FONDAMENTI DI IDRAULICA Liquidi idraulici I liquidi si differenziano dai solidi per la mobilità delle particelle che li compongono, essi infatti possono subire rilevanti variazioni di forma sotto l’azione di forze di minima entità, si differenziano inoltre dagli aeriformi perché oppongono una notevole resistenza alle azioni che tendono a modificarne il volume. Per queste due motivazioni, incomprimibilità e libertà di forma, i liquidi sono i veicoli più adatti a trasmettere potenza. I liquidi idraulici più comunemente utilizzati in campo idraulico sono di vari tipi e di varie caratteristiche, e possono essere: acqua, olii a base minerale, fluidi sintetici a base acquosa, fluidi sintetici a base non acquosa. Il fluido più comunemente utilizzato nel nostro ambito è l’olio minerale. Perché l’olio minerale e non un altro mezzo meno costoso e di più facile approvvigionamento? In un primo tempo, agli albori dell’idraulica, il fluido idraulico più comunemente utilizzato era l’acqua, con il progredire della tecnologia le macchine si perfezionarono e si potenziarono, per questo le caratteristiche dell’acqua non furono più in grado di soddisfare le esigenze di “trasmissione” di potenza richieste; si presentò la necessità di ricorrere a liquidi con proprietà che l’acqua non aveva come ad esempio: potere lubrificante assenza di azione corrosiva assenza di depositi assenza di evaporazione e di ebollizione ad elevate temperature. Le principali caratteristiche che possiede l’olio minerale sono le seguenti: ? Potere lubrificante è di fondamentale importanza per la buona conservazione degli organi meccanici specialmente se lavorano a contatto strisciante, questa caratteristica ha permesso di realizzare pompe idrauliche di piccole dimensioni ed elevate velocità (si è passati dai 150- 200 cicli/min del pistone delle pompe ad acqua ai 1500 cicli/min del pistone delle pompe oleodinamiche). Con l’olio si sono inoltre eliminate le azioni corrosive, anzi ottenendo un elevato potere protettivo sugli organi, l’olio presenta inoltre una maggiore resistenza e stabilità alla temperatura. ? Peso specifico, per definizione è il peso di 1dm3 di sostanza alla temperatura di 20°C. Il peso specifico dei normali olii è compreso generalmente fra 0,87 e 0.9 Kg/dm3 , quello dell’acqua e 1 Kg/dm3. L’olio è quindi più leggero dell’acqua con indubbi vantaggi ad esempio per il trasporto. Per poter essere adatto agli impieghi oleodinamici, l’olio deve avere alcune caratteristiche peculiari e di fondamentale importanza: * Viscosità La viscosità è di fondamentale importanza e deve essere scelta opportunamente per l’impiego. La viscosità in parole povere è la resistenza che un liquido oppone allo scorrimento, un olio che scorre facilmente è poco viscoso. La viscosità viene misurata in laboratorio con un apposito strumento detto viscosimetro ed è dipendente dalla temperatura di prova. L’unità di misura della viscosità è il grado Engler °E, generalmente la viscosità è inversamente proporzionale alla temperatura (il grado di viscosità diminuisce con l’aumentare della temperatura), così un normale olio idraulico può avere una viscosità di 36°E a 20°C (verrà indicato con 36°E/20°C) e di 55°E a 50°C (55°E/50°C). Si comprende perché anche la prestazione di un’impianto idraulico può subire notevoli variazioni in funzione della temperatura, pensate ad esempio ai trafilamenti di un motore idraulico o a quelli di una pompa. * Anti-schiuma Quando per una qualsiasi ragione l’aria o un qualsiasi gas si mischiano all’olio si prova della schiuma, questa può causare notevoli problemi all’impianto, rumorosità e irregolarità di funzionamento (questa eventualità è comunemente conosciuta come cavitazione dell’impianto). Un olio per impianti idraulici contiene sempre degli additivi “antischiuma” che ostacolano l’emulsione dell’olio con aria o altri gas e ne facilitano la separazione. * Demulsività E’ quella proprietà, data attraverso appositi additivi, che porta l’olio a separarsi facilmente da acqua eventualmente entrata nel circuito. * Resistenza all’invecchiamento L’azione dell’ossigeno presente nell’aria e l’alta temperatura che viene raggiunta