Elementi fondamentali di oleodinamica e pneumatica

L’obiettivo di questa serie di articoli è quello di fornire una solida conoscenza dei concetti generali associati alle attrezzature idrauliche e pneumatiche presenti oggi nell’industria. Inizieremo con un’introduzione agli elementi fondamentali di oleodinamica e pneumatica, inclusa una comprensione generale della fisica di base coinvolta. Proseguiremo descrivendo i vari tipi di attrezzature idrauliche e pneumatiche, nonché i diversi tipi di guarnizioni che possono essere utilizzate in tali apparecchiature e i materiali di cui possono essere realizzate. Forniremo inoltre uno sguardo ravvicinato a numerose industrie e alle loro applicazioni specifiche per attrezzature e guarnizioni idrauliche e pneumatiche, oltre a una guida completa per la risoluzione dei problemi sia dei macchinari che delle guarnizioni.

Gli articoli sono così strutturati:

• Elementi fondamentali di oleodinamica e pneumatica
• Principali macchinari utilizzati nella trasmissione di potenza
• Guarnizioni per oleodinamica e pneumatica: perchè si utilizzano?
• Scegliere il corretto materiale delle guarnizioni per oleodinamica e pneumatica
• Oleodinamica e pneumatica: le principali applicazioni industriali
• Identificare le cause del fallimento di una guarnizione per oleodinamica e pneumatica

Iniziamo quindi il nostro viaggio scoprendo le basi di idraulica e pneumatica.

Idraulica

L’idraulica è stata inizialmente definita come lo studio dei comportamenti fisici dell’acqua a riposo ed in movimento. Questo termine ha poi assunto un significato più ampio includendo i comportamenti fisici di tutti i fluidi. Tra questi vi sono anche gli oli utilizzati ad oggi nei sistemi idraulici.

L’idraulica è anche definita come “potenza idraulica” o “energia idraulica”.

La potenza idraulica viene utilizzata praticamente in ogni settore industriale. La si può trovare quotidianamente nelle automobili, macchine utensili, aerei, nei satelliti e nelle macchine planetarie. La ragione di una diffusione così ampia è data dal fatto che un fluido è uno dei mezzi più versatili sia per trasmettere potenza che modificare movimenti.

Un fluido è, per definizione, una sostanza che fluisce e che assume la forma del recipiente che lo contiene. Sia i liquidi sia i gas sono considerati fluidi. I fluidi liquidi possono:

• Cambiare forma rapidamente
• Essere divisi in più parti per svolgere lavori diversi
• Muoversi lentamente in un posto e più velocemente in un altro
• Trasmettere forza equamente in una o tutte le direzioni

Un fluido liquido è infinitamente flessibile, ma anche inflessibile come l’acciaio. Un liquido è virtualmente non comprimibile.

Nessun altro mezzo unisce lo stesso grado di controllo accurato, positivo e flessibile con l’abilità di trasferire una grande quantità di potenza con un minimo di massa e di peso. A differenza della potenza meccanica, la meccanica idraulica elimina leve, ingranaggi e altri componenti che, attraverso la frizione, perdono energia.

Un film di fluido di 1” trasmetterà energia tanto facilmente quanto una condotta di fluido da 12”.

Pneumatica

La pneumatica è simile all’idraulica. La differenza è che la pneumatica si riferisce ad aria pressurizzata (aria compressa) o altri gas, anziché liquidi come nell’idraulica. La differenza principale tra un liquido ed un gas è che quest’ultimo è comprimibile, mentre un liquido è considerato virtualmente non comprimibile. Per definizione un fluido è una sostanza che scorre e prende la forma del suo contenitore. Ciò significa che sia i liquidi sia i gas sono considerati fluidi.

Forza, Pressione, Lavoro e Potenza

Una forza è, per definizione, qualsiasi causa che tende a generare o modificare moto. Per muovere un corpo, deve essere applicata ad esso una forza. La quantità di forza necessaria per muoverlo dipende dalla sua inerzia. L’inerzia è una proprietà della materia per cui essa permane nel suo stato di riposo o di moto uniforme a meno che non agisca su di essa una forza esterna. La forza è espressa attraverso qualsiasi unità di misura usata per la misurazione del peso. La libbra o il chilogrammo sono i più comuni metodi di misurazione.

