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LE VALVOLE OLEODINAMICHE
- Premessa (Edizione del 15/ 6 /2016)
- Classificazione valvole
- Valvole di controllo della pressione.
- Valvola limitatrice elettropilotata
- Cenni sulle molle cilindriche a compressione
- Valvole di sequenza
- Valvole di scarico
- Valvole di riduzione / riduttrici di pressione
- Valvole riduttrici di pressione pilotate
- Valvole di bilanciamento (controllo discesa /overcenter)
- Valvola paracadute
- Pressostato
- Trasduttori.....................................................................................................................
- Valvole di controllo della direzione del flusso.
- Valvola o rubinetto a sfera
- Classificazione delle valvole in base al numero di bocche e posizioni
- Esempio di funzionamento di un distributore a cassetto 4/ 2.
- Esempio di funzionamento di un distributore a cassetto 4/ 3.
- Distributori a cassetto - comando manuale
- Valvola con azionamento idraulico
- Elettrovalvole
- Valvole di regolazione della portata............................................................................
- Principio di funzionamento di un regolatore della portata compensato.
- Valvole unidirezionali, di ritegno, di non ritorno, di bloccaggio
- Valvole di ritegno pilotate o di blocco
- Valvole selettrici
- Valvole di decelerazione
PREMESSA
In un circuito idraulico bisogna intervenire sulle grandezze di pressione, portata, direzione del flusso per ottenere le funzioni desiderate. Le valvole oleodinamiche sono gli elementi preposti per regolare la pressione, interrompere, fare passare, deviare la portata del flusso di olio per muovere i vari attuatori in funzione delle esigenze dell'impianto. Per un corretto funzionamento delle valvole occorre rispettare le informazioni tecniche fornite dai costruttori in particolare per quanto riguarda l'olio idraulico da utilizzare tipo ISO 6743/4 che va sostituito dopo le prime 100 ore d'impiego, in seguito con frequenza di 2000 ore. La viscosità consigliata in genere è di 32 mm²/s (ISO VG32). Prestare molta attenzione al grado di contaminazione del fluido perché le particelle abrasive che circolano nell'impianto possono provocare il bloccaggio delle valvole che sono costruite con tolleranze molto strette. La filtrazione nominale può andare da 5 micron per impianti ad alta pressione (> 250 bar ) ai 20 micron per circuiti in bassa pressione (< 100 bar). Bisogna rispettare anche le temperature di esercizio del fluido che in generale devono essere comprese tra — 25°C a + 75°C. Anche la scelta delle guarnizioni deve essere idonea al fluido e alle temperature di esercizio.
CLASSIFICAZIONE VALVOLE
Le valvole, in generale, si possono raggruppare nelle seguenti tipologie: ▪ Valvole controllo della pressione. ▪ Valvole controllo della direzione. ▪ Valvole controllo della portata. A loro volta sono classificate in funzione del tipo di comando esterno con cui sono azionate. Manuale a pulsante, leva, pedale Meccanico a spintore, molla, rullo, tacca Pressione idraulica o pneumatica Elettrico Alcuni esempi dei simboli di comando esterno:
VALVOLE DI CONTROLLO DELLA PRESSIONE. Le valvole limitatrici / sovrappressione / massima / sicurezza sono già state spiegate nel capitolo riguardante le pompe idrauliche, data la loro importanza è utile approfondire la spiegazione. La valvola limitatrice ad azione diretta è l'elemento più usato per regolare la pressione massima di un circuito idraulico. Ricordiamo che essa serve per proteggere la pompa e gli altri componenti dall'eccessiva pressione nei sistemi idraulici e mantiene la pressione costante nel circuito. Esse sono valvole normalmente chiuse in grado di aprirsi al raggiungimento di una predeterminata pressione e scaricare la portata necessaria per mantenere il circuito pressurizzato. Spiegazione del simbolo ISO di una valvola limitatrice. A sinistra versione di uso corrente, a destra in versione aggiornata. Ricordiamo come funziona il circuito sottostante. La rotazione del motore elettrico trascina la pompa collegata con un giunto meccanico. Nel serbatoio dell'olio agisce la pressione atmosferica che spinge il fluido a salire lungo il tubo di aspirazione e la depressione creata dalla rotazione della pompa riempie i suoi vani e trasferisce una portata nella zona di mandata. L'olio, per mezzo di una valvola direzionale, riempie la camera posteriore del cilindro e questo inizierà a muoversi. Poiché sull'asta del cilindro è collegata una massa da spostare, nel tubo di mandata si genera una pressione di lavoro che è letta da un manometro, nel disegno sotto di 60 bar. La camera opposta del cilindro è collegata allo scarico attraverso la valvola direzionale e l'olio in essa contenuto ritorna nel serbatoio. Quando il cilindro ha compiuto tutta la sua corsa, il pistone si ferma contro la testata anteriore ma la pompa continua a mandare olio con incremento della pressione. Poiché il circuito è realizzato a perfetta tenuta, si avrebbe un forte aumento della pressione nella zona interessata e per non compromettere l'integrità del sistema bisogna sfogare parte di questa pressione. A questo punto interviene la valvola limitatrice o di massima che mantiene sotto controllo la pressione dell'impianto. A fianco del disegno è rappresentato lo stesso schema con simboli internazionali ISO.
