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Circuiti idraulici: tubi e raccordi

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Premettiamo che l’aggettivo “accessori” serve più per distinguerli che per classificarli, visto che la loro funzione è determinante per valorizzare al meglio i pregi della trasmissione di potenza oleodinamica. Per facilitare l’analisi abbiamo diviso i componenti accessori in due gruppi: quelli dedicati alla regolazione del regime di flusso e quelli dedicati al collegamento delle varie parti del circuito.

Componenti di collegamento sono  i tubi flessibili, raccorderia, guarnizioni.

Premettiamo che, stante l’infinita varietà di tipi, dimensioni, materiali esecuzioni, impieghi etc. non pretendiamo sicuramente che la trattazione sia completa ed esaustiva: dovrà forzatamente essere per famiglie. Vorremmo però in parallelo focalizzarci sugli aspetti che maggiormente impattano sull’affidabilità e la disponibilità dei sistemi su cui sono installati. Questo sarà in particolare evidente per le guarnizioni, la cui vastissima gamma obbliga, in questa sede, ad una trattazione quanto mai sintetica.

Tubi flessibili

Un’importante caratteristica dei sistemi oleodinamici, ai primi posti tra quelle che li rendono particolarmente appetibili rispetto ai corrispondenti sistemi meccanici, è costituita dalla relativamente grande facilità nel variare con ripetitività le posizioni relative tra i componenti o tra intere parti del circuito durante il lavoro (impiego dinamico). Ciò è reso possibile dalla famiglia dei tubi flessibili. Esiste anche un impiego statico dei tubi flessibili, che semplifica di molto installazioni, specie se a carattere provvisorio, in cui pompe ed attuatori siano fermi tra loro ma distanti e con ostacoli o dislivelli che renderebbero complicato e costoso l’uso dei tubi rigidi. Ci sono molte similitudini coi cavi elettrici.

A differenza dei cavi elettrici, però, l’energia trasmessa è energia di pressione. Questo comporta che i “conduttori” siano sollecitati meccanicamente non solo per quanto riguarda le deformazioni, ma anche da notevolissime forze interne. La pressione del’olio tenderebbe a disporre il tubo secondo una retta. Inoltre gli spostamenti sistematici durante il lavoro inducono un classico stato di sollecitazione a fatica e la gravosità di certi ambienti di lavoro può danneggiare fisicamente la superficie esterna, producendo potenziali inneschi a rottura. Montaggio e scelta del tipo di esecuzione dei tubi flessibili sono dunque strategici.

Tubi flessibili : montaggio

L’affidabilità di servizio esige quindi il rispetto rigoroso di una serie di regole di montaggio, il cui mancato rispetto determina la rottura in tempi molto brevi.

Anche i raggi di curvatura non possono essere indotti arbitrariamente: il tipo di impiego (dinamico o statico), il diametro nominale e il tipo di esecuzione del flessibile comportano dei valori limite al di sotto dei quali il funzionamento affidabile non può avvenire.

Va ricordato che i tubi flessibili hanno la possibilità di dilatarsi elasticamente e di funzionare (entro limiti molto ristretti, ovviamente) come elemento smorzatore di vibrazioni. Tipiche, ad esempio, quelle presenti negli impianti oleodinamici con motori e componenti operatori di tipo volumetrico. A maggior ragione il montaggio deve essere fatto a regola d’arte.

Infine ricordiamo che l’unica sollecitazione esterna ammissibile per i tubi flessibili (come dice il loro nome…), è la flessione. Non sono ammissibili sollecitazioni a trazione o a torsione, pena la rapida distruzione del componente.

