Circuito idraulico chiuso

Un circuito idraulico chiuso è un sistema di circolazione utilizzato in idraulica in cui il fluido idraulico circola direttamente tra la pompa e l’utenza, senza passare attraverso un serbatoio a pressione zero. La tubazione di ritorno del motore è collegata al lato di aspirazione della pompa, creando così un circuito di fluido chiuso su se stesso. I circuiti idraulici chiusi vengono utilizzati soprattutto laddove sono richieste elevata dinamica, struttura compatta e reversibilità continua.

Nozioni di base e funzionamento del circuito idraulico chiuso

Il circuito idraulico chiuso si differenzia sostanzialmente dal circuito aperto per il tipo di conduzione del fluido. Invece di scaricare l’olio in un serbatoio dopo ogni ciclo di lavoro, la tubazione a bassa pressione riporta il fluido direttamente al lato di aspirazione della pompa. Il sistema funziona come un circuito chiuso in cui l’olio idraulico scorre continuamente avanti e indietro tra la pompa e il motore. Il senso di rotazione e la velocità dell’utenza possono essere controllati esclusivamente tramite la regolazione della pompa, senza bisogno di valvole direzionali.

Generazione di pressione e conduzione del fluido

La pompa, di norma una pompa a cilindrata variabile del tipo a pistoni assiali, convoglia l’olio ad alta pressione al motore. Il motore converte l’energia idraulica in energia meccanica di rotazione e reimmette l’olio sul lato a bassa pressione verso la pompa. Poiché in questo circuito non è presente un serbatoio di grandi dimensioni che funga da tampone, la pressione del sistema deve essere regolata attivamente su entrambe le linee. Le pressioni di esercizio tipiche nei circuiti idraulici chiusi sono comprese tra 300 e 450 bar; in applicazioni speciali si possono raggiungere pressioni fino a 500 bar.

Ruolo della pompa di reintegro

Un circuito idraulico chiuso non può funzionare senza componenti supplementari, poiché inevitabili perdite dalla pompa e dal motore sottraggono volume di fluido dal circuito. La pompa di reintegro, solitamente di tipo costante, compensa questo volume differenziale. Essa convoglia olio fresco da un piccolo serbatoio di riserva al lato a bassa pressione del circuito, mantenendo così la pressione minima. Le pressioni di reintegro tipiche sono comprese tra 10 e 30 bar. Questa pressione di precarica impedisce la cavitazione sul lato di aspirazione della pompa principale e garantisce che il circuito rimanga sempre completamente riempito di fluido.

Componenti di un circuito idraulico chiuso

Oltre alla pompa e al motore, il circuito idraulico chiuso richiede diversi componenti aggiuntivi che ne garantiscono il funzionamento e la protezione. Ciascuno di questi componenti svolge una funzione specifica, che nel circuito aperto è svolta dal serbatoio o da sistemi di valvole più semplici.

Valvola di spurgo

La valvola di lavaggio scarica una parte dell’olio riscaldato dal lato a bassa pressione del circuito e lo convoglia al serbatoio di riserva attraverso un radiatore. Poiché nell’impianto a circuito chiuso l’olio non circola attraverso un serbatoio, manca la dissipazione naturale del calore. Senza la valvola di lavaggio, la temperatura dell’olio aumenterebbe continuamente, modificandone la viscosità e riducendo la durata dei componenti. La quantità di olio fresco reimmessa sostituisce contemporaneamente l’olio caldo scaricato, garantendo così un ricambio continuo.

Valvole limitatrici di pressione

Le valvole limitatrici di pressione su entrambi i lati del circuito proteggono il sistema da picchi di pressione non consentiti. Soprattutto in caso di inversioni rapide o di improvvisi cambiamenti di carico possono verificarsi picchi di pressione di breve durata che sovraccaricano i componenti. Le valvole si aprono al raggiungimento della pressione limite impostata e deviano l’olio dal lato ad alta pressione a quello a bassa pressione. In molte versioni queste valvole sono integrate direttamente nella pompa o nel motore.

Valvole di non ritorno

Le valvole di non ritorno sulla linea di reintegro assicurano che l’olio di reintegro fluisca sempre nella linea che in quel momento si trova sul lato a bassa pressione. Poiché in caso di inversione di direzione i lati ad alta e bassa pressione si scambiano, le valvole di non ritorno devono seguire automaticamente questa commutazione. Allo stesso tempo impediscono che l’olio in pressione rifluisca dal circuito principale nella linea di reintegro.

