Funzionamento del Distributore Idraulico Flottante: Principi e Applicazioni

Nelle officine di un tempo, la cura dei macchinari passava inevitabilmente per la lubrificazione, un rito eseguito con dedizione per garantire il corretto funzionamento delle attrezzature. Oggi, l'evoluzione tecnologica ha portato materiali avanzati, elettronica e informatica, ma l'olio rimane un elemento centrale nella meccanica, un attore insostituibile su cui poggia l'intera industria moderna.

L'olio, oltre a lubrificare, è fondamentale per trasferire energia, muovendo cilindri, motori e ruote, interagendo con tutte le parti di un circuito. La tribologia, disciplina che studia attrito, lubrificazione e usura, è quindi inerente a tutti i processi produttivi che utilizzano la trasmissione dell’energia, sia essa meccanica, pneumatica, idraulica o elettrica.

Un impianto oleoidraulico si distingue per la capacità di generare movimenti in grado di vincere forze resistenti di notevole entità, mantenendo al contempo un'elevata precisione di posizionamento. Un classico attuatore lineare oleodinamico è il cilindro idraulico, composto da una camicia in cui scorre un pistone che spinge uno stelo per generare il movimento.

Il Fluido Idraulico

Il fluido, comunemente olio minerale o sintetico, permette la trasmissione dell’energia. Pur avendo una minima elasticità, questa caratteristica contribuisce a eliminare i giunti elastici meccanici nelle trasmissioni, sebbene possa influenzare la prontezza di intervento e la precisione. Le caratteristiche principali dell'olio sono la viscosità, che incide sull'attrito durante il passaggio attraverso tubazioni e apparecchiature, il potere lubrificante e la protezione contro la corrosione dei componenti.

Moto dei Fluidi

Il movimento dei fluidi in condotti chiusi o aperti può essere laminare o turbolento. Il numero di Reynolds (Re) è utilizzato per identificare il tipo di moto:

Moto laminare: Re < 2000
Zona critica di instabilità: 2000 < Re < 3500
Moto turbolento: Re > 3500

Il moto laminare si verifica quando il fluido segue traiettorie rettilinee e parallele, mentre il moto turbolento è caratterizzato da traiettorie irregolari e vorticose, con un incessante rimescolamento della massa liquida. Poiché il tipo di moto influenza le perdite di carico, è fondamentale poterlo identificare a priori.

Principio di Pascal

Il principio di Pascal afferma che la pressione esercitata su un elemento di superficie di una massa liquida è trasmessa con pari intensità in tutte le direzioni. Le pompe volumetriche, ampiamente utilizzate nell'industria, si dividono in pompe rotative e pompe a pistoni alternativi. Le pompe rotative sfruttano il passaggio del fluido attraverso un meato, un'intercapedine millimetrica che separa superfici in movimento relativo, riempita di lubrificante. Questo meccanismo è realizzato con ingranaggi, viti o palette mobili.

Le pompe rotative ad ingranaggi esterni sono tra le più comuni. La ruota dentata primaria trascina la secondaria, creando una depressione che aspira il fluido nella camera di aspirazione. Il fluido riempie i vani dei denti e viene spinto verso l'uscita (mandata). Per un buon rendimento volumetrico, è essenziale controllare il gioco di accoppiamento laterale tra gli ingranaggi e gli organi di tenuta, come le ralle. Queste pompe sono dotate di cuscinetti di sostentamento e bilanciamento idrostatico, funzionanti tramite dischi spinti dalla pressione del sistema contro i fianchi degli ingranaggi.

La pompa è il cuore di ogni impianto oleodinamico, quindi è fondamentale conoscerne le modalità di guasto, le cause e i rimedi. Un parametro fondamentale è il rendimento, considerato normale se pari o superiore al 90-95%.

Componenti Accessori

I componenti accessori, fondamentali per valorizzare la trasmissione di potenza oleodinamica, si dividono in due gruppi: quelli per la regolazione del regime di flusso e quelli per il collegamento delle varie parti del circuito.

