Pompa Idraulica Reversibile: Funzionamento e Applicazioni
Le macchine idrauliche sono una categoria di strumenti e macchinari che sfruttano la potenza di un fluido per eseguire lavori. Le pompe idrauliche, in particolare, forniscono il fluido ai componenti all'interno del sistema.
Vantaggi della Trasmissione Idraulica
Il vantaggio principale di una trasmissione idraulica è la capacità di trasmettere 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. Inoltre, 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. Questa moltiplicazione può essere realizzata in vari modi, come nei cilindri idraulici, dove basta modificare l'area del pistone per ottenere una forza maggiore a pari pressione.
Circuiti Idraulici: Aperti e Chiusi
Nei 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 il prodotto tra portata e pressione (P = Q p). In realtà, la potenza reale è diversa dalla potenza teorica. Si introducono quindi diversi rendimenti, sempre inferiori a 1: il rendimento volumetrico (ηq) e il rendimento meccanico (ηp) o di pressione.
- Rendimento Volumetrico (ηq): Per una pompa, esprime la portata perduta (Qeff = ηq Qteorica).
- 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.
Perdite nei Circuiti Idrostatici
Oltre alle perdite nelle pompe e nei motori, vanno considerate le perdite all'interno dei circuiti con trasmissioni idrostatiche. Queste sono generalmente di due tipi: localizzate o distribuite. Le seconde sono relative alla resistenza dovuta al flusso di fluido all'interno delle tubazioni. Anche queste vengono in genere fornite dal produttore dei tubi, in genere con abachi che legano la perdita alla lunghezza della tubazione, alla sua dimensione e alla velocità del fluido.
Fluido Idraulico
Il fluido idraulico è il mezzo che permette la trasmissione idrostatica della potenza nel circuito. Sono solitamente 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 ricevono solitamente potenza da un motore elettrico o a scoppio, connesso tramite cinghie, ingranaggi o accoppiamenti flessibili.
Pompe a Ingranaggi
Economiche, a durata elevata e dal funzionamento semplice. Sono meno efficienti perché hanno una cilindrata fissa e sono solitamente utilizzate per pressioni inferiori ai 20 MPa. Il funzionamento è molto semplice: un motore fa ruotare una delle due ruote dentate, che trascina l'altra. Il fluido viene trascinato nei vani che si realizzano tra 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.
Pompe a Pistoni
Sono pompe molto diffuse, soprattutto per le applicazioni a funzionamento continuativo. 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. Come già visto è possibile regolare la cilindrata della pompa modificando la corsa dei pistoni, ma è anche possibile modificare la velocità di rotazione del motore, e di conseguenza della 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 non resta che scegliere i tubi. La scelta è 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; una volta scelti questi componenti e calcolate 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.
Esempi di Applicazioni
- Pompe Elettroniche per Gasolio, Olio e Acqua: Gamma professionale di elettropompe autoadescanti a 12V o 24V per il trasferimento e il rifornimento, dotate di interruttore stagno ON/OFF integrato nel motore.
- Pompe per Zavorra: Utilizzate in combinazione con un serbatoio di zavorra.
- Pompe per Imbarcazioni: L'RPU300 è una pompa di governo idraulico reversibile per imbarcazioni fino a 21 m (70 ft).
- Pompe Industriali: Le pompe a palette GROCO sono autoadescanti, immediatamente reversibili e sono in grado di funzionare in entrambe le direzioni.
Tabella dei Rendimenti
| Rendimento | Descrizione | Formula |
|---|---|---|
| Volumetrico (ηq) | Rapporto tra portata effettiva e teorica | Qeff = ηq * Qteorica |
| Meccanico (ηp) | Rapporto tra pressione effettiva e teorica | peff = ηp * pteorica |