Elementi essenziali di ingegneria: Motori idraulici

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Fig. 1. I motori ad ingranaggi esterni hanno un ingranaggio motore e uno folle racchiusi in un unico alloggiamento. La coppia in uscita è una funzione della pressione su un dente perché la pressione sugli altri denti è in equilibrio idraulico.

Tutti i tipi di motori idraulici hanno queste caratteristiche comuni di progettazione: una superficie di guida soggetta al differenziale di pressione; un modo di temporizzare il passaggio del fluido di pressione alla superficie di pressione per ottenere una rotazione continua; e una connessione meccanica tra la superficie e un albero di uscita.

La capacità delle superfici di pressione di sopportare la forza, le caratteristiche di perdita di ogni tipo di motore e l’efficienza del metodo usato per collegare la superficie di pressione e l’albero di uscita determinano la prestazione massima di un motore in termini di pressione, flusso, uscita di coppia, velocità, efficienza volumetrica e meccanica, durata e configurazione fisica. Le unità più comuni di cilindrata del motore sono in.3 o cm3 per rivoluzione.

La cilindrata dei motori idraulici può essere fissa o variabile. Un motore a cilindrata fissa fornisce una coppia costante. La velocità viene variata controllando la quantità di flusso in entrata nel motore. Un motore a cilindrata variabile fornisce una coppia variabile e una velocità variabile. Con flusso di ingresso e pressione costante, il rapporto di velocità di coppia può essere variato per soddisfare i requisiti di carico variando lo spostamento.

L’uscita di coppia è espressa in pollici-libbre o piedi-libbre, ed è una funzione della pressione del sistema e lo spostamento del motore. Le valutazioni della coppia del motore sono di solito date per una specifica caduta di pressione attraverso il motore. Le cifre teoriche indicano la coppia disponibile all’albero del motore supponendo che non ci siano perdite meccaniche.

La coppia di distacco è la coppia richiesta per far girare un carico fermo. È necessaria più coppia per mettere in movimento un carico che per mantenerlo in movimento.

La coppia di funzionamento può riferirsi al carico di un motore o al motore stesso. Quando si riferisce a un carico, indica la coppia richiesta per far girare il carico. Quando si riferisce al motore, la coppia di funzionamento indica la coppia effettiva che un motore può sviluppare per far girare un carico. La coppia di funzionamento considera l’inefficienza di un motore ed è una percentuale della sua coppia teorica. La coppia di funzionamento dei comuni motori a ingranaggi, a palette e a pistoni è circa il 90% della coppia teorica.

La coppia di avviamento si riferisce alla capacità di un motore idraulico di avviare un carico. Indica la quantità di coppia che un motore può sviluppare per far girare un carico. In alcuni casi, questa è notevolmente inferiore alla coppia di funzionamento del motore. La coppia di avviamento può anche essere espressa come percentuale della coppia teorica. La coppia di avviamento per i comuni motori a ingranaggi, a palette e a pistoni varia tra il 70% e l’80% della coppia teorica.

L’efficienza meccanica è il rapporto tra la coppia effettiva erogata e la coppia teorica.

L’ondulazione della coppia è la differenza tra la coppia minima e massima erogata a una data pressione durante una rivoluzione del motore.

La velocità del motore è una funzione dello spostamento del motore e del volume di fluido erogato al motore.

La velocità massima del motore è la velocità ad una pressione d’ingresso specifica che il motore può sostenere per un tempo limitato senza danni.

La velocità minima del motore è la velocità di rotazione più lenta, continua e ininterrotta disponibile dall’albero di uscita del motore.

Slippage è la perdita attraverso il motore – o il fluido che passa attraverso il motore senza compiere lavoro.

Motori a ingranaggi

I motori a ingranaggi esterni, Figura 1, consistono in una coppia di ingranaggi abbinati racchiusi in un alloggiamento. Entrambi gli ingranaggi hanno la stessa forma dei denti e sono azionati da un fluido in pressione. Un ingranaggio è collegato ad un albero di uscita; l’altro è un folle. Il fluido in pressione entra nell’alloggiamento in un punto in cui gli ingranaggi si ingranano. Forza gli ingranaggi a ruotare e segue il percorso di minor resistenza intorno alla periferia dell’alloggiamento. Il fluido esce a bassa pressione sul lato opposto del motore.

