sistemi idraulici&pneumatici

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sistemi idraulici&pneumatici

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  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    1/118

    Bibliografia di

    riferimento:

    Bibliografia diBibliografia di

    riferimento:riferimento:DE

    Ing. Luca PugiIng. Luca Pugi

    H. Speich A.Bucciarelli Manuale di OleodinamicaG. Belforte Manuale di PneumaticaMerritt, H.E.Hydraulic Control Systems

    G. Legnani, M.Tiboni, R.Adamini: Meccanica degli AzionamentiG.G. Lisini ServomeccanismiAppunti del prof. Puddu (universit di Cagliari)Appunti corso di Oleodinamica del prof. P.Davoli (POLIMI)

    Appunti del corso di azionamenti del prof Roberto Oboe (universitdi Trento)www.wikipedia.org ;siti produttori: Moog, Festo, Bosch Rexroth,Etel, Baldor, H2W, etc.

    H. Speich A.Bucciarelli Manuale di OleodinamicaG. Belforte Manuale di PneumaticaMerritt, H.E.Hydraulic Control Systems

    G. Legnani, M.Tiboni, R.Adamini: Meccanica degli AzionamentiG.G. Lisini ServomeccanismiAppunti del prof. Puddu (universit di Cagliari)Appunti corso di Oleodinamica del prof. P.Davoli (POLIMI)

    Appunti del corso di azionamenti del prof Roberto Oboe (universitdi Trento)www.wikipedia.org ;siti produttori: Moog, Festo, Bosch Rexroth,Etel, Baldor, H2W, etc.

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Azionamenti a Fluido-breve introduzione-Versione Aggiornata al 22-11-2007

    Azionamenti a FluidoAzionamenti a Fluido--breve introduzionebreve introduzione--

    Versione Aggiornata al 22Versione Aggiornata al 22--1111--20072007

    DE

    Ing. Luca PugiIng. Luca Pugi

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Azionamenti a FluidoAzionamenti a Fluido

    Con il termine azionamento a fluido vengono genericamenteindicati tutti qui dispositivi di azionamento/trasmissione il cuifunzionamento si basa sullutilizzo di un fluido che posto in

    pressione da uno o pi gruppi di generazione viene distribuitoallinterno della macchina attraverso un opportuno sistema ditubazioni ed utilizzato per azionare una o pi utenze locali.

    Il principale vantaggio di questa tecnologia risiede nella

    possibilit di trasmettere in maniera semplice (assenza dimolti vincoli tipici di altri tipi di trasmissioni meccaniche) econ ingombri spesso contenuti forze e/o potenze rilevanti.

    Un ulteriore importantissimo vantaggio dato dalla facilitcon cui risulta possibile regolare il pilotaggio degli attuatoriintervenendo su pressione/portata del fluido motore contecnologie relativamente semplici (es.valvole)

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    Azionamenti a Fluido: es. escavatoreAzionamenti a Fluido: es. escavatore

    Generazionecentralizzata del fluido

    in pressione (olio)

    Regolazione di ciascungiunto tramite valvole che

    regolano il flusso delfluido nelle camere degli

    attuatori

    ModelloAMESIM

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    Azionamenti a Fluido: es. attuatoriAzionamenti a Fluido: es. attuatori

    Cilindri Pneumatici

    Motore Idraulico

    Cilindro Idraulico

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    Azionamenti a Fluido:

    Idraulica e pneumatica

    Azionamenti a Fluido:

    Idraulica e pneumatica

    fluido incomprimibile (liquidoes. olio)

    Fluido motore

    fluido comprimibile (gases.aria)

    Sistemi

    Idraulici oOleodinamici

    SistemiPneumatici

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    Azionamenti a Fluido:

    Idraulica e pneumatica

    Azionamenti a Fluido:

    Idraulica e pneumaticaFluido Incomprimibile: un fluido incomprimibile se la sua densitrisulta indipendente dalla pressione cui sottoposto, la maggior parte dellesostanze liquide (es.acqua,olio) utilizzate in campo industriale si

    comportano approssimativamente come fluidi incomprimibili.

    Fluido comprimibile: un fluido comprimibile quando una variazionedella pressione cui sottoposto provoca una apprezzabile variazionedella sua densit. Il fluido comprimibile largamente pi utilizzato per gli

    azionamenti laria. Laria una miscela di gas diversi in cui prevalgonolargamente Azoto ed Ossigeno. In condizioni tipiche di esercizio ilcomportamento dellaria studiato utilizzando il ben noto modello di GasPerfetto.

    Azionamento Idraulico/Oleodinamico:un azionamento a fluido sidefinisce Idraulico se il fluido utilizzato di tipo IncomprimibileAzionamentoPneumatico:un azionamento a fluido si definiscePneumatico se il fluido utilizzato comprimibile, nella quasi totalit dei

    casi laria ad essere utilizzata.

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    Idraulica vs. pneumatica

    (comprimibilt del fluido)

    Idraulica vs. pneumatica

    (comprimibilt del fluido)

    PV RT =

    PNEUMATICA/GAS(Aria) IDRAULICA/LIQUIDO(OLIO)

    Legge gas perfetto:

    2

    RTV

    P

    RPdT RTdPdV

    P

    dV dT dP

    V T P

    =

    =

    =

    0&Modellazione della

    comprimibilit elastica del fluidoattraverso il bulk modulus (valoritipici 10000-20000 Bar):

    B

    VE P dV=

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    Fluidi incomprimibiliFluidi incomprimibili

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    Legge di BernoulliConservazione energia applicata a flussi monodimensionali

    incomprimibili (o approssimativamente tali)

    Legge di BernoulliConservazione energia applicata a flussi monodimensionali

    incomprimibili (o approssimativamente tali)

    } }

    }

    }

    }

    . .

    . 2

    . .

    2

    gh costante2

    gh costante

    2

    quotae cinetquota quota

    barometrica grav

    quotae cinet

    p statica

    p totale

    vp

    vp

    + + =

    + + =14243

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    Idraulica vs. pneumatica

    (bulk modulus)

    Idraulica vs. pneumatica

    (bulk modulus)

    ( ) ( ) ( )1 2 3 11

    11

    1 2 3 11 22 33 1 2 3 11

    11 22 33

    11 22 33

    1 1 1 3

    :

    B

    l l lVE P

    dV l l l l l l

    dove

    = = + + +

    = =

    = =

    1 1 1 1 11 1 1 b tuboreale

    reale b tubo b tubo b tubo

    E EEE E E E E E E

    + + + +

    Bulk modulus effettivo (ced. Tub.)(espressione approssimata risp. ad una condizione di rif.)

