Quando si trasmette energia attraverso un fluido, è necessario determinare la direzione e mantenere un controllo continuo e completo. Senza un controllo totale, l'energia risulta inutilizzabile o, peggio ancora, la macchina potrebbe subire danni. Uno dei principali vantaggi della tecnologia idraulica è la possibilità di controllare relativamente facilmente l'energia mediante valvole di controllo idraulico.

Valvole di controllo idraulico

Una valvola di controllo idraulico è un componente meccanico costituito da un corpo valvola con canali interni in grado di collegare o bloccare il flusso del fluido, nonché da parti mobili interne. I canali presenti nel corpo valvola vengono utilizzati per trasportare l'olio. L'azione delle parti mobili interne regola la pressione massima, la direzione del flusso e la portata del sistema.

Controllo della pressione di sistema

L'energia idraulica può essere applicata a un cilindro idraulico. Quando il risultato è un lavoro efficace, una volta che il cilindro è completamente esteso, il lavoro è completato. La pompa a spostamento positivo continuerà ad assorbire ulteriore energia dal suo motore primo. Ciò genera una pressione maggiore nell’olio. (Nota: la resistenza minima nel sistema determina la pressione idraulica applicata.) Man mano che il cilindro si estende ulteriormente, la resistenza meccanica del sistema diventa la resistenza minima.

La pompa aumenterà ulteriormente la pressione per superare tale resistenza. Le persone utilizzano valvole di regolazione della pressione per mantenere la pressione del sistema entro un intervallo sicuro.

Valvola di controllo della pressione

Le parti mobili interne di una valvola di regolazione della pressione funzionano in base alla pressione. Quando la pressione del sistema raggiunge un determinato valore impostato, le parti mobili interne collegano o bloccano uno dei passaggi nel corpo della valvola, consentendo o impedendo il flusso dell’olio in tale passaggio.

Costruzione della valvola di regolazione della pressione

Una valvola di regolazione della pressione è costituita da un corpo valvola con passaggi primario e secondario e parti mobili interne (lo stantuffo). I collegamenti esterni ai passaggi sono denominati rispettivamente porto primario e porto secondario.

Funzionamento di una valvola di regolazione della pressione

La parte mobile interna di una valvola di regolazione della pressione è tipicamente un dispositivo a stantuffo. Quando lo stantuffo si trova in una posizione estrema, il passaggio interno risulta collegato e il flusso può attraversare la valvola. Quando si trova nell’altra posizione estrema, il passaggio interno viene bloccato e il flusso attraverso la valvola viene interrotto.

In una valvola di regolazione della pressione, lo stantuffo è caricato da una molla in modo da assumere una posizione estrema. In questa posizione normale chiusa, il passaggio interno risulta bloccato e il percorso di flusso attraverso la valvola è chiuso. Questo tipo è denominato valvola di regolazione della pressione normalmente chiusa.

La valvola di controllo della pressione rileva la pressione nella parte inferiore dello spool. Questo passaggio inferiore è collegato alla porta primaria. Quando la pressione del sistema supera la forza della molla, lo spool si muove per collegare il passaggio interno, consentendo il flusso attraverso la valvola.

(La pressione idraulica utilizzata per controllare il movimento dello spool è denominata pressione di pilotaggio. L’uso della pressione di pilotaggio per controllare una valvola è chiamato controllo con pilotaggio ed è il metodo più comune per controllare tutti i tipi di valvole idrauliche.)

Se la porta primaria di questo tipo di valvola di controllo della pressione è collegata al lato della pressione del sistema e, quando la pressione applicata dalla pompa è troppo elevata, il flusso proveniente dalla pompa può essere deviato attraverso questa valvola verso il serbatoio dell’olio, tale valvola di controllo della pressione normalmente chiusa è denominata valvola di sicurezza.

Figura 7-2: Valvola di controllo della pressione normalmente chiusa (funzionamento della valvola di sicurezza). La molla mantiene lo spool chiuso fino a quando la pressione del sistema non supera la taratura della molla; successivamente lo spool si sposta aprendo un percorso verso il serbatoio.

Figura 7-3: Un semplice circuito idraulico con controllo della pressione (valvola di sicurezza). Quando il cilindro raggiunge la fine della corsa, la valvola di sicurezza si apre e devia il flusso della pompa verso il serbatoio, limitando la pressione massima del sistema.

Controllo direzionale degli attuatori

Una volta che un cilindro idraulico è completamente esteso, deve essere ritratto affinché possa svolgere nuovamente il lavoro. Per questo motivo, i cilindri che devono muoversi in due direzioni utilizzano normalmente cilindri idraulici con due raccordi — cilindri a doppio effetto. La direzione del flusso deve essere invertita contemporaneamente.

Cilindro idraulico doppio effetto

Un cilindro idraulico a doppio effetto presenta un raccordo all’estremità di ciascuna estremità del corpo cilindrico, consentendo all’olio di entrare e uscire, in modo che il pistone possa muoversi in entrambe le direzioni (a doppio effetto). Per distinguere i due raccordi di un cilindro a doppio effetto, ne etichettiamo uno con la lettera «A» e l’altro con la lettera «B».

Valvola di controllo direzionale

Le parti interne mobili di una valvola di controllo direzionale hanno la funzione di collegare o bloccare i passaggi interni del corpo valvola, controllando così la direzione del flusso dell’olio.

Costruzione della valvola di controllo direzionale

Una tipica valvola di controllo direzionale presenta quattro canali interni nel corpo della valvola e un cursore scorrevole che può collegare o bloccare tali canali.

