EN
Il sistema idraulico non può fare a meno di componenti fondamentali quali pompe idrauliche, valvole idrauliche, motori idraulici e cilindri idraulici. Qualcuno potrebbe chiedere: poiché l'acqua è ovunque e a basso costo, possiamo utilizzarla direttamente al posto dell'olio idraulico?
La risposta è: teoricamente, funzionerebbe, ma le conseguenze non sarebbero ideali. È come usare una normale bicicletta per trainare un camion: può muoversi qualche volta, ma non ci si può aspettare né prestazioni né durata. Esaminiamo i motivi da cinque punti di vista riportati di seguito.
1. Lubrificazione insufficiente
Principio: L'olio idraulico forma un film oleoso stabile sulla superficie metallica (lubrificazione fluida / lubrificazione elastofluida), trasformando il contatto diretto tra metalli in una sollecitazione di taglio "olio-olio", riducendo notevolmente l'usura e la generazione di calore. L'acqua forma difficilmente un film e la sua capacità di lubrificazione limite è quasi nulla.
Scala di riferimento: viscosità dinamica dell'acqua a 20 ° C ≈ 1 MPa · s; la viscosità dinamica dell'olio idraulico ISO VG 32 a 40 ° °C è approssimativamente pari a 25–30 mPa · s (con lievi variazioni in funzione della densità). L'acqua è 20–30 volte più fluida rispetto agli oli idraulici comunemente utilizzati.
Zone soggette a problemi:
Usura, grippaggio e incollamento della piastra laterale e delle superfici dei denti della pompa a ingranaggi;
Rigature e colorazione bluastra sulla superficie di attrito tra la punta delle pale della pompa a palette e l'anello fisso;
Attrito secco tra la superficie di accoppiamento del cilindro del pistone e quella del pistone nella pompa a pistoni assiali, nonché tra la superficie dello scarpino e il disco inclinato;
Il piccolo gioco tra lo stelo della valvola e il corpo valvola (dell'ordine di pochi micrometri) può diventare "sfilacciato" e bloccarsi dopo la perdita della lubrificazione.
Esempio
Eseguire una prova con una pompa a pistoni a bassa portata da 25 MPa utilizzando acqua pulita: anche in assenza di carico, può verificarsi un rapido aumento di temperatura e un forte rumore anomalo entro decine di minuti o alcune ore; ispezionando il componente, si riscontra che la superficie della scarpa scorrevole è graffiata e che l’estremità del pistone presenta macchie nere e blu.
Se la pompa a palette perde il film lubrificante, dopo poche ore di funzionamento emette un fischio acuto e la pressione non raggiunge il valore nominale; dopo lo smontaggio, si osservano evidenti «scanalature» sui bordi delle palette.
2. Problemi di corrosione
Principio: l’acqua contiene ossigeno disciolto ed elettroliti, elementi che favoriscono la corrosione elettrochimica; contemporaneamente, essa promuove la corrosione localizzata (pitting) e la corrosione da fessura. L’acqua può inoltre causare l’assorbimento idrico e il conseguente rigonfiamento dei comuni materiali per guarnizioni/elastomeri (ad es. NBR, PU, ecc.), accelerandone l’invecchiamento.
Zone soggette a problemi: corrosione localizzata (pitting) sulla superficie di contatto tra nucleo della valvola e corpo valvola → aderenza e strisciamento; Lo strato cromato sulla verga del pistone del cilindro oleodinamico è corroso e il labbro di tenuta si è affilato; Corrosione sulla piastra laterale e sulla parete interna della carcassa della pompa a ingranaggi → particelle abrasive che entrano nel circuito; L'elemento di tenuta (NBR/PU) assorbe acqua, riduce la durezza e subisce variazioni dimensionali, causando un aumento delle perdite. Esempio: se le attrezzature esterne non vengono svuotate e asciugate tempestivamente dopo essere state immerse in acqua, il nucleo della valvola può sviluppare una leggera ruggine entro tre-cinque giorni, manifestandosi con ritardo nell’azionamento e vibrazioni all’avviamento. Alcune presse ad iniezione collegano erroneamente l’acqua di raffreddamento al circuito idraulico, provocando comparsa di macchie di ruggine sul corpo del cilindro già dopo pochi giorni, seguite da graffi sul labbro di tenuta dovuti alla corrosione per pitting e un brusco aumento delle perdite d’olio.