Tolleranze strette tra gli ingranaggi e l’alloggiamento aiutano a controllare le perdite di fluido e ad aumentare l’efficienza volumetrica. Le piastre di usura sui lati degli ingranaggi impediscono agli ingranaggi di muoversi assialmente e aiutano a controllare le perdite.

I motori a ingranaggi interni rientrano in due categorie. Un motore gerotorico a presa diretta consiste in un set di ingranaggi interno-esterno e un albero di uscita, Figura 2. L’ingranaggio interno ha un dente in meno di quello esterno. La forma dei denti è tale che tutti i denti dell’ingranaggio interno sono sempre in contatto con una parte dell’ingranaggio esterno. Quando il fluido in pressione viene introdotto nel motore, entrambi gli ingranaggi ruotano. L’alloggiamento del motore ha porte di ingresso e di uscita a forma di rene integrate. I centri di rotazione dei due ingranaggi sono separati da una determinata quantità nota come eccentricità. Il centro dell’ingranaggio interno coincide con il centro dell’albero di uscita.

Fig. 2. Il motore gerotorico a trazione diretta ha set di ingranaggi interni ed esterni. Entrambi gli ingranaggi ruotano durante il funzionamento.

Nella figura 2(a), il fluido in pressione entra nel motore attraverso la porta di ingresso. Poiché l’ingranaggio interno ha un dente in meno di quello esterno, si forma una tasca tra i denti interni 6 e 1 e l’altra presa A. La porta d’ingresso a forma di rene è progettata in modo che appena il volume di questa tasca raggiunge il massimo, il flusso del fluido viene chiuso, con le punte dei denti dell’ingranaggio interno 6 e 1 che forniscono una tenuta, Figura 2(b).

Come la coppia di ingranaggi interni ed esterni continua a ruotare, Figura 2(c), una nuova tasca si forma tra i denti interni 6 e 5 e la presa esterna G. Nel frattempo, la tasca formata tra i denti interni 6 e 1 e la presa esterna A si è spostata di fronte alla porta di uscita a forma di rene, drenando costantemente mentre il volume della tasca diminuisce. Il graduale, misurato cambiamento di volume delle tasche durante l’ingresso e lo scarico fornisce un flusso fluido liscio e uniforme con una minima variazione di pressione (o increspatura).

A causa del dente extra nell’ingranaggio esterno, i denti dell’ingranaggio interno si spostano avanti a quello esterno di un dente per giro. Nella Figura 2(c), il dente interno 4 è posizionato nella presa esterna E. Nel ciclo successivo, il dente interno 4 si posizionerà nella presa esterna F. Questo produce una bassa velocità differenziale relativa tra gli ingranaggi.

Un motore gerotorico orbitante, Figura 3, consiste in una serie di ingranaggi accoppiati, un giunto, un albero di uscita, e un commutatore o piastra valvole. L’ingranaggio esterno stazionario ha un dente in più rispetto all’ingranaggio interno rotante. Il commutatore gira alla stessa velocità dell’ingranaggio interno e fornisce sempre un fluido in pressione e un passaggio per il serbatoio negli spazi appropriati tra i due ingranaggi.

In funzionamento, Figura 3(a), il dente 1 dell’ingranaggio interno è allineato esattamente nella presa D dell’ingranaggio esterno. Il punto y è il centro dell’ingranaggio fermo, e il punto x è il centro del rotore. Se non ci fosse un fluido, il rotore sarebbe libero di ruotare intorno alla presa D in entrambe le direzioni. Potrebbe muoversi verso la sede del dente 2 nella presa E o viceversa, verso la sede del dente 6 nella presa J.

Fig. 3. Il motore gerotorico orbitante ha un ingranaggio esterno stazionario e un ingranaggio interno rotante. Il rotore e l’albero girano in senso antiorario, ma il luogo del punto X è in senso orario. Il commutatore o piastra valvole, mostrato sotto l’illustrazione di ogni stadio di rotazione del motore, fornisce pressione e passaggio al serbatoio per il fluido di pressione.

