Attuatori oleodinamici

Attuatori oleodinamici
Un sistema oleodinamico con regolazione di potenza utilizza come vettore di energia olio minerale, o
sintetico, che in prima approssimazione può essere considerato incomprimibile. Un tale sistema comprende
tre componenti fondamentali: la pompa, l’attuatore ed il sistema di valvole che influenza la trasmissione di
potenza per via idrostatica.

Olio
Grazie all’incomprimibilità all incomprimibilità dell’olio dell olio èpossibile:
è possibile:
Attuatori oleodinamici
• generare forze molto elevate (elevate pressioni senza grosse perdite lungo il circuito)
• seguire g leggi gg di moto complesse p con alta precisione
p
Un buon olio deve possedere i seguenti requisiti:
• Trasmettere energia con basse perdite ed elevata velocità di risposta;
• Lubrificare le parti in movimento relativo (pompe, pistoni, valvole, etc)
• Mantenere puliti gli organi meccanici e proteggerli dalla corrosione;
• Possedere una buona conducibilità termica;
• Possedere elevata stabilità chimica;
• Essere poco infiammabile.

Viscosità
Attuatori oleodinamici
La viscosità indicalaresistenzacheleparticelledelfluidoincontranoascorrereleunesullealtre,inaltre
indica la resistenza che le particelle del fluido incontrano a scorrere le une sulle altre, in altre
parole la viscosità misura la forza necessaria per muovere alla velocità di 1 cm/s l'uno rispetto all'altro due
strati aventi la superficie di un 1 cm quadro e distanti tra loro 1 cm.
La viscosità dei fluidi varia notevolmente al variare della temperatura temperatura, con ll'aggiunta aggiunta di idonei additivi si
possono, tuttavia, ottenere fluidi più o meno sensibili alla variazione della temperatura.
Infatti un olio con eccessiva escursione di viscosità con la temperatura se adatto al freddo, diverrebbe
troppo fluido a caldo, con eccessivi trafilamenti ed insufficiente potere lubrificante; se, per contro, adatto al
caldo, avrebbe viscosità troppo elevata a freddo, con notevoli perdite di carico nel circuito.
La dipendenza dalla temperatura è molto importante nei liquidi idraulici nei quali normalmente, la
temperatura dell'olio passa da 10° ÷15° C all'avviamento ai 50°÷60 ° C a regime.

Attuatori oleodinamici
Attuatori oleodinamici
Gli attuatori oleodinamici sono i più usati per il posizionamento lineare di carichi elevati. Hanno una
costruzione più pesante rispetto ai pistoni pneumatici, perché le pressioni di lavoro sono molto più elevate
(100-300 bar), ma consentono un posizionamento preciso dei carichi (∓ 0.01 mm).
Vantaggi
• forma compatta
• carichi elevati
• controllo preciso in posizione e velocità
• protezione p da sovraccarichi (valvola ( di scarico). )
Si distingue tra:
• cilindri oleodinamici (attuatori lineari)
• motori oleodinamici (attuatori rotativi)
Svantaggi
• perdite di fluido di lavoro
• costosi
• peso

Cilindri oleodinamici
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Tranne i martinetti (che sfruttano il peso del carico per ritornare alla posizione iniziale) i cilindri
oleodinamici, sono tutti a doppio effetto, cioè la spinta del pistone è prodotta dalla differenza di pressione
del fluido presente p
in due camere. Il moto è bidirezionale e controllato dal sistema oleodinamico.

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Nella realizzazione dello stelo si raggiungono tolleranze molto ristrette mentre per i fine corsa si
prevedono spesso controlli di tipo elettrico.

Motori oleodinamici
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Gli attuatori oleodinamici con moto rotativo continuo possono essere del tipo a turbina, o del tipo a
palette.

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Compito di un attuatore oleoidraulico è quello di trasformare l'energia idraulica fornita dalla pompa in
energia meccanica. La scelta di un cilindro viene fatta in base alla forza sviluppata ed alla corsa, cioè
alla massima escursione dello stelo.
La forza che un cilindro a doppio effetto può esercitare dipende dalla geometria del cilindro stesso e dalla
differenza di pressione esistente tra le due camere e vale:
Dove:
p1 e la pressione nella camera anteriore
p2 p2 e la pressione nella camera posteriore
F =p2 AA2 -p1 AA1n - FFr
A1n = A1n - Ast è l’area netta del pistone sulla faccia anteriore
A2 è I'area del pistone sulla faccia posteriore
Fr è la forza d'attrito, espressa come percentuale (10÷30%) della forza massima ottenibile dal cilindro.