La pressione è la forza che agisce sull’area di una superficie ed è comunemente espressa in libbra su pollice al quadrato (psi), chilo su centimetro quadrato o Bar, equivalente a 14,7 psi e che corrisponde alla pressione atmosferica al livello del mare.

La relazione tra forza, pressione ed area è espressa attraverso la seguente formula matematica:

Forza = Pressione x Area

Le pompe idrauliche non creano pressione, creano un flusso. I compressori ad aria o gas creano pressione, tuttavia la pressione “scorre” da zone ad alta a bassa pressione. La pressione viene creata quando il flusso trova una resistenza. Se il flusso incontra una resistenza leggera o minima, allora la pressione sviluppata sarà lieve o minima. All’aumentare della forza corrisponde un aumento della pressione. La forza e la pressione sono le misure primarie dello sforzo.

Il lavoro invece è una misura di realizzazione. Descrive l’applicazione di una forza in movimento attraverso una distanza ed è espressa comunemente in Newton per metri.

Se una forza di 1200 libbre (5280 Newton) muove uno stelo di 4 pollici (10 centimetri), il lavoro risultante è 4800 pollici per libbre o 528 Joule (𝐽=𝑁𝑚). L’equazione matematica è:

Lavoro = Forza x Distanza

Questo calcolo non prevede una variabile di tempo.

La potenza è il lavoro per unità di tempo. Le unità di misura standard per la misurazione della potenza sono il Watt (W) o il cavallo vapore (CV). Quest’ultimo corrisponde a 746 Watt o 0,746 kW.

Caratteristiche fisiche dei fluidi

Principio di Pascal o legge di Pascal: la pressione all’interno di un liquido viene applicata allo stesso modo in ogni direzione ed esercita la stessa forza su ogni lato.

Blaise Pascal, scienziato, filosofo e matematico francese, è stato un pioniere nel campo dello studio dei fluidi. In questo settore il suo contributo più importante è stato lo sviluppo del Principio di Pascal, il quale afferma che ogni fluido all’interno di un recipiente chiuso, sottoposto a pressione in ogni punto del recipiente, trasmetterà questa pressione in egual modo verso ogni direzione.

Essendo i fluidi liquidi virtualmente incomprimibili, una forza meccanica può essere trasmessa, moltiplicata, controllata e diretta mediante fluidi sotto pressione. Quando una forza viene applicata ad un liquido confinato, questo mostra sostanzialmente lo stesso effetto di rigidità di un solido. In ogni applicazione idraulica o pneumatica, la forza esercitata è uguale alla pressione sulla linea, elevata alla forza ricevuta.

Se venisse applicata al Pistone 1 (sinistra) una forza tale da farlo scendere di 3 pollici, allora il Pistone 2 (destra), avente la stessa dimensione, si alzerebbe di 3 pollici.

Questo però non porterebbe alcun vantaggio essendo la forza risultante equivalente a quella di ingresso. Dobbiamo perciò aumentare l’area del pistone di uscita per aumentare la forza risultante.

Una piccola forza di 1 libbra su una superficie di un pollice quadrato equivale ad 1 psi (pound per square inch, ovvero libbre per pollice quadrato). Applicando 1 psi ad un recipiente contenente un fluido, allora la pressione del fluido sarà di 1 psi. Qui è dove la forza è moltiplicata grazie alle leggi della fisica ed avviene la “magia”. Se avessimo costruito su un’estremità del recipiente un secondo pistone mobile avente una superficie di 100 pollici quadrati, esponendolo ad una pressione di 1 psi, avremmo 1 psi di pressione agente su 100 pollici quadrati di superficie mobile la quale trasmetterebbe 100 libbre di forza da utilizzare.