    Bulk modulus effettivo (ced. Tub.)(espressione approssimata risp. ad una condizione di rif.)

    ( )calcolato tenendo conto della sola def. della tubazionetubotubotubo

    PVE

    V

    =

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    Tensioni e deformazioni sutubazioneTensioni e deformazioni sutubazioneIpotesi di tubo con spessore sottile stato di tensione membranale

    (valida per tubi sottili)

    trP

    }

    }/

    /

    11 22

    0

    1sin ; 0

    2 2

    incastrato libero chiusoaperto

    dipende vincoli estremit

    r rrP d P P

    t t t

    = = 14444244443

    11 22

    ( )( )11 11 22 33

    11 11 11 11

    1;

    (1 ) (1 )(1 ) (1 2 )tubo tubo

    tubo

    EV dV

    r dr r V

    = +

    ++ = + + + +

    Trascurando eventuale allungamento tubazione vincolata conincastro alle estremit

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    Tensioni e deformazioni sutubazioneTensioni e deformazioni sutubazione

    11 11

    11

    ;

    2tubo

    tubo

    rP E

    tdV

    V

    = =

    112 2rtubo

    tubo

    tubo

    V P EtE P

    dV =

    Conseguenze importanti:

    1)Cedevolezza tubazioni viene talvolta modellata riducendoleggermente bulk modulus fluido.

    2)Contributo tubazioni pu essere significativo al crescere diametro esoprattutto in presenza di collegamenti flessibili dove inevitabileminore rigidezza.

    3)Pressione max di esercizio e pressione di burst delle tubazioni (constesse caratt.) diminuiscono al crescere del diametro delle stesse.

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    Idraulica vs. pneumaticaIdraulica vs. pneumatica

    Energia/Lavoro di compr./espansioneaccumulato in un fluido (sist. chiusi):

    Lavoro necessario per pompare il

    fluido (sist. Aperti/lav. con deflusso):

    2

    1

    V

    a

    V

    L PdV=

    2

    1

    P

    p

    PL VdP=

    A causa della grande variazione di volume associata lenergia perunit di volume associata alla compressione/espansione di un fluido

    risulta molto maggiore se questo comprimibile.Questo ha una serie di conseguenze importanti dal punto di vistaimpiantistico (es. max pressione esercizio, capacit di accumulo e

    sovvraccarico dellimpianto)

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Idraulica vs. pneumatica lavoro di

    compressione

    Idraulica vs. pneumatica lavoro di

    compressione

    1

    k

    p

    v

    pv costante

    k isoterma

    ck adiabatica

    c

    =

    = =

    = =

    v

    p

    Incomprimibile

    Iso-Entropica

    Iso-Terma

    Conseguenza: per unit di volume di fluido in pressione

    se fluido incomprimibile, Lp minimo, La nullo

    2

    1

    P

    p

    P

    L VdP= 2

    1

    V

    a

    V

    L PdV=

    Refrig. Isobara(serb.mpianto)

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Es. di ciclo reale (comp. alternativo)Es. di ciclo reale (comp. alternativo)

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    Idraulica vs. pneumatica lavoro di

    compressione

    Idraulica vs. pneumatica lavoro di

    compressioneSupponendo trasformazioni di tipo politropico (PVk=costante) sipossono simulare trasformazioni di tipo diverso (isotermo-adiabatico

    etc) E possibile dimostrare la compressione energeticamente piefficiente per lutilizzo industriale quella corrispondente ad unatrasformazione di tipo isotermo. Dal punto di vista pratico assaidifficile realizzare materialmente stadi di compressione isoterma. Perquesto motivo nel caso di compressori a singolo stadio latrasformazione approssimativamente adiabatica ed il fluido siraffredda miscelandosi allinterno dei serbatoi di accumulo dellimpiantoo in appositi scambiatori. In caso di compressori multistadio ilraffreddamento del fluido avviene in appositi scambiatori tra stadio e

    stadio; La trasformazione termodinamica equivalente diventa unasequenza di compressioni adiabatiche alternati a raffreddamenti circaisobari del fluido.

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    Inter-refrigerazione in soluzioni multi

    stadio (comprimibili)

    Inter-refrigerazione in soluzioni multi

    stadio (comprimibili)

    1

    k

    p

    v

    pv costante

    k isoterma

    ck adiabatica

    c

    =

    = =

    = =

    v

    pisoterma

    Inter-refrig.

    adiabatica

    adiabatica

    2

    1

    P

    p

    P

    L VdP=

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Idraulica vs. pneumaticaIdraulica vs. pneumatica

    Conseguenza Pratica:

    1. Comprimibile:Gruppo generazione aria lavora in modo

    da mantenere costante la pressione(con una certa isteresi per

    aumentare vita e ridurre consumi)entro serbatoio di accumulo,sfruttando in alcuni casi la capacit stessa dellimpianto.Il compressore spesso lavora in modo intermittente.

    2. Incomprimibile: Tradizionalmente il generatore lavora inmodo continuo spesso a portata costante, elementi diaccumulo servono per ridurre transitori, valvole

    limitatrici di pressione dissipano per laminazioneenergia/portata in eccesso.

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Idraulica vs. Pneumatica:

    vantaggi della non tossicit dellaria

    Idraulica vs. Pneumatica:

    vantaggi della non tossicit dellariaGli impianti Pneumatici fanno uso di un fluido laria che non tossico e che pu essere restituito senza particolari trattamentiallatmosfera(ovvio!). Questo comporta una serie di vantaggie differenze in termini impiantistici non indifferenti:

    1)Limpianto pu essere aperto: laria dopo aver svolto il suo lavoroespandendosi pu essere scaricata direttamente in atmosfera, non

    sono necessarie tubazioni di ritorno al gruppo di generazione (cosache peraltro risulterebbe problematica visto lenorme variazione divolume associata alla espansione del fluido).