Vediamo ora nel dettaglio il funzionamento della valvola limitatrice. Nella figura sotto è rappresentato il funzionamento di una valvola di massima ad azione diretta per un impiego fino a portate di 50 l/min.
Per questo motivo la tecnica realizza valvole limitatrici pilotate o a due stadi per portate superiori a 50 l/min. Il disegno sotto illustra il principio di funzionamento del pilotaggio idraulico che utilizza un segnale di pressione per muovere il cassetto/spola e che è sfruttato in molte applicazioni di comando delle valvole idrauliche. Il simbolo ISO della valvola è rappresentato con un tratteggio obliquo che indica il pilotaggio interno. Esempio: determinare la perdita di potenza nel caso in cui la portata di 120 l/min. è scaricata attraverso la valvola di massima tarata a 200 bar.
Per migliorare le prestazioni della valvola limitatrice è disponibile un altro sistema di comando che è illustrato nel disegno sottostante. Questa valvola sfruttando un segnale idraulico su di un piccolo cono pilota ( blu ) tenuto in sede da una molla di contrasto più precisa (la forza idraulica agente sul piccolo cono è ridotta), consente il controllo della massima pressione con una maggiore accuratezza e più velocemente eliminando gli svantaggi della valvola ad azione diretta. In condizioni normali la forza idraulica sulle due facce della spola si equivalgono e la valvola rimane chiusa. L'aumento di pressione nel circuito interviene sul cono pilota che spostandosi apre una via di fuga dell'olio attraverso il canalino interno della spola verso il serbatoio e nel frattempo la pressione sulla faccia superiore della spola di tenuta diminuisce rapidamente e la pressione p la sposta verso l'alto mettendo direttamente in comunicazione la bocca p con la scarico T. La sua costruzione permette una maggiore versatilità d'impiego, potendo essere comandata a distanza o tramite una piccola elettrovalvola installata nella parte superiore. Questo tipo di comando garantisce la veloce messa in scarico di tutta la portata della pompa per evitare di generare calore oppure in caso di emergenza si dice che la pompa è mandata in vent. Nel disegno sotto è illustrato il funzionamento dell'attacco Vent in cui una valvola a due vie normalmente chiusa mantiene il normale funzionamento della valvola di massima. Nella figura a destra lo spostamento del cursore della due vie manda in scarico la pressione nella parte superiore della spola. La caduta di pressione provoca la corsa di apertura della limitatrice (la forza idraulica che spinge supera il contrasto della molla) con conseguente scarico diretto dell'olio in serbatoio. Il comando del cursore si realizza con una forza meccanica oppure con un segnale elettrico, in questo modo la portata della pompa è scaricata rapidamente senza attendere l'intervento della valvola di massima.
VALVOLA LIMITATRICE ELETTROPILOTATA.
Sono disponibili in versioni che permettono la selezione fino a 3 differenti valori di pressione. La regolazione del secondo e terzo valore di pressione si ottiene mediante una valvola di massima pressione interposta tra il regolatore principale e l’elettrovalvola di selezione. Il montaggio della valvola di massima può essere realizzato in linea, a piastra o a cartuccia. Il collegamento in linea è effettuato installando un raccordo a T sul tubo di mandata , il montaggio a piastra prevede l’impiego di una piastra sulla quale è fissata la valvola di massima con le sue viti;
conseguenza la portata della pompa. Ovviamente il principio tecnico di regolazione è più complesso di quanto esposto, ma ciò che interessa è capire il funzionamento di base.
CENNI SULLE MOLLE CILINDRICHE A COMPRESSIONE
Queste molle sono progettate per subire una compressione lungo il loro asse in modo da garantire una resistenza meccanica alla forza e un accumulo di energia. Se applichiamo una forza alla molla facendola accorciare questa tende a respingere la forza stessa e ritornare alla sua lunghezza originale. Legge di HOOKE. Comprimendo una molla di una corsa X essa reagisce con una forza F, comprimendola di una corsa di 2X, la molla reagisce con una forza doppia 2F. La valvola limitatrice e le altre valvole di pressione funzionano con il principio dell’ equilibrio delle forze che è la base per capire tutti i componenti idraulici di regolazione. La forza idraulica
𝐅𝐢𝐝𝐫. = ∆𝐩 ∙ 𝐀 che si genera nell’area attiva A della valvola se non fosse contrastata dalla forza
meccanica della molla, aprirebbe la valvola a una pressione molto bassa, mettendo in scarico la mandata della pompa. Per ottenere una regolazione occorre inserire una molla che ne ostacoli l’apertura, cioè la molla deve esercitare una forza Fm uguale e contraria alla Fidr. Con l’aumentare
della pressione la forza sull’area attiva A della valvola comprime la molla e il piattello/spola si
sposta gradualmente fino a mettere in comunicazione il passaggio tra la mandata della pompa e lo
scarico. Quando la pressione presente sull’area attiva A diminuisce, la forza meccanica della
molla riporta il piattello/spola nella posizione di riposo e quindi ripristina la condizione iniziale di chiusura della valvola. La forza Fm (N) esercitata da una molla di compressione è data dalla formula :
𝐅𝐦 = 𝐊𝐦 ∙ 𝐜𝐦 , dove Km è la costante elastica della molla in N/mm , 𝐜𝐦 definisce la corsa
di compressione della molla in mm. Ogni molla ha una costante elastica propria. Tale costante è
il fattore di proporzionalità tra forza e deformazione. In sostanza, se la costante della molla è km e la forza assiale a essa applicata è Fm, allora lo spostamento o deformazione della molla sarà:
𝐜𝐦 (mm)^ =
Fm (N)
Km (N⁄^ mm )
che definisce la legge dell'elasticità.
Da qui si deduce che maggiore è km e minore è lo spostamento cm. Ciò significa che km è la misura della rigidezza della molla: al crescere di km occorre sempre più forza per ottenere una
prefissata deformazione 𝐜𝐦. Basta guardare l'equazione.
È semplice, perché denota una proporzionalità tra sforzo e deformazione:
𝐅𝐦(𝐍) = 𝐊𝐦(𝐍^ ⁄mm ) ∙ 𝐜𝐦 (mm)
La costante elastica km dipende da: diametro, passo e spessore delle spire, materiale e persino temperatura. La rigidezza (costante elastica km) è una caratteristica intrinseca della molla. Nessuna manovra di settaggio la può modificare. In altre parole, per variare il modo in cui un elemento elastico come una molla reagisce al carico occorre necessariamente sostituire l'elemento elastico stesso. I disegni sopra servono per spiegare il funzionamento della valvola limitatrice di pressione ad azione diretta e per meglio comprendere l'utilizzo delle molle in oleodinamica.
Dal disegno vediamo che il piattello di tenuta ha un diametro di 10 mm e la pressione p del circuito
Caratteristiche generali di una molla H (alesaggio) è il diametro minimo di funzionamento della molla. A (albero) indica il diametro massimo dell’albero che può essere introdotto nella molla. Lo (lunghezza libera) è la misura della molla allo stato libero, cioè non compresso. d ( diametro del filo) indica la misura del filo utilizzato per produrre la molla. p (passo) distanza tra due spire successive di una molla. Di (diametro interno) è calcolato sottraendo due volte il Ø del filo al Ø est. della molla. De (diametro esterno) rappresenta l’ingombro massimo della molla. Lc (lunghezza blocco) ingombro massimo della molla dopo il bloccaggio completo. Numero delle spire indica il numero totale delle spire che nella figura sopra sono 6. Per calcolare il numero delle spire attivo occorre sottrarre le due spire di estremità. Km (costante elastica/rigidezza) determina la caratteristica della molla quando lavora ed è misurata in N / mm di compressione. Il materiale con cui è costruita la molla è un filo di acciaio armonico oppure inossidabile. Le tabelle fornite dai costruttori garantiscono il corretto dimensionamento della molla. La molatura definisce la lavorazione delle estremità della molla e assicura una maggiore stabilità e con i terminali chiusi sono utilizzate in applicazioni quando: o La molla è sottoposta a condizioni d'impiego gravoso. o Per motivi d'ingombro con molla chiusa. o Per ridurre la tendenza alla deformazione.
Pressione di taratura di una valvola di massima Con i dati del disegno sopra, calcolare: ➢ Velocità di uscita dell’asta del pistone ➢ Tempo necessario per realizzare la tutta la corsa ➢ Pressione di taratura della valvola di massima Considerare la viscosità dell’olio: 𝛎 = 𝟑𝟒 𝐜𝐒𝐭 e la densità 𝛒 = 𝟖𝟕𝟎 𝐤𝐠/𝐦³ ; ŋ =0, SOLUZIONE: La velocità di uscita 𝐯𝐮 = Q 6 ∙ A 1 = 80 6 ∙ 100 ² ∙ 3 , 14 400 = 𝟎, 𝟏𝟕 𝐦/𝐬 Il tempo di uscita 𝐭 = corsa (m) v ( m s )^ = 1 0 , 17 = 𝟓, 𝟗 𝐬
La pressione necessaria per vincere il carico:
F
A 1 ∙ ŋ
Ora bisogna calcolare la perdita di carico che introduce il tubo rigido con la formula:
Occorre trovare i valori mancanti da introdurre nella formula.
La velocità dell’olio nel tubo rigido sarà: 𝐯𝐭 (
𝐦 𝐬
𝐐 (𝐦 𝟑 𝒔 ) 𝐒 (𝐦𝟐)
dm³
min
VALVOLE DI SEQUENZA
Le valvole di sequenza servono per comandare due o più attuatori secondo un ordine prestabilito, cioè in sequenza. Significa che il comando di due cilindri avviene non contemporaneamente ma il secondo cilindro si muoverà solo quando il primo attuatore avrà terminato la sua corsa, questo garantisce una sicurezza per quanto riguarda i movimenti degli attuatori. Installate o combinate con altre valvole possono servire per altri impieghi. È utilizzata anche per mantenere in pressione un circuito quando l’alimentazione contemporanea di varie utenze, richiedendo la portata totale della pompa, provocherebbe un abbassamento del valore di pressione. Sono valvole normalmente chiuse ( a riposo la spola chiude il passaggio ) collegate in serie nel circuito e il loro principio di funzionamento è uguale alle valvole limitatrici, invece di scaricare in serbatoio, l'olio in uscita alimenta un altro attuatore. Al raggiungimento della pressione tarata con il volantino, lo stadio pilota si sposta scaricando l'olio dal foro di drenaggio, la pressione nella parte superiore della spola diminuisce e quindi la valvola si apre mettendo in pressione il ramo del circuito interessato p2. Il foro di drenaggio è essenziale per il funzionamento della valvola , perché se l'olio restasse bloccato nella zona di pilotaggio, non permetterebbe il movimento della valvola a causa della sua incomprimibilità. Lo schema idraulico sopra illustra l'impiego di una valvola di sequenza con incorporata una valvola unidirezionale. La valvola di controllo direzione è azionata in modo da comandare l'uscita del cilindro C1 che andrà a bloccare il pezzo. Il fine corsa del cilindro C1 contro il pezzo determina un aumento di pressione che andrà a pilotare la valvola di sequenza e di conseguenza il cilindro C2 si sposta verso il basso muovendo l'apparecchiatura che serve per realizzare la foratura del pezzo. Al termine della lavorazione, la valvola direzionale inverte il passaggio dell'olio e i cilindri rientrano; il ritorno del cilindro C2 passa attraverso la valvola unidirezionale per realizzare una corsa di rientro più rapida. Il diagramma a fianco illustra le fasi di lavoro dei due cilindri nel quale si vede che dopo l'uscita del cilindro C1 avviene la partenza del cilindro C2. La durata del bloccaggio di C
termina con la fine della lavorazione di foratura quando entrambi i cilindri rientrano. E' opportuno ricordare che il valore di taratura della valvola limitatrice è superiore rispetto alla pressione della valvola di sequenza. Vista esterna di una valvola di sequenza.
VALVOLE DI SCARICO
Le valvole di scarico sono valvole normalmente chiuse e consentono il ritorno dell'olio in serbatoio quando la pressione di pilotaggio vince il contrasto della molla preventivamente tarata. La pressione p ( rosso ) spinge sulle due facce della spola ( blu ) e pertanto le forze si annullano perché i diametri sono uguali. La pressione che determina lo spostamento della spola è quella di pilotaggio che vincendo la forza della molla sposta la spola mettendo in comunicazione la bocca p con la T. Schema di utilizzo valvola di massima e di scarico.
➢ Pressione di taratura della valvola di scarico Vs. La forza di contropressione del cilindro è generata dalle perdite di carico sul ritorno ( 4 bar). 𝐅𝐜𝐨𝐧𝐭𝐫. = (A1 − As) ∙ ∆p = 25 , 63 ∙ 4 = 𝟏𝟎𝟐, 𝟓 𝐝𝐚𝐍 La pressione richiesta sulla testata posteriore del pistone risulta: 𝐩𝟏 = Fcontr. A 1
La pressione di taratura della valvola Vs sarà: 𝐩𝐕𝐬 = 7 bar + 2 bar + 50% = 𝟏𝟑, 𝟓 𝐛𝐚𝐫 ➢ Pressione di taratura della valvola di massima Vm. La pressione di taratura della valvola di massima Vm è data dalla forza di pressatura.
F A
5000 (daN) 50 , 24 (cm^2 ) ≅ 𝟏𝟎𝟎 𝐛𝐚𝐫 ; p (^) vm finale = 100 + 50% = 150 bar
VALVOLE DI RIDUZIONE / RIDUTTRICI DI PRESSIONE
Le valvole di riduzione (riduttrici di pressione) servono per mantenere una pressione ridotta in
una parte del circuito secondario rispetto alla pressione di alimentazione p1 controllata da una valvola di massima. Vale a dire che in un circuito con due o più cilindri che funzionano a pressioni più basse di quella impostata sulla valvola di massima, occorre inserire una valvola normalmente aperta che riduca la pressione di esercizio. La pressione ridotta agisce su una spola cilindrica tenuta in posizione da una molla. Quando la pressione del circuito idraulico secondario vince la forza della molla di regolazione, la spola si sposta andando a intercettare il passaggio tra il circuito principale e il circuito secondario generando una strozzatura che riduce la pressione in uscita, garantendo il mantenimento e la limitazione della pressione ridotta. Anche in questo caso, come per le valvole limitatrici di pressione esistono due tipi di allestimenti: valvole riduttrici di pressione dirette e valvole riduttrici di pressione pilotate. Le valvole riduttrici di pressione dirette sono caratterizzate dalla presenza di una spola cilindrica sulla quale agisce direttamente la pressione da regolare. Grazie alla loro semplicità costruttiva, sono valvole robuste e affidabili, particolarmente adatte all’alimentazione di circuiti di pilotaggio che non prevedono il passaggio continuo di flussi d'olio.
Il sistema è in equilibrio quando: 𝐅𝟐 = 𝐅𝐦 ; 𝐅𝟐 = 𝐩𝟐 ∙ 𝐀; quindi 𝐩𝟐 ∙ 𝐀 = 𝐅𝐦 e 𝐩𝟐 = 𝐅𝐦 𝐀 Nel disegno di sinistra la valvola è normalmente aperta perché la pressione p 2 non ha la forza sufficiente per vincere il contrasto della molla. Se la p 2 cresce, la differenza di pressione Δp che si genera, permette di superare la forza della molla e la spola si muove verso l'alto (disegno a destra), chiudendo parzialmente il passaggio e di conseguenza crea una caduta di pressione attraverso la valvola (cerchio bianco) con una pressione p 2 inferiore rispetto alla p 1. La pressione p 2 s'imposta ruotando il volantino per il carico della molla. La valvola è installata in linea fra i due rami di pressione. Il circuito primario lavora a 200 bar. Il circuito secondario, tarato da una valvola riduttrice di pressione, lavora a 100 bar e con una portata di 50 l/min. Calcolare la potenza in kW dissipata attraverso la riduttrice di pressione. 𝐍 = ∆p ∙ Q 600
Considerazione: per disperdere una potenza di 8,33 kW, il sistema richiede uno scambiatore di calore, accessori e costi operativi. Occorre valutare la possibilità di utilizzare un circuito con pompa doppia.
