Capitolo 9: Valvole di regolazione del flusso

L'orifizio

Un orifizio è un'apertura relativamente piccola in un percorso di flusso di fluido. Il flusso attraverso un orifizio è influenzato da diversi fattori, i tre principali dei quali sono:

1. Dimensione dell'Orifizio
2. Differenza di pressione attraverso l'orifizio
3. Temperatura del fluido

Effetto delle dimensioni dell'orifizio sul flusso

Le dimensioni dell'orifizio controllano il flusso che lo attraversa. Un esempio comune della vita quotidiana è la punta di un tubo da giardino: se l'apertura della punta è piccola, l'acqua fuoriesce sotto forma di nebbia fine o spruzzo; se l'apertura è più grande, si trasforma in un getto. In entrambi i casi, la punta del tubo da giardino funge da orifizio che limita la direzione del flusso d'acqua: il flusso attraverso l'orifizio è determinato dalle dimensioni dell'apertura.

Figura 9-1 Valvola di regolazione del flusso in un circuito. La valvola modula il flusso verso il cilindro. Il flusso in eccesso della pompa viene deviato attraverso la valvola di sicurezza. Il flusso ridotto si trasforma in energia potenziale (velocità) all'orifizio.

Orifizio Fisso

Un'orifizio fisso ha una dimensione dell'apertura che non può essere regolata. Gli esempi più comuni nella tecnologia idraulica sono il foro praticato in un tappo per tubo o in una valvola di ritegno, oppure la valvola di regolazione della portata preimpostata in fabbrica.

Orifizio variabile

Nella maggior parte dei casi è necessario un orifizio variabile anziché uno fisso, poiché risulta più adattabile. Le valvole a farfalla, le valvole a sfera e le valvole a spillone sono tutti esempi di orifizi variabili.

Valvola di apertura

Una valvola a farfalla presenta un passaggio del flusso in linea retta. La dimensione dell'orifizio viene modificata ruotando la manopola per aprire o chiudere la farfalla posta nel percorso del flusso. Benché le valvole a farfalla non siano progettate specificamente per il controllo del flusso, in alcuni sistemi di misurazione approssimativa del flusso possono essere utilizzate come dispositivi di limitazione del flusso.

Valvola a sfera

I passaggi del flusso nelle valvole a sfera non sono rettilinei: compiono una deviazione di 90°. L'orifizio è costituito dalla sede e dal tappo conico o dalla sfera stessa posta sul percorso rotante. La dimensione dell'apertura dell'orifizio viene regolata modificando la posizione della sfera.

Valvola a Sfintere

Il flusso attraverso le valvole a spillone compie anche una deviazione di 90°, quindi passa attraverso un’apertura. Questa apertura consiste nel gioco tra l’asta della valvola a estremità conica e la sede della valvola. Le dimensioni dell’apertura vengono modificate regolando la posizione della superficie conica rispetto alla sede della valvola. Poiché le filettature di regolazione sull’asta della valvola sono fini e la punta è conica, la variazione delle dimensioni dell’apertura avviene gradualmente. Nei sistemi idraulici, la valvola a spillone è l’apertura variabile più utilizzata.

Figura 9-2: Tipi di aperture variabili. La valvola a spillone (in basso) è la più comune nei sistemi idraulici: la sua punta conica e le filettature fini consentono una regolazione del flusso molto precisa e graduale.

Applicazione della valvola a spillone in un circuito

Il circuito di esempio utilizza una pompa a cilindrata fissa da 5 gpm (18,95 L/min), una valvola di sicurezza, una valvola direzionale, un’apertura variabile (valvola a spillone) e un cilindro idraulico con area del pistone pari a 3 pol² (19,35 cm²). Se la valvola di sicurezza è tarata a 500 psi (34,48 bar) e la pompa eroga 5 gpm:

Con la valvola ad ago che limita la portata a soli 2 gpm (7,58 lpm), la velocità della biella = 2 × 19,25 / 3 = 13 ft/min (3,96 m/min). La valvola di sicurezza limita la pressione del sistema a 500 psi (34,48 bar) deviando i restanti 3 gpm (11,37 lpm) verso il serbatoio.

