Definizione di sistemi idraulici e pneumatici

Aggiornato l'8 febbraio 2019

di Jim Woodruff

Recensito da: Michelle Seidel, B.Sc., LL.B., MBA

I dispositivi idraulici e pneumatici sono tutti intorno a noi. Sono utilizzati nella produzione, nei trasporti, nelle attrezzature per il movimento terra e nei veicoli comuni che vediamo ogni giorno.

I freni della tua auto sono a comando idraulico; il camion della spazzatura che passa settimanalmente da casa tua usa la forza idraulica per compattare la spazzatura. Il tuo meccanico usa un sollevatore idraulico quando lavora sulla parte inferiore della tua auto.

Ugualmente diffusi sono i sistemi pneumatici. I camion e gli autobus utilizzano freni ad azionamento pneumatico. Gli imbianchini usano aria compressa per stendere la vernice. Sei mai stato irritato al mattino dal suono di un martello pneumatico? Questa è una macchina pneumatica al lavoro con aria compressa.

Nel 1647, il matematico francese Blaise Pascal sviluppò un principio della meccanica dei fluidi noto come legge di Pascal. Afferma che quando viene applicata pressione in qualsiasi punto in un fluido confinato, la pressione aumenterà ugualmente in ogni punto del contenitore. Per quanto contorto possa sembrare questo principio, è la base per il funzionamento di un sistema idraulico.

Supponiamo di avere un cilindro cavo che ha un pistone con un'area di 2 pollici quadrati e riceve una forza in ingresso di 100 libbre. Ciò si traduce in una pressione di 50 libbre per pollice quadrato (100 libbre/2 pollici quadrati).

Questa pressione viene trasmessa dal sistema di trasmissione idraulica a un altro cilindro, noto come attuatore, che ha un pistone con un'area di 6 pollici quadrati. A 50 psi, questo cilindro ora ha una forza di uscita di 300 libbre (50 psi X 6 pollici quadrati).

La legge di Pascal dà ai sistemi idraulici il loro vantaggio. Un input minimo a un piccolo dispositivo può comportare un'uscita di forza maggiore in un attuatore più grande. È un modo semplice per moltiplicare la forza di uscita sufficiente per gestire carichi di lavoro pesanti.

Poiché i sistemi idraulici possono funzionare a pressioni fino a diverse migliaia di psi, la forza di uscita sull'attuatore può essere enorme. Con questa maggiore potenza in uscita, l'attuatore meccanico ha ora la potenza per eseguire attività di sollevamento, spinta e movimento pesanti, come il movimento terra.

Un sistema idraulico utilizza una rete di trasmissione per trasportare un fluido in pressione che aziona gli attuatori idraulici. Il fluido idraulico riceve la sua pressione da una pompa azionata da un motore primo, come un motore elettrico o un motore a gas/diesel. L'olio pressurizzato viene filtrato, misurato e spinto fuori attraverso il sistema di trasmissione a un attuatore per eseguire alcune azioni. Successivamente, il fluido ritorna a bassa pressione in un serbatoio dove viene pulito e filtrato prima di tornare alla pompa.

I sistemi idraulici sono utilizzati negli impianti di produzione e produzione, come l'industria siderurgica e automobilistica, per azionare tutti i tipi di apparecchiature meccaniche. Sono utilizzati per spostare, spingere e sollevare materiali in settori come l'estrazione mineraria, il movimento terra e l'edilizia.

Olio idraulico – I fluidi idraulici non sono comprimibili e hanno bassi punti di infiammabilità.

Un serbatoio – Il serbatoio contiene il fluido per l'impianto. Ha spazio per l'espansione del fluido, lascia fuoriuscire l'aria intrappolata nel liquido e aiuta il liquido a raffreddarsi. Il fluido scorre dal serbatoio alla pompa, che lo espelle attraverso una rete di tubazioni e, infine, torna al serbatoio.

Dispositivi di filtraggio – Piccole particelle metalliche e altri corpi estranei di solito si insinuano nel fluido. Il sistema idraulico utilizza diversi filtri e filtri per rimuovere queste particelle estranee. La contaminazione dei fluidi è una delle fonti più comuni di problemi in un sistema idraulico.