Quando il fluido di pressione fluisce nella metà inferiore del volume tra gli ingranaggi interni ed esterni, se un passaggio al serbatoio è previsto per la metà superiore del volume tra gli ingranaggi interni ed esterni, viene indotto un momento che ruota l’ingranaggio interno in senso antiorario e inizia a collocare il dente 2 nella presa E. Il dente 4, nell’istante mostrato nella figura 3(a), fornisce una tenuta tra la pressione e il fluido di ritorno.

Tuttavia, mentre la rotazione continua, il luogo del punto x è in senso orario. Come ogni dente successivo del rotore si posiziona nella sua sede, Figura 3(b), il dente direttamente opposto sul rotore dal dente posizionato diventa il sigillo tra la pressione e il fluido di ritorno. Il fluido pressurizzato continua a forzare il rotore ad ingranare in senso orario mentre gira in senso antiorario.

A causa della presa extra nell’ingranaggio fisso, la prossima volta che il dente 1 si siede, sarà nella presa J. A quel punto, l’albero ha girato 1/7 di un giro, e il punto x si è spostato 6/7 del suo cerchio completo. Nella Figura 3(c), il dente 2 si è accoppiato con la presa D, e il punto x è di nuovo allineato tra la presa D e il punto y, indicando che il rotore ha fatto un giro completo all’interno dell’ingranaggio esterno. Il dente 1 si è spostato attraverso un angolo di 60° dal suo punto originale nella figura 3(a); 42 (o 6 X 7) impegni dei denti o cicli di fluido sarebbero necessari per l’albero per completare una rivoluzione.

Il commutatore o piastra valvole, mostrato nelle figure 3(d), (e) e (f), contiene passaggi di pressione e serbatoio per ogni dente del rotore. I passaggi sono distanziati in modo da non fornire la pressione o il flusso di ritorno alla porta appropriata quando un dente si siede nella sua sede. In tutti gli altri momenti, i passaggi sono bloccati o stanno fornendo fluido in pressione o un passaggio del serbatoio nella metà appropriata del motore tra gli ingranaggi.

Un motore gerotor a rulli, Figura 4, è una variazione del motore gerotor orbitante. Ha un ingranaggio ad anello stazionario (o statore) e un ingranaggio planetario mobile (o rotore). Invece di essere tenuto da due cuscinetti, il braccio eccentrico del planetario è tenuto dall’ingranamento del rotore a 6 denti e dello statore a 7 zoccoli. Invece del contatto diretto tra lo statore e il rotore, sono incorporate delle palette a rulli per formare le camere di spostamento. Le palette a rullo riducono l’usura, permettendo ai motori di essere usati in circuiti idrostatici ad alta pressione e a circuito chiuso come motori a ruota montati direttamente.

Motori a palette

Fig. 5. I motori a palette (il tipo bilanciato mostrato) hanno delle palette in un rotore scanalato.

I motori a palette, Figura 5, hanno un rotore scanalato montato su un albero motore che è azionato dal rotore. Le palette, strettamente inserite nelle scanalature del rotore, si muovono radialmente per sigillare contro l’anello della camma. L’anello ha due sezioni radiali maggiori e due minori unite da sezioni transitorie o rampe. Questi contorni e le pressioni introdotte in essi sono bilanciati diametralmente.

In alcuni progetti, delle molle leggere forzano le palette radialmente contro il contorno della camma per assicurare una tenuta a velocità zero in modo che il motore possa sviluppare la coppia di avviamento. Le molle sono assistite dalla forza centrifuga a velocità più elevate. Le scanalature e i fori radiali attraverso le palette equalizzano le forze idrauliche radiali sulle palette in ogni momento.

Il fluido in pressione entra ed esce dall’alloggiamento del motore attraverso le aperture nelle piastre laterali sulle rampe. Il fluido in pressione che entra nelle porte di ingresso muove il rotore in senso antiorario. Il rotore trasporta il fluido verso le aperture della rampa alle porte di uscita per tornare al serbatoio. Se la pressione fosse introdotta alle porte di uscita, farebbe girare il motore in senso orario.

Il rotore è separato assialmente dalle superfici della piastra laterale dal film di fluido. La piastra laterale anteriore è bloccata contro l’anello a camme dalla pressione, e mantiene le distanze ottimali quando la temperatura e la pressione cambiano le dimensioni.