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A regime, la portata di fluido Q2 in ingresso al cilindro è costante, in queste condizioni lo spostamento in
avanti dello stelo del cilindro nell’intervallo di tempo Δt vale:
Δx = V2 / A2 = Q2 Δt / A2
essendo V2 il volume dell’olio immesso nella camera posteriore del cilindro nel tempo Δt.
La velocità di traslazione dello stelo vale:
v = Q2 / A2

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La potenza sviluppata dall’attuatore (potenza utile) vale:
La potenza assorbita dall’attuatore vale:
PPaout t =Fv=(p2 = F v = (p2 A2 A2 - p1 p1 A1 A1n - F Fr) ) Q2 Q2 /A2 / A2
Pain = p2 Q2
La massima potenza sviluppabile da un attuatore oleodinamico dipende dalla massima pressione di lavoro
dell’attuatore, che è una caratteristica del componente che viene fornita dal costruttore, e dalla massima
portata di ffluido generata dalla pompa, che è limitata dalla cilindrata della pompa e dal massimo regime di
rotazione.

Pompe
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La portata di fluido inviata all’attuatore viene generata da una pompa, il cui compito è quello di
trasformare l'energia meccanica fornita da un motore primo a cui è accoppiata, in energia idraulica.
Il tipo di pompa più utilizzato è quella volumetrica a cilindrata fissa. Una pompa di questo tipo è quella a
pistoni assiali in cui i pistoni sono azionati dal moto di un piattello inclinato, mentre il blocco cilindri è
stazionario.

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Nelle pompe volumetriche a cilindrata fissa la pressione che si genera alla bocca di mandata della
pompa dipende, oltre che dalla somma delle resistenze distribuite o concentrate, anche dal valore del
carico resistente applicato all’attuatore. Pertanto, quando aumenta il carico, aumenta anche la pressione
del liquido q alla mandata, , in quanto q i trafilamenti interni sono minimi.
Se si chiudesse la mandata, la pressione raggiungerebbe valori cosi elevati da provocare l'arresto del
motore e/o la rottura degli organi della pompa. Da qui la necessità di installare valvole di sicurezza per
limitare la pressione nel circuito idraulico.

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Il salto di pressione Δp è la differenza tra la pressione alla mandata e la pressione all’aspirazione
La cilindrata q [lt] di una pompa volumetrica è pari al volume teorico di fluido trasferito dall’aspirazione
alla a a mandata a data in co corrispondenza spo de a di d una u a rotazione ota o e dell’albero de a be o motore. oto e
La portata volumetrica teorica Qteor [lt/min] è data dal prodotto della cilindrata per la velocità di rotazione
del motore primo n [giri/min].
Qteor = q n
La portata volumetrica effettiva Q è inferiore a quella teorica, a causa dell’imperfetto
riempimento/svuotamento dei volumi attivi, dei trafilamenti interni di fluido e degli effetti di compressione
del fluido. Si definisce pertanto un rendimento volumetrico ηv=Q/Qteor
A diff differenza degli d li attuatori tt t i pneumatici, ti i ove l’aria l’ i estratta t tt dall’attuatore d ll’ tt t viene i dispersa di nell’ambiente, ll’ bi t negli li
attuatori oleodinamici il fluido estratto dall’attuatore viene convogliato in un apposito serbatoio e da
questo rimandato alla pompa. La portata al serbatoio (fluido in uscita dall’attuatore) vale:
Qs= Q A1n / A2

La coppia motrice teorica richiesta è pari a:
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Cmteor= q Δp
La coppia motrice effettiva richiesta Cm è superiore al valore teorico a causa di fenomeni dissipativi che si
verificano: nei meccanismi della pompa, nel contatto tra fluido e pareti dei condotti, all’interno del fluido
stesso. Si definisce pertanto un rendimento meccanico ηm= Cm/Cmteor.
La potenza meccanica richiesta all’albero è data da:
Pme= Cmω
Il rendimento totale ηt=ηvηm ed il rendimento volumetrico dipendono dl salto di pressione.