    2)Eventuali perdite/trafilamenti di fluido (peraltro pi facili a parit di

    pressione) non sono particolarmente pericolosi poich aria ininfiammabile, non tossica. Quindi pneumatica si presta allarealizzazione di macchine per tutti quei settori come ad esempio

    industria alimentare dove pulizia e prot. contaminanti sono importanti

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Esempio di Impianto PneumaticoEsempio di Impianto Pneumatico

    Regolazionecon isteresi

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    Es. Trattamento condense e

    particelle olio

    Es. Trattamento condense e

    particelle olio

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Idraulica: Accoppiamento

    Centralina-Carico

    Idraulica: Accoppiamento

    Centralina-CaricoTradizionalmente la centralina che produce olio in pressione lavora in modocontinuo: Lenergia accumulata come lavoro di compressione in un liquido praticamente nulla quindi la centralina deve continuamente adattare la

    portata di fluido in pressione erogata alle richieste dellutenza. Eventualiaccumulatori (a gas o meccanici) possono essere utilizzati per ridurre effettinegativi durante i transitori o per ridurre dimensioni centralina (es.applicazione presse idrauliche). Gli accumulatori sono cavit in cui pressionedellolio viene utilizzata per accumulare energia meccanica in componenti

    capaci di resituirla quali ad esempio volumi elastici riempiti con gas(tip. Ariao Azoto), molle e/o altri elementi elastici. In impianti con pompe a cilindratafissa portata di olio in che non pu essere smaltita da accumulatori vienelaminata e fatta ritornare al serbatoio. Pompe a cilindrata variabile pilotate infunzione della pressione di impianto rappresentano soluzione per aumentareefficienza e flessibilit della centralina.Attenzione Accumulatori servono a ridurre effetti negativi anche difluttuazioni di portata della pompa (es. pulsazioni tipiche di pompe a pistoni)

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Esempio di Impianto oleodinamico(Generazione Olio con pompa cilindrata fissa)

    Esempio di Impianto oleodinamico(Generazione Olio con pompa cilindrata fissa)

    Generazione Olioin pressione

    Esempio di utenza

    Filtro

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Esempio di Impianto oleodinamico(Generazione Olio con pompa cilindrata variabile)

    Esempio di Impianto oleodinamico(Generazione Olio con pompa cilindrata variabile)

    Esempio di utenza

    Generazione Olioin pressione

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Idraulica vs. Pneumatica:

    Refrigerazione del fluido

    Idraulica vs. Pneumatica:

    Refrigerazione del fluidoNegli Impianti idraulici il fluido per effetto direndimenti/laminazioni/perdite di carico si riscalda (una parte della

    energia meccanica viene convertita in calore).

    Spesso raffreddamento fluido avviene attraverso pareti tubazioni,ma soprattutto nel serbatoio della centralina ove la miscelazionecon del fluido proveniente dalle utenze con quello accumulato nel

    serbatoio contribuisce a stabilizzare temperatura impianto.In alcune applicazioni lenergia dissipata nel fluido elevata(applicazioni caratterizzate da concomitanza di alte pressioni edelevate portate).

    Nel caso si voglia risparmiare pesi ed ingombri il serbatoio puessere molto ridotto o addiritura assente. Pu rendersi necessariain questi casi la presenza di opportuni refrigeratori.Ulteriori problemi possono sorgere in caso di cavitazione delfluido (occore garantire pressione minima olio non scenda sottosoglia minima).

    E i di I i l di iE i di I i t l di i

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Esempio di Impianto oleodinamico(Impianto chiuso senza accumulatori, modello semplificato

    AMESIM)

    Esempio di Impianto oleodinamico(Impianto chiuso senza accumulatori, modello semplificato

    AMESIM)

    Scambiatore dicalore

    utenzaInversione motoottenuta conintervento suclindrata pompa

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Pompe idraulichePompe idrauliche

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Pompe idrauliche: esempiPompe idrauliche: esempi

    A palette (macchina rotativa) A ingranaggi esterni

    (m. rotativa)

    Pistoni radiali

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Pompe idrauliche:esempiPompe idrauliche:esempi

    Pistoni assiali

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Pompe idrauliche /compressoriPompe idrauliche /compressori

    Pompe utilizzate in idraulica sia a cilindrata variabile sia fissa sonoprevalentemente di tipo volumetrico. Nelle Macchine volumetriche la portata difluido elaborata proporzionale ai giri della pompa. Si definisce cilindrata dellapompa il volume di fluido elaborato per giro. Le macchine volumetriche sono

    distinte tra rotative e alternative o a pistoni, in ragione del diverso motoutilizzato per spingere il fluido. Luso di pompe dinamiche/turbomacchine incampo idraulico piuttosto limitato se non per applicazioni caratterizzate daelevate portate/basse prevalenze e limitato per lo pi a macchine di tipo radiale.Anche in pneumatica macchine dinamiche sono utilizzate pi spesso in

    applicazioni che richiedono portate relativamente alte rispetto alla prevalenzarichiesta . Diffusi sono i compressori rotativi a vite. Per piccole utenze quali adesempio piccoli compressori da officina le portate richieste sono spessorelativamente piccole favorendo anche in pneumatica luso di compressorivolumetrici a pistoni

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    CompressoriCompressori

    Pmaxpi comuniper applicazioniautomazione

    M hi i li di li

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Macchine assiali e radialiMacchine assiali e radiali

    Radiale Assiale

    Ul i i i di hi

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    34/118

    Ulteriori esempi di macchine

    volumetriche rotative:

    Ulteriori esempi di macchine

    volumetriche rotative:

    Compressorea vite

    C i S h i iC i S h i ti

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Compressori Schema riassuntivoCompressori Schema riassuntivo

    Id li P tiIdraulica vs Pneumatica:

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Idraulica vs. Pneumatica:

    Pressione di esercizio

    Idraulica vs. Pneumatica:

    Pressione di esercizioIn un liquido (es. olio) il volume approssimativamentecostante quindi si possono ottenere delle pressioni moltoelevate (anche 500bar) con potenze modeste e variazioni

    volumetriche molto piccole.In un gas (aria) alla compressione associata una grandevariazione di volume che rende poco agevole e convenientelaumento della pressione di esercizio oltre i dieci/quindici bar.