I motori a palette forniscono una buona efficienza operativa, ma non così alta come quella dei motori a pistoni. Tuttavia, i motori a palette generalmente costano meno dei motori a pistoni di potenze corrispondenti.

La vita utile di un motore a palette di solito è più breve di quella di un motore a pistoni. I motori a palette sono disponibili con cilindrate di 20 in.3/rev; alcuni modelli a bassa velocità/alta coppia hanno cilindrate fino a 756 in.3/rev. Eccetto i modelli ad alta cilindrata e bassa velocità, i motori a palette hanno una capacità limitata a bassa velocità.

Motori a pistoni

Fig. 6. Tipico motore a pistoni radiali.

I motori a pistoni radiali, Figura 6, hanno una canna cilindrica attaccata ad un albero motore; la canna contiene un certo numero di pistoni che si alternano in fori radiali. Le estremità esterne dei pistoni appoggiano contro un anello di spinta. Il fluido in pressione scorre attraverso un cardine al centro della canna del cilindro per spingere i pistoni verso l’esterno. I pistoni spingono contro l’anello di spinta e le forze di reazione fanno ruotare la canna.

Lo spostamento del motore viene variato spostando lateralmente il blocco di scorrimento per cambiare la corsa del pistone. Quando le linee centrali della canna del cilindro e dell’alloggiamento coincidono, non c’è flusso di fluido e quindi la canna del cilindro si ferma. Spostando la slitta oltre il centro si inverte il senso di rotazione del motore.

I motori a pistoni radiali sono molto efficienti. Anche se l’alto grado di precisione richiesto nella fabbricazione dei motori a pistoni radiali aumenta i costi iniziali, essi hanno generalmente una lunga durata. Forniscono una coppia elevata a velocità relativamente basse dell’albero e un eccellente funzionamento a bassa velocità con alta efficienza; hanno limitate capacità ad alta velocità. I motori a pistoni radiali hanno cilindrate fino a 1.000 in.3/rev.

I motori a pistoni assiali utilizzano anche il principio del moto alternativo del pistone per ruotare l’albero di uscita, ma il moto è assiale, piuttosto che radiale. Le loro caratteristiche di efficienza sono simili a quelle dei motori a pistoni radiali. Inizialmente, i motori a pistoni assiali costano più dei motori a palette o a ingranaggi di potenza comparabile e, come i motori a pistoni radiali, hanno una lunga vita operativa. Per questo motivo, il loro costo iniziale più alto può non riflettere realmente i costi complessivi previsti durante la vita di un pezzo di equipaggiamento.

Fig. 7. Disegno in sezione di un motore idraulico a pistoni assiali in linea.

In generale, i motori a pistoni assiali hanno eccellenti capacità ad alta velocità, ma, a differenza dei motori a pistoni radiali, sono limitati alle basse velocità operative: il tipo in linea funzionerà senza problemi fino a 100 rpm e il tipo ad asse piegato darà un’uscita regolare fino alla gamma dei 4 rpm. I motori a pistoni assiali sono disponibili con cilindrate da una frazione a 65 in.3/rev.

I motori a pistoni in linea, Figura 7, generano coppia attraverso la pressione esercitata sulle estremità dei pistoni che si alternano in un blocco cilindri. Nel design in linea, l’albero motore e il blocco cilindri sono centrati sullo stesso asse. La pressione alle estremità dei pistoni provoca una reazione contro un piatto oscillante inclinato e fa ruotare il blocco cilindri e l’albero motore. La coppia è proporzionale all’area dei pistoni ed è una funzione dell’angolo in cui il piatto oscillante è posizionato.

Questi motori sono costruiti in modelli a cilindrata fissa e variabile. L’angolo del piatto oscillante determina lo spostamento del motore. Nel modello variabile, il piatto ciclico è montato in un giogo oscillante, e l’angolo può essere cambiato con vari mezzi – che vanno da una semplice leva o volantino a sofisticati controlli servo. Aumentando l’angolo del piatto oscillante si aumenta la capacità di coppia ma si riduce la velocità dell’albero motore. Al contrario, la riduzione dell’angolo riduce la capacità di coppia ma aumenta la velocità dell’albero motore (a meno che la pressione del fluido non diminuisca). Gli arresti dell’angolo sono inclusi in modo che la coppia e la velocità rimangano entro i limiti operativi.