Tubi flessibili : tipologie

Come già accennato in apertura, le tipologie sono pressoché infinite. Strutturalmente i tubi flessibili sono costituiti da uno più strati concentrici in elastomero (gomme o altri elastomeri) alternati a strati di tessuti in fibre naturali, sintetiche o a strati di trecce metalliche. Le trecce possono essere a più strati e sono sempre disposte ad eliche alternate dello stesso passo per coniugare resistenza e flessibilità L’esterno può essere in elastomero come in treccia metallica a scopo protettivo e di sicurezza. In caso di perdita il “dardo” d’olio ad alta pressione (pericolosissimo) viene nebulizzato o quantomeno smorzato drasticamente. L’interno, la parte a contatto col fluido idraulico, è sempre in elastomero. La scelta del tubo flessibile più adatto è comunque funzione del rispetto di due famiglie tipiche di condizioni al contorno:

  • ELASTOMERO: da verificare la compatibilità Natura del fluido operante con l’elastomero con cui è a contatto. Temutissimi dai manutentori: rigonfiamenti, irrigidimenti, perdita di impermeabilità, forature.
  • TRECCIATURA: la scelta è in funzione delle esigenze di flessibilità, del numero di deformazioni per unità di tempo, dalla pressione del fluido. Le possibilità di scelta comprendono il materiale prescelto, il diametro dei fili di solito disposti come nastri, il numero degli strati (schiere, in gergo), il passo dell’avvolgimento elicoidale. Temutissima dai manutentori: l’estrusione dell’elastomero dall’interno del tubo attraverso la treccia. N.d. R: Le macchine trecciatrici sono particolarmente complesse e la qualità dei tubi è strettamente funzione della buona manutenzione delle medesime.

Raccorderia per tubi flessibili

Trattiamo ovviamente la raccorderia terminale. Al raccordo terminale è demandato il collegamento tra il tubo flessibile e le parti del sistema idraulico a cui deve essere connesso con facilità ed affidabilità. Si individuano due famiglie fondamentali: la raccorderia fissa, a perdere, che va sostituita assieme al flessibile e la raccorderia recuperabile, che può essere reimpiegata cambiando solo il flessibile.

Raccorderia fissa

Il flessibile viene graffato tra il collare esterno deformabile plasticamente e un porta gomma interno opportunamente corrugato. L’operazione è effettuata con un’apposita macchina-rullatrice ad azionamento idraulico, un tempo presente in molte officine di manutenzione aziendali che avevano necessità di sostituzioni immediate.

Se la deformazione plastica è eccessiva il flessibile subisce però un principio di tranciatura (appare inizialmente come un rigonfiamento) che causerà la rottura del flessibile presso l’innesto sul raccordo, punto dove peraltro si verifica la maggioranza delle rotture. Questo è il motivo per cui attualmente si preferisce il ricorso a terzi specializzati, magari tenendo a magazzino flessibili di scorta già intestati.

La graffatura fornisce prestazioni ottimali in caso di sollecitazioni pesanti, vibrazioni, colpi d’ariete etc. ed è anche relativamente economica.

Raccorderia recuperabile

Il vantaggio dei raccordi recuperabili sta nel non necessitare di attrezzature particolari per il fissaggio del flessibile. Per emergenze, se il flessibile si rompe in prossimità del raccordo e se è abbastanza “ricco” in lunghezza, si può tentare un intervento tampone, ma è un caso limite.

Si distinguono due tipologie: raccordo recuperabile filettato e raccordo recuperabile a gusci.

Il raccordo recuperabile filettato ottiene l’effetto di serraggio del tubo flessibile azionando una ghiera di bloccaggio. Il tutto è potenziato dalla conicità delle superfici affacciate e dalle rugosità interne alla ghiera. Le prestazioni sono decisamente inferiori rispetto al tipo graffato ma gli ingombri sono identici o leggermente maggiori.

Il raccordo a gusci (è detto anche a conchiglia) ha invece prestazioni identiche a quello graffato, essendo di fatto una morsa serrata con bulloni. La facilità di installazione o rimozione è ancora migliore di quello filettato ma l’ingombro è notevole e non sempre l’intervento tampone è possibile.

Raccorderia per tubi rigidi

La raccorderia per tubi flessibili può essere classificata come raccorderia normale e raccorderia speciale.