Apertura dell’orifizio della valvola ad ago

Ruotare la valvola ad ago in senso antiorario aumenta l’orifizio: una maggiore portata passa al cilindro, fino al limite di pressione imposto dalla valvola di sicurezza. La velocità della biella aumenta.

Chiusura dell’orifizio della valvola ad ago

Ruotare la valvola ad ago in senso orario riduce l’orifizio. Una minore portata entra nel cilindro, quindi la velocità della biella diminuisce.

Effetto della differenza di pressione sul flusso

Il flusso attraverso un orifizio è influenzato dalla differenza di pressione. Poiché la pressione rappresenta l’energia potenziale in un sistema idraulico, maggiore è la differenza di pressione attraverso un orifizio, maggiore sarà la portata che lo attraversa.

Esempio quotidiano — materasso pneumatico

Dopo una giornata in spiaggia o al campeggio, rimuovi il tappo da un materasso ad aria gonfio e lascia che l’aria fuoriesca liberamente. Poiché la differenza di pressione interna/esterna è ridotta, il materasso si sgonfia lentamente. Premi con forza il materasso: la pressione interna aumenta rispetto alla pressione atmosferica, la differenza di pressione cresce e l’aria fuoriesce più velocemente.

Premi delicatamente un tubetto di dentifricio: ne esce una piccola quantità. Premi con forza: esce una maggiore quantità di dentifricio, che potrebbe cadere sul pavimento. Se il tubetto di dentifricio viene calpestato, la differenza di pressione tra l’interno e l’atmosfera è maggiore rispetto a quella generata dalla pressione manuale, quindi una maggiore quantità di dentifricio fuoriesce più rapidamente.

Effetto della differenza di pressione sul flusso attraverso una valvola a ago in un circuito

Nel circuito mostrato, la valvola a spillone limita la portata della pompa da 5 gpm (18,95 L/min) a 3 gpm (11,37 L/min). Impostazione della valvola di sicurezza: 500 psi (34,48 bar). Resistenza del carico: 200 psi (14 bar). La pressione in ingresso alla valvola a spillone è pari all’impostazione della valvola di sicurezza: 500 psi (34,48 bar). Di questi 500 psi (34,48 bar), 200 psi (14 bar) vengono impiegati per vincere la resistenza del carico; la differenza di pressione residua di 300 psi (21 bar) fa fluire 3 gpm (11,3 L/min) attraverso la valvola a spillone, determinando una velocità della stanghetta di 19,25 ft/min (5,87 m/min). I restanti 2 gpm (7,58 L/min) vengono deviati attraverso la valvola di sicurezza verso il serbatoio.

Aumento dell’impostazione della valvola di sicurezza

Mantenendo invariate la pressione del carico e l’impostazione della valvola a spillone, aumentando l’impostazione della valvola di sicurezza a 600 psi (41,38 bar): la pressione in ingresso alla valvola a spillone diventa 600 psi (41,38 bar). Di questi, 200 psi (14 bar) vengono impiegati per vincere il carico; la differenza di pressione di 400 psi (28 bar) fa ora fluire 4 gpm (15 L/min) attraverso la valvola a spillone. La velocità della stanghetta aumenta a 26 ft/min (7,92 m/min).

La pressione del carico aumenta

Ripristinare la valvola di sicurezza alla pressione di 500 psi (34,48 bar) lasciando invariata la valvola a spillone. Aumento del carico: la pressione sul carico sale a 400 psi (28 bar). La pressione in ingresso alla valvola a spillone rimane ancora a 500 psi (34,48 bar), ma ora solo una differenza di pressione di 100 psi (6,9 bar) genera il flusso attraverso la valvola a spillone — pari a soli 1 gpm (3,79 lpm). La velocità della stelo scende a 6 ft/min (30 mm/s). I restanti 4 gpm (15 lpm) vengono scaricati attraverso la valvola di sicurezza.