Temperatura dell'Olio

La temperatura dell'olio in un circuito idraulico aumenta a causa delle perdite dovute all'attrito e alle perdite di rendimento nelle trasformazioni energetiche. Anche le caratteristiche dell'olio contribuiscono significativamente. Questo fenomeno è simile all'effetto Joule in un circuito elettrico. La dissipazione in calore comporta una diminuzione di energia, che rimane nel sistema ma non è utilizzabile.

Se le condizioni di lavoro non sono gravose, l'aumento della temperatura dell'olio è contenuto e il serbatoio, se sufficientemente grande e ventilato, permette di dissipare il calore accumulato. Gli scambiatori di calore, normalmente a fascio tubiero con flussi in controcorrente, regolano la temperatura dell'olio variando la portata dell'acqua. La manutenzione consiste nel monitorare le temperature di entrata e uscita dell'acqua e dell'olio. In caso di perdite d'olio, è obbligatorio usare circuiti chiusi per evitare contaminazioni dell'acqua di raffreddamento.

L'aria, pur con capacità refrigeranti minori, è un fluido comodo per asportare il calore. Si utilizzano tubi sottili, numerosi, alettati e realizzati con materiali ad alto coefficiente di scambio termico. La manutenzione preventiva consiste nel monitorare la temperatura e pulire periodicamente le superfici alettate.

Gli scambiatori di calore mantengono l'olio entro un range di temperatura prestabilito. Nelle macchine semoventi, si possono sfruttare i gas di scarico dei motori termici, convogliandoli in appositi fasci tubieri nei serbatoi o in scambiatori accessori in parallelo al circuito principale. Questo permette il raffreddamento a regime e/o il riscaldo in avviamento (in climi freddi o con viscosità elevata).

Serbatoi

I serbatoi svolgono diverse funzioni:

Purificazione/separazione di particelle solide via decantazione
Filtrazione in aspirazione
Compensazione delle espansioni e contrazioni di volume dovute alle variazioni di temperatura

Sono impiegati anche serbatoi pressurizzati per impedire l'ingresso di contaminanti/umidità e il traboccamento del liquido, tipici dei servomeccanismi di aerei e sommergibili.

Filtrazione

L'olio può essere pulito mediante filtri carrellati con pompa autonoma, anche senza fermare l'impianto. L'analisi periodica dell'olio permette la manutenzione predittiva, identificando correlazioni tra inquinanti, concentrazione e affidabilità del sistema. Questa attività è affidata a specialisti esterni, che prelevano i campioni con modalità rigide e ripetitive.

La manutenibilità si persegue in fase di progetto e viene perfezionata con la manutenzione migliorativa. Un serbatoio facilmente ispezionabile e pulibile, grazie a portelli di ispezione, è un esempio di fase progettuale rivolta alla manutenibilità.

Accumulatori

Gli accumulatori si trovano in circuiti con fluidi incomprimibili soggetti a variazioni di pressione, derivanti dalle normali modalità di impiego dei sistemi. Le pompe volumetriche, come quelle a ingranaggi, palette o pistoncini, erogano un flusso assimilabile al continuo. Variazioni di pressione possono essere indotte dall'azionamento di valvole, variazioni di carico, fine corsa degli attuatori e sovrasollecitazioni dovute a errori degli operatori. Incrementi improvvisi di pressione causano il "colpo di ariete", mentre cali di pressione possono derivare da una richiesta di portata superiore alla portata della pompa.

Gli accumulatori mantengono regolare la pressione e la portata dell'olio, smorzando le variazioni. Questo compito è svolto da un fluido comprimibile, separato dall'olio, che si comprime od espande in sincronia con le fluttuazioni di pressione. Gli accumulatori possono sostituire o integrare le pompe, soprattutto per "punte" di fabbisogno energetico o in dispositivi di emergenza. In alcuni casi, si utilizzano batterie di accumulatori per fornire un surplus di energia in fase di avviamento di impianti complessi.

Il funzionamento degli accumulatori destinati agli impieghi "normali" è di tipo automatico.

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