Valvole di regolazione
Attuatori oleodinamici
Per regolare la potenza erogata da un attuatore oleodinamico è possibile agire sia sulla portata che sulla
pressione.
Gli attuatori oleodinamici sono comandati per mezzo di valvole di controllo direzionale o distributori, che,
in funzione del segnale elettrico di comando convogliano opportunamente il flusso di fluido verso le varie
parti del circuito o da queste verso il serbatoio.
Poiché le potenze erogate in un circuito oleodinamico possono essere molto elevate (fino ad alcune
decine di KW), per la regolazione della potenza, è generalmente richiesta l'adozione di una valvola pilota,
che riceva il segnale da un organo di comando ed azioni una valvola principale di potenza, che a sua
volta comanda l'attuatore.
La valvola di regolazione può essere considerata un amplificatore lineare di potenza, in quanto la potenza
richiesta dal circuito di controllo (dell'ordine del W) e almeno di due ordini di grandezza inferiore alla
potenza dell'uscita controllata.

Le valvole di controllo direzionale si distinguono in:
Attuatori oleodinamici
• Distributori comandati in modalità on-off, con passaggio rapido da condizione tutto aperto a
condizione tutto chiuso.
• Distributori comandati con segnali di comando di tipo continuo, in grado di modulare con
continuità le sezioni di passaggio del fluido e quindi i valori istantanei di portata.

Attuatori oleodinamici
Si possono di distinguere ti ddue ti tipi i di valvole l l di direzionali i li con segnale l di comando d continuo ti ad d azionamento
i t
elettrico: le valvole proporzionali e le servovalvole.
Nelle valvole a regolazione proporzionale la portata è idealmente proporzionale al segnale elettrico in
ingresso, tuttavia, le ineliminabili non idealità del sistema generano differenze tra il valore di riferimento
della portata ed il valore effettivo.
Le servovalvole sono costituite dalla valvola principale ad attuazione pneumatica o oleodinamica, da una
valvola pilota ad azionamento elettrico, e dal meccanismo di controreazione meccanica costituito da
un’astina che connette gli organi mobili delle due valvole. L’astina di controreazione genera sulla parte
mobile della valvola pilota una coppia proporzionale alla posizione del pistone della valvola principale.

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Grazie all’effetto linearizzante della retroazione meccanica, la funzione di trasferimento tra tensione di
alimenazione dell’attuatore elettrico Vc e posizione dello stelo della valvola a cassetto y è data da:
Essendo:
G il guadagno equivalente della servovalvola.
s
y(
s ) Gs
=
V ( s ) 1 + sTT
T la costante di tempo della servovalvola, dell’ordine dei millisecondi.
s
c
Servovalvole elettroidrauliche controllate a cerniera vengono impiegate in tutte quelle applicazioni in cui
g p g q pp
è necessario esercitare un controllo dei parametri d’uscita come la posizione, la velocità, l’accelerazione,
la forza (o la coppia), di attuatori oleodinamici.
s

Attuatori oleodinamici
Attuatore oleodinamico lineare con controllo in retroazione

Attuatori oleodinamici
La parte meccanica dell’attuatore ed il carico meccanico sono descritti dalle equazioni:
ove:
x= x posizione dello stelo dell’attuatore
dell attuatore
v= velocità dello stelo dell’attuatore
m= massa complessiva delle parti mobili
B= coefficiente d’attrito
Fr= forza resistente
dx
= v
dt
ddv 1
= ( Fm
− Fr
− Bv)
dt m
1
Fm= Fm forza generata dall dall’attuatore, attuatore, proporzionale alla pressione differenziale di carico P, se sesiponeper
si pone per
semplicità A2=A1n=A:
Fm = P2
A2
- P1
A1n
= kt
P
P è legata alla portata di fluido Q erogata dal distributore, dall’espressione:
dall espressione:
ove:
= Q + Q + Q = k v + k P + γ
Q m l c q l
dP
( V'+
Ax)
dt
Qm = portata volumetrica trasmessa all’attuatore
Ql = portata volumetrica dovuta alle perdite per trafilamento
Qc = portata volumetrica dovuta alle perdite per compressione del fluido
γ = coefficiente di comprimibilità del fluido
V’ = volume l di fluido fl id contenuto t t nei i condotti d tti in i pressione i
Ax = volume di fluido contenuto nella camera dell’attuatore

Attuatori oleodinamici
Il legame tra la portata Q , la pressione di carico P e la posizione y del pistone della valvola a cassetto
è non lineare. Linearizzando attorno ad un punto di lavoro si ha:
Si ottiene il seguente schema a blocchi:
P k x y krQ
− =
Il parametro kc=V’+Ax non è costante, ma funzione di x. Ciò introduce una non linearità implicita nel
p c , p
sistema, che può essere risolta linearizzando attorno al punto di lavoro.