Un compensatore varia lo spostamento del motore in risposta alle variazioni del carico di lavoro. Un pistone caricato a molla è collegato al giogo e lo sposta in risposta alle variazioni della pressione di esercizio. Qualsiasi aumento del carico è accompagnato da un corrispondente aumento della pressione come risultato delle richieste di coppia aggiuntive. Il controllo regola quindi automaticamente il giogo in modo che la coppia aumenti quando il carico è leggero. Idealmente, il compensatore regola lo spostamento per la massima prestazione in tutte le condizioni di carico fino alla regolazione della valvola di scarico.

Fig. 8. Vista in sezione del motore a pistoni ad asse piegato.

I motori a pistoni ad asse piegato, Figura 8, sviluppano la coppia attraverso una reazione alla pressione sui pistoni alternativi. In questo disegno, il blocco cilindri e l’albero motore sono montati ad un angolo l’uno rispetto all’altro; la reazione è contro la flangia dell’albero motore.

La velocità e la coppia cambiano con i cambiamenti dell’angolo – da una velocità minima predeterminata con uno spostamento e una coppia massima ad un angolo di circa 30° ad una velocità massima con spostamento e coppia minimi a circa 7-1/2°. Sono disponibili sia modelli a cilindrata fissa che variabile.

Motori a pilastro rotante

I motori a pilastro rotante, Figura 9, hanno il pilastro A, che ruota per far passare la paletta rotante B, mentre il secondo pilastro C, è in impegno alternato di tenuta con il mozzo del rotore. La coppia è trasmessa direttamente dal fluido al rotore e dal rotore all’albero. Gli ingranaggi di sincronizzazione tra l’albero di uscita e i pilastri rotanti mantengono la paletta del rotore e i pilastri nella fase corretta. Un rullo in una scanalatura a coda di rondine sulla punta della paletta del rotore fornisce una tenuta positiva che è essenzialmente senza attrito e relativamente insensibile all’usura. Le forze di tenuta sono elevate e le perdite per attrito sono basse a causa del contatto di rotolamento.

Un motore a vite è essenzialmente una pompa con la direzione del flusso del fluido invertita. Un motore a vite usa tre viti ingrananti – un rotore di potenza e due rotori folli, Figura 10. I rotori folli agiscono come guarnizioni che formano camere elicoidali consecutive isolate all’interno di un alloggiamento del rotore ben aderente. La pressione differenziale che agisce sulle aree di filettatura del set di viti sviluppa la coppia del motore.

I rotori folli galleggiano nei loro fori. La velocità di rotazione del set di viti e la viscosità del fluido generano un film idrodinamico che sostiene i rotori folli, proprio come un albero in un cuscinetto per consentire il funzionamento ad alta velocità. Il set di viti rotanti fornisce un funzionamento silenzioso e senza vibrazioni.

Selezione di un motore idraulico

Fig. 9. Il pilastro A del motore rotativo gira oltre la paletta rotante B, mentre il secondo pilastro C, contatta la piastra di tenuta per separare le aree di alta e bassa pressione. I perni di tenuta nelle punte delle palette e nella periferia del rotore forniscono una tenuta quasi senza attrito. Il rotore girerà in senso orario con il fluido di pressione applicato alla porta 1.

L’applicazione del motore idraulico generalmente detta la potenza richiesta e la gamma di velocità del motore, anche se la velocità effettiva e la coppia richiesta possono talvolta essere variate mantenendo la potenza richiesta. Il tipo di motore selezionato dipende dall’affidabilità, dalla durata e dalle prestazioni richieste.

Una volta determinato il tipo di fluido, la selezione della dimensione effettiva si basa sulla durata prevista e sull’economia dell’installazione complessiva sulla macchina.

Un motore a fluido che funziona a meno della capacità nominale fornirà un’estensione della vita utile più che proporzionale alla riduzione del funzionamento al di sotto della capacità nominale.