    (i trafilamenti risulterebbero eccessivi, rendimenti inaccettabili)

    Vista la maggiore pressione diesercizio e la incomprimibilit delfluido un apparato oleodinamico a

    parit di forza erogata risulter

    molto meno ingombrante

    F PA=

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Idraulica vs. Pneumatica:

    conseguenze comprimibilit su rendimento attuatori

    Idraulica vs. Pneumatica:conseguenze comprimibilit su rendimento attuatori

    ( )atmF P P A=

    v

    p

    x

    Vcilindro=Ax

    ( )utile atm cilindroL P P V=

    Energia dissipatadurante scarico

    cilindro

    Se il fluido comprimibileuna parte dellenergiautilizzata per comprimerlo

    non viene utilizzata percompiere lavoro utile mapersa al momento delloscarico dellaria in

    atmosfera!!!!!!

    Id li P tiId li P ti

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Idraulica vs. Pneumatica:Applicazione del principio di Pascal/Facilit di ottenere rapporti di

    trasmissione elevatissimi (es. Torchio idraulico)

    Idraulica vs. Pneumatica:Applicazione del principio di Pascal/Facilit di ottenere rapporti di

    trasmissione elevatissimi (es. Torchio idraulico)

    A1 A2F2F1

    PP

    1 1 1

    2 2 2

    1 2

    2 1

    0

    F PA A

    F PA Av A

    sev A

    = =

    = =&

    v1 v2

    P

    P

    F4F3

    PP

    A3

    A4

    3 3 4 4

    3 3

    4 4

    ; ;

    ;

    F PA F PA

    F A

    F A

    = =

    =

    Ripartizione delle forze traattuatori in parallelo

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Idraulica vs. Pneumatica:Applicazione del principio di Pascal/Facilit di ottenere rapporti di

    trasmissione desiderati

    Idraulica vs. Pneumatica:

    Applicazione del principio di Pascal/Facilit di ottenere rapporti ditrasmissione desiderati

    Conseguenza semplificare al masimo sistemi di trasmissioneriducendo necessit di riduttori e/o altri sistemi per accoppiare curve

    carico con motore primo.

    Esempio tipico Accoppiamento utenza-attuatore-pompa motore:

    Utenza : vincere un carico resistente noto F muovendone punto

    di applicazione con velocit nota v per una corsa l

    Attuatore : Cilindro idraulico con corsa l una volta stabilit la

    pressione di impianto P la portata di Olio Q necessaria semplicemente Q=A(area attuatore)*v. Agendo su P e quindisu A dellattuatore molto facile adattare attuatore al tipo diapplicazione richiesto.

    Idraulica vs Pneumatica:Idraulica vs Pneumatica:

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Idraulica vs. Pneumatica:Applicazione del principio di Pascal/Facilit di ottenere rapporti di

    trasmissione desiderati

    Idraulica vs. Pneumatica:Applicazione del principio di Pascal/Facilit di ottenere rapporti di

    trasmissione desiderati

    Pompa : Nota la portata Q che deve essere erogata e lapressione P del fluido (P e Q possono essere maggiorate pertener conto di rendimenti e trafilamenti) La potenza Idraulicaerogata dalla Pompa pari a Widr=P*Q la potenza meccanicanecessaria per attivare la pompa pari a Wmecc:

    La potenza meccanica richiesta proporzionale alla cilindrata

    della pompa cc ed alla velocit angolare

    idr

    mecc

    v m

    WW

    =

    meccW cc =

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    Idraulica vs. Pneumatica:Applicazione del principio di Pascal/Facilit di ottenere rapporti ditrasmissione desiderati

    Idraulica vs. Pneumatica:

    Applicazione del principio di Pascal/Facilit di ottenere rapporti ditrasmissione desiderati

    Motore : In certi alcune caratteristiche del motore (es. numero di giri)o coppia massima sono fortemente limitate. Es. Motori asincronivelocit di funzionamento tipiche dipendono numero di poli (3000rpm 1500rpm 1000rpm 750rpm).

    In realt per facilitare accoppiamento tra pompa e motore senzabisogno di riduzioni si si pu scegliere ad esempio un motorecapace di erogare potenza richiesta e variare cilindrata pompa di

    conseguenza (ad esempio) sfruttando la relazione seguente:

    Inoltre variando cilindrata pompa (pompe cilindrata variabile) risultabanale realizzare una variazione continua del rapporto ditrasmissione

    mecc

    W C =

    meccW C cc C cc = = =

    Id li P i

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    Idraulica vs. Pneumatica:Applicazione del principio di Pascal/Facilit di ottenere rapporti ditrasmissione desiderati

    Idraulica vs. Pneumatica:

    Applicazione del principio di Pascal/Facilit di ottenere rapporti ditrasmissione desiderati

    m: rendimento idromeccanico (meccanico) rapporto trapressione reale ed ideale sviluppale in assenza ditrafilamenti (tiene conto di attriti/rendimenti)

    v: rendimento volumetrico rapporto tra portata realmente

    smaltita dalla pompa e portata teorica calcolate con lemedesime pressioni.(tiene conto di perdite, trafilamenti,effetti indesiderati della comprimibilit)

    t====v * m:rendimento totale rapporto potenza idraulicarealmente erogata e potenza meccanica assorbita

    I tre rendimenti sovra-esposti risultano variabili in funzione

    di prevalenza e numero di giri

    Rendimento totale di pompe/motoriRendimento totale di pompe/motori

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    Rendimento totale di pompe/motori

    idraulici

    Rendimento totale di pompe/motori

    idraulici

    esempio di curve iso-rendimento di macchina idraulica

    Rendimento totale di pompe/motoriRendimento totale di pompe/motori

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    Rendimento totale di pompe/motori

    idraulici

    Rendimento totale di pompe/motori

    idraulici

    esempio di curve di rendimento di macchine idrauliche

    Idraulica vs Pneumatica:Idraulica vs. Pneumatica:

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    Idraulica vs. Pneumatica:

    Vantaggi dellincomprimibilit

    Idraulica vs. Pneumatica:

    Vantaggi dellincomprimibilit

    pistoneQ Av=

    Luso di un fluido incomprimibile presenta svariativantaggi/svantaggi (che saranno illustrati nei lucidi seguenti)uno delle propriet pi importanti quella di permettere di

    controllare con facilit la velocit dellattuatore o di piattuatori in parallelo controllando la portata di fluido erogata

