modo da avere le sezioni di passaggio minime discretizzate con almeno 14 celle. Inoltre, dopo il numero di iterazioni richiesto per ottenere la propagazione di un'onda di pressione attraverso l'intero dominio di calcolo, la mesh è stata automaticamente aggiornata nelle regioni con i maggiori gradienti. L'intera griglia computazionale ha raggiunto approssimativamente 3.5 milioni di celle alla fine dell'autoraffinamento.
Come condizioni al contorno sono state imposte le portate in ingresso sulle porte P ed A, mentre sulle porte B e T sono stati imposti i valori di pressione misurati sperimentalmente nelle stesse condizioni di lavoro. Le quantità calcolate dal modello sono state le pressioni alle porte P ed A e la forza assiale totale sul cassetto principale. Poiché non c'era pressione sulle superfici laterali alle estremità del cassetto, la forza calcolata dal software è l'unica forza dovuta al passaggio del fluido che quindi ha potuto essere confrontata direttamente con il valore misurato dalla cella di carico.
Risultati e Validazione del Modello
Le prove sperimentali sono state effettuate con tre posizioni del cassetto imposte dalla vite micrometrica, ovvero 6, 7 e 8 mm, alla temperatura costante dell'olio di 40 °C. Per ciascuna posizione del cassetto sono stati imposti 4-5 valori di portata.
Dal confronto con le misure sperimentali si può affermare che il modello CFD sviluppato è in grado di riprodurre con buona accuratezza le cadute di pressione interne alla valvola; inoltre anche la forza di flusso, che solitamente è la quantità più difficile da simulare, nonostante una sottostima ad aperture più basse del cassetto, è prevista in modo adeguatamente accurato.
La validazione in diverse condizioni operative ha dimostrato che il modello CFD è sufficientemente affidabile per essere utilizzato come strumento di ottimizzazione. Infatti la validazione della sola caduta di pressione è una condizione necessaria ma non sufficiente per affermare che il modello sarà in grado di prevedere correttamente anche la forza di flusso, perché tale forza è la conseguenza del campo di pressione attorno all'intero cassetto e non solo nelle regioni localizzate in corrispondenza delle aree di passaggio minime.
Applicazioni delle Valvole Proporzionali
Le valvole a cartuccia e le valvole in linea sono utilizzate in una vasta gamma di applicazioni in agricoltura, nelle attrezzature per l’igiene urbana e nelle macchine per costruzione e da sollevamento. Hydraulics offre valvole di controllo direzionale con azionamento del pilota dell'aria, azionamento del pilota idraulico e azionamento della leva. Sono progettate per la distribuzione e il controllo del flusso tra la pompa e gli attuatori (cilindri e motori idraulici).
Le valvole proporzionali trovano impiego in diversi settori e configurazioni, tra cui:
- Sistemi equipaggiati con valvole ausiliarie di controllo di pressione e di valvole di regolazione del flusso.
- Macchine che richiedono precisione di ripetizione, precisione di risposta e bassa isteresi.
- Sistemi idraulici con portata fino a 100 l/min.
I distributori a cursore appartengono al gruppo dei distributori.
Altri tipi di valvole includono: Valvola proporzionale a doppia azione, valvole di comando direzionale D1VW Parker sono valvole idrauliche on/off ad azionamento diretto ad elevate prestazioni.
Le valvole proporzionali possono essere equipaggiate con comandi idraulici diretti, comandi a cavo, comandi elettroproporzionali e comandi joystick.
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