Macchina da costruzione

Una macchina edile è un macchinario utilizzato nei lavori di movimento terra, nella costruzione di strade, nell’ingegneria civile o nell’edilizia, le cui funzioni primarie di azionamento e controllo si basano su sistemi idraulici. Le macchine edili idrauliche trasformano la pressione di un fluido in forza meccanica e movimento, consentendo così di gestire carichi difficilmente gestibili con azionamenti puramente meccanici.

L’idraulica come tecnologia di azionamento nelle macchine edili

Senza l’idraulica, le moderne macchine edili sarebbero inimmaginabili. L’idraulica fornisce l’elevata densità di potenza necessaria per sollevare carichi pesanti, smuovere il terreno o spostare intere macchine tramite cingoli. Un motore a combustione interna da solo non è in grado di svolgere direttamente questi compiti. Solo la conversione della potenza meccanica in energia di pressione idraulica e la sua distribuzione tramite valvole e tubazioni rendono possibili i molteplici movimenti di lavoro di una macchina edile.

In quasi tutte le macchine edili è presente un circuito idraulico centrale alimentato da una o più pompe. La pompa aspira l’olio idraulico dal serbatoio e lo convoglia ad alta pressione verso gli utenze. A seconda del tipo di macchina e del compito da svolgere, vengono utilizzati diversi tipi di circuiti, dai semplici circuiti aperti ai sistemi Load-Sensing, che regolano la portata in base alle esigenze, consentendo così un risparmio energetico.

Principali tipi di macchine edili e relativi sistemi idraulici

Il mondo delle macchine edili è variegato e ogni tipo di macchina pone requisiti specifici al sistema idraulico. Le sezioni seguenti forniscono una panoramica dei tipi più importanti e delle loro caratteristiche idrauliche.

Escavatore idraulico

L’escavatore idraulico è la macchina edile più diffusa in assoluto. Il suo attrezzo di lavoro caratteristico è costituito da braccio, avambraccio e benna, che vengono mossi esclusivamente da cilindri idraulici. Un sistema idraulico a doppio effetto alimenta i cilindri su entrambi i lati del pistone con olio in pressione, consentendo così potenti movimenti in avanti e indietro. Il movimento rotatorio della torretta avviene tramite un motore di rotazione e anche il cingolato è azionato idraulicamente. Gli escavatori moderni utilizzano pompe variabili con regolazione Load Sensing per distribuire la portata in base alle esigenze e ridurre il consumo di carburante.

Pale gommate

Le pale gommate utilizzano l’idraulica principalmente per il movimento di sollevamento e ribaltamento della benna. A differenza degli escavatori, in questo caso l’attenzione è rivolta a cicli di lavoro rapidi. La pompa idraulica deve fornire portate elevate affinché il cilindro sollevi e ribalti rapidamente la benna. In molte pale gommate, un motore idraulico aziona anche il telaio, consentendo una regolazione continua della velocità senza cambio meccanico.

Gru e apparecchi di sollevamento

Le gru sono tra le macchine edili con i più elevati requisiti di sicurezza per l’impianto idraulico. In questo caso non si tratta solo di potenza, ma anche di precisione e affidabilità. Il verricello di sollevamento è spesso azionato da un motore idraulico, mentre la regolazione del braccio e il puntellamento avvengono tramite cilindri. Le valvole di frenatura e le valvole di mantenimento del carico assicurano il carico in caso di perdita di pressione e impediscono un abbassamento incontrollato.

Bulldozer e rulli compressori

I bulldozer utilizzano cilindri idraulici per la regolazione dell’altezza e dell’inclinazione della lama. Nei rulli compressori l’idraulica viene impiegata per lo sterzo e l’azionamento delle vibrazioni. Un motore idraulico aziona lo sbilanciamento che fa vibrare il rullo e compatta così il terreno. Le pressioni di esercizio in queste macchine si aggirano solitamente tra i 200 e i 350 bar.