Funzionamento di una valvola di controllo direzionale

Quando il cursore si trova in una posizione estrema, il canale di pressione si collega al canale di lavoro A e il canale di ritorno si collega al canale di lavoro B. Quando il cursore passa all’altra posizione estrema, il canale di pressione si collega al canale di lavoro A e il canale di ritorno si collega al canale di lavoro B. La commutazione della direzione del cursore inverte la direzione del flusso d’olio verso il cilindro idraulico.

Quando lo stelo del cilindro si estende e si ritrae completamente secondo quanto richiesto, il lavoro è completato. Quando il cursore passa all’altra posizione estrema, l’olio fluisce nell’altro lato del cilindro — e lo stelo del cilindro si ritrae.

Figura 7-4: Valvola di controllo direzionale in un circuito con cilindro a doppio effetto. Lo spostamento del cursore inverte la direzione del flusso d’olio, invertendo così il movimento del cilindro.

Controllo della velocità degli attuatori

In molte applicazioni, la velocità di funzionamento dell’attuatore deve essere controllata e, a volte, controllata con grande precisione. Come spiegato in precedenza, la velocità degli attuatori (cilindri, motori idraulici) è direttamente correlata alla portata di olio immessa: la velocità dell’attuatore è determinata dalla portata in ingresso.

Poiché la cilindrata della pompa può essere fissa, è possibile selezionare la portata della pompa in base alla velocità richiesta dell’attuatore. Questa soluzione è applicabile soltanto nei sistemi con un singolo attuatore.

Di norma, in un sistema idraulico gli attuatori sono più di uno. Se il sistema richiede che ogni cilindro idraulico operi in modo indipendente, la portata della pompa deve essere scelta in base al cilindro idraulico più grande che necessita della velocità maggiore. Ciò significa che gli attuatori più piccoli si muoveranno più velocemente, il che potrebbe non essere desiderabile. Per ridurre la portata che entra in questi o in qualsiasi altro attuatore, è necessario utilizzare una valvola di regolazione della portata.

Valvola di Controllo del Flusso

Quando si utilizza una valvola di regolazione della portata, è sempre possibile ridurre la portata dalla pompa all’attuatore.

Costruzione della valvola di regolazione della portata

Una tipica valvola di regolazione della portata è costituita da un corpo valvola e da una parte mobile. Nel nostro esempio, la parte mobile è un ago di regolazione con estremità a punta conica. Poiché l'ago non si muove effettivamente durante il funzionamento (viene preimpostato in una posizione), è più appropriato definire le parti mobili della valvola di regolazione della portata come "regolabili" piuttosto che "mobili".

Funzionamento di una valvola di regolazione della portata

In un sistema idraulico, la valvola di regolazione della portata opera sempre in abbinamento alla valvola di controllo della pressione (di sicurezza). La valvola di regolazione della portata rappresenta una resistenza. Ciò induce la pompa idraulica a generare una pressione più elevata. Questa pressione può far sì che una parte del flusso proveniente dalla pompa apra la valvola di sicurezza, riducendo così il flusso attraverso la valvola di regolazione della portata e determinando la portata effettiva che raggiunge l'attuatore.

Figura 7-5: Circuito di regolazione della portata. La valvola ad ago limita il flusso verso il cilindro. Il flusso in eccesso della pompa viene deviato attraverso la valvola di sicurezza verso il serbatoio. L'apertura della valvola ad ago determina la velocità del cilindro.

Un semplice sistema idraulico

Tutti i componenti presentati sopra possono costituire un semplice sistema idraulico. Poiché l'energia idraulica in questo sistema è controllabile, il sistema può compiere un lavoro utile.

I sistemi idraulici sono ampiamente utilizzati in molti settori, dall’aerospaziale, agli aerei e alle attrezzature militari fino all’industria, alle macchine mobili e alle attrezzature per la produzione siderurgica. I principi di funzionamento dei sistemi idraulici in tutte queste applicazioni sono identici a quelli descritti sopra. L’unica differenza tra le varie "tipologie" di sistemi idraulici risiede nei componenti utilizzati.

Nei capitoli seguenti analizzeremo nel dettaglio le diverse tipologie di componenti impiegati nei sistemi idraulici industriali. Per illustrare l’uso di tali componenti, progetteremo anche alcuni circuiti idraulici di base.

Simboli grafici idraulici

Nelle discussioni precedenti sui componenti idraulici e sui sistemi di base, tutto è stato spiegato graficamente — utilizzando sezioni trasversali per mostrare visivamente il funzionamento interno dei componenti. Questo metodo è utile per illustrare i problemi, ma risulta poco pratico nell’uso quotidiano.

Come altri settori tecnici, anche l’idraulica utilizza simboli grafici per rappresentare componenti e sistemi. I vari componenti idraulici e i semplici sistemi discussi in precedenza possono tutti essere rappresentati mediante i simboli grafici idraulici e pneumatici standard ANSI Y32.10 o ISO 1219.

Oltre ai componenti già trattati, i componenti che costituiscono un sistema idraulico includono anche motori elettrici, filtri idraulici, ecc. I sistemi idraulici sono generalmente azionati da motori elettrici. Inoltre, per mantenere un livello ragionevole di pulizia, i sistemi idraulici devono impiegare filtri idraulici per proteggere l’olio da contaminazioni.

Figura 7-7 Simboli grafici idraulici standard (ANSI Y32.10 / ISO 1219). Questi simboli vengono utilizzati su tutti i diagrammi schematici dei circuiti idraulici invece dei disegni in sezione.

Figura 7-8 Un semplice circuito idraulico completo rappresentato con simboli grafici standard. Questo è il modo in cui i circuiti idraulici vengono disegnati nella pratica ingegneristica.