Circuito idraulico chiuso rispetto al circuito aperto

Il confronto tra circuito chiuso e circuito aperto mostra i rispettivi punti di forza e di debolezza di entrambi i concetti. La scelta del concetto di circolazione del circuito dipende dai requisiti della rispettiva applicazione.

Il circuito aperto offre vantaggi nelle applicazioni più semplici con più utenze, poiché un serbatoio centrale garantisce l’alimentazione di olio a tutti i circuiti. Il circuito idraulico chiuso è ideale nei casi in cui un singolo azionamento richiede elevata dinamica ed efficienza energetica.

Campi di applicazione del circuito idraulico chiuso

I circuiti idraulici chiusi si trovano sia nell’idraulica mobile che negli impianti industriali fissi. I requisiti comuni di queste applicazioni sono un’elevata densità di potenza, una regolazione continua della velocità e della coppia, nonché la capacità di inversione rapida.

Idraulica mobile

Nell’idraulica mobile, i circuiti idraulici chiusi dominano negli azionamenti di marcia di pale gommate, escavatori e caricatori telescopici. Anche gli azionamenti dei verricelli su gru e navi, nonché gli azionamenti di rotazione dei meccanismi di rotazione, funzionano con questo concetto di circuito. La struttura compatta senza serbatoi di grandi dimensioni rappresenta un vantaggio decisivo sui veicoli in cui lo spazio di installazione e il peso sono limitati. Il controllo continuo della marcia tramite la regolazione della pompa consente manovre e frenate precise tramite l’idraulica, riducendo l’usura dei freni meccanici.

Impianti industriali fissi

Nelle applicazioni fisse, i circuiti idraulici chiusi vengono utilizzati su presse, macchine per lo stampaggio a iniezione e laminatoi. Anche i banchi di prova e gli impianti di collaudo utilizzano questo concetto quando sono richiesti tempi di ciclo rapidi e profili di movimento riproducibili. I riduttori industriali e gli azionamenti per ventilatori traggono vantaggio dall’elevata efficienza e dalla reversibilità del senso di rotazione senza valvole direzionali aggiuntive. Nelle fonderie e nei laminatoi, sistemi compatti con un volume d’olio minimo consentono azionamenti ad alte prestazioni in spazi limitati.

Controllo e regolazione nel circuito idraulico chiuso

Il controllo di un circuito idraulico chiuso avviene principalmente tramite la regolazione della pompa principale. L’angolo di rotazione della pompa a pistoni assiali determina la direzione di mandata e la portata volumetrica, controllando direttamente il senso di rotazione e la velocità del motore. Questo accoppiamento diretto tra la regolazione della pompa e il comportamento del motore consente tempi di reazione brevi e un’elevata qualità di regolazione.

Comando idraulico

Nel caso di un comando puramente idraulico, il meccanismo di regolazione della pompa viene azionato tramite pressioni di comando. Le valvole DA (valvole di pressione e di flusso) regolano la regolazione in funzione della pressione del sistema e del comportamento di marcia desiderato. Questa soluzione viene spesso utilizzata in semplici azionamenti di marcia, dove non è necessario un comando elettronico.

Regolazione elettroidraulica

I moderni circuiti idraulici chiusi utilizzano sempre più spesso regolazioni elettroidrauliche. Le valvole proporzionali controllano il meccanismo di regolazione della pompa sulla base di segnali elettrici provenienti da un sistema di controllo di livello superiore. Ciò consente l’integrazione in sistemi automatizzati che raggiungono e monitorano con precisione i punti di funzionamento. I sensori rilevano pressione, temperatura e velocità in tempo reale e mettono i dati a disposizione del sistema di controllo per la regolazione adattiva. La regolazione elettroidraulica migliora l’efficienza, poiché il punto di funzionamento della pompa può essere mantenuto costantemente nell’intervallo ottimale.

Manutenzione e riparazione

La manutenzione di un circuito idraulico chiuso richiede particolare attenzione, poiché l’olio circola continuamente nel circuito e le impurità non possono depositarsi nel serbatoio come nel circuito aperto. Le particelle circolano nel sistema fino a quando non vengono catturate dal filtro o causano danni.