La raccorderia normale svolge le tipiche funzioni di collegamento tra tubi o di parti del sistema idraulico mediante i tubi stessi. La raccorderia speciale (complessa e varia) svolge sempre compiti di connessione ma decisamente più sofisticati. Un giunto girevole permette azionamenti di componenti idraulici su elementi rotanti. Il principio costruttivo ha molti punti in comune con le tenute meccaniche e consente rotazioni relative continue o alternate anche veloci e con possibilità di trasmettere elevata energia di pressione agli attuatori finali. Per i manutentori si tratta di componenti strategici, delicati (e molto costosi) che devono essere controllati sistematicamente. Anche il montaggio richiede perizia in quanto molti problemi nascono proprio da errori di montaggio (ortogonalità e allineamento).

L’uso di innesti rapidi permette ad esempio di sostituire rapidamente utensili oleodinamici su una stessa centralina di tipo mobile. La gru a cestello dei pompieri è dotata di una centralina idraulica mobile e l’innesto rapido permette di installare divaricatore, cesoia, martinetti e qualunque altra attrezzatura idraulica portatile in rapida successione e secondo necessità.

Un cenno alle guarnizioni

La tenuta degli accoppiamenti ( statici e dinamici) è in tutti i casi affidata alla deformabilità ed all’elasticità dei materiali costituenti le guarnizioni stesse. I problemi manutentivi derivano dall’usura e/o dall’incompatibilità tra elastomero e fluido impiegato. Ricordiamo ancora che i fluidi idraulici sono incomprimibili e che quindi anche una piccola perdita compromette la pressione di esercizio. Inoltre, le guarnizioni di un circuito sono numerosissime e quasi sempre invisibili, il che può rendere particolarmente lunga e difficile la ricerca del guasto.

Per contrastare l’usura è fondamentale il grado di lavorazione delle superfici in moto relativo e l’impiego di soluzioni costruttive capaci di compensare l’usura stessa (entro certi limiti). L’anello MIM con la molla interna è il più noto dei sistemi. Fondamentale è anche l’accuratezza del montaggio.

Il fenomeno più dannoso prodotto dall’incompatibilità tra elastomero e fluido impiegato è la contrazione del materiale di tenuta. E’ piuttosto raro e circoscritto e un buon produttore fornisce tabelle di compatibilità che permettono di evitarlo. Più frequenti ed altrettanto temibili sono le alterazioni di elasticità, resistenza, impermeabilità. Questo sia per cessione di componenti reciproca sia per vere e proprie reazioni chimiche.

Anche fluidi di uguale origine (es. sintetici /petroliferi) hanno comportamenti molto diversi rispetto agli elastomeri in funzione dei contenuti di famiglie di idrocarburi presenti nella loro composizione (es. prevalenza paraffinica piuttosto che aromatica). Nel primo caso resistono bene le gomme, nel secondo caso sono necessari polimeri fluorurati (es. Viton ).

L’analisi periodica dell’olio idraulico è una forma collaudata di manutenzione predittiva e permette di individuare (tra l’altro) anche impurità provenienti da usura e/o attacco chimico degli elastomeri a contatto col fluido.

I sistemi idraulici

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In questo articolo tratteremo in ottica di pratica quotidiana, i temi più comuni ed attuali della manutenzione dei sistemi idraulici. Si tratta di un mondo tanto vasto quanto vario ed in continua crescita: l’evoluzione di elettronica e tecnologia dei materiali rendono i sistemi idraulici sempre più affidabili , manutenibili ed efficienti.

Scopo dei sistemi idraulici è quello di conferire energia ad un fluido incomprimibile e di consentire all’utente di utilizzarla nei punti e nella quantità desiderati (energia di pressione, nel caso specifico). Stante la definizione di pressione ( forza per unità di superficie ) distribuendo la pressione su superfici adatte, questa viene convertita nel tipo di forza che si vuole ottenere: spinta, coppia (rotazione) e infinite combinazioni di entrambe le modalità: il braccio di un escavatore è uno degli esempi più classici. La forza esercitata per lo spostamento ottenuto corrisponde al lavoro. Con molta pazienza e con attrezzature adatte è possibile esercitare forze enormi anche con una pompetta manuale. Gli spostamenti saranno lenti, perché la pressione c’è ma il flusso di olio è minimo. Facendo entrare in gioco anche la portata ( pompe), lo spostamento, a parità di lavoro, avviene con maggiore velocità e il quadro si completa con l’intervento della potenza. Si possono fare paralleli a piacimento con le altre forme di energia, meccanica ed elettrica in particolare. Nel caso della meccanica, supponendo costanti pressione e portata dell’olio, il rapporto tra la sezione del tubo di mandata in un pistone e la sezione del pistone stesso equivale esattamente al rapporto di trasmissione tra pignone e corona. Alla riduzione di velocità dell’olio nel pistone corrisponde un’identica moltiplicazione della spinta rispetto a un pistone che avesse la stessa sezione del tubo di mandata; così come alla riduzione della velocità angolare della ruota mossa corrisponde un’identica moltiplicazione della coppia. Di seguito, altre interessanti analogie.

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Ferme restando le analogie, le varie forme di energia hanno peculiarità specifiche che le rendono preferibili per applicazioni altrettanto specifiche. Tentiamo una sintesi dei pro e dei contro della soluzione idraulica. I sistemi idraulici per trasmissione di potenza godono di considerevoli vantaggi sul piano operativo: sono adatti a funzionare in un ampio intervallo di potenza, consentono movimentazioni a bassa e ad alta velocità, con corse assai variabili, sviluppano potenze elevate in rapporto al loro volume (generatori ed attuatori di dimensioni compatte), sono relativamente semplici da gestire e mantenere e il loro costo è contenuto rispetto ai sistemi elettromeccanici operativamente equivalenti. Dal lato degli svantaggi si annovera: minor precisione di posizionamento e di regolazione della velocità, inquinamento dell’ambiente di lavoro (perdite di olio), sensibilità alle condizioni esterne, specie al gelo, impatto ambientale (nel caso di uso di olio come liquido vettore di pressione), scarsa efficienza energetica. Questo non solo per il sistema in sé, che talvolta deve forzatamente sprecare energia attraverso valvole tarate per limitare sovrappressioni ma anche perché l’energia di pressione viene conferita (ormai praticamente sempre all’olio) attraverso la trasformazione di energia meccanica proveniente da energia elettrica o da motori endotermici e successivamente ritrasformata in energia meccanica. A ogni anello della catena di trasformazione corrisponde un rendimento sempre minore del 100%. Gli aspetti energetici, viste le notevolissime potenzialità di efficienza e risparmio, vengono trattati espressamente in altro contesto. E’ quindi doveroso precisare che i “contro” sono relativi, non assoluti e che i progressi nella risoluzione dei medesimi sono continui e notevoli. Per fare un esempio, le moderne gru semoventi, comprese quelle mastodontiche, tutte ad azionamento idraulico, sono capaci di precisione e delicatezza stupefacenti.

Un sistema idraulico è un gruppo funzionale, cioè un insieme di componenti (meccanici, elettrici, etc.) che agendo di concerto svolgono una funzione principale. Un sistema idraulico o oleodinamico, comunque realizzato, svolge sempre la funzione di trasmettere energia da una “unità funzionale” a un’altra. L’energia viene ricevuta, trasmessa e ceduta da un fluido incomprimibile: l’olio. L’aggettivo “idraulico” che spesso ricorre è un’eredità delle prime applicazioni della possibilità di trasmettere energia e moltiplicare la forza tramite un fluido incomprimibile: in origine proprio l’acqua.

Tornando alle “unità funzionali” che costituiscono il Sistema Idraulico, ciascuna di esse è un insieme di “entità”, con caratteristiche proprie, che vengono combinate tra loro in modo da fornire un servizio specifico, funzione delle caratteristiche delle entità nonché delle modalità e dei criteri di assemblaggio delle medesime.

Per chiarire il concetto di “entità” riportiamo la definizione secondo UNI EN 13306:2003, paragrafo 3.1: ogni parte, componente, dispositivo, sottosistema, unità funzionale, apparecchiatura o sistema che possa essere considerato individualmente.

La definizione di cui sopra, la definizione e le precisazioni che seguono sono indispensabili per costruire l’anagrafica o equipment tree di qualsiasi gruppo funzionale di cui si voglia gestire la manutenzione o per il quale si vogliano effettuare analisi dei guasti con metodo rigoroso.

UNI 9910 (191.07.01) definisce infatti così la manutenzione:

Combinazione di tutte le azioni tecniche ed amministrative, incluse le azioni di supervisione, volte a mantenere o a riportare un’entità in uno stato in cui possa eseguire la funzione richiesta.

Per “vedere” allora un sistema idraulico con l’occhio del manutentore è indispensabile monitorare i fabbisogni di manutenzione (programmata e non) riferendoli alle entità specifiche presso cui insorgono ed alla logica gerarchica con cui sono aggregate per comporre il sistema.

Come prima suddivisione si consideri che in un circuito oleodinamico sono sempre presenti tre famiglie di unità funzionali “canoniche” che diventano quattro dovendosi considerare come unità funzionale anche le tubazioni che trasferiscono l’olio. E tutti noi sappiamo quanta manutenzione richieda il piping.

Le prime tre unità sono individuabili rispettivamente come “operatori”, “attuatori o motori” e “regolatori”. Tutto il ciclo richiede di essere regolato e controllato, in modo che la cessione dell’energia avvenga secondo le modalità richieste e i rendimenti auspicati.

Prima però occorre tentare una classificazione dei sistemi oleodinamici. Abbiamo usato il verbo “tentare” in quanto, data l’innumerevole tipologia di applicazioni, la cosa è quanto mai ardua. La letteratura più qualificata propone due modalità. Talvolta un sistema “sfugge” ad entrambe

  1. A) In funzione delle modalità di generazione ed erogazione della potenza idraulica. In quest’ottica compaiono:
  • Sistemi a portata costante : applicazioni industriali fisse e gruppi semoventi
  • Sistemi a pressione costante : applicazioni industriali fisse e gruppi semoventi
  • Sistemi a dispersione: aerospaziale e comunque speciali
  • Sistemi idrostatici : variatori di velocità con rapporto di trasmissione fisso o variabile
  1. B) In funzione del metodo di regolazione e di comando
  • Sistemi indipendenti (sistemi aperti): non c’è regolazione proporzionale
  • Sistemi asserviti o servosistemi (sistemi chiusi) : il sistema risponde proporzionalmente ai segnali impartiti.

Per semplicità ci atterremo alla classificazione (A).

In questo primo capitolo ci focalizzeremo sui “gruppi operatori” e in particolare sul loro sotto-assieme più comune e diffuso: la centralina oleodinamica, che, nella maggioranza dei casi, appartiene ai sistemi a portata costante, dove costante è la velocità dell’attuatore. Per avere diverse velocità ( avvicinamento e operativa ) spesso sulla centralina sono operative più pompe di differente portata. A volte sono calettate sullo stesso albero.

Le tipologie sono pressoché infinite: di seguito prendiamo in esame i quattro tipi di centralina idraulica più diffusi nelle applicazioni industriali fisse, considerando di aver a che fare con motori elettrici flangiati

Se i motori sono collegati alle pompe con giunti, in moltissimi casi questi sono a manicotto, in elastomero a dentatura interna e richiedono particolari attenzioni e ricambi sempre presenti a scorta. Questo in quanto, pur eseguendo cicli di controllo dell’usura (gioco e/o polverino a terra), i giunti fungono anche da parastrappi in caso di sovrasollecitazioni non prevedibili preventivamente e si rompono proteggendo motore e pompa.

Riportiamo di seguito quattro schede di manutenzione ciclica riservate ai manutentori. Attività come pulizia, controllo livelli e controllo perdite sono a carico dei conduttori dell’impianto.

Se sono formalizzate, come sarebbe opportuno, le attività di controllo a carico dei conduttori prendono il nome di automanutenzione e sono riportate su schede specifiche, in genere molto semplici, corredate da chiare fotografie ed indicazioni operative.

Le attività di automanutenzione costituiscono la base portante di un programma di manutenzione, in quanto coinvolgono direttamente chi opera vicino ad una linea o ad una macchina operatrice, permettendo di monitorarle in modo praticamente costante: si tratta di uno strumento semplice ed efficace per rilevare eventuali segnali premonitori di possibili guasti.

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