Tutto ciò che devi sapere sull'idraulica

Idraulica, (in francese: Hydraulique, Hydraulique) (in inglese: Idraulica, Idraulica) è un campo che riguarda l'uso applicato di fluidi sotto pressione.

Definizione di idraulica

L'idraulica è una disciplina ingegneristica che riguarda l'uso pratico dei fluidi in pressione.

Applicazioni dell'idraulica

• Industria automobilistica

L'idraulica è utilizzata in molti ambiti dell'industria automobilistica. Tra gli esempi più comuni figurano i sistemi frenanti, lo sterzo dei veicoli e la regolazione pneumatica dei sedili. Nella produzione di veicoli, i sistemi idraulici vengono inoltre impiegati per la realizzazione delle scocche e la formatura della lamiera.

• Agricoltura

I sistemi idraulici sono utilizzati nei trattori, dove la potenza fluida viene impiegata per numerose funzioni. Altri esempi comprendono trebbiatrici, mietitrebbie, macchine per la raccolta della frutta, perforatrici, escavatori e attrezzature simili.

• Aeromobili

I sistemi idraulici sono impiegati in componenti degli aeromobili quali carrelli di atterraggio, alettoni ed equilibratori. Durante le prove può inoltre essere introdotta aria in pressione tra i pannelli della fusoliera per rilevare perdite o aperture; una caduta di pressione può indicare un difetto. Le prove degli aeromobili comprendono numerose fasi e componenti, tra cui i seguenti esempi:

• Prova dei pneumatici dell'aeromobile, che secondo la fonte richiede una pressione di 300 bar.
• Prova delle diverse sezioni idrauliche dell'aeromobile.
• Controllo della fusoliera per individuare aperture o perdite.
• Sugli aeromobili F-14, la fonte indica l'uso di un'unità Mule per le prove idrauliche.

Altre applicazioni dell'idraulica in un'ampia gamma di settori comprendono:

• Nell'industria alimentare, per l'inscatolamento e la produzione di contenitori monouso.
• Nell'industria della difesa, per il controllo di carri armati, veicoli corazzati, missili e unità navali.
• Nell'industria del legno, per il taglio del legno e la finitura delle superfici dei mobili.
• Nella stampa, nell'industria mineraria, nelle ferrovie, nel petrolio, nelle materie plastiche e in altri settori.

L'industria moderna ricerca metodi di trasmissione della potenza che combinino costi ridotti e alta precisione, e i fluidi in pressione vengono ampiamente utilizzati per soddisfare questa esigenza di trasmissione e controllo della potenza. La tecnologia della potenza fluida si divide comunemente in idraulica e pneumatica. La pneumatica viene impiegata per forze più basse, indicate qui come circa una tonnellata, e velocità maggiori, mentre l'idraulica è più adatta a potenze elevate e velocità controllate.

Vantaggi dei sistemi idraulici e pneumatici

1. Progettazione semplice ed efficiente

I sistemi idraulici e pneumatici possono utilizzare un numero inferiore di componenti mobili offrendo al contempo movimenti lineari e rotativi ad alta potenza con controllo preciso. La potenza viene trasmessa attraverso tubi e flessibili, mentre i sistemi meccanici si affidano a componenti quali ingranaggi, camme, frizioni e altri elementi meccanici.

2. Elevata capacità di regolazione e controllo della forza

Una caratteristica importante di questi sistemi è la capacità di generare una forza elevata a partire da una forza di ingresso relativamente piccola. La forza generata può inoltre essere controllata con pressione e potenza relativamente basse, migliorando la precisione operativa.

3. Flessibilità nell'installazione e nell'implementazione

I tubi flessibili rendono questi sistemi più semplici da installare in condizioni differenti. Ciò riduce i vincoli meccanici e offre maggiore flessibilità nella progettazione e nell'implementazione.

4. Alta efficienza e bassi costi di manutenzione

I sistemi idraulici e pneumatici possono offrire un'elevata efficienza operativa grazie all'attrito relativamente basso, alle ridotte esigenze di manutenzione e alla costruzione economica. Le valvole limitatrici di pressione e i pressostati e termostati migliorano inoltre la sicurezza e la resistenza ai carichi improvvisi e alle forti variazioni di temperatura e pressione.

5. Differenze tra sistemi idraulici e pneumatici

I principi di funzionamento dei due sistemi sono simili, ma la differenza principale riguarda il fluido di lavoro. I sistemi idraulici utilizzano fluidi quasi incomprimibili, come l'olio, mentre i sistemi pneumatici impiegano fluidi comprimibili come l'aria. In un sistema pneumatico, un compressore comprime l'aria e la immagazzina in un serbatoio; la compressione aumenta la temperatura dell'aria, che può influire sul sistema se non viene gestita correttamente.

6. Gestione del calore e dell'umidità nei sistemi pneumatici

Per ridurre i problemi causati dall'aumento della temperatura nei sistemi pneumatici, l'aria compressa viene raffreddata prima di entrare nel serbatoio. Poiché l'aria contiene vapore acqueo, il raffreddamento può causare condensa; per questo vengono utilizzati sistemi di essiccazione per rimuovere l'umidità e migliorare le prestazioni.

