Gli accumulatori idraulici - Generalità e applicazioni

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COSA SONO GLI ACCUMULATORI IDRAULICI?

Il compito principale di un accumulatore idraulico è quello di accumulare liquido sotto pressione per restituirlo in caso di necessità. Dal punto di vista teorico, è pensabile di realizzare la compressione del liquido e la compensazione di volume, al fine di ottenere l’accumulazione d'energia, mediante un peso, una molla o un gas compresso.

Gli accumulatori idraulici a peso sono ideali dal punto di vista del comportamento stazionario in quanto sono in grado di assicurare una pressione costante (pari al rapporto fra la forza peso e la superficie utile) in tutto il campo di funzionamento, ma non trovano pratico impiego in campo industriale sia perché richiedono pesi di dimensioni enormi e, soprattutto, perché i tempi di risposta sono notevoli a causa dell’inerzia connessa alla grande massa del peso. Anche gli accumulatori a molla hanno un'importanza relativa perché è difficile reperire in commercio molle di rigidezza adeguata alle enormi forze richieste dagli accumulatori. Altrettanto limitato è l’uso degli accumulatori a gas senza elemento di separazione, ciò a causa dell'assorbimento del gas da parte del liquido. Nella maggior parte degli impianti oleodinamici vengono quindi impiegati accumulatori a gas muniti di elemento di separazione tra gas e liquido. Secondo il tipo di elemento di separazione si distinguono accumulatori a sacca, a pistone, a membrana.

Gli accumulatori idraulici sono diffusamente impiegati nei sistemi oleodinamici per vari compiti, come ad esempio:

- accumulazione di energia

- riserva di liquido

- azionamento di emergenza

- compensazione di forze

- smorzamento di urti meccanici

- smorzamento di punte di pressione

- compensazione di trafilamenti

- smorzamento di urti e di oscillazioni idrauliche

- smorzamento di pulsazioni

- ammortizzamento di veicoli

- recupero dell'energia di frenatura

- mantenimento di una pressione costante

- compensazione di dilatazione.

Impiegando un accumulatore idraulico la potenza (e quindi la portata) della pompa può essere invece fissata in base all'assorbimento medio.

Nelle fasi del ciclo di lavoro in cui il fabbisogno di portata del sistema è inferiore alla portata della pompa, questa riempie l'accumulatore. Quando è richiesta la portata massima, la differenza rispetto a quella erogata dalla pompa viene prelevata dall'accumulatore.

I vantaggi che ne derivano sono:

• impiego di pompe di portata inferiore

• minore potenza installata

• minore sviluppo di calore

• facilità di manutenzione e di installazione

• smorzamento delle punte e delle pulsazioni di pressione, con aumento della durata dei componenti e dell’intero impianto.

Per gli impianti con fortissimi assorbimenti istantanei o di breve durata oppure con cicli d’esercizio brevi l'unica soluzione economica è rappresentata dagli accumulatori idropneumatici. Per contro un accumulatore è soggetto alla normativa sui recipienti a pressione e ai relativi controlli, per cui spesso i progettisti di impianti oleodinamici non gradiscono inserire degli accumulatori.

GLI ACCUMULATORI NELLE SOSPENSIONI IDRAULICHE

Nelle sospensioni idrauliche l’accumulatore svolge la funzione di elemento elastico sostituendo la funzione che svolge la molla in una sospensione classica, mentre gli strozzatori svolgono la funzione ammortizzante (smorzante) come si può verificare scrivendo l’equilibrio dinamico della sospensione.

Per semplicità di trattazione si farà riferimento al caso in cui la ruota sia in linea con il cilindro, in modo da eseguire solo l’equilibrio alla traslazione, ma i risultati sono del tutto simili a quelli che si otterrebbero facendo l’equilibrio alla rotazione intorno all’asse sul quale è infulcrata la biella che sostiene la ruota.

Inoltre si supporrà che quando il veicolo, e quindi la sospensione, è in equilibrio statico la pressione nell’accumulatore assuma il valore p0 che sarà preso come valore di riferimento per lo sviluppo in serie.