all’interno degli impianti idraulici, provocano un’azione di invecchiamento su alcuni componenti presenti negli olii idraulici. Un olio invecchiando perde alcune di quelle caratteristiche che, come abbiamo visto lo rendono insostituibile come “mezzo di trasporto della forza”, la viscosità, il potere antischiuma etc… L’invecchiamento è anche favorito dalla presenza nell’impianto di particelle di metallo che in seguito alla normale usura restano all’interno del fluido. L’invecchiamento viene combattuto con l’utilizzo di opportuni additivi che ne allungano la vita anche se in ogni caso dopo un certo numero di ore di utilizzo l’olio deve essere cambiato completamente. CENNI SULLE LEGGI FONDAMENTALI DELL’IDRAULICA Legge di Pascal. LA PRESSIONE ESERCITATA SU UN PUNTO QUALUNQUE DI UNA MASSA FLUIDA SI TRASMETTE CON EGUALE INTENSITA IN TUTTE LE DIREZIONI Consideriamo un recipiente, chiuso e pieno di un liquido: Se la forza F viene espressa in Kg e la superficie in cm2 avremo che l’unità di misura della pressione sanno i Kg/ cm2 . Ad esempio se la superficie di S è 20cm2 e su di essa si esercita una forza F di 100 Kg, all’interno del recipiente si svilupperà una pressione P pari a: P= 100/20= 5 Kg/cm2 pari a 4,9 bar. Unità di misura della pressione Come abbiamo visto, la pressione è definita secondo la formula P=F/S da ciò deriva che essa verrà espressa in Kgf/ cm2 . Nel sistema internazionale la pressione viene espressa in N/m2 (Newton su metro quadro) che vengono detti Pascal (Pa) mentre più comunemente la troviamo espressa in Bar; per passare da Kgf/ cm2 a Bar basta moltiplicare il valore di pressione espresso in Kgf/ cm2 per 0,981 ottenendo la pressione espressa in Bar (viceversa sarà Bar per 1,02) In alcuni casi può capitare di trovare la pressione espressa in PSI che sono lb/in2 (libbre su pollice quadrato) per passare dai PSI ai Bar basta moltiplicare il valore di pressione espresso in PSI per 0,069 (viceversa sarà Bar per14,5). Il torchio idraulico Una applicazione della legge di Pascal è costituita dal torchio idraulico: Due cilindri di diverso diametro d e D sono collegati fra di loro da una tubazione. Riempito tutto il sistema con un fluido idraulico, si applica al cilindro di sezione maggiore D una forza P. Per la legge di Pascal, all’interno del fluido, si genererà una pressione uniformemente distribuita e che agirà sul cilindro scorrevole di diametro d facendo in modo che questo si muova verso l’alto. Per tenere in equilibrio il cilindro di diametro minore d bisognerà applicare una forza F che risulterà essere minore di P. Nella formula della pressione, volendo conoscere l’entità della forza F abbiamo che, se p è la pressione generata nel sistema: p=P/SD Volendo generare la medesima pressione p agendo sul cilindro di diametro d, avremo: p=F/Sd Quindi possiamo dire che: P/SD=F/Sd Volendo ricavare l’entità della forza F che applicata al cilindro di diametro minore equilibra la forza P, essa sarà: F=P x Sd / SD Dato che Sd = ?xd2/4 E SD= ?xD2/4 Possiamo dire che: F= d 2x P D2 Facciamo un esempio: d=20mm D=200mm P=1000 Kg Allora: F=202x1000 = 10Kg 2002 Come si vede, basta una forza di 10 Kg esercitata sul cilindro di diametro d per equilibrare una forza di 1000 Kg applicata sul cilindro di diametro D. Lo schema concettuale del torchio idraulico contiene il principio della trasmissione idraulica. Abbiamo supposto che la forza F servisse a mantenere in equilibrio la forza P, se volessimo ora provocare il sollevamento del cilindro D basterebbe spingere verso il basso il cilindro d e potremmo allora osservare che la strada percorsa dal pistone di destra che si solleva è minore dello spostamento che noi abbiamo provocato al pistone di sinistra. Questo accade perché il volume di olio costretto ad uscire dal pistone minore, una volta arrivato al cilindro maggiore, ha a disposizione una camera di diametro più elevato, quindi a parità di volume, l’altezza percorsa sarà minore. Precisamente, lo spostamento del cilindro D sarà: H=d2x h D2 Riprendendo l’esempio precedente, se: h=1000mm d=20mm D=200mm H= 202x1000=10mm 2002 Teorema di Bernoulli per liquidi incomprimibili Consideriamo un