Pompe Idrauliche: Funzionamento e Teoria

L’oleodinamica è una tecnica che utilizza i fluidi per generare pressione e convertirla in energia meccanica. I cilindri e le pompe idrauliche consentono di sollevare carichi pesanti con il minimo sforzo. Questi vengono inoltre utilizzati anche nelle frizioni o nei sistemi frenanti dei veicoli commerciali.

La parola oleodinamica è composta da due parole greche: “élaion”, riferito a sostanze dotate di untuosità, e “dynamikós” riferito alla forza e al movimento. Da ciò si può dedurre in cosa consiste un sistema oleodinamico: un fluido viscoso viene immesso in un sistema chiuso dove successivamente viene creata o aumentata una certa pressione per azione meccanica o statica.

In entrambi i processi, la pressione che si crea viene trasmessa attraverso tubi o sistemi di tubature fino a innescare la reazione (meccanica) desiderata in un punto specifico. In virtù del loro semplice funzionamento, gli impianti oleodinamici vengono utilizzati in un’ampia gamma di aree di lavoro. Per il funzionamento di sistemi oleodinamici viene raramente utilizzata l’acqua. Di solito tali impianti vengono azionati con l’aiuto di un olio speciale (olio idraulico). Grazie alle sue proprietà, l’olio è perfettamente idoneo a garantire un funzionamento delicato all’interno della meccanica di precisione di macchine e motori. Come oli oleodinamici si possono utilizzare, a seconda del settore di applicazione, oli minerali, oli vegetali, emulsioni acqua-olio o fluidi sintetici.

I sistemi oleodinamici possono movimentare grandi carichi con una forza facile da gestire. In tale processo sono coinvolti diversi componenti all’interno del circuito oleodinamico. La seguente panoramica passo dopo passo spiega in maniera semplice come funziona l’oleodinamica.

Funzionamento di un Sistema Oleodinamico

Aumento della pressione: La pompa idraulica viene azionata manualmente (ad esempio azionando una leva o un pedale) o tramite un motore. Il movimento del pistone riduce lo spazio per l’olio idraulico. La pressione continua a salire.
Distribuzione del volume o del flusso: Il fluido in pressione è chiamato anche volume o flusso. Questo viene distribuito attraverso i tubi idraulici del sistema. Nei sistemi oleodinamici complessi è possibile utilizzare delle valvole per controllare la direzione del flusso volumetrico.
Conversione in energia meccanica: Una volta che il fluido si è diffuso attraverso i tubi e ha accumulato una pressione sufficiente, attiva un secondo cilindro o motore idraulico (cilindro idraulico doppio effetto) che è responsabile del processo corrispondente (ad esempio, il sollevamento di una piattaforma o l’attivazione del freno).
Ritorno del fluido idraulico: Infine, per abbassare nuovamente la pressione nel caso di sistemi manuali a molla (in un sistema frenante, ad esempio), è sufficiente riposizionare la leva nella sua collocazione iniziale. Sulle macchine edili più grandi o su elevatori idraulici potenti è presente di solito un secondo interruttore che abbassa il pistone e, se necessario, apre una valvola di ritorno in modo che il fluido idraulico venga nuovamente distribuito in maniera uniforme all’interno del sistema.

Nota bene: Il funzionamento della centralina oleodinamica è essenziale per gestire la distribuzione del fluido e il controllo delle valvole, inclusa la valvola di massima pressione. Anche se le modalità di funzionamento sono molto simili, l’oleodinamica presenta alcuni vantaggi rispetto alla pneumatica. I sistemi e gli azionamenti oleodinamici sono estremamente potenti.

Vantaggi di un Sistema Oleodinamico

Elevata trasmissione di potenza
Ingombro relativamente ridotto
Buona adattabilità alle contingenti condizioni di spazio grazie a tubi e collegamenti flessibili
Idoneità anche per macchine di precisione grazie a sequenze di movimento lente e regolabili separatamente
Lunga durata e bassa usura (se mantenuti e utilizzati seguendo le istruzioni)
L’olio idraulico previene l’attrito e allo stesso tempo svolge una funzione refrigerante, aumentando così la durata del sistema

Tipologie di Pompe Idrauliche

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: questo dispositivo era in grado di spostare grosse quantità di fluido, a basse prevalenze. Nello stesso periodo storico fece la sua comparsa la pompa Noria: si tratta di un meccanismo in grado di sollevare fluidi a più alte prevalenze, fino a 20/30 metri. Il funzionamento è quello tipico di un mulino, dove un corso d’acqua svolge la funzione di fonte di fluido e di energia meccanica. Intorno al 1600 l’invenzione dei primi sistemi biella-manovella permise la creazione delle prime pompe a stantuffo, azionate dalla forza delle braccia.

Pompe Volumetriche

Le pompe volumetriche sono caratterizzate da un moto alternativo degli organi mobili. Le pompe alternative (o a stantuffo) sono caratterizzate dal moto rettilineo alternato di un organo mobile, lo stantuffo. Questo 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. Girante: 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, quando si ha la necessità di superare alte prevalenze, mantenendo comunque alti i valori di portata, possono essere a multi-girante. 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. Pompe ad ingranaggi che sfruttano il movimento di ingranaggi per pompare il fluido per spostamento.

È opportuno precisare subito che una pompa volumetrica, di qualunque tipo essa sia, eroga semplicemente una portata che può essere considerata circa costante, mentre il livello di pressione alla mandata non dipende dalla pompa ma soltanto dal circuito a valle della stessa. Tutte le pompe che qui di seguito verranno presentate, hanno una caratteristica in comune, ossia sono tutte pompe volumetriche.

Cilindrata

Con il termine cilindrata di una pompa si indica il volume teorico di liquido spostato (aspirato ed espulso) in una rotazione completa dell’albero motore. Nel ciclo reale si hanno una serie di perdite che vanno ad incrementare l’area del ciclo e quindi la potenza interna richiesta dalla macchina. Inoltre, a causa delle perdite di tipo meccanico, la potenza assorbita dalla pompa è superiore alla potenza interna: si introduce, a tal fine, il rendimento meccanico ηm pari al rapporto tra la potenza interna e quella assorbita.

Il rendimento globale della pompa ηP, che appare nella espressione precedente, è definito come il rapporto tra la potenza idraulica conferita al fluido dalla pompa e la potenza meccanica assorbita attraverso l’albero motore ed è esprimibile come prodotto dei rendimenti volumetrico, idraulico e meccanico prima introdotti.

All’avviamento della pompa, nei vani viene trasportata, dall’attacco di aspirazione a quello di mandata, solo l’aria presente nelle tubazioni dall’aspirazione al serbatoio. Affinché il funzionamento della pompa sia corretto, è necessario che i vani siano a tenuta pressoché perfetta, in modo da garantire un trasporto del fluido senza perdite rilevanti.

Tipi Specifici di Pompe

Pompe ad Ingranaggi Esterni

Le pompe ad ingranaggi esterni hanno cilindrate comprese tra 0.2 e 200 cm3 , con una pressione massima di esercizio di circa 300 bar e una velocità di rotazione compresa fra i 500 e i 6000 RPM.

Pompe ad Ingranaggi Interni

La caratteristica più rilevante delle pompe ad ingranaggi interni è la bassa rumorosità. Mettendo in rotazione il rotore dentato accoppiato al motore di azionamento il volume fra i fianchi dei denti aumenta e la pompa aspira. L'aumento di volume interessa un angolo di rotazione di circa 120°, per cui il vano si riempie in un tempo relativamente lungo. Nella zona delimitata dall'elemento di riempimento a forma di falce il fluido viene trasportato senza variazione di volume.

Pompe a Viti

Le pompe a viti, così come le pompe ad ingranaggi interni, presentano una notevole silenziosità di funzionamento. L’albero ad elica destra, viene accoppiato al motore dal quale riceve la coppia e trasmette il movimento rotatorio all’altro albero, munito di elica sinistra. Dal punto a minor distanza tra le due circonferenze, procedendo in senso orario si ha dapprima un progressivo aumento del volume delle camere, per poi subire una diminuzione progressiva.

Pompe a Pistoni Radiali

Nelle pompe a pistoni radiali con albero eccentrico, l’albero rotante eccentrico genera movimenti radiali dei pistoni inseriti nel corpo esterno fisso. Le pompe a pistoni radiali vengono generalmente progettate con un numero di pompanti dispari, poiché un numero di pompanti pari - anche se maggiore - presenta una pulsazione di portata superiore. In questo tipo di macchina il movimento rotatorio dell’albero si trasforma in un moto oscillatorio dei pistoncini (pompanti) nella direzione parallela a quella dell’asse di rotazione. Mettendo in rotazione l’albero il blocco cilindri viene trascinato dall’accoppiamento scanalato.

Pompe a Pistoni Assiali

L' unità a pistoni assiali a blocco cilindri inclinato (detta anche ad asse inclinato) è una macchina volumetrica i cui pistoni, insieme al blocco cilindri in cui scorrono, sono montati in posizione inclinata rispetto all'asse dell’albero. Ad ogni giro completo dell'albero i pistoni compiono nei rispettivi alloggiamenti ricavati nel blocco una corsa di andata e ritorno, la cui entità è proporzionale all'angolo d'inclinazione.

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