Perdite di carico in blocchi idraulici

I blocchi idraulici (manifold) vengono ampiamente utilizzati per realizzare circuiti compatti ma possono introdurre un'elevata caduta di pressione nel sistema. Il loro design è infatti orientato più al raggiungimento di dimensioni e peso minimi che alla riduzione delle perdite di carico.

Questo lavoro studia le perdite di carico nei manifold utilizzando diversi metodi: analisi fluidodinamica computazionale (CFD), formulazione semi-empirica derivata dalla letteratura scientifica, ove disponibile, e caratterizzazione sperimentale.

Lo scopo è quello di ottenere le perdite di carico quando le connessioni dei canali all'interno del collettore non sono riconducibili ai pochi casi classici studiati in letteratura, in particolare per curve a 90° (gomiti) con espansione/contrazione e intersezione non in asse dei canali.

Il confronto dei risultati ottenuti consente di tracciare alcune linee guida per la progettazione dei canali del blocco e di discutere l'affidabilità dell'analisi CFD come strumento per migliorare la progettazione di un manifold. Si è scelto di puntare prima su geometrie semplici considerando l'intersezione tra i canali del blocco con una o due curve a 90°. Questa scelta è stata motivata dalla necessità di confrontare i risultati con quelli già pubblicati in letteratura per validare l'analisi e, quindi, applicare il metodo a casistiche non discusse in precedenza.

I risultati delle simulazioni CFD mostrano che l'analisi virtuale può rappresentare il corretto andamento della caduta di pressione in tutte le diverse geometrie analizzate seguendo, a “determinata distanza”, i risultati sperimentali. La differenza tra risultati sperimentali e CFD normalmente aumenta con la portata e la caduta di pressione. Il divario è, tuttavia, piuttosto elevato e sempre con una sovrastima delle simulazioni rispetto ai risultati sperimentali.

Entrando nel dettaglio delle regole di progettazione del collettore, si possono evidenziare alcune considerazioni in merito alla possibilità di introdurre nel collettore una curva a moderata espansione (senza ottenere grandi variazioni con flusso inverso, cioè attraverso una contrazione), all'uso di intersezioni sfalsate e alla ‘forma’ da preferire (e quella da evitare) quando sono necessari due gomiti consecutivi all’interno del blocco, sempre in relazione alla distanza relativa tra le curve.

Il prossimo passo di questa ricerca è quello di analizzare cosa succede con connessioni più complesse ma realistiche per un manifold idraulico, confrontando ancora l'analisi CFD e i risultati sperimentali, e approfondendo lo studio dell'occorrenza di aerazione/cavitazione.

Modellazione di cuscinetti idraulici per servo-cilindri

I servocilindri idraulici sono ampiamente utilizzati in applicazioni industriali versatili come macchine utensili, banchi di prova per qualsiasi tipo di componente, robot industriali, sistemi di produzione autonomi e applicazioni speciali nei laboratori. In generale, sono utilizzati ogni volta che è richiesto un movimento regolare con basso attrito, una rapida risposta dinamica e possibili forze radiali.

I cuscinetti idrostatici con tasche vengono utilizzati sulle estremità dello stelo dei servocilindri per garantire il supporto di carichi elevati, ridurre l'attrito, rimuovere l'usura e consentire uno spostamento regolare e controllabile dell'attuatore.

La progettazione e la produzione di questi elementi è impegnativa poiché il buon funzionamento dipende dalle tolleranze ridotte, necessarie per sopportare il carico sul cilindro e per ridurre le perdite di portata.

Le interfacce lubrificate nei componenti oleodinamici sono uno degli aspetti più critici e da progettare con attenzione per garantire un comportamento regolare e buone efficienze in un sistema. Inoltre, sono fondamentali per analizzare i complessi fenomeni che determinano l'efficienza delle pompe volumetriche e dei motori, e anche il contributo ai guasti.

In questo lavoro viene presentato un modello fluidodinamico 2D di cuscinetti idrostatici: il modello è composto da un sistema di equazioni, creato da SmartFluidPower, scritto in linguaggio Modelica e interamente risolto in ambiente OpenModelica. Il lavoro in oggetto riguarda la prima parte di un'attività di ricerca in cui vengono realizzati un modello virtuale e uno strumento di prova per cuscinetti idrostatici con tasche.

Il modello proposto ha lo scopo di esplorare le condizioni operative critiche dei servocilindri e di migliorare la fase di progettazione: i risultati mostrano una notevole influenza dell'eccentricità e delle tolleranze di lavorazione e, quindi, deve essere effettuata un'accurata scelta dei parametri di progettazione per cercare la migliore configurazione.

Con l'aiuto di un partner industriale il modello numerico viene testato e validato: infine viene creato uno strumento di progettazione virtuale destinato ai progettisti industriali per aiutare e guidare il loro lavoro.

Oltre ai risultati specifici ottenuti in merito alla progettazione dei cuscinetti, il lavoro dimostra anche un diverso utilizzo dell'ambiente OpenModelica: un puro risolutore di equazioni i cui risultati vengono utilizzati per creare uno strumento virtuale industriale che aiuta il progettista a simulare diverse configurazioni e cercare la soluzione ottimale.

Modellazione di una pompa a palette in OpenModelica

research paper

In questo articolo viene presentato un modello dinamico a parametri concentrati di una pompa a palette utilizzata per riempire i serbatoi di carburante. Il modello è interamente sviluppato in ambiente OpenModelica, dove SmartFluidPower ha realizzato specifiche librerie di elementi virtuali adatti alla modellazione fisica di componenti e sistemi fluid power.

Tra i diversi approcci, la modellazione fluidodinamica zero dimensionale delle macchine volumetriche si presta a studiare molti aspetti quali il rumore causato dal fluido collegato all’irregolarità di portata e della pressione e il comportamento dinamico del controllo della cilindrata variabile. Ben prima della realizzazione di un prototipo fisico, il modello è utile per dare indicazioni riguardo l’impatto del progetto sui transitori caratteristici del funzionamento di questi componenti come quelli di pressione all’interno delle camere volumetriche e le oscillazioni di pressione e portata.

Il modello della pompa a palette viene descritto insieme alle principali caratteristiche progettuali che possono essere analizzate in termini della loro influenza sul comportamento della pompa. La modellazione è realizzata in “modo parametrico”: ciò significa che il modello può essere facilmente modificato per analizzare diverse modifiche progettuali, come il numero di palette, le aree di flusso di aspirazione e mandata e il profilo interno dello statore.

Nel complesso, questo approccio alla modellazione permette di collegare le caratteristiche geometriche della macchina con il suo comportamento dinamico e, per questo, è particolarmente utile nell’indirizzare la progettazione verso le giuste scelte.

Oltre ai risultati specifici ottenuti per quanto riguarda la progettazione della pompa, l’articolo dimostra anche l’utilizzo del linguaggio e dell’ambiente OpenModelica, mostrandone la sua efficacia nelle applicazioni di modellazione e simulazione fluidodinamica.