    Q

    1 1 2 2

    2 1 2 1

    Q A v A v

    A A v v

    = =

    = =

    Q

    1 22

    Idraulica vs Pneumatica:Idraulica vs. Pneumatica:

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    Idraulica vs. Pneumatica:

    Vantaggi dellincomprimibilit/2

    Idraulica vs. Pneumatica:

    Vantaggi dellincomprimibilit/2

    1A

    Luso di un fluido incomprimibile permette la realizzazioni diconfigurazioni rigenerative con questo termine si intendonoconfigurazioni come quella riportata in figura dove le due

    camere di un attuatore a doppio effetto/singolo stelo sonocollegate tra loro. Tale configurazione consente la realizzazionedi velocit di avanzamento elevate anche in presenza di pompedi dimensioni ridotte. Lattuatore risultante a singolo effetto

    Q

    ( )1 2

    1 2

    Qv

    A AF P A A

    =

    =

    1 2A

    Idraulica: configurazioneIdraulica: configurazione

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    Idraulica: configurazione

    rigenerativa

    Idraulica: configurazione

    rigenerativaEsempio in cui si sfruttaconfigurazione rigenerativa perottenere avanzamento rapido

    attuatore

    12 3

    Valvola in posizione 1:

    1

    1

    ;Q

    v F PA

    A

    = =

    Valvola in posizione 2:

    ( )1 21 2

    ;Q

    v F P A A

    A A

    = =

    Valvola in posizione 3:

    2

    2

    ;Q

    v F PA

    A

    = =

    F

    Idraulica: configurazioneIdraulica: configurazione

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    Idraulica: configurazione

    rigenerativa

    g

    rigenerativa

    Idraulica: configurazioneIdraulica: configurazione

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    Idraulica: configurazione

    rigenerativa Conf.1

    g

    rigenerativa Conf.1Se valvola A si trova inposizione 3 e valvola B inposizione 2a cilindro avanza con

    velocit v esercitando forza F

    v

    1

    1

    ;Q

    v F PAA

    =

    1 23

    A

    B

    1a2a

    Idraulica: configurazioneIdraulica: configurazione

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    g

    rigenerativa Conf.2

    g

    rigenerativa Conf.2Se valvola A si trova inposizione 3 e valvola B inposizione 1a cilindro avanza con

    velocit v esercitando forza F

    v

    ( )1 21 2

    ;Q

    v F P A A

    A A

    =

    1 23

    A

    B

    1a 2a

    Idraulica: configurazioneIdraulica: configurazione

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    g

    rigenerativa Conf. 3

    g

    rigenerativa Conf. 3Se valvola A si trova inposizione 1 e valvola b inposizione 2a cilindro avanza con

    velocit v esercitando forza F

    2

    2

    ;Q

    v F PAA

    =

    1 23

    A

    B

    1a2a

    v

    Idraulica: configurazioneIdraulica: configurazione

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    g

    rigenerativa : esempi di risultatisimulazione1&2

    g

    rigenerativa : esempi di risultatisimulazione1&2SpostamentiPressioni Camera 1 cilindro

    Idraulica: configurazioneIdraulica: configurazione

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    g

    rigenerativa : esempi di risultatisimulazione1&2&3

    g

    rigenerativa : esempi di risultatisimulazione1&2&3Spostamenti

    Idraulica vs. Pneumatica:Idraulica vs. Pneumatica:

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    Vantaggi dellincomprimibilit/3Vantaggi dellincomprimibilit/3Generazione di movimenti sequenziali: la incomprimibilit delfluido rende facile la generazione di movimenti sequenzali utilicome nellesempio sottostante:

    Sequenza realizzata:

    Avanzamento cilindro 1

    Fondo corsa 1

    Avanzamento 2

    Commutando la valvola 4/3:

    Ritorno cilindro 2

    Fondo corsa 2

    Ritorno cilindro 1

    Idraulica vs. Pneumatica:Idraulica vs. Pneumatica:

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    Vantaggi dellincomprimibilit/3Vantaggi dellincomprimibilit/3

    1

    Fondocorsa2 inf.

    Difetto di questo schema molto semplice che in questafase posizione cilindro 2 non garantita da p.olio che pu

    esercitare forze limitate, ma solo da attrito e/o altra azione dicentraggio/stabilizzazione meccanica

    Idraulica vs. Pneumatica:Idraulica vs. Pneumatica:

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    Vantaggi dellincomprimibilit/3Vantaggi dellincomprimibilit/3

    2Fondocorsa

    1 sup.

    Idraulica vs. Pneumatica:Idraulica vs. Pneumatica:

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    Vantaggi dellincomprimibilit/3Vantaggi dellincomprimibilit/33

    Difetto di questo schema molto semplice chein questa fase posizione cilindro 1 non

    garantita da p.olio ma solo da attrito e/o altra

    azione di centraggio/stabilizzazione meccanica

    Fondocorsa1 sup.

    Idraulica vs. Pneumatica:Idraulica vs. Pneumatica:

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    Vantaggi dellincomprimibilit/3Vantaggi dellincomprimibilit/3

    4

    Fondocorsa2 inf.

    Idraulica vs. PneumaticaVantaggi dellincomprimibilit/3

    rau ca vs. neumat caVantaggi dellincomprimibilit/3

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Vantaggi dell incomprimibilit/3Vantaggi dell incomprimibilit/3

    Valvola di sequenzaValvola di sequenza

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    qq

    Schemasemplificato

    Simbolo

    Esempio di applicazione

    Valvola di non ritornoValvola di non ritorno

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    61/118

    Valvola di non ritornoValvola di non ritorno

    Schema semplificato

    Simbolo grafico ( simbolo mollaindica presenza precarico su sfera)

    Esempi di applicazioni: valv. limitatrici portataEsempi di applicazioni: valv. limitatrici portata

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    se p d app ca o a tat c po tatap pp p

    La valvola 1 viene utilizzata per limitare Velocit massima disollevamento del carico mentre la 2 quella di discesa,applicazione utile in presenza di carichi variabili

    Esempi di applicazioni: valvole pilotate dapressioni impianto

    Esempi di applicazioni: valvole pilotate dapressioni impianto

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    63/118

    pressioni impiantopressioni impianto

    bloccaggio cilindro in caso diavaria viene ottenuto con valvoladi ritegno pilotata in pressione. La

    velocit del carico in fase didiscesa viene limitata da valvolaregolatrice di portata (schemamolto usato per apparecchi

    sollevamento)

    Esempi di applicazioni: valvole pilotate dapressioni impianto

    Esempi di applicazioni: valvole pilotate dapressioni impianto

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    64/118

    pressioni impiantopressioni impianto

    Luso di valvole di ritegnopilotate in pressione permette ilbloccaggio stabile del cilindroin posizioni intermedie.