Un primo motore – Per azionare la pompa del fluido vengono utilizzati motori elettrici o motori diesel alimentati a gas.

una pompa – La pompa aspira il fluido dal serbatoio e lo spinge attraverso una valvola di regolazione della pressione e fuori la rete di trasmissione agli attuatori.

Connettori – Una rete composta da tubi, tubazioni e tubi flessibili trasporta il fluido agli attuatori meccanici.

Valvole – Varie valvole controllano la quantità di flusso del fluido, la sua pressione e direzione.

attuatori – Gli attuatori sono i dispositivi che eseguono i movimenti di lavoro. Possono essere rotativi, come un motore idraulico, o lineari, come un cilindro.

Un sistema idraulico presenta numerosi vantaggi rispetto ai sistemi pneumatici e ad altri tipi di sistemi di azionamento meccanico perché:

• Utilizza piccoli componenti per trasferire grandi forze con una potenza costante.
• Dispone di attuatori in grado di posizionare con precisione.
• È in grado di avviarsi con carichi iniziali pesanti.
• Produce movimenti uniformi e regolari sotto carichi variabili poiché i fluidi non sono comprimibili e le portate possono essere controllate con precisione con le valvole.
• Offre una potenza costante a velocità moderate rispetto ai sistemi pneumatici.
• È facile da controllare e regolare con valvole di controllo della pressione, direzionali e di flusso.
• Dissipa il calore facilmente e rapidamente.
• Si comporta bene in ambienti caldi.

• Pompe, valvole, reti di trasmissione e attuatori sono costosi.
• Possono inquinare il luogo di lavoro con perdite, che possono causare incidenti o incendi.
• Non sono adatti per andare in bicicletta ad alta velocità.
• I fluidi idraulici sono sensibili alla contaminazione da sporco e devono essere testati regolarmente.
• Le rotture delle linee ad alta pressione possono causare lesioni.
• Le prestazioni dei fluidi idraulici sono una funzione delle variazioni di temperatura, che possono causare variazioni di viscosità.

I fluidi idraulici più comuni sono a base di oli minerali, polialfaolefine ed esteri fosfatici a causa della loro bassa comprimibilità. L'acqua non è adatta perché può congelare a basse temperature e bollire in ambienti ad alta temperatura. L'acqua può anche causare corrosione e ruggine.

1. Trasmettere potenza e forza attraverso le linee conduttrici agli attuatori per eseguire un movimento di lavoro.
2. Lubrificare i componenti, i dispositivi, le valvole e gli attuatori nel circuito.
3. Agire come refrigerante trasferendo il calore lontano da eventuali punti caldi nel sistema.
4. Sigillare gli spazi tra le parti in movimento per aumentare l'efficienza e ridurre il calore dovuto a perdite eccessive.

Alcune delle proprietà e delle caratteristiche di un fluido idraulico sono le seguenti:

Viscosità - La viscosità è la resistenza interna di un fluido al flusso. Aumenta con l'aumentare della temperatura. Un fluido idraulico accettabile deve essere in grado di fornire una buona tenuta a pistone, valvole e pompe ma non essere così denso da impedire il flusso del liquido.

I fluidi con viscosità elevate possono portare a perdite di potenza e temperature di esercizio più elevate. Un fluido troppo fluido può causare un'usura eccessiva di qualsiasi parte in movimento.

Stabilità chimica - Un fluido idraulico deve essere chimicamente stabile. Deve resistere all'ossidazione ed essere stabile in condizioni operative gravose, come le alte temperature. Il funzionamento per lunghi periodi ad alte temperature può accorciare la vita utile del fluido.

punto d'infiammabilità - Un punto di infiammabilità è la temperatura quando un fluido si trasforma in vapore in un volume sufficiente per accendersi o lampeggiare a contatto con una fiamma. I fluidi idraulici necessitano di un punto di infiammabilità elevato per resistere alla combustione e presentano un basso grado di evaporazione a temperature normali.

Punto di fuoco - Il punto di fuoco è la temperatura alla quale un fluido vaporizza in un volume sufficiente per accendersi se esposto a una fiamma e continuare a bruciare. Come per il punto di infiammabilità, un fluido idraulico accettabile deve avere un punto di fuoco elevato.

I sistemi pneumatici sono come i sistemi idraulici, ma utilizzano aria compressa invece di un fluido per trasmettere potenza. Si basano su una fonte costante di aria compressa per controllare l'energia e azionare i dispositivi di movimento.