7. Denominazione e identificazione dei componenti per facilitare la progettazione

Con lo sviluppo della tecnologia e dell'industria, i componenti idraulici e pneumatici sono stati standardizzati, identificati e denominati per semplificare progettazione e realizzazione. Ciò aiuta i progettisti a preparare gli schemi più rapidamente e consente ai tecnici di implementarli più facilmente.

Regolazione della pressione nei sistemi idraulici

Secondo la fonte, una pressione più elevata nei sistemi idraulici può consentire l'uso di componenti più piccoli e tubazioni di diametro inferiore per raggiungere il tonnellaggio richiesto, riducendo il costo di costruzione di una pressa. L'aumento della pressione fa inoltre salire la temperatura dell'olio e può aumentare attrito e usura; gli intervalli di manutenzione potrebbero quindi dover essere ridotti per limitare il rischio di guasti. Effetto dell'aumento della viscosità del fluido nei sistemi idraulici La viscosità del fluido determina la resistenza al flusso e influisce quindi sul movimento e sull'attrito nel sistema idraulico. È importante scegliere un fluido con viscosità adeguata al sistema specifico. Una viscosità eccessiva può causare i seguenti problemi:

• Maggiore resistenza al flusso del fluido nel sistema idraulico.
• Maggiore richiesta di potenza e, di conseguenza, maggiori perdite per attrito.
• Perdita di pressione nel sistema.
• Aumento della temperatura dovuto all'attrito.

Effetto della riduzione della viscosità del fluido nei sistemi idraulici

• Perdite nei punti di tenuta.
• Usura e rottura del film d'olio sui componenti mobili.

Energia e potenza nei sistemi idraulici

Il motore primo, che può essere elettrico o a combustione, è la fonte di energia di un sistema idraulico. Fa ruotare l'albero della pompa e trasferisce energia al sistema. In base alla legge di conservazione dell'energia, l'energia non viene né creata né distrutta; all'interno del sistema compare in forme che comprendono energia potenziale e cinetica. Se l'energia del sistema viene calcolata correttamente, è possibile stabilire un bilancio energetico. Questo bilancio si basa sul principio di Bernoulli e considera non solo l'energia del fluido, ma anche le perdite dovute all'attrito in tubi, valvole e raccordi, oltre alle perdite meccaniche nel motore e nella pompa.

Potenza idraulica

La potenza idraulica può essere considerata in tre fasi: generazione, controllo e utilizzo. La generazione di potenza comprende la conversione dell'energia e il condizionamento del fluido. I componenti coinvolti nella conversione dell'energia elettrica in energia meccanica e quindi idraulica comprendono pompa, motore elettrico, motore a combustione interna e indicatore di pressione. Filtri, refrigeratori, riscaldatori e termometri vengono utilizzati per il condizionamento e il monitoraggio del fluido.

Olio idraulico

I sistemi idraulici vengono utilizzati in moltissime applicazioni, quindi il termine "olio idraulico" non indica un solo tipo di olio. Esiste un'ampia gamma di oli idraulici e il tipo appropriato viene scelto in base ai requisiti di ciascun sistema. In generale, i fluidi o gli oli idraulici devono essere in grado di trasmettere forza, lubrificare i componenti mobili per ridurne l'usura e assorbire il calore generato nel sistema.

Proprietà dell'olio idraulico

• Il film d'olio lubrificante deve avere una resistenza sufficiente per rimanere integro, perché la rottura del film può causare l'usura dei componenti mobili.
• L'olio deve garantire una lubrificazione adeguata e mantenere questa proprietà ad alte temperature e pressioni.
• Per l'emulsificazione, l'olio deve miscelarsi solo con una quantità limitata d'acqua, in modo che la sua viscosità non venga compromessa.
• L'olio deve tollerare temperature elevate senza rilasciare vapori nocivi e, preferibilmente, non deve essere miscelato con sostanze che potrebbero generare tali vapori.
• La composizione dell'olio deve rimanere chimicamente stabile nelle condizioni operative. L'ossidazione non deve provocare variazioni inaccettabili della viscosità, perché ogni sistema idraulico richiede un intervallo di viscosità adeguato. Ad esempio, se un olio instabile si addensa, le perdite di pressione possono aumentare e la potenza disponibile agli attuatori può diminuire, causando prestazioni insufficienti del sistema.
• L'olio non deve essere corrosivo per componenti importanti del sistema idraulico come tubi flessibili ed elementi di tenuta.
• L'olio deve mantenere le proprie proprietà meccaniche ad alte temperature e in condizioni di ossidazione.
• L'olio non deve avere effetti dannosi sulla salute dei lavoratori.
• L'olio deve avere un punto di scorrimento basso, in modo che le prestazioni non siano compromesse in ambienti freddi. Come esempio, la fonte afferma che gli oli utilizzati nei sistemi idraulici degli aeromobili possono avere un punto di scorrimento di circa -60°C e possono contenere oli minerali, glicerina, cherosene e alcol.