    Quando infatti la valvola si trovain posizione centrale entrambi irami del circuito vengono messi

    a scarico.

    Entrambe le valvole di ritegnovengono quindi attivate

    impedendo allalio di uscire dallecamere dellattuatore.

    Incomprimibilit olio assicurastabilit

    Esempi di applicazioni: valvole pilotate dapressioni impianto

    Esempi di applicazioni: valvole pilotate dapressioni impianto

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    pressioni impiantopressioni impianto

    Esempio analogo al precedentein cui valvole di ritegno pilotate

    in pressione sono utilizzate perassicurare bloccaggio stabile diattuatore rotante.

    Valvole di massima pressione

    sono utilizzate per ridurresovrapressioni eccessivedellimpianto nel caso di arrestorapido di forti carichi inerziali

    Idraulica vs. Pneumatica:Idraulica vs. Pneumatica:O

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    Propagazione Onde Pressione (piccole perturbazioni)Propagazione Onde Pressione (piccole perturbazioni)

    In qualsiasi fluido sia comprimibile sia incomprimibile le ondedi pressione si propagano ad una velocit pari a quella delsuono. Per impianti di piccole dimensioni o quando sono

    richieste prestazioni dinamiche particolari la velocit con cui sipropagano le onde di pressione pu rappresentare un fattoredeterminante.La velocit del suono per un gas perfetto pari a:

    *

    340 / ( 20 )v kRT m s aria C = In un liquido/solido la velocit del suono pu essere espressain funzione del modulo di elasticit del materiale e della densit,nellolio questa pu variare in funzione di diversi fattori

    comunque risulta almeno cinque-dieci volte maggiore cionellordine di :

    * 3 31*10 / 5*10 /

    Ev m s

    =

    Idraulica vs. Pneumatica:Idraulica vs. Pneumatica:Li i i i di ( di b i i)

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    Limitazioni di portata (grandi perturbazioni)Limitazioni di portata (grandi perturbazioni)

    La capacit di un sistema a fluido di rispondere rapidamente spesso condizionata non tanto dalla velocit di propagazione dionde di pressione infinitesime quanto dalla capacit del

    sistema di smaltire portate adeguate di fluido. Anche in questocaso un fluido incomprimibile risulta molto spesso superiore. Infatti, un aumento di pressione allinterno dellimpianto richiedelimmissione allinterno dellattuatore di volumi piccoli o

    trascurabili. Se sono richieste forti velocit di avanzamento percorse prolungate la viscosit del fluido motore e le perdite dicarico ad essa associate possono essere un fattore fortementelimitante (soluzioni ridurre perdite di carico tra sorgente fluido

    ed utenza utilizzare accumulatori in prossimit utenza etc.)

    Corse e velocit elevate:Corse e velocit elevate:

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    calcolo perdite di carico per circuitiidraulicicalcolo perdite di carico per circuitiidrauliciIn talune condizioni di esercizio possono essere richieste

    allattuatore elevate velocit di avanzamento su corseprolungate. In questi casi le perdite di carico sulle tubazionipossono giocare un ruolo decisivo negli impianti oleodinamiciIl calcolo di perdite di carico distribuite normalmente

    argomento noto e proposto in altri corsi si ritiene comunqueopportuno fornire a studente valori indicativi (tubi in acciaiotrafilato considerati lisci), Unit in SI(MKS) [fonte H.SpeichManuale oleodinamica]

    4

    64 (adiabatico)Re

    Re 2300 laminare75

    (isotermo)ReRe

    0.316Re 2300

    Re

    v d

    turbolento

    = ==

    > =

    21

    2

    lp v

    d =

    Corse e velocit elevate:Corse e velocit elevate:

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Diagramma di MoodyDiagramma di Moody

    Corse e velocit elevate:calcolo perdite di carico per circuiti idraulici

    Corse e velocit elevate:calcolo perdite di carico per circuiti idraulici

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    calcolo perdite di carico per circuiti idraulicica co o pe d te d ca co pe c cu t d au c

    21

    2

    lp v

    d =

    Soluzione: Aumentare diametro tubi, semplificarelayout impianto riducendo lunghezza tubazioni eperdite di carico dovuti a curve,giunti e/o altreirregolarit

    Soluzione Alternativa: Qualora interventi sopracitati risultino

    insufficienti o non attuabili accumulatore, opportunamentedimensionato posto vicino allutenza pu fornire extra-portatenecessarie a ridurre velocit media di olio nei tubi e quindi perdite dicarico

    Interventi su viscosit non sono consigliabiili in quanto questoparametro influenza trafilamenti/usura componenti etc

    Calcolo perdite distribuite in impiantipneumatici

    Calcolo perdite distribuite in impiantipneumatici

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    71/118

    pneumaticipneumatici

    21

    2

    lp v

    d =

    Relazione la stessa, cambia ovviamente il

    coefficiente . In alternativa in bibliografiaesistono anche relazioni leggermente diverse(es. con esponenti grandezze diversi)

    Esempio di grafico per calcolodelle perdite di carico nelletubazioni .