Questo dimostra che il flusso attraverso una valvola a spillone varia con qualsiasi variazione di pressione su entrambi i lati dell’orificio. Per dosare con precisione il flusso attraverso una valvola a spillone, tali variazioni di pressione devono essere annullate o compensate.

Valvola di regolazione della velocità (valvola di controllo del flusso compensata in pressione)

Dagli esempi sopra riportati, qualsiasi variazione di pressione su entrambi i lati dell’orifizio influenza la portata della valvola ad ago, modificando la velocità dell’attuatore. Per dosare con precisione la portata attraverso un orifizio indipendentemente dalle variazioni di pressione, tali variazioni devono essere compensate. La valvola ad ago è una valvola di regolazione della portata non compensata: si tratta di un buon dispositivo per il dosaggio della portata, purché il salto di pressione rimanga costante e l’ago sia ben centrato. Per un controllo più preciso della portata, va utilizzata una valvola di regolazione della portata compensata in pressione (valvola di regolazione della velocità). Si tratta di un regolatore di portata che compensa le variazioni di pressione a monte e a valle dell’orifizio.

Le valvole di regolazione della velocità (valvole di regolazione della portata compensate in pressione) possono essere suddivise in tipo ingresso e tipo by-pass.

Costruzione della valvola di regolazione della velocità tipo ingresso

La valvola di regolazione della portata compensata in pressione tipo ingresso è costituita da un corpo valvola con porti di ingresso e uscita, una valvola ad ago, uno spool compensatore e una molla di precompressione.

Funzionamento del tipo ingresso

Per comprendere il funzionamento del tipo a ingresso controllato, ne analizziamo il funzionamento passo dopo passo. Quando lo spool di compensazione è completamente spostato verso il lato A, tutto l’olio in pressione in entrata raggiunge l’orifizio della valvola a spillone. Finché lo spool di compensazione si sposta leggermente verso il lato B, l’olio in pressione in entrata viene laminato. Per mantenere aperto il passaggio di flusso, lo spool di compensazione è caricato da una molla verso il lato A. La pressione all’ingresso della valvola a spillone viene rilevata tramite un canale di controllo interno applicato all’estremità A dello spool di compensazione: quando la pressione supera la forza di richiamo della molla, lo spool si sposta verso il lato B.

Se l'orificio della valvola ad ago viene regolato in modo che attraverso di esso passi una portata inferiore a quella massima della pompa, la pressione all'ingresso della valvola ad ago aumenta fino al valore di taratura della valvola di sicurezza. Quando la pressione all'ingresso della valvola ad ago supera la forza della molla del distributore compensatore, quest'ultimo si sposta verso B, riducendo (strozzando) la portata in ingresso. Quando la portata attraverso l'orificio del distributore compensatore risulta uguale alla portata erogata dalla pompa, la pressione all'ingresso della valvola ad ago si stabilizza al valore corrispondente alla forza della molla. Ad esempio, con una molla tarata a 100 psi (6,89 bar) e una valvola di sicurezza regolata a 500 psi (34,48 bar): la pressione all'ingresso è pari a 500 psi (34,48 bar); mentre l'olio fluisce attraverso l'orificio del distributore compensatore, 400 psi (28 bar) vengono convertiti in calore, riducendo la pressione all'ingresso della valvola ad ago a 100 psi (6,89 bar). Ciò significa che, indipendentemente dalla pressione all'ingresso della valvola di regolazione della portata, grazie all'azione del distributore compensatore la pressione all'ingresso della valvola ad ago viene mantenuta costante a 100 psi (6,89 bar).

Figura 9-5 Valvola di regolazione della velocità in ingresso (compensata in pressione). Lo stantuffo compensatore mantiene costante la caduta di pressione attraverso la valvola a spillone, indipendentemente dalle variazioni della pressione in ingresso o in uscita, garantendo così una portata precisa e costante.