Tipi di olio idraulico

Gli oli idraulici possono essere suddivisi in diversi gruppi in base alla composizione e all'applicazione.

• Oli standard a base minerale per applicazioni convenzionali quali motori, cilindri e convertitori elettrici.
• Miscele olio-acqua ed emulsioni acquose, comprese emulsioni olio-in-acqua e acqua-in-olio.
• Fluidi sintetici privi d'acqua utilizzati come fluidi idraulici, come diesteri, esteri alogenati e idrocarburi clorurati.

In base all'applicazione, gli oli idraulici possono inoltre essere suddivisi in oli per servizio a bassa temperatura, oli resistenti alle alte temperature e al fuoco e oli per servizio convenzionale o standard. Agli oli idraulici non devono essere aggiunti additivi chimici che rilascino vapori tossici. Gli additivi consentiti descritti dalla fonte comprendono agenti antischiuma, inibitori di corrosione e usura e additivi che migliorano la lubrificazione e la resistenza del film d'olio.

Scelta dell'olio idraulico

La scelta del tipo di olio idraulico e della viscosità richiesta deve basarsi sui requisiti operativi del sistema. La fonte tende a preferire una viscosità più bassa perché riduce attrito e perdite di energia e può migliorare controllo e precisione. Gli oli a bassa viscosità possono aumentare le perdite, ma possono ridurre le perdite di pressione e l'attrito. Nella scelta dell'olio devono essere considerati i seguenti punti:

• Deve offrire una lubrificazione efficace per prevenire l'usura del sistema. Nei sistemi soggetti a elevate sollecitazioni superficiali possono essere utilizzati additivi per aumentare la capacità dell'olio di sopportare il carico.
• Le perdite attraverso i giochi tra componenti mobili e fissi e attraverso gli spazi di tenuta devono essere ridotte al minimo; l'olio deve quindi avere una viscosità appropriata.

In definitiva, nella scelta della viscosità corretta per un sistema devono essere considerati i seguenti punti:

• La viscosità non deve essere troppo bassa, perché sigillare un sistema con olio a viscosità molto ridotta è difficile.
• La viscosità non deve essere troppo alta, perché ciò aumenta le perdite energetiche interne e la caduta di pressione.
• L'olio deve essere compatibile con i tipi di pompa utilizzati nel sistema.
• La viscosità deve essere adatta alle apparecchiature che lavorano all'aperto, in modo che le variazioni stagionali di temperatura non richiedano frequenti sostituzioni dell'olio.

Come conservare e mantenere l'olio idraulico

Gli oli idraulici possono essere costosi e sostituire olio contaminato all'interno di un sistema può essere difficile e oneroso. Sono quindi importanti una conservazione e una manipolazione accurate. In magazzino, i fusti vengono preferibilmente appoggiati su un fianco e tenuti al coperto o comunque protetti. Prima dell'apertura devono essere puliti accuratamente per impedire l'ingresso di contaminanti nell'olio. Per trasferire l'olio dal fusto al sistema devono essere usati contenitori e tubi puliti; se si utilizza una pompa, la fonte consiglia un filtro da 25 micron. I campioni d'olio dovrebbero essere esaminati periodicamente in laboratorio per verificarne la pulizia. Qualsiasi perdita d'olio nel sistema deve essere riparata tempestivamente.

Sistema idraulico centralizzato

Le fabbriche utilizzano comunemente un sistema pneumatico centralizzato per fornire aria compressa all'intero impianto. Un sistema idraulico centralizzato può introdurre problemi come perdite, alte pressioni operative e necessità di linee di ritorno. Può tuttavia essere adatto a stabilimenti con diverse macchine interconnesse. I progettisti hanno opinioni diverse sulla preferibilità di un sistema centralizzato o separato; di seguito sono riportati vantaggi e svantaggi di ciascuno.

Sistemi locali separati

Vantaggi: 1) i circuiti sono separati; 2) possono essere utilizzati fluidi differenti per circuiti diversi; 3) ogni circuito può funzionare a una pressione diversa; 4) un guasto in un circuito non influisce sul funzionamento degli altri; 5) il motore della pompa può essere collocato accanto alla macchina. Svantaggi: 1) sono necessarie diverse pompe, rendendo la manutenzione più difficile e aumentando i costi; 2) è richiesto più spazio di installazione; 3) il consumo di potenza ed energia è maggiore.

Sistema idraulico centralizzato

Vantaggi: 1) è necessario un solo serbatoio; 2) i costi di acquisto e manutenzione sono inferiori; 3) viene occupato meno spazio; 4) in tutto il sistema centralizzato può essere utilizzato un solo tipo di olio, riducendo i costi relativi all'olio; 5) il consumo di potenza ed energia è minore. Svantaggi: 1) un problema in un circuito può influire su tutto il sistema; 2) può essere necessario un gran numero e volume di tubazioni; 3) sono necessarie valvole di controllo della pressione se servono pressioni differenti; 4) poiché tutti i circuiti sono concentrati in una sola sezione, possono verificarsi interazioni tra di essi.