    Perdite max ammissibili inimpianto sono nellordine di 0.1Bar con portate nominali.Perdite di carico concentrate

    dovute a singolarit del circuitosono calcolate tramite appositetabelle che ad esempioassociano perdita distribuita

    equivalente

    Esempio calcolo perdite concentrate inimpianti pneumatici

    Esempio calcolo perdite concentrate inimpianti pneumatici

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    72/118

    impianti pneumaticiimpianti pneumatici

    Es. Perdite concentratepossono essere valutateindicativamente in termini dilunghezza di tuboequivalente

    Idraulica vs. Pneumatica:Limitazioni di portata (grandi perturbazioni)

    Idraulica vs. Pneumatica:Limitazioni di portata (grandi perturbazioni)

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    p (g p )

    Nei sistemi pneumatici la massima portata smaltita dallimpianto ulteriormente limitata da un altro fattore: il raggiungimento della condizionesonica*: La norma ISO-6358 fornisce un modello semplificato da utilizzare perla caratterizzazione in portata delle valvole (basata sul modello di ugello iso-

    entropico ideale).

    ( )

    ( ) ( )

    2

    2

    * 12 2 1

    ** 2

    2 2 1

    1

    1 portata valvola secondo ISO6358 subsonico1

    0.5 / ;

    0.2 0.45 ( )

    > =

    = =

    =

    N

    N

    Pb

    PP P Q CPK

    b

    b aria ugello isontropico idealePP P Q CP K sonico b

    P b valvole reali

    K velocit del suono alla temperatura di funzionamento

    QN, portata in dm3/min (ANR);P1 pressione assoluta di monte(bar)P2pressione assoluta di valle (bar)C conduttanza in dm3/(min bar) (ANR)b, rapporto critico tra le pressioni P

    1

    / P2

    293.115K

    T=

    ISO 6538/portata valvole/esempioISO 6538/portata valvole/esempio

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    Giustificazione Modello ISO 6538Giustificazione Modello ISO 6538

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    Giustificazione Modello ISO 6538Giustificazione Modello ISO 6538

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    Pneumatica:Portata valutata in normal litriPneumatica:Portata valutata in normal litri

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Vista lelevata comprimibilit del fluido invalso luso di riferire laportata volumetrica rispetto ad una condizione di temperatura (293K)e pressione (1.013bar 1bar). Questo permette una facile equivalenzatra portata volumetrica e massica (1normal litro al minuto 1g al

    minuto). Inoltre per compressori volumetrici risulta facile il calcolodella portata in normal litri noto il numero di giri della macchina ed ilvolume di fluido processato per giro.

    P(nota)Q(nota)

    atmPQ

    vA P

    =

    costanteF=

    Idraulica vs. Pneumatica:Limitazioni di portata (grandi perturbazioni)

    Idraulica vs. Pneumatica:Limitazioni di portata (grandi perturbazioni)

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    78/118

    Per quanto riguarda le valvole oleodinamiche specie quelleproporzionali si fa spesso riferimento alla portata nominalecio la portata associata ad una prevalenza nota tra due

    orifizi valvola. La portata della valvola per prevalenzediverse da quella nominale viene normalmente espressasfruttando il teorema di Bernoulli :

    n n

    Q p

    Q p

    =

    In realt questa relazione risulta approssimativa perportate molto diverse da quella nominale il diverso peso

    delle perdite di carico aumenta lapprossimazione diquesta espressione

    Idraulica vs. Pneumatica:Limitazioni di portata (grandi perturbazioni)

    Idraulica vs. Pneumatica:Limitazioni di portata (grandi perturbazioni)

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    79/118

    Assegnata la forza e la corsa che devono essere esercitatedallattuatore larea dellattuatore risulta inversamenteproporzionale alla pressione. Quindi il volume di olio

    utilizzato risulta inversamente proporzionale al quadratopressione allinterno dellattuatore.

    Se area e volume dellattuatore sono minori ingombro e

    peso del sistema risultano ridotti di conseguenza.La portata risulta proporzionale alla radice delle differenzedi pressione(vedi lucido precedente) aumentando lepressioni medie operative si ottiene a parit di sezione dipassaggio un aumento della portata. Quindi aumento dipressioni operative spesso utilizzato per costruiresistemi meno ingombranti, pi leggeri e performanti

    Idraulica vs. Pneumatica:NON LINEARITA TIPICHE

    Idraulica vs. Pneumatica:NON LINEARITA TIPICHE

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    80/118

    1)La pressione di un fluido necessariamentepositiva (anzi in un liquidosi deve garantire una

    minima altezza di battenteequivalente per evitarecavitazione). QuindiAttuatore singolo effetto

    esercita una forzanecessariamente positiva.

    2)La portata di fluido entrante/uscentedallattuatore dipende dalla diversa

    prevalenza che si realizza tra attuatore ealimentazione/scarico. Ne consegue checomportamento attuatore generalmenteassimmetrico tra alimetazione e scarico. Il

    problema particolarmente grave perattuatori pneumatici dove effetti sonici evariazione della pressione di lavorodellattuatore possono produrre differenzetempi di scarico molto superiori a quelli di

    alimentazione (anche due-tre volte superiori)

    Palim

    Psca

    Pattuatore

    Idraulica vs. Pneumatica:Attuatori a singolo effetto con molla di richiamo

    Idraulica vs. Pneumatica:Attuatori a singolo effetto con molla di richiamo

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    81/118

    Una soluzione tecnicamente semplice che consente unaparziale compensazione di effetti non simmetrici lintroduzione di una molla di precarico funzionante acompressione.

    Palim

    Psca

    Pattuatore

    Molla di richiamo

    Idraulica vs. Pneumatica:Attuatori a doppio effetto con stelo doppio

    Idraulica vs. Pneumatica:Attuatori a doppio effetto con stelo doppio

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    82/118

    La tipica soluzione per rendere il comportamento

    dellattuatore simmetrico quello di utilizzare un attuatorea doppio effetto. Luso di uno stelo doppio consente dicompensare anche la eventuale differenza di aree tra lacamera A e la B che tipica degli attuatori a singolo

    stelo. Ognuna delle due camere assicura la possibilit dierogare una forza uguale in entrambi i versi difunzionamento. Anche i tempi diriempimento/svuotamento delle camere a parit diprevalenza risultano necessariamente simmetrici

    A B

    Diverse tipologie di Attuatore oleodinamicoDiverse tipologie di Attuatore oleodinamico

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    83/118

    Si riporta schema riassuntivo di diverse tipologie di attuatori idraulici cuispesso corrispondono analoghe soluzioni utilizzate in pneumatica. Nellatabella non sono riportati i cosidetti motori idraulici macchine motriciconcettualmente derivati dalle corrispondenti macchine operatrici (a pistoni, aingranaggi etc)