Qualità dell’olio e filtrazione

La purezza dell’olio è più critica nel circuito idraulico chiuso che nel sistema aperto. La linea di rabbocco è il punto centrale per la filtrazione, poiché qui tutto l’olio fresco rabboccato passa attraverso il filtro. Sono indispensabili elementi filtranti di alta qualità con un grado di finezza adeguato. Analisi periodiche dell’olio forniscono informazioni sulle particelle di usura, sul contenuto d’acqua e sulle variazioni di viscosità.

Gestione della temperatura

Poiché il circuito idraulico chiuso non offre un raffreddamento naturale tramite un serbatoio di grandi dimensioni, la temperatura dell’olio deve essere monitorata e regolata attivamente. La valvola di spurgo scarica una portata definita di olio riscaldato dal circuito e lo convoglia al serbatoio di riserva attraverso un radiatore dell’olio. Il dimensionamento del radiatore deve essere adeguato alla potenza dissipata. In caso di raffreddamento insufficiente, la temperatura dell’olio aumenta, il che riduce la viscosità, diminuisce la capacità di sostegno del film lubrificante e, in ultima analisi, provoca danni ai componenti.

Monitoraggio delle perdite

La quantità di reintegro è un indicatore diretto dello stato del circuito. Se il fabbisogno di reintegro supera il valore usuale di circa il 5-10% della portata volumetrica principale, ciò indica un aumento delle perdite interne, che possono essere dovute all’usura di pistoni, dischi di comando o guarnizioni. Il monitoraggio continuo della portata di reintegro consente una manutenzione basata sulle condizioni e previene guasti imprevisti.

Vantaggi e svantaggi del circuito idraulico chiuso

La scelta di un circuito idraulico chiuso comporta vantaggi e svantaggi specifici che i progettisti devono valutare in fase di progettazione.

Vantaggi

• Elevata efficienza energetica: la pompa eroga solo la portata effettivamente necessaria. A carico parziale e a macchina ferma, il consumo energetico si riduce notevolmente rispetto ai sistemi aperti con pompe a portata costante.
• Struttura compatta: l’assenza di un serbatoio di grandi dimensioni riduce notevolmente l’ingombro e il peso dell’impianto.
• Inversione rapida: l’inversione del senso di rotazione avviene esclusivamente tramite la regolazione della pompa, senza dover commutare valvole direzionali. Ciò riduce i tempi di reazione.
• Regolazione precisa: la velocità e la coppia possono essere regolate in modo continuo e sensibile, il che è indispensabile per compiti di guida e posizionamento impegnativi.
• Recupero dell’energia di frenata: in caso di carichi in discesa, il motore può funzionare come pompa e reimmettere l’energia di frenata nel circuito.

Svantaggi

• Maggiore complessità del sistema: i componenti aggiuntivi necessari, come la pompa di reintegro, la valvola di spurgo e le valvole di ritegno, aumentano i costi di progettazione e messa in servizio.
• Capacità limitata di alimentare più utenze: un circuito idraulico chiuso alimenta di norma una singola utenza. Per più utenze sono necessari circuiti separati o complessi collegamenti aggiuntivi.
• Requisiti più elevati in termini di purezza dell’olio: le impurità circolano nel sistema e possono causare danni se non vengono filtrate tempestivamente.
• Ricerca dei guasti più complessa: lo stretto accoppiamento dei componenti e la mancanza di controllo visivo sul serbatoio rendono la diagnosi più complessa rispetto ai sistemi aperti.

Norme e standard

I requisiti di sicurezza per gli impianti idraulici con circuito idraulico chiuso sono regolati dalla norma DIN ISO 4413. Questa norma stabilisce i requisiti per la limitazione della pressione, la gestione delle perdite, la marcatura e la messa in servizio. Inoltre, si applicano i requisiti generali relativi ai fluidi idraulici in termini di viscosità, stabilità termica e classe di purezza. Produttori come Bosch Rexroth, Danfoss e Liebherr offrono indicazioni di progettazione dettagliate per i circuiti idraulici chiusi che vanno oltre i requisiti normativi e contengono regole di dimensionamento collaudate nella pratica.