La potenza massima prodotta da un motore viene raggiunta quando si opera alla pressione massima del sistema e alla velocità massima dell’albero. Se il motore deve sempre funzionare in queste condizioni, il suo costo iniziale sarà più basso. Tuttavia, quando la velocità di uscita deve essere ridotta, il costo complessivo del motore con la riduzione della velocità deve essere considerato – per ottimizzare i costi complessivi di installazione dell’azionamento.

Dimensionamento dei motori idraulici

Come esempio di come calcolare le dimensioni dei motori idraulici in base a un’applicazione, si consideri quanto segue: un’applicazione richiede 5 hp a 3.000 giri/min, con una pressione di alimentazione disponibile di 3.000 psi e una pressione di ritorno di 100 psi; la pressione differenziale è di 2.900 psi.

La coppia teorica richiesta è calcolata da:

T = (63,0252 3 cavalli)/N

dove:
T è la coppia, lb-in, e
N è la velocità, rpm.
Per la condizione T = 105 lb-in.

La cilindrata del motore si calcola come:

D = 2π T ÷ ΔPeM

dove:
D è la cilindrata, in.3/giro
ΔP è il differenziale di pressione, psi, e
eM è l’efficienza meccanica, %.
Se l’efficienza meccanica è 88%, allora D è 0,258 in.3/giro.

Calcolo della portata richiesta:

Q = DN/231eV,

dove: Q è la portata, gpm, e
eV è l’efficienza volumetrica, %.
Se l’efficienza volumetrica è 93%, allora Q è 3,6 gpm.

La pressione in queste equazioni è la differenza tra la pressione di ingresso e quella di uscita. Quindi, qualsiasi pressione alla porta di uscita riduce la potenza di coppia di un motore a fluido.

Il fattore di efficienza per la maggior parte dei motori sarà abbastanza costante quando si opera da metà a tutta la pressione nominale, e nella parte centrale della gamma di velocità nominale. Quando la velocità si avvicina a uno dei due estremi, l’efficienza diminuisce.

Pressioni d’esercizio più basse provocano efficienze generali più basse a causa delle perdite rotanti interne fisse che sono caratteristiche di qualsiasi motore a fluido. Ridurre la cilindrata dal massimo nei motori a cilindrata variabile riduce anche l’efficienza complessiva.

Malfunzionamenti del motore idraulico

La maggior parte dei problemi del motore rientrano in queste categorie:

Fluido inadeguato – Il motore non è diverso da qualsiasi altro componente del sistema idraulico – deve avere fluido pulito, in quantità adeguata, e della giusta qualità e viscosità.

Manutenzione scadente – Un programma di manutenzione scadente è al secondo posto tra le cause dei maggiori problemi. Gli errori tipici di un programma includono:

• non controllare e riparare le linee e le connessioni per fermare le perdite; connessioni difettose possono permettere allo sporco e all’aria di entrare nel sistema, abbassare la pressione e causare un funzionamento irregolare.
• non installare correttamente il motore. Il disallineamento dell’albero del motore può causare l’usura dei cuscinetti che può portare a una perdita di efficienza. Un albero disallineato può anche ridurre la coppia, aumentare l’attrito e il riscaldamento, e provocare un guasto all’albero.
• non riuscire a trovare la causa di un malfunzionamento del motore. Se un motore si guasta, cercare sempre la causa del guasto. Ovviamente, se la causa non viene corretta, il guasto si ripeterà.

Funzionamento scorretto – Superare i limiti di funzionamento di un motore favorisce il guasto del motore. Ogni motore ha dei limiti di progettazione su pressione, velocità, coppia, cilindrata, carico e temperatura. Una pressione eccessiva può generare calore a causa dello slittamento del motore e può far sì che il motore superi i limiti di coppia. Una velocità eccessiva può causare il riscaldamento e l’usura dei cuscinetti e di altre parti interne.

Una coppia eccessiva può causare fatica e stress ai cuscinetti e all’albero del motore, specialmente nelle applicazioni che richiedono frequenti inversioni del motore. Un carico eccessivo può creare un affaticamento dei cuscinetti e dell’albero. E infine, una temperatura eccessiva può causare una perdita di efficienza perché l’olio diventa più sottile, e può produrre una rapida usura a causa della mancanza di lubrificazione.

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