Componenti idraulici nelle macchine edili

Indipendentemente dal tipo di macchina, i sistemi idraulici delle macchine edili sono composti dagli stessi componenti di base. La scelta e il dimensionamento di questi componenti determinano le prestazioni della macchina.

Pompe idrauliche

La pompa è il cuore di ogni macchina edile idraulica. Nelle macchine pesanti come escavatori e gru predominano le pompe a pistoni assiali variabili, poiché sono in grado di adattare la portata in modo continuo alle esigenze. Nelle macchine più semplici vengono utilizzate anche pompe a ingranaggi, che sono economiche e robuste, ma hanno una cilindrata fissa. Le pressioni di esercizio tipiche vanno da 250 bar nelle macchine leggere a oltre 400 bar negli utensili idraulici come i martelli demolitori.

Cilindri idraulici

I cilindri idraulici convertono la pressione del fluido in movimento lineare. Azionano bracci, aste, benne e puntelli. Nelle macchine edili vengono utilizzati quasi esclusivamente cilindri a doppio effetto, poiché devono esercitare forza in entrambe le direzioni di movimento. I cilindri devono resistere a sollecitazioni elevate: carichi d’urto, forze laterali ed estreme variazioni di temperatura in cantiere.

Motori idraulici

I motori idraulici generano un movimento rotatorio dall’olio in pressione. Nelle macchine edili azionano trasmissioni a catena, meccanismi di rotazione, verricelli e soffianti. I motori a pistoni radiali a bassa velocità vengono utilizzati in applicazioni con coppia elevata a bassa velocità, ad esempio nei verricelli a fune. I motori a pistoni assiali coprono la gamma delle velocità medie e si trovano spesso negli azionamenti di traslazione e rotazione.

Valvole di controllo

Le valvole direzionali, le valvole di pressione e le valvole di flusso controllano e regolano la distribuzione dell’olio idraulico. Nelle moderne macchine edili, le valvole proporzionali elettroidrauliche stanno sostituendo sempre più i comandi puramente meccanici. Consentono un dosaggio più preciso della pressione e della portata e possono essere azionate tramite joystick e dispositivi di controllo elettronici. Le valvole load sensing adattano la pressione del sistema alla pressione di carico massima, riducendo così le perdite in condizioni di carico parziale.

Pressioni di esercizio e classi di potenza

La progettazione del sistema idraulico dipende dalla classe di potenza della macchina edile. Le macchine leggere, come i miniescavatori, funzionano con pressioni di esercizio intorno ai 250 bar e portate nell’ordine di pochi litri al minuto. Le macchine di peso medio, come gli escavatori da 20 tonnellate, operano a pressioni comprese tra 300 e 350 bar. Le macchine edili pesanti, come i grandi escavatori e le gru cingolate, raggiungono pressioni di 400 bar e oltre. Le pressioni limite del sistema sono determinate da valvole limitatrici di pressione, che si trovano a circa il 5-10% al di sopra della pressione nominale, al fine di assorbire i picchi di pressione.

Norme e prescrizioni di sicurezza

Gli impianti idraulici delle macchine edili sono soggetti a norme e regolamenti rigorosi, poiché un guasto può mettere in pericolo persone e macchine. La norma principale per i requisiti di sicurezza degli impianti idraulici è la DIN EN ISO 4413. Essa regola la struttura, il controllo e la protezione dei sistemi idraulici nelle macchine ed è integrata dalla norma DIN EN ISO 13849-1 per i componenti di controllo relativi alla sicurezza.

A livello europeo, la direttiva macchine 2006/42/CE richiede che le macchine siano progettate e costruite in modo tale da evitare i pericoli derivanti dall’energia idraulica. L’allegato I, punto 1. 5. 3, specifica i requisiti relativi alle tubazioni non metalliche, ai limitatori di pressione e alla protezione contro le perdite. Il nuovo regolamento UE sulle macchine 2023/1230 amplia questi requisiti e sostituisce la precedente direttiva.