La forza o energia d’ingresso all’interno di un sistema idraulico o pneumatico proviene da un flusso di fluido. Questo flusso incontra una resistenza e viene sviluppata una pressione. La pressione agisce sulla superficie di un pistone o di uno stelo creando una forza. Quando la forza è maggiore della resistenza, il pistone o lo stelo si muoveranno.

Flusso del fluido

Il passaggio di un flusso di un fluido all’interno di un sistema genera attrito e produce calore. Parte dell’energia trasmessa viene dissipata sotto forma di calore.

L’attrito all’interno di un sistema non può essere eliminato, ma può essere controllato. I quattro punti principali riguardanti l’eccessivo attrito e l’eccessiva perdita di energia sono:

• Distanza coperta dal fluido. Più breve è meglio.
• Numero di giri e raccordi. Meno è meglio.
• Linee troppo strette comportano un’elevata velocità del fluido. Meglio linee più grandi.
• Elevata viscosità del fluido. Meglio fluidi meno densi.

In un sistema idraulico o pneumatico, il fluido passante attraverso un tubo viaggia ad una certa velocità, espressa in metri al secondo. La quantità di fluido che scorre all’interno del tubo in un dato periodo di tempo è detta flow rate, o portata, ed è misurata in litri al minuto. Per ottenere la stessa portata in due tubi di diametro diverso, dovrà cambiare la velocità del fluido. Il flusso all’interno di un tubo di diametro più piccolo dovrà scorrere ad una velocità più alta per avere la stessa portata di uno maggiore. Ricorda che la quantità di fluido in circolo è la portata. Il ritmo a cui viaggia è la velocità.

Calo di Pressione

Con il passaggio di un fluido all’interno di un tubo parte dell’energia viene persa con l’attrito producendo un calo di pressione o differenziale di pressione. Deve esserci un calo di pressione attraverso una restrizione per provocare il passaggio di un fluido attraverso di essa. Se non c’è il fluido non ci sarà alcun calo di pressione. All’interno di un fluido in movimento, il differenziale di pressione tenderà a salire e la pressione a diminuire all’aumentare della distanza dalla sorgente di pressione (pompa, compressore). Un fluido perderà energia a causa dell’attrito e pressione a causa delle restrizioni. Per questi motivi, i progettisti di sistemi specificano di utilizzare olio per la giusta viscosità, tubi del diametro corretto e limitare al minimo i numeri di raccordi e restrizioni.

Fluidi utilizzati in pneumatica

In sistemi pneumatici, l’aria compressa è il veicolo più utilizzato. In alcune applicazioni si possono utilizzare gas inerti come l’azoto. L’aria o il gas sono situati all’interno di un compressore, il quale li distribuirà attraverso tubi per il tutto il sistema.

Un sistema pneumatico dovrebbe sempre essere pulito e secco. L’ingresso di umidità all’interno del sistema porta alla corrosione di componenti come i tubi, valvole ed attuatori. Questa corrosione permette a sostanze nocive di entrare nel sistema. Gli agenti contaminanti all’interno del sistema causano danni ai componenti in movimento andando a tappare piccoli raccordi o orifizi.

I sistemi pneumatici fanno affidamento sulla corretta lubrificazione e filtraggio. La mancanza di lubrificazione porta ad eccessivi costi di manutenzione, inefficienza produttiva e guasti prematuri. La giusta lubrificazione permette ai componenti di lavorare con il minimo di attrito, minimizzando la resistenza tra le parti.

Fluidi utilizzati in oleodinamica

Nei sistemi oleodinamici sono utilizzati una vasta gamma di fluidi. Il fluido utilizzato ha un grosso impatto sul funzionamento e sulla manutenzione del macchinario. L’utilizzo di un fluido pulito e di alta qualità è il primo passo verso il raggiungimento a lungo termine di un sistema affidabile. Oltre a svolgere la funzione di mezzo per trasmettere energia, il fluido deve ridurre al minimo la resistenza attraverso una buona lubrificazione. Deve rimanere efficace in un ampio intervallo di temperature.