Nel caso del precedente circuito con valvola a spillone, la differenza di pressione attraverso l’orifizio della valvola a spillone rappresenta solo metà del problema: anche la pressione a valle della valvola a spillone deve essere compensata. In altre parole, deve essere mantenuta costante la differenza di pressione. Per ottenere ciò, la pressione a valle della valvola a spillone viene anch’essa convogliata, tramite un canale di controllo, nella cavità della molla di precarico dello stantuffo compensatore. Ora due forze agiscono sul lato A dello stantuffo compensatore: la forza della molla e la pressione dell’olio a valle.

Se la forza della molla è pari a 100 psi (6,89 bar), la differenza di pressione attraverso la valvola ad ago sarà limitata a un valore superiore alla pressione a valle di 100 psi (6,89 bar). A condizione che la valvola di sicurezza sia tarata a un valore sufficientemente elevato, la differenza di pressione attraverso l’orificio dell’ago risulterà sempre uguale al valore di pressione esercitato dalla molla. In questo modo, la differenza di pressione che determina il flusso attraverso la valvola ad ago rimane costante — non influenzata dalle oscillazioni della pressione a monte o a valle.

Valvola di regolazione della velocità in ingresso in un circuito

Nel circuito, la valvola di regolazione della velocità in ingresso è impostata su 3 gpm (11,37 L/min). Valvola di sicurezza: 500 psi (34,48 bar); pressione di carico: 200 psi (13,79 bar). Molla dello spool compensatore = 100 psi (6,89 bar). La pompa tenta di far passare l’intera portata di 5 gpm (18,95 L/min) attraverso la valvola a spillone, provocando un aumento della pressione all’ingresso di quest’ultima. A 300 psi (21 bar), lo spool compensatore si sposta e riduce la portata, facendo salire la pressione all’ingresso della valvola di regolazione del flusso fino al valore di taratura della valvola di sicurezza, pari a 500 psi (34,48 bar). Di questi 500 psi (34,48 bar), 200 psi (13,79 bar) vengono utilizzati per vincere il carico; 100 psi (6,89 bar) servono a far fluire il fluido attraverso la valvola a spillone; i restanti 200 psi (13,79 bar) sui 500 psi si trasformano in calore mentre il fluido attraversa l’orifizio dello spool compensatore. La portata in questo caso è di 3 gpm (11,37 L/min) e la velocità della stelo è di 19 ft/min (97,83 mm/s).

Aumento della pressione di carico e della taratura della valvola di sicurezza

Se la pressione di carico aumenta fino a 400 psi (27,58 bar) o la valvola di sicurezza viene reimpostata a 600 psi (41,38 bar), rimane comunque una pressione di 100 psi (6,89 bar) che genera il flusso attraverso la valvola ad ago. Finché la valvola di sicurezza è impostata su un valore sufficientemente elevato da spostare lo stantuffo compensatore, la portata in uscita verso il cilindro sarà costante e pari a 3 gpm (11,37 L/min).

Costruzione della valvola di regolazione della velocità di tipo by-pass

La valvola di regolazione della velocità di tipo by-pass è composta da un corpo valvola con porti di ingresso, uscita e ritorno, da una valvola ad ago, da uno stantuffo compensatore e da una molla di precarico.

Funzionamento della valvola di tipo by-pass

Lo stantuffo compensatore di questa valvola apre e chiude un passaggio di by-pass verso il ritorno al serbatoio. Lo stantuffo compensatore è precaricato da una molla nella posizione di chiusura (posizione inferiore). Se la molla esercita una forza di 100 psi (6,89 bar), la pressione all’ingresso della valvola ad ago sarà limitata a 100 psi (6,89 bar). Nello stato iniziale, l’intero flusso attraverso la valvola viene inviato direttamente al serbatoio dell’olio. In condizioni di funzionamento normale, lo stantuffo compensatore è mantenuto nella posizione di chiusura dalla molla di precarico.

La pressione di ingresso della valvola ad ago viene rilevata tramite un canale di controllo interno fino alla sommità dello stelo compensatore. Quando la pressione supera la forza di precarico della molla, lo stelo compensatore funziona come una valvola di sicurezza — aprendo il canale di by-pass e limitando la pressione di ingresso della valvola ad ago a 100 psi (6,89 bar). La pressione di ingresso fissa della valvola ad ago non garantisce una portata costante: se la pressione a valle varia, anche la differenza di pressione attraverso l’orificio della valvola ad ago cambia, modificando così la portata.

