Macchine Idrauliche: Definizione, Funzionamento e Applicazioni
Le macchine idrauliche sono una categoria specifica di strumenti e macchinari che sfruttano la potenza di un fluido per eseguire lavoro. Queste macchine trovano impiego in numerose applicazioni che richiedono la movimentazione di carichi pesanti e la trasmissione di potenza su distanze considerevoli.
Vantaggi delle Trasmissioni Idrauliche
Il vantaggio principale di una trasmissione idraulica è la capacità di trasferire grandi potenze a qualsiasi distanza tramite tubi flessibili. Questo permette di realizzare trasmissioni disassate e senza particolari vincoli di allineamento, con un'ottima capacità di assorbire i picchi di carico derivanti da urti e sovraccarichi. La gamma di attuatori standardizzati utilizzabili nelle trasmissioni idrauliche è molto ampia.
Un'altra caratteristica fondamentale dei sistemi a trasmissione idrostatica è la possibilità di moltiplicare la forza o la coppia in modo semplice e indipendente dalla distanza tra ingresso e uscita, senza la necessità di un collegamento meccanico (ingranaggi, cinghie, pulegge). Questa moltiplicazione si realizza in vari modi, ad esempio, nei cilindri idraulici, modificando l'area del pistone (a pari pressione) per ottenere una forza maggiore.
Nel caso dei circuiti aperti, si utilizzano pompe che forniscono una portata continua di fluido, anche pompe economiche a cilindrata costante. La gamma dei componenti accessori si limita a valvole di sfogo (per evitare sovraccarichi di pressione) e valvole di controllo (per permettere il deflusso del fluido verso il serbatoio). Per permettere il funzionamento del motore in entrambi i sensi di rotazione, è necessario invertire il flusso del fluido. I circuiti chiusi, invece, permettono il funzionamento anche in modalità reversibile, ovvero con il motore che assorbe potenza (frenando l’utilizzatore). Per evitare la cavitazione, tutte le condotte vengono alimentate da una pompa ausiliaria, che fornisce una portata di poco superiore a quella di trafilamento. Una valvola di massima pressione scarica la portata in eccesso.
Potenza Idraulica e Rendimento
La potenza idraulica è esprimibile come prodotto fra portata e pressione (P = Q * p). Tuttavia, la potenza reale differisce dalla potenza teorica. Si introducono quindi diversi rendimenti, sempre inferiori a 1: il rendimento volumetrico (ηq) e il rendimento meccanico (ηp) o di pressione.
- Per una pompa, il rendimento volumetrico esprime la portata perduta (Qeff = ηq * Qteorica).
- Il rendimento meccanico (ηp) viene espresso in funzione della perdita di pressione (peff = ηp * pteorica).
- Per un motore le relazioni vengono invertite, in quanto il motore deve elaborare più fluido (e quindi portata) per ottenere la potenza teorica.
Oltre alle perdite nelle pompe e nei motori, vanno considerate le perdite all’interno dei circuiti con trasmissioni idrostatiche, che possono essere localizzate o distribuite. Le perdite distribuite sono relative alla resistenza dovuta al flusso di fluido all’interno delle tubazioni e sono fornite dal produttore dei tubi tramite abachi che legano la perdita alla lunghezza della tubazione, alla sua dimensione e alla velocità del fluido.
Fluidi Idraulici
Il fluido idraulico è il mezzo che permette la trasmissione idrostatica della potenza nel circuito. Solitamente, si tratta di olii di origine petrolifera, con aggiunta di vari additivi. I campi di temperature ammesse sono, per funzionamento continuo, 130°C per olii di origine petrolifera, 200°C per esteri siliconici e 260°C per esteri.
Tipologie di Pompe Idrauliche
Le pompe idrauliche forniscono fluido ai componenti del sistema e solitamente ricevono potenza da un motore elettrico o a scoppio, connesso tramite cinghie, ingranaggi o accoppiamenti flessibili.
Pompe ad Ingranaggi
Le pompe ad ingranaggi sono economiche, hanno una durata elevata e un funzionamento semplice. Sono meno efficienti perché hanno una cilindrata fissa e sono solitamente utilizzate per pressioni inferiori a 20 MPa. Il funzionamento è semplice: un motore fa ruotare una delle due ruote dentate, che trascina l’altra. Il fluido viene trascinato nei vani che si realizzano fra i fianchi dei denti e la superficie cilindrica del corpo pompa. In questo modo si genera una portata volumetrica, mentre una piccola parte di fluido defluisce all’indietro (abbassando quindi l’efficienza). Queste pompe sono molto diffuse, soprattutto per le applicazioni a funzionamento continuativo.
Pompe a Pistoni Assiali
Le pompe a pistoni assiali vengono progettate in genere con un meccanismo a spostamento variabile, per modificare il flusso in uscita e controllare la pressione del sistema. In genere è presente un corpo cilindrico rotante con cilindri scavati. I pistoni sono collegati mediante cerniere e pattini al piatto inclinato (che è fisso rispetto al carter); i pistoni sono trascinati dal corpo rotante. Un’altra modalità costruttiva è quella a corpo inclinato. Nelle pompe a pistoni assiali il numero cilindri è in genere 5 o 7, comunque dispari (per evitare punti morti). Nelle pompe a cilindrata variabile, la portata può variare per effetto di due regolazioni: modificando la corsa dei pistoni o modificando la velocità di rotazione del motore e, di conseguenza, della pompa.