Caratteristiche principali di un fluido per oleodinamica:

• Viscosità: questa è la proprietà più importante di un fluido per idraulica. Indica il valore della resistenza di un fluido che scorre. Pensalo come lo “spessore” o la “sottigliezza” del fluido. Fluidi più densi, come la melassa, scorrono lentamente e sono fluidi ad elevata viscosità. Fluidi più sottili come l’acqua invece scorrono facilmente ed hanno quindi una bassa viscosità. Altri fluidi, come l’olio, hanno una viscosità più bassa ad alte temperature e più alta con temperature più basse. Una bassa viscosità può aumentare le perdite e l’attrito tra i componenti e un’elevata viscosità può causare un lento funzionamento aumentando i cali di pressione su linee e valvole.
• Lubrificazione: i fluidi per idraulica devono avere una buona lubrificazione in quanto previene l’abrasione tra parti a scorrimento che si trovano a stretto contatto tra loro. Il contatto tra parti metalliche viene impedito dalla forza del film di fluido che dipende dalla qualità dello stesso.
• Resistenza all’ossidazione: questa è una caratteristica che determina l’efficacia operativa e la vita del fluido. I fattori che incidono sull’ossidazione sono l’aria, il calore e la contaminazione. I fluidi di qualità superiore contengono inibitori di ossidazione al fine di rallentare il processo di ossidazione aumentando l’efficacia operativa e la durata del fluido.

Tipologia di fluidi utilizzati in oleodinamica

• Fluidi a base di petrolio — I fluidi a base di petrolio sono i più utilizzati e sono la scelta migliore per una lunga durata del sistema grazie alla loro lubrificazione e alla compatibilità con tubi, guarnizioni e tenute

• Oli animali e vegetali — Da un punto di vista di lubrificazione per alte pressioni è opportuno evitare l’uso di questi oli come fluidi per idraulica. Questi oli non possiedono tutte le qualità di un ottimo fluido per idraulica;

• Acqua — Sebbene l’acqua sia considerata relativamente economica, è il peggior fluido utilizzabile all’interno di un sistema idraulico. Svolge poco lavoro di lubrificazione e causa la corrosione delle parti metalliche.

• Oli non infiammabili — Alcuni sistemi idraulici si trovano in ambienti pericolosi. Possono essere posizionati vicino a macchinari ad alta temperatura o una sorgente di accensione. In queste situazioni vengono utilizzati oli non infiammabili, che possono essere classificati a seconda del fluido di base:

  • Acqua e glicole — Acqua, miscelata con glicole simile a quello usata come antigelo nei radiatori delle automobili. Questi miscugli sono in genere 40% glicole e 60% acqua. La compatibilità con tubi, tenute e guarnizioni può essere un problema.
  • Sintetico — Gli oli sintetici possono essere sia resistenti al fuoco che non infiammabili. Tuttavia, possono essere costosi e attaccare componenti come tenute, tubi e guarnizioni.
  • Emulsioni di olio e acqua — In genere questi sono fluidi a base di petrolio mescolati con acqua ed un emulsionante che stabilizza l’olio nell’acqua. Questi fluidi possono essere costituiti al 95% da acqua.

Le raccomandazioni del produttore devono essere seguite attentamente nel passare da un fluido a base di petrolio ad un olio non infiammabile o da un fluido non infiammabile ad un altro. Il sistema deve essere drenato a fondo, lavato, risciacquato e riempito correttamente. Potrebbe anche essere necessario cambiare tenute e guarnizioni ai componenti. Alcuni di questi fluidi attaccano i materiali elastomerici e rimuovono la vernice usata come protezione nelle parti interne di alcuni componenti.

La frequenza con cui questi fluidi vanno cambiati dipende sia dal fluido sia dalle condizioni del sistema. Non può essere sottovalutata l’importanza di praticare test ed effettuare un buon drenaggio. L’analisi periodica in laboratorio è il metodo più accurato per sapere quando e con che frequenza i fluidi vanno sostituiti. Solitamente il fornitore di fluidi offre questi test. I fluidi andrebbero cambiati nel momento in cui aumenta la viscosità e l’acidità e/o quando i livelli di contaminazione sono elevati.