Gli stabilimenti di produzione utilizzano l'aria compressa per azionare trapani e presse pneumatiche e per sollevare oggetti e spostare materiali. Le officine di fabbricazione utilizzano una macchina pneumatica per contenere i prodotti grezzi per le operazioni di saldatura, brasatura e formatura.

Compressore d'aria - Il compressore d'aria aspira aria dall'atmosfera, la pressurizza e immagazzina l'aria compressa in un serbatoio per il rilascio al sistema di trasmissione.

Primo pilota - Un motore principale, come un motore elettrico o un motore a gas, fornisce la potenza a un compressore d'aria.

Dispositivi di controllo - Le valvole regolano la pressione e controllano il flusso e la direzione.

Serbatoio d'aria - Un serbatoio contiene aria compressa per l'invio a dispositivi meccanici.

attuatori - Sono dispositivi che prelevano l'energia dall'aria compressa e la convertono in movimenti meccanici.

Sistema di trasmissione - Una rete di tubi e tubazioni trasporta l'aria compressa agli attuatori.

Efficienza - La fornitura di aria è gratuita e illimitata. L'aria compressa è facile da immagazzinare, trasportare e può essere rilasciata nell'ambiente senza trattamenti costosi.

Design semplice - La configurazione e i componenti di un sistema pneumatico hanno un design semplice e sono di facile manutenzione. Sono più resistenti e non si danneggiano facilmente.

La capacità di operare a velocità più elevate - I sistemi pneumatici possono azionare gli attuatori a cicli più rapidi, come nelle linee di produzione di imballaggi. I movimenti lineari e oscillanti sono facili da regolare utilizzando una valvola di regolazione della pressione per controllare la portata e la pressione.

Pulizia - Nessun rischio di fuoriuscita di fluidi idraulici che inquinano l'ambiente. I sistemi pneumatici sono preferiti nei luoghi di lavoro che richiedono elevati livelli di pulizia. I dispositivi per l'aria di scarico puliscono l'aria che viene rilasciata nell'atmosfera.

Meno costoso - I componenti pneumatici sono meno costosi e l'aria compressa è ampiamente disponibile nelle aree di produzione. I costi di manutenzione sono inferiori rispetto ai sistemi idraulici.

Più sicuro da usare - I sistemi pneumatici sono sicuri da usare in ambienti infiammabili senza pericoli di incendio o esplosioni. I componenti pneumatici non si surriscaldano e non prendono fuoco in caso di sovraccarico.

In grado di funzionare in ambienti difficili - Polvere, alte temperature e ambienti corrosivi hanno un effetto minore sui sistemi pneumatici rispetto a quelli idraulici.

Potenza ridotta - I sistemi pneumatici in genere funzionano a meno di 150 psi e forniscono una forza totale inferiore agli attuatori. I cilindri pneumatici sono generalmente piccoli e non hanno la potenza per movimentare carichi pesanti.

Rumoroso - I compressori d'aria generano più rumore e l'aria compressa è rumorosa quando viene rilasciata dagli attuatori.

Movimento approssimativo - Poiché l'aria è comprimibile, il movimento degli attuatori pneumatici può essere irregolare, il che riduce la precisione dei movimenti del sistema. Le velocità del pistone non sono uniformi. I movimenti idraulici sono più fluidi.

Necessità di pretrattamento dell'aria - Prima dell'uso, l'aria deve essere trattata per rimuovere le particelle di acqua e polvere. In caso contrario, l'aumento dell'attrito tra i dispositivi di controllo e i componenti in movimento consumerà la parte e richiederà una riparazione o sostituzione prematura.

Gli attuatori idraulici sono più adatti per operazioni che richiedono una forza elevata. Sono robusti e possono produrre forze fino a 25 volte maggiori di un attuatore pneumatico con pistone della stessa dimensione. I sistemi idraulici possono anche funzionare fino a 4.000 psi. Gli attuatori pneumatici sono generalmente inferiori a 150 psi.

La comprimibilità dell'aria e le perdite di carico riducono l'efficienza dei sistemi pneumatici. Il compressore deve funzionare continuamente per mantenere la pressione nelle linee anche quando gli attuatori non sono in movimento; i sistemi idraulici possono mantenere una pressione costante senza che la pompa sia in funzione.