Pertanto la forza peso che il telaio esercita sulla sospensione sarà equilibrata dalla forza che la pressione dell’olio esercita sul cilindro e sarà pari a:

P = p0 Acil

Nell’equilibrio dinamico si può scrivere che:

dove p è la pressione che regna nel cilindro, M è la massa equivalente che si scarica sulla sospensione (è evidente che una trattazione rigorosa comporterebbe l’analisi completa del veicolo con tutte le sue ruote: cioè si è ipotizzato che il veicolo abbia un solo grado di libertà, la traslazione in direzione verticale, oltre alla traslazione nella direzione del moto) e z è la coordinata che individua la posizione del baricentro del veicolo in verticale.

La quantità di olio presente all’interno del cilindro dipende dalla posizione del pistone con riferimento al cilindro, questa, a meno di una costante, è legata alla differenza fra la posizione del baricentro del veicolo e la posizione dell’asse della ruota che si indicherà con y; pertanto si potrà scrivere che

dove c1 rappresenta la distanza del pistone dalla testata del cilindro quando sia z che y sono nulle.

La variazione del volume di olio nel cilindro comporta una eguale, ma di segno opposto, variazione del volume di olio presente nell’accumulatore; la portata di olio che passa dal cilindro all’accumulatore può essere determinata derivando il volume su definito:

Il segno è coerente con l’assunzione fatte, infatti se la ruota si solleva più velocemente del telaio, il volume all’interno del cilindro diminuisce e vi è una portata positiva, cioè che va dal cilindro all’accumulatore, l’opposto avviene se il telaio sale più velocemente della ruota.

CLASSICHE APPLICAZIONI DEGLI ACCUMULATORI IDRAULICI

Consideriamo un sistema tendicavo per i cavi portanti di una funivia. Come ben noto, la tensione in una fune dipende dai carichi verticali che deve sopportare, ma anche dalle pendenze che essa assume. Infatti non è possibile ipotizzare una disposizione perfettamente orizzontale che comporterebbe una tensione infinita anche per carichi molto bassi. In una applicazione con carichi fortemente variabili, quali sono quelli di una funivia, è necessario che la fune si allunghi quando il carico trasportato è elevato e si accorci, in modo da assumere un profilo più rettilineo, quando i carichi sono più contenuti, al fine di mantenere la sollecitazione nella fune circa costante.

Ciò, nonostante tutti i progressi fatti dall’elettronica, è difficile, praticamente impossibile, da effettuare con un sistema elettrico-elettronico per la rapidità con cui il sistema di controllo dovrebbe intervenire e per la difficoltà di inserire dei sensori che siano in grado di rilevare la sollecitazione all’interno del cavo e di fungere da input per il sistema di controllo. Viceversa può essere facilmente realizzato con sistemi oleodinamici: basta ancorare il cavo agli steli di due cilindri che rientrando e fuoriuscendo sono in grado di accorciare ed allungare il caso.

Il tiro T che si realizza nel cavo sarà pari alla pressione dell’olio per la sezione utile del pistone: nell’ipotesi di collegare i cilindri a due accumulatori in grado di mantenere la pressione circa costante, si è realizzato un sistema del tutto passivo in grado di mantenere le sollecitazioni nel cavo costanti.

Lo stesso concetto può essere sfruttato per ottenere un rullo tenditore che sia in grado di mantenere una sollecitazione costante sul ramo conduttore di una trasmissione con cinghia, o per serrare fra loro i cilindri di una gabbia di laminatoio in modo che le sollecitazione di flessione sugli stessi siano costanti indipendentemente dalla resistenza (incrudimento) del materiale che si sta laminando.

In altre applicazioni l’accumulatore idraulico funge da riserva di energia, in caso di mancanza di energia elettrica e, quindi, in assenza di energia idraulica proveniente dalla pompa, in un caso per l’azionamento delle ganasce del freno di emergenza di una funivia, e nell’altro caso per far fuoriuscire il pistone (per es. per riportare l’ascensore al livello di un piano).

Infine è possibile trovare applicazioni in cui l’accumulatore idraulico è utilizzato come riserva di olio, per es. per lubrificare un cuscinetto a strisciamento in caso di non funzionamento della pompa di lubrificazione.