condotto, contenente un fluido ideale (incomprimibile e permanente) consideriamo anche che le pareti del condotto siano perfettamente adiabatiche (non possano subire nessuna modifica dall’esterno, scambio di calore deformazione etc…): Fatte queste premesse, il teorema di Bernoulli dice che: CONSIDERANDO DUE SEZIONI QUALSIASI DEL CONDOTTO PER UN PESO UNITARIO DI FLUIDO E’ COSTANTE LA SOMMA DELL’ENERGIA POTENZIALE, CINETICA E DI PRESSIONE (PIEZOMETRICA) V2 + P = k 2g ? In termini impropri ma efficaci, si può dire che: IN UNA QUALSIASI SEZIONE DI UN SISTEMA IDRAULICO, UN AUMENTO DI VELOCITA’ (CAUSATO AD ESEMPIO DA UN RESTRINGIMENTO DI SEZIONE) SI TRASFORMA IN UNA DIMINUZIONE DI PRESSIONE ED UNA DIMINUZIONE DI PRESSIONE IN UN AUMENTO DI VELOCITA’. (Ad esempio, quando l’olio proveniente da una tubazione entra in un martinetto, subisce una forte riduzione di velocità) Legge di continuità Deriva direttamente dal principio di conservazione dell’energia e dice che, se in una condotta prendiamo due o più sezioni, il prodotto dell’area della sezione per la velocità media del fluido considerata in tale sezione è costante e si chiama PORTATA. S1xV1=S2xV2=S3xV3=………….SnxVn=Q Quindi: Q=SxV LA PORTATA E’ IL VOLUME DI LIQUIDO CHE PASSA ATTRAVERSO UNA DETERMINATA SEZIONE NELL’UNITA’ DI TEMPO. L’unità di misura di portata più comunemente utilizzata sarà quindi i Litro/min. Perdite di carico Come abbiamo visto, la velocità espressa nella formula della portata è la velocità media, se infatti potessimo vedere l’andamento della velocità per ogni singola particella di fluido, avremmo una rappresentazione di questo genere: Per quale motivo? Colleghiamo ad un cilindro un lunghissimo tubo di sezione sottile e lasciamo aperta l’estremità: Il liquido, spinto dalla forza F attraversa la condotta e si scarica all’aperto. Il fluido, nel percorrere la tubazione incontra delle resistenze che, sono tanto più grandi quanto più lungo e sottile è il tubo, queste resistenze creano all’interno del cilindro una pressione p. In questo esempio la pressione non sarà uguale in tutto il sistema, infatti essa tenderà a diminuire vieppiù ci si avvicini all’estremità aperta del tubo in questo punto essa sarà pari a zero. Per confermare questo fenomeno basterà applicare dei manometri lungo il tubo. Le resistenze che si creano all’interno del tubo prendono il nome di perdite di carico. Questo semplice esempio chiarisce come, nella trasmissione idraulica per eseguire una completa analisi energetica si debbano considerare oltre che l’energia piezometrica (di pressione) anche altre forme di energia “dinamica” l’energia cinetica (legata alla velocità del fluido) l’energia potenziale (legata alla posizione) e l’energia termica. Le perdite di carico sono di due tipi: ? Perdite di carico distribuite ? Perdite di carico concentrate Perdite di carico distribuite: Per perdite di carico distribuite, si intendono quelle che si generano con continuità lungo tratti rettilinei di tubazione (come nell’esempio sopra). Esse sono causate sia da gli attriti interni fra particella e particella di fluido, sia dallo strisciamento (per moti turbolenti) del fluido contro le asperità della superficie interna del tubo. Come abbiamo visto, l’effetto più evidente di questo genere di perdite di carico, sono una progressiva perdita di pressione man mano che ci si allontana dalla pompa e dal progressivo riscaldamento del fluido dovuto alla trasformazione della caduta di pressione in calore. In linea di massima, le perdite di carico distribuite sono proporzionali alla velocità dal fluido (più aumenta la velocità del fluido più aumentano le perdite di carico), alla lunghezza della tubazione alla densità (viscosità ) del fluido, mentre sono inversamente proporzionali al diametro interno della tubazione. Perdite di carico concentrate: Si intendono perdite di carico concentrate quelle che insorgono a causa di accidentalità presenti nel circuito: curve, valvole, filtri, distributori, raccordi, attacchi rapidi etc.. Le quali provocano brusche variazioni nella velocità del flusso del fluido, con conseguenti dissipazioni localizzate di energia sotto forma di calore e pressione.