1 centralina oleodinamica

I COMPONENTI OPERATORI ED ATTUATORI

I componenti operatori ed attuatori, in conseguenza agli alti valori di pressione ed alle non elevate portate in gioco, sono generalmente di tipo volumetrico, ossia con camere di lavoro chiuse. Essi si possono classificare in rotativi o lineari (rispettivamente per camera di lavoro ad elemento rotante o a stantuffo), ma è più usuale fare riferimento agli elementi costruttivi adottati per la realizzazione di tali camere a volume variabile. Si hanno così:

• macchine ad ingranaggi e a vite

• macchine a palette

• macchine a pistoni

• macchine lineari e semirotative.

Le macchine ad ingranaggi vengono utilizzate come pompe in molti circuiti relativamente semplici in quanto non hanno parti in movimento alternato e non necessitano di valvole di controllo. Esse vengono infatti collegate all’asse motore e forniscono portate dipendenti esclusivamente dalla velocità dell’asse. Come noto, le pompe ad ingranaggi sono pompe formate da una cassa entro la quale una coppia di ruote dentate (un pignone ed una ruota trascinata) ingrana trasportando fluido nel meato periferico fra i denti ed il corpo (pompa ad ingranaggi

esterni e pompe a lobi). Una configurazione alternativa è quella in cui le due ruote sono concentriche, ma non coassiali, una con ingranaggio esterno ed una con ingranaggio interno e un numero maggiore di denti (pompa ad ingranaggi interni). In questo caso il fluido rimane imprigionato fra i denti delle ruote.

Un aspetto importante di queste macchine è rappresentato dalle forze nette che si scaricano sull’asse e che non possono essere bilanciate. Questo fattore, assieme alla difficoltà di realizzare le tenute (sia laterali, sia fra i denti, sia ancora fra denti e cassa), ne rende meno opportuno (ed affidabile) l’uso alle alte pressioni. Per pressioni elevate si trovano applicazioni in serie, per portate elevate si hanno corpi identici via via più larghi. 

Le pompe a vite sono costituite da una cassa entro la quale ruotano più alberi con filettatura a vite: quando le viti sono due (moto sincronizzato da un accoppiamento meccanico fra gli assi) o tre (una di esse è conduttrice e le altre sono trascinate) i due principi delle viti trascinate (senso di filettatura contrario rispetto alla principale) e quello unico della vite conduttrice costituiscono, insieme alla cassa, dei vani chiusi che vengono trascinati verso la mandata. In queste pompe si può ottenere un certo bilanciamento laterale ed assiale e una maggiore silenziosità.

Il vantaggio delle pompe descritte è rappresentato dalla loro semplicità e dalla possibilità di essere collegate direttamente ad un motore elettrico (fino a 2000÷6000 rpm), gli svantaggi sono l’impossibilità di regolazione e la bassa efficienza. 

Raramente le macchine ad ingranaggi vengono utilizzate come motori. In genere a bordo si trovano pompe ad ingranaggi nei circuiti ausiliari delle pompe a portata variabile (per esempio per il riempimento dei circuiti), ma si possono trovare anche motori compatti ad ingranaggi esterni con camere di immissione del fluido regolabili in modo da poterne disattivare alcune per aumentare la velocità e ridurre il momento torcente (fino a valori di 750 rpm e 150 Nm a 125 bar). 

Nelle macchine a palette il volume di trasporto è generato da palette alloggiate radialmente nel corpo di un rotore eccentrico rispetto alla cassa: esse possono scorrere radialmente seguendo con l’estremità il profilo della cassa, alla quale sono tenute premute da molle e dalla forza centrifuga. Ogni coppia di palette delimita quindi, con il rotore e la parete della cassa una camera a volume variabile. La cassa può essere opportunamente sagomata per ottenere, ad ogni giro dell’albero, più cicli di lavoro per ogni coppia di palette, in modo da equilibrare i carichi radiali sul rotore e poter ottenere anche una regolazione discreta della velocità e del torcente (al massimo su tre valori diversi). 

Queste macchine vengono utilizzate come pompe accoppiate direttamente ad un motore elettrico e come motori. Anch’esse mostrano problemi di tenuta che si manifestano soprattutto nei motori quando, alle basse velocità o in condizione di stallo, la mancanza della forza centrifuga non è d’ausilio alle palette affinché esse aderiscano alla cassa. A bordo si trovano in diversi impianti quando è sufficiente effettuare un controllo discreto della velocità e assieme del torcente, infatti si possono usare motori a palette a 2 o 3 camere di immissione del fluido per ottenere, a parità di velocità di rotazione del motore, una bassa velocità con alto valore del torcente (3 camere in pressione) oppure un’alta velocità a scapito del torcente (1 camera in pressione). Lo stesso discorso vale per le pompe, nelle quali si può variare la portata in maniera discreta in funzione del numero di camere attive. Le applicazioni più tipiche sono per i macchinari di coperta dedicati ai servizi di ormeggio, ancoraggio e per il carico. 

Esistono anche pompe e motori a palette con regolazione continua della velocità, utilizzate per impianti a basse e medie pressioni. La regolazione si ottiene con lo spostamento eccentrico del rotore rispetto allo statore.

Una pompa simile a quella descritta è quella in cui il rotore porta una doppia camma che trasporta radialmente il fluido con l’ausilio di una coppia di palette fissate sulla cassa. 