    Esempio di attuatore idraulico con tasche difrenatura/decelerazione

    Esempio di attuatore idraulico con tasche difrenatura/decelerazione

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    84/118

    Principio Funzionamento tasca di frenatura/1Principio Funzionamento tasca di frenatura/1

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    85/118

    Scopo: frenare cilindro su fondocorsa tramite laminazioneolio evitando urto pistone su cilindro

    Laminazione Fluido (dissipazioneenergia meccanica)

    Principio Funzionamento tasca di frenatura/2Principio Funzionamento tasca di frenatura/2

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    86/118

    Scopo: frenare cilindro su fondocorsa tramite laminazione

    olio evitando urto pistone su cilindro

    Laminazione Fluido (dissipazione energia meccanica)

    Calcolo della frequenza propria di unCalcolo della frequenza propria di unattuatore oleodinamico/1

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    attuatore oleodinamico/1Lolio un fluido approssimativamente incomprimibile lesistenzadi un bulk modulus implica necessariamente una cedevolezza ditipo elastico del fluido. Se lattuatore viene utilizzato per controllarela posizione di un carico di tipo inerziale il sistema pu essereschematizzato come un sistema del secondo ordine del tipo massa-molla con smorzamento molto piccolo. La frequenza propria di unattuatore calcolata con la metodologia proposta in questo lucidoserve per avere un ordine di grandezza approssimativo delle

    massime prestazioni in termini di banda passante raggiungibilidallattuatore (escludendo ad esempio limitazioni dovute allavalvola di pilotaggio o altri modi a pi bassa frequenza dovuta allacedevolezza meccanica del sistema controllato). Se la dinamica

    della servovalvola utilizzata molto maggiore della frequenza dirisonanza tale limite con opportuni accorgimenti pu esseresuperata.

    Calcolo della frequenza propria di un

    l di i /2

    Calcolo della frequenza propria di unattuatore oleodinamico/2

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    attuatore oleodinamico/2

    M

    Kequivalente

    equivalente

    r

    K

    M

    Calcolo della frequenza propria di un

    tt t l di i /3

    Calcolo della frequenza propria di unattuatore oleodinamico/3

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    attuatore oleodinamico/3corsa

    22 42 2 2

    b b b

    dv A x A xF dp A E A E A E

    V V V

    = = = =

    MF

    2 2

    2

    4 4 4

    2

    equivalente b r b b

    b

    o

    dF A A AK E E E

    dx V VM corsaM

    AE

    v M

    = = = = =

    =

    1 2

    (

    . min . )

    dp dp dp

    posizione centrale

    caut freq nat

    x( )a bV volume totale V V= +

    Calcolo della frequenza propria di un

    tt t l di i /4

    Calcolo della frequenza propria di unattuatore oleodinamico/4

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    attuatore oleodinamico/42 2

    4 2 4r b b b

    o

    A A AE E E

    VM v M corsaM

    = = =

    Conseguenze:Per innalzare frequenza propria attuatore:1)Area pistone grande

    2)Ridurre presenza gas disciolti(per aumentare bulk)3)Se massa stelo importante rispetto ad altre inerzie macchina e sonorichieste frequenze di funzionamento alte (esempio 100Hz) pu valerela pena lesecuzione di stelo e pistone in titanio(dimezza massa)

    ATTENZIONE!!!!:

    Frequenza risposta sistema dipende anche da risposta valvola ecircuito aumento Area sempre compromesso rispetto a

    ingombri/costi dp impianto sensibilit di regolazione

    Modello di attuatore+caricoModello di attuatore+carico

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    y

    y

    M12

    k

    c

    24equivalente b

    dF AK Edy V

    = = ( )eqy cy k k y F+ + + =&& &

    F

    Valvola a cassetto proporzionaleValvola a cassetto proporzionale

    y

    C tt

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    y

    x

    M

    P

    12

    kc

    Cassetto pu esserepilotato direttamenteda un solenoide (in

    valvole pneumatiche tipico).

    Prestazioni dinamiche

    con solenoide nonsono generalmentemolto buone (di solitomassimo 80-100Hz)

    Valvola a cassetto proporzionaleValvola a cassetto proporzionale

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Primo stadio

    (torquemotor+flapper)

    Secondo Stadio

    (valvola acassetto vera e

    propria)

    Per migliorare prestazioni dinamiche in oleodinamicasi usano valvole multistadio (due o pi)Valori tipici di banda passante 180-200Hz

    vedi file allegato tb106.pdf

    Valvola a cassetto proporzionaleValvola a cassetto proporzionale

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    Per migliorare prestazioni dinamiche in oleodinamicasi usano valvole multistadio (due o pi)Valori tipici di banda passante 180-200Hz

    vedi file allegato tb106.pdf

    Valvola a cassetto proporzionaleValvola a cassetto proporzionale

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    Se posizione cassetto servo-controllata la valvola puessere agevolmente controllata in pressione/portata.

    Il servocontrollo della posizione della valvola puconsentire di raggiungere prestazioni in termini dicontrollo posizione del cassetto sino a 500HzVedi file allegato d941servovalves.pdf

    LINEARIZZAZIONE VALVOLALINEARIZZAZIONE VALVOLA

    ( ) ( ) {21

    1 2 1 * *0 5 0 5

    t

    n

    p pP p

    q q q q h x h x h QP p P p

    = = = = = =

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    ( ) ( ){0.5 0.5t tq q q q h x h x h QP p P p

    Linearizzazione(sviluppo serie di taylor) della legge che determinaportata rispetto a posizione cassetto (si trascurano overlap/ric.) e per

    piccole variazioni dp rispetto al nominale

    ( ) ( )1 2; ; ; ;

    2 2 2 2

    t t

    o o o

    P p P pp pp p p p p p P

    + = + = = =

    1 * * *

    *

    * * *

    11

    2

    11 1 ( )

    2 2

    P p P pq h x h x h x

    P PP

    Php p

    h x h x h x x continuaP P

    = +

    = + = =

    LINEARIZZAZIONE VALVOLALINEARIZZAZIONE VALVOLA

    {

    *

    1 * 0( ) 2 ph p

    continua q h x x hx h pP

    = =

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    ( )( )

    ( )

    " " /

    " "" "