Per compensare questo fenomeno, la pressione a valle della valvola ad ago viene indirizzata, tramite un canale di controllo, nella camera della molla di precarico dello stelo compensatore. Ora sul lato A dello stelo compensatore agiscono due forze di precarico: la forza della molla e la pressione dell’olio a valle. Se la molla è tarata a 100 psi (6,89 bar), la pressione di ingresso della valvola ad ago sarà limitata a 100 psi (6,89 bar) al di sopra della pressione a valle. A condizione che la valvola di sicurezza sia regolata a un valore sufficientemente elevato, la differenza di pressione attraverso l’orificio della valvola ad ago risulterà pari a 100 psi (6,89 bar) — costante.

Valvola di regolazione della velocità di tipo by-pass in un circuito

Valvola di regolazione della velocità di tipo by-pass impostata a 3 gpm (11,37 L/min). Pressione di scarico: 500 psi (34,48 bar), carico: 200 psi (13,79 bar), molla: 100 psi (6,89 bar). La pompa tenta di far fluire l'intera portata di 5 gpm (18,95 L/min) attraverso la valvola ad ago. Lo spool compensatore apre il passaggio di by-pass, limitando la pressione di ingresso alla valvola ad ago a 300 psi (20,68 bar). Di questi 300 psi: 200 psi (13,79 bar) vengono utilizzati per vincere il carico, mentre 100 psi (6,89 bar) fanno fluire 3 gpm (11,37 L/min) attraverso la valvola ad ago. I restanti 2 gpm (7,58 L/min) vengono deviati attraverso l'apertura dello spool compensatore direttamente nel serbatoio.

Figura 9-8: Circuito di regolazione della velocità di tipo by-pass. Lo spool compensatore devia direttamente al serbatoio la portata in eccesso della pompa, anziché inviarla attraverso la valvola di sicurezza. Questo sistema è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto al tipo 'meter-in', poiché la portata in eccesso non transita alla pressione totale del sistema.

Aumento della pressione di carico e della taratura della valvola di sicurezza

Se la pressione di carico aumenta fino a 400 psi (27,58 bar) o la valvola di sicurezza viene reimpostata a 600 psi (41,38 bar), vi è comunque una pressione di 100 psi (6,89 bar) che spinge il flusso attraverso la valvola a spillone. A condizione che la valvola di sicurezza sia regolata su un valore sufficientemente elevato da aprire lo spool compensatore, la portata in uscita verso il cilindro rimane costante a 3 gpm (11,37 L/min).

Effetto della temperatura sul flusso attraverso l’orifizio

Come menzionato all'inizio di questo capitolo, i tre principali fattori che influenzano il flusso attraverso un orifizio sono le dimensioni dell'orifizio, la differenza di pressione e la temperatura dell'olio. Quando la temperatura dell'olio varia, ne cambia anche la viscosità; e quando la viscosità dell'olio varia, cambia anche il flusso attraverso l'orifizio. Per orifizi fissi o valvole a spillone, le variazioni di flusso indotte dalla temperatura non sono generalmente significative, poiché le dimensioni dell'orifizio e la differenza di pressione sono in genere elevate rispetto agli effetti della viscosità. Tuttavia, per applicazioni che richiedono un controllo del flusso estremamente preciso, è necessario tenere conto degli effetti della temperatura. Sia le valvole di controllo della velocità con regolazione in ingresso (meter-in) sia quelle di tipo by-pass sono generalmente adeguate per le tipiche applicazioni idrauliche industriali.

Per applicazioni che richiedono un controllo del flusso estremamente preciso — indipendentemente dalle variazioni di temperatura — può essere utilizzata una valvola di controllo del flusso compensata termicamente. Questo tipo di valvola compensa anche gli effetti della temperatura.

Formule fondamentali — Capitolo 9