In Germania si applicano inoltre il regolamento sulla sicurezza sul lavoro (BetrSichV) e la norma DGUV 113-020, che disciplina l’uso dei tubi flessibili idraulici e dei fluidi idraulici. Essa prescrive collaudi prima della prima messa in servizio e a intervalli regolari. La direttiva sulle attrezzature a pressione 2014/68/UE può essere applicabile anche a determinati componenti a pressione nel settore idraulico.

Manutenzione e riparazione

L’affidabilità di una macchina edile idraulica dipende in modo determinante dalla manutenzione del sistema idraulico. Le condizioni del cantiere, la polvere, gli sbalzi di temperatura e le sollecitazioni meccaniche mettono a dura prova i componenti.

Qualità dell’olio e filtraggio

La pulizia dell’olio idraulico è fondamentale per la durata di pompe, valvole e cilindri. Le impurità particellari causano usura abrasiva nelle fessure sottili delle valvole proporzionali e delle pompe. Analisi periodiche dell’olio e sostituzioni tempestive dei filtri mantengono la purezza dell’olio al livello richiesto. La finezza del filtro dipende dalla sensibilità dei componenti; per le valvole proporzionali sono comuni filtri con una finezza nell’ordine di pochi micrometri.

Tubi flessibili

I tubi flessibili idraulici sono parti soggette a usura che devono essere controllate e sostituite regolarmente. La norma DGUV 113-020 richiede un controllo visivo dei tubi flessibili per verificare la presenza di crepe, abrasioni, deformazioni e perdite. In caso di difetti visibili o dopo il superamento della durata di utilizzo raccomandata, i tubi devono essere sostituiti. La rottura di un tubo flessibile ad alta pressione può causare lesioni dovute alla fuoriuscita di olio ad alta pressione e incendi causati dal fluido idraulico surriscaldato.

Guarnizioni e parti soggette a usura

Le guarnizioni nei cilindri e nelle valvole si deteriorano a causa delle sollecitazioni termiche e meccaniche. Guarnizioni fragili o deformate causano perdite interne che riducono l’efficienza del sistema e possono rendere la macchina incontrollabile. Il controllo regolare e la sostituzione delle guarnizioni fanno parte del programma di manutenzione standard di ogni macchina edile.

Tendenze e sviluppi

L’idraulica nelle macchine edili continua a evolversi, spinta dalla necessità di efficienza, dai requisiti sulle emissioni e dai progressi dell’elettronica.

Elettroidraulica e load sensing

I sistemi elettroidraulici sostituiscono le catene di comando meccaniche con segnali elettronici e valvole proporzionali. Ciò migliora la precisione di comando e consente flussi di lavoro automatizzati. I sistemi load-sensing adattano la pressione di mandata e la portata della pompa al fabbisogno effettivo degli utenze. Ciò riduce notevolmente le perdite in funzionamento a carico parziale e abbassa il consumo di carburante.

Azionamenti ibridi ed elettrici

I primi produttori offrono macchine edili con propulsione elettrica o ibrida-elettrica. In queste macchine, la pompa idraulica è azionata da un motore elettrico anziché da un motore diesel. L’idraulica rimane il sistema di trasmissione della potenza, poiché fornisce la densità di potenza necessaria per i lavori di scavo e sollevamento. La combinazione di propulsione elettrica e controllo idraulico intelligente promette una significativa riduzione delle emissioni in cantiere.

Monitoraggio digitale

I sensori rilevano pressione, temperatura, portata e stato di usura direttamente sui componenti idraulici. I dati confluiscono in sistemi di controllo di livello superiore e piattaforme cloud e consentono una manutenzione basata sullo stato. Gli intervalli di manutenzione rigidamente prestabiliti lasciano così il posto a un approccio basato sulle esigenze, che riduce i tempi di fermo macchina e aumenta la disponibilità della macchina edile.