3. Rischio di cavitazione
Principio: l'acqua ha un basso punto di ebollizione e un'elevata pressione di vapore. Non appena la pressione locale all'ingresso della pompa scende al di sotto della pressione di vapore dell'acqua, quest'ultima si vaporizza formando bolle; tali bolle collassano immediatamente nella zona ad alta pressione, generando microgetti e onde d'urto che creano cavità (punti di cavitazione) simili a quelle prodotte dalla sabbiatura. Scala di riferimento: la pressione di vapore dell'acqua a 60 ° °C è pari a circa 20 kPa, molto più elevata rispetto alla pressione di vapore dell'olio idraulico; pertanto, la cavitazione è più probabile che si verifichi nelle stesse condizioni di aspirazione. Zone particolarmente soggette a problemi: zona superiore dei denti della pompa a ingranaggi – area di ingresso della piastra laterale, camera di ingresso della pompa a palette, finestra di aspirazione della piastra distributrice della pompa a pistoni; aree locali a bassa pressione nei punti di strozzamento e negli spigoli vivi.
Esempio
Una pompa a ingranaggi da 30 L/min, quando funziona con acqua a 1500 giri/min e con un tubo di aspirazione lungo o un elemento filtrante fine, produce un «suono simile a carta vetrata / ronzio». Dopo alcuni giorni, la piastra laterale presenterà corrosione localizzata (pitting) e fossette a forma di mezzaluna, e l’efficienza volumetrica scenderà dal 90% al 60–70%.
L’apertura ridotta della valvola limita la portata del mezzo acquoso. In condizioni di alta temperatura, sulla punta e sulla sede della valvola si riscontrano comunemente fossette di pitting a forma di ago, causando un aumento delle perdite interne e del rumore.
4. Principio della viscosità insufficiente: La tenuta e il controllo delle perdite nei sistemi idraulici dipendono fortemente dalla viscosità del mezzo. In termini semplici, la perdita laminare QleakQ_ {\text{leak}} Qleak nel gioco è approssimativamente proporzionale a 1/\mu μ 1/\mu μ (quando la geometria e la differenza di pressione sono costanti). Quando il mezzo viene cambiato da 30 mPa · s a 1 mPa · s, la perdita teorica può aumentare di diverse decine di volte.
5. Principio della sensibilità alla temperatura: Quando l’acqua congela a 0 °C ° C, il suo volume si espande di circa il 9%, causando crepe in parti o tubazioni a parete sottile; A temperature elevate, l'evaporazione si intensifica e la pressione di vapore aumenta, portando a una maggiore frequenza di cavitazione e a fluttuazioni di pressione. L'olio idraulico è dotato di additivo miglioratore della viscosità in funzione della temperatura e di antiossidante, con un ampio campo di temperatura di esercizio.
Impatto sul campo: basse temperature: congelamento → crepe all'aspirazione della pompa/al corpo della pompa; L'impatto è particolarmente significativo al momento dell'avviamento, provocando la rottura della "labbro di tenuta"; Alte temperature: cavitazione frequente e cavitazione all'ingresso della pompa; Aumento delle oscillazioni di pressione e del rumore, con conseguenti rapide fluttuazioni dei componenti di comando.
Esempio
L'attrezzatura esterna nel nord ha registrato temperature inferiori allo zero durante la notte, e l'acqua residua nella tubazione si è ghiacciata. Il giorno successivo, all'avviamento, sono comparse microfessure sul corpo della pompa a ingranaggi;
Nel sito di colata continua siderurgica, in un ambiente di 60-70 °C ° C, il circuito di prova che utilizza acqua come mezzo sperimenta frequentemente rumore all’estremità della pompa e caduta di pressione a temperature elevate. Solo dopo il ritorno all’etilenglicole acquoso il sistema ha raggiunto una stabilità appena accettabile.
Conseguenza diretta: diminuzione significativa dell’efficienza volumetrica (più marcata alle pressioni più elevate); aumento lento della pressione e avanzamento strisciante del carico; l’intercettazione interna del nucleo della valvola aumenta, causando una differenza nella pressione statica del sistema e un incremento del riscaldamento. Esempio: utilizzando l’acqua come mezzo, una pompa a ingranaggi con pressione nominale di 20 MPa riesce ancora a ruotare a vuoto, ma non è in grado di raggiungere la pressione richiesta sotto carico di 8–10 MPa; sostituendo la stessa pompa con olio VG46, la pressione viene ripristinata a 18–20 MPa. Componenti quali le valvole proporzionali servocomandate, estremamente sensibili a piccoli giochi, presentano gravi perdite alla posizione zero e deriva quando vengono utilizzati con mezzi a bassa viscosità, rendendo difficile stabilizzare il loop di posizione.
Sulla base dei punti di vista che ho esposto, i motori idraulici sono ancora più compatibili con l'olio idraulico.
Tuttavia, va osservato che nel settore esistono fluidi idraulici a base acquosa (HFA/HFB/HFC, ad esempio glicole etilenico in acqua), nonché pompe/valvole/dispositivi di tenuta e sistemi di materiali appositamente progettati per tali fluidi (acciaio inossidabile/placcatura al nichel, ceramica, EPDM/PTFE, ecc.). Questo rientra tuttavia nell'ambito dell'ingegneria di sistemi specializzati e non è sufficiente semplicemente sostituire il sistema a olio esistente con uno a base acquosa.