In generale, per le pompe fin qui descritte l’uso è limitato dai problemi di tenuta, che aumentano nel tempo con l’usura degli elementi striscianti, e dal fatto che, proprio per le perdite elevatissime che si manifestano in posizione di arresto, si ha un notevole calo del rendimento volumetrico ed in definitiva calo della coppia a disposizione, a valori percentuali assai ridotti rispetto a quella a regime. In pratica con queste macchine si hanno basse coppie di avviamento e di stallo.

Le macchine a pistoni sono macchine in cui gli elementi operatori o attuatori sono pistoni disposti in maniere diverse, ci sono infatti macchine con pistoni in linea, a “V”, paralleli all’asse della macchina o ancora disposti su un piano ortogonale a detto asse.

Le macchine con pistoni in linea o a “V”, con un sistema di trasformazione del moto rettilineo in alternato tramite un meccanismo del tipo biella–manovella sono piuttosto complesse e, anche se si prestano per pressioni molto elevate, non hanno praticamente applicazione nell’oleodinamica navale, a causa proprio della complessità dei cinematismi, e quindi della minore affidabilità. 

Nelle macchine con pistoni assiali, questi sono disposti parallelamente all’asse di rotazione della macchina. In esse sia i pistoni che le relative cavità di scorrimento (cilindri) sono portati in rotazione dall’asse; le teste dei pistoni sono collegate ad un disco inclinato rispetto all’asse e realizzano perciò un ciclo completo, dal punto morto superiore a quello inferiore, ad ogni rotazione completa dell’asse; il fluido è immesso ed espulso da luci praticate sull’estremità dei cilindretti.

Con questa configurazione si possono ottenere perciò macchine a portata variabile facendo variare l’inclinazione del disco, ma esistono configurazioni più semplici a portata costante, nelle quali il disco è normale all’asse motore ed il blocco dei cilindri e dei pistoni è contenuto in una cassa inclinata. 

Queste macchine sono compatte e robuste, inoltre le tenute realizzate tra pistoni e cilindri possono essere molto efficaci; nel complesso sono macchine molto affidabili anche se necessitano di un sistema ausiliario di controllo dell’inclinazione del disco. Il grande vantaggio è indubbiamente quello di poter regolare con continuità la portata – esse vengono infatti usate a bordo come pompe collegate direttamente ad un motore elettrico – anche per installazioni in cui sono richieste alte pressioni di esercizio. Il tipo a pistoni assiali è infatti molto utilizzato in virtù delle alte pressioni di esercizio (fino a 300–400 bar) accoppiate a medie portate (fino a 350 l/min) e soprattutto alla possibilità di raggiungere velocità di rotazione all’asse tali da permettere l’accoppiamento diretto con il motore elettrico (3000÷4000 rpm). Con questa macchina si realizzano esclusivamente pompe. 

Nelle macchine con pistoni radiali i cilindri sono disposti su un piano perpendicolare all’asse di rotazione della macchina. Anche in queste macchine le pressioni di esercizio possono essere molto alte ma, in genere, le portate sono ridotte. Ciò comporta che queste macchine siano impiegate più favorevolmente come motori a bassa velocità di rotazione ed alto valore del torcente (slow–speed high–torque motors) – ma non mancano applicazioni come pompe, in alternativa a quelle con pistoni assiali.

I motori a pistoni radiali possono essere del tipo a superficie di guida interna o esterna: 

• nei primi, i pistoni disposti radialmente esercitano, a turno, una forza sulla camma fissata all’albero di rotazione della macchina; in essi i cilindri sono incernierati alla cassa, infatti non hanno l’asse fisso rispetto alla cassa poiché devono far si che l’estremità del pistone si adatti alla camma ad ogni angolo di rotazione.
• nei secondi, i pistoni esercitano una forza verso l’esterno, ovvero verso la cassa sulla quale è stato ricavato un profilo ondulato che svolge lo stesso ruolo della camma; in essi i pistoni ruotano con l’albero e con la cassa cilindri (si osservi che non ci sono masse eccentriche).

In ogni caso si deve avere moto di rotazione relativo fra la guida ed il blocco porta pistoni, è indifferente infatti che sia rotante il sistema di comando o il blocco motore, la scelta viene operata in base a ragioni d’ingombro, leggerezza, riduzione dei momenti d’inerzia, etc. 

Queste motori sono adatti alla trasmissione di movimenti a velocità limitate (al massimo 1÷1.5 m/s) e trovano applicazione a bordo nei sistemi di telecomando (comando a distanza delle valvole, etc.) e per tutti quegli utenti che necessitano di un controllo sicuro della posizione fra due posizioni estreme (freni a nastro, aperture di boccaporta, portelloni, etc.) oppure ancora per il controllo della posizione di elementi soggetti a carichi velocemente variabili in intensità e direzione (timoni e pinne di stabilizzazione).

Una interessante evoluzione degli attuatori a pistoni è quella degli attuatori semi–rotativi (detti “a palmole”), che realizzano spostamenti rotativi ma con angoli massimi limitati (esistono anche a cremagliera ma non trovano ormai utilizzo). Si tratta in pratica di una cassa cilindrica suddivisa da setti in più camere, all’interno un rotore munito di palette viene fatto ruotare per azione del fluido in pressione su un lato delle palette. La configurazione geometrica permette angoli massimi di rotazione di 280° con una sola camera e di 100° con due camere, ovviamente all’aumentare delle camere aumenta il torcente trasmesso. Questo motore offre il vantaggio di ottenere elevati momenti torcenti, sebbene a bassa velocità, con macchinari compatti e resistenti, prestandosi a sostituire i pistoni nelle timonerie.