Idraulica industriale

Per “idraulica industriale” si intende l’impiego di sistemi idraulici in applicazioni fisse e industriali per la trasmissione di forza ed energia tramite fluidi sotto pressione. A differenza dell’idraulica mobile, in questo ambito sono fondamentali il funzionamento continuo, l’elevata densità di potenza e il controllo preciso. L’idraulica industriale trova impiego in presse, macchine utensili, impianti di stampaggio a iniezione e in molti altri ambienti di produzione.

Nozioni di base e principio di funzionamento dell’idraulica industriale

L’idraulica industriale si basa sulla legge di Pascal: la pressione in un fluido confinato si propaga uniformemente in tutte le direzioni. Questo principio consente di convertire piccole forze in ingresso in grandi forze in uscita. Negli impianti idraulici industriali, una pompa genera la pressione, le valvole controllano la direzione e la portata, mentre i cilindri o i motori convertono l’energia idraulica in lavoro meccanico. Il circuito chiuso costituito da pressurizzazione, controllo e trasmissione della forza costituisce la spina dorsale di innumerevoli processi produttivi.

Circuito aperto e circuito chiuso

Nell’idraulica industriale, i progettisti distinguono fondamentalmente tra circuito aperto e circuito chiuso. Nel circuito aperto, la pompa aspira l’olio da un serbatoio e lo convoglia all’utenza attraverso le valvole di controllo. Da lì, l’olio rifluisce nel serbatoio. Questa configurazione è prevalente nella maggior parte delle applicazioni fisse, poiché è semplice da realizzare e di facile manutenzione. Nel circuito chiuso, l’olio rifluisce direttamente dal motore alla pompa senza passare attraverso un serbatoio. I circuiti chiusi vengono impiegati laddove sono richieste una struttura compatta e un’elevata precisione di regolazione, ad esempio nei sistemi di controllo della velocità e della coppia nei laminatoi o nei banchi di prova.

Differenze rispetto all’idraulica mobile

L’idraulica industriale e l’idraulica mobile condividono gli stessi principi fisici, ma si differenziano per diversi aspetti fondamentali. Il seguente confronto illustra le differenze principali:

L’idraulica industriale beneficia di condizioni ambientali controllate e può quindi puntare su una maggiore complessità e densità di potenza. Allo stesso tempo, aumentano i requisiti di affidabilità, poiché i fermi di produzione comportano costi considerevoli.

Componenti dell’idraulica industriale

Un sistema idraulico industriale è costituito da diversi gruppi funzionali che devono essere perfettamente coordinati tra loro. Ogni componente svolge un compito specifico all’interno del sistema complessivo.

Pompe idrauliche come fonte di pressione

La pompa costituisce il cuore di ogni impianto idraulico. Essa converte l’energia meccanica di azionamento in energia idraulica. Nell’idraulica industriale vengono utilizzati diversi tipi di pompe:

• Le pompe a ingranaggi si distinguono per la loro robustezza e i costi contenuti. Sono adatte ad applicazioni con portata costante e pressioni moderate.
• Le pompe a palette offrono una buona capacità di aspirazione e una portata uniforme. Si trovano spesso nei circuiti di comando e nei sistemi a bassa pressione.
• Le pompe a pistoni assiali raggiungono elevati livelli di efficienza e sono regolabili in modo continuo. Sono prevalenti nelle applicazioni che richiedono una regolazione dinamica della portata volumetrica e della pressione, ad esempio nelle presse a iniezione e nelle presse.

Le moderne pompe a pistoni assiali raggiungono rendimenti volumetrici superiori al 95% e funzionano a pressioni di esercizio comprese tra 250 e 400 bar. Le pompe variabili adattano la portata al fabbisogno effettivo, riducendo notevolmente il consumo energetico in condizioni di carico parziale.

Cilindri idraulici e motori idraulici

I cilindri convertono la pressione idraulica in movimento lineare, mentre i motori la convertono in movimento rotatorio. Entrambi i componenti determinano la potenza e il movimento erogati dall’impianto. Nell’idraulica industriale vengono utilizzati cilindri con corse che vanno da pochi millimetri a diversi metri, ad esempio nelle presse o nelle piattaforme elevatrici. I motori idraulici azionano gli azionamenti rotanti in miscelatori, argani o dispositivi di rotazione. I motori a pistoni radiali forniscono coppie di avviamento elevate a bassi regimi, mentre i motori a pistoni assiali sono adatti a regimi più elevati e a compiti di regolazione dinamica.

Valvole e blocchi di comando

Le valvole controllano la pressione, la portata e la direzione del flusso nell’impianto. Le valvole proporzionali e le servovalvole consentono una regolazione precisa e continua e costituiscono l’interfaccia tra il sistema di controllo elettrico e l’azionamento idraulico. Nei moderni impianti idraulici industriali, i progettisti integrano sempre più spesso queste valvole in blocchi di comando compatti, che raggruppano diverse funzioni e riducono la lunghezza delle tubazioni.

Componenti ausiliari

Oltre ai componenti principali, i dispositivi ausiliari garantiscono un funzionamento affidabile:

• gli accumulatori di pressione attenuano le fluttuazioni di pressione e forniscono energia per i picchi di carico.
• I filtri mantengono l’olio idraulico privo di particelle che causano l’usura di valvole e pompe.
• I radiatori dissipano il calore in eccesso, poiché la temperatura dell’olio in funzionamento continuo dovrebbe essere mantenuta tipicamente tra i 40 e i 60 gradi Celsius.
• Manometri e sensori forniscono i valori di misura relativi a pressione, temperatura e portata volumetrica necessari al sistema di controllo per la regolazione e la diagnostica.

Applicazioni tipiche dell’idraulica industriale

L’idraulica industriale trova impiego in quasi tutti i settori dell’industria manifatturiera. La gamma spazia da compiti di controllo di precisione fino ad applicazioni che richiedono una forza lorda di diverse migliaia di kilonewton.

Macchine utensili e tecnologia di stampaggio a iniezione

Nelle macchine utensili a controllo numerico (CNC), i sistemi idraulici garantiscono il serraggio, l’avanzamento e la movimentazione dei pezzi. Le presse a iniezione necessitano di sistemi idraulici per la chiusura dello stampo, il processo di iniezione e il movimento di espulsione. In questi casi sono richiesti tempi di commutazione rapidi e un’elevata precisione di ripetibilità.

Tecnica di formatura e presse

Le presse idrauliche operano con forze che vanno da diverse centinaia a diverse migliaia di tonnellate. Vengono impiegate nell’imbutitura profonda, nella stampigliatura e nella forgiatura. La regolazione continua della pressione e della forza consente un adattamento preciso al rispettivo processo di formatura.

Banchi di prova e simulatori

I banchi di prova per componenti, materiali o sistemi completi utilizzano l’idraulica per applicare carichi e movimenti definiti. I banchi di prova servoidraulici raggiungono un’elevata dinamica e precisione di regolazione, il che li rende indispensabili per le prove di fatica e le simulazioni di urto.

Altri campi di applicazione

Altre applicazioni tipiche si riscontrano nella lavorazione dell’acciaio, nell’industria cartaria e del legno, negli impianti per ascensori, nell’industria petrolchimica, nonché nell’automazione e nella robotica. Ovunque siano richieste forze elevate abbinate a un controllo preciso, l’idraulica industriale fornisce la soluzione adeguata.

Norme e regolamenti

La progettazione e il funzionamento degli impianti idraulici industriali sono soggetti a diverse norme e direttive. La norma principale è la DIN EN ISO 4413, che stabilisce le regole generali e i requisiti di sicurezza per gli impianti idraulici e i loro componenti. È armonizzata con la Direttiva Macchine 2006/42/CE e definisce i requisiti relativi alla progettazione, alla costruzione, al montaggio, al funzionamento e alla manutenzione.

Si applicano inoltre:

• DIN EN ISO 12100 per la valutazione dei rischi delle macchine
• Direttiva sulle attrezzature a pressione 2014/68/UE per recipienti a pressione e tubazioni a partire da 0, 5 bar
• DIN 20066 per i tubi flessibili
• DIN 24550 per i filtri idraulici
• DIN 24343 per le liste di manutenzione degli impianti idraulici

La marcatura CE di una macchina dotata di impianto idraulico presuppone l’esecuzione di una valutazione dei rischi secondo la norma ISO 12100 e il rispetto della norma di tipo C ISO 4413. I produttori redigono una dichiarazione di conformità CE e documentano le misure adottate nel fascicolo tecnico.

Requisiti di sicurezza secondo la norma DIN EN ISO 4413

La norma richiede, tra l’altro, che tutti i componenti siano progettati per la pressione massima di esercizio, comprese le pressioni d’urto che possono verificarsi. In ogni circuito devono essere presenti valvole limitatrici di pressione che limitino la pressione in modo affidabile. Le tubazioni e i tubi flessibili devono essere dimensionati in modo da resistere agli impulsi e posati in modo da evitare piegature o punti di sfregamento. I sistemi di controllo devono garantire uno spegnimento sicuro in caso di emergenza e tutti i componenti dell’impianto devono recare marcature con avvertenze e parametri di funzionamento.

Manutenzione e riparazione

L’affidabilità di un impianto idraulico industriale dipende in modo determinante dalla manutenzione. I fermi di produzione comportano costi elevati, motivo per cui la manutenzione preventiva e il monitoraggio dello stato sono la norma nel settore industriale.

Qualità dell’olio e filtrazione

La pulizia dell’olio idraulico è un fattore determinante per la durata di pompe, valvole e cilindri. Le particelle dell’ordine dei micrometri possono danneggiare i bordi di comando delle valvole proporzionali e rigare le superfici dei pistoni. Filtri con un grado di filtrazione adeguato, controllati e sostituiti regolarmente, mantengono la qualità dell’olio al livello richiesto. Il monitoraggio del grado di contaminazione dell’olio secondo la norma ISO 4406 fa parte delle procedure standard di manutenzione.

Gestione della temperatura

Durante il funzionamento continuo, l’olio idraulico si riscalda a causa della dissipazione di potenza. Temperature superiori a 60 gradi Celsius accelerano l’invecchiamento dell’olio e ne compromettono la viscosità, il che a sua volta aumenta le perdite e l’usura. I radiatori dell’olio e serbatoi di dimensioni adeguate mantengono la temperatura di esercizio entro i limiti consentiti.

Parti soggette a usura e intervalli di ispezione

Guarnizioni, cuscinetti e superfici di scorrimento sono soggetti a usura. Ispezioni regolari secondo le indicazioni del produttore e la documentazione conforme alla norma DIN 24343 garantiscono un funzionamento a lungo termine. I tubi flessibili hanno una durata limitata e devono essere controllati secondo le indicazioni della DGUV Information 061 e sostituiti entro i termini previsti.

Tendenze e sviluppi nell’idraulica industriale

L’idraulica industriale è in continua evoluzione. L’efficienza energetica, la digitalizzazione e l’integrazione di sistemi di controllo intelligenti guidano questo cambiamento.

Efficienza energetica e azionamenti elettroidraulici

Le pompe a portata variabile con motori elettrici a velocità regolabile riducono notevolmente il consumo energetico in condizioni di carico parziale. I gruppi servopompa regolano la portata e la pressione in base alle esigenze e riducono le perdite di potenza fino al 50% rispetto ai sistemi convenzionali con pompa a portata fissa e valvola di pressione. Questo sviluppo sta acquisendo sempre maggiore importanza, poiché i costi energetici e i requisiti di sostenibilità nel settore industriale sono in aumento.

Digitalizzazione e monitoraggio delle condizioni

I sensori rilevano pressione, temperatura, portata volumetrica e grado di contaminazione dell’olio direttamente sui componenti. Le interfacce compatibili con bus di campo trasmettono i dati a sistemi di controllo di livello superiore e piattaforme cloud. Il monitoraggio delle condizioni rileva tempestivamente l’usura e le anomalie, prima che si verifichino guasti. La manutenzione predittiva sta sostituendo sempre più quella a intervalli prestabiliti, aumentando la disponibilità degli impianti.

Integrazione e modularità

I moderni gruppi idraulici riuniscono pompa, serbatoio, filtro, radiatore e sistema di controllo in unità compatte e premontate. Ciò riduce lo sforzo di installazione in loco e migliora la riproducibilità. Allo stesso tempo cresce la domanda di soluzioni personalizzate, in grado di integrarsi perfettamente nei progetti di macchinari esistenti.

L’idraulica industriale rimane un vettore tecnologico centrale nella tecnica di produzione. La sua combinazione di elevata densità di potenza, regolazione precisa e struttura robusta la rende indispensabile per molte applicazioni, mentre gli attuali sviluppi in direzione dell’efficienza e della digitalizzazione ne garantiscono la sostenibilità futura.