Motori Idraulici
In un sistema a trasmissione idrostatica, i motori idraulici assorbono la potenza idraulica generata dalla pompa.
Esempio di Predimensionamento di un Circuito Idraulico
Ipotizziamo di voler effettuare un predimensionamento di un circuito idraulico semplice, costituito da due motori che assorbono 80 Nm a 60 giri/min (500 W circa). Da catalogo si ricava il diagramma di funzionamento del motore scelto. La cilindrata richiesta Vr è pari a V = Q * 1000 / n. Ipotizzando di fornire potenza alla pompa tramite un motore operante a 1000 giri/min, si ricava una cilindrata di 8.2 cm3, il 45% della cilindrata massima.
Una volta scelti i componenti principali, si procede alla scelta dei tubi, facilitata dai cataloghi dei produttori che forniscono abachi per il calcolo del diametro dei tubi in funzione della pressione. Lo stesso vale per i raccordi e per le valvole di controllo. Dopo aver scelto questi componenti e calcolato le perdite distribuite e concentrate, è utile ricalcolare la pressione e la portata richieste alla pompa, per valutare se si è ancora nel campo di regolazione della stessa.
Cenni Storici e Tipi di Pompe
Una prima comparsa delle pompe idrauliche avviene nel terzo secolo A.C. grazie ad Archimede, il quale progettò la pompa nota come Vite di Archimede, in grado di spostare grosse quantità di fluido a basse prevalenze. Nello stesso periodo storico fece la sua comparsa la pompa Noria, un meccanismo in grado di sollevare fluidi a più alte prevalenze, fino a 20/30 metri. Intorno al 1600, l’invenzione dei primi sistemi biella-manovella permise la creazione delle prime pompe a stantuffo, azionate dalla forza delle braccia.
Pompe Alternative (o a Stantuffo)
Le pompe alternative (o a stantuffo) sono caratterizzate dal moto rettilineo alternato di un organo mobile, lo stantuffo, che esercita una pressione sul fluido trasferendovi energia.
Pompe Centrifughe
Le pompe centrifughe sono costituite da una camera a sezione crescente, detta chiocciola o diffusore, collegata al centro con la condotta d’aspirazione e alla periferia con quella di mandata. All’interno della chiocciola gira a grande velocità (da 1500 a 3000 giri/minuto) un organo rotante, chiamato girante o impulsore. Si tratta di un organo rotante, con forma e profilo diversi, innestato sull’albero del motore da cui riceve l’energia da imprimere al liquido.
Le pompe centrifughe possono essere a multi-girante quando si ha la necessità di superare alte prevalenze, mantenendo comunque alti i valori di portata. In queste, un certo numero di giranti sono connesse con lo stesso albero. La geometria interna obbliga il liquido in uscita da una girante ad entrare in quella successiva. La pompa funziona così come diverse pompe in serie, ma con una compattezza maggiore.
Sono presenti sul mercato sia pompe ad asse orizzontale che ad asse verticale. Queste ultime possono essere impiegate quando lo spazio disponibile per l’installazione è veramente esiguo, in quanto il motore è posto proprio sopra la pompa. Un particolare tipo di pompa ad asse verticale è la pompa SOMMERSA, in cui il motore elettrico è posto all’interno di un contenitore ermetico. Queste pompe possono, perciò, essere installate sotto il livello del liquido e sono utilizzate quindi per pompare acqua da pozzi particolarmente profondi o da serbatoi interrati.
Le centrifughe possono essere anche autoadescanti. Queste pompe sono in grado, a differenza delle normali pompe centrifughe, di aspirare l’aria contenuta nella condotta d’aspirazione e di creare all’interno della pompa una depressione capace di assicurare l’aspirazione del liquido da pompare. Tali pompe sono a una girante, posseggono una buona prevalenza, ma hanno generalmente un rendimento inferiore rispetto alle normali pompe centrifughe, in considerazione del ricircolo di parte del liquido pompato.
Pompe Centrifughe Autoadescanti a Canale Laterale
Presentano dalla parte più esterna una camera separata in due settori che individuano la camera di aspirazione e la camera di mandata. Nella zona centrale delle due camere sono presenti rispettivamente una luce di aspirazione ed una luce di mandata. Posteriormente a questa camera esterna è presente una camera in cui ruota una girante aperta di tipo stellare, rotante con un gioco minimo, in modo da assicurare una elevata capacità d’innesco, lavora cioè a sfioramento con il corpo e la culatta della pompa, creando così una depressione che preleva il liquido che, dalla camera di aspirazione, tramite la luce di carico, viene trasferito alla luce di scarico e quindi alla camera di mandata.
Gli utilizzi principali delle pompe centrifughe includono il pompaggio di sostanze chimiche, di acqua, in agricoltura, galvanica, torri di abbattimento fumi e nel settore petrolchimico.
Pompe Rotative
Le pompe rotative sono caratterizzate dal moto rotatorio lento di organi mobili: ruote dentate o lobi. Il trasferimento dell’energia avviene esercitando una pressione sul fluido in maniera analoga alle pompe a stantuffo. Il funzionamento di una pompa rotativa prevede che per ogni rotazione venga spostato un volume fisso di fluido. Queste pompe sono autoadescanti e forniscono una portata quasi costante, indipendentemente dalla pressione. Le pompe ad ingranaggi sfruttano il movimento di ingranaggi per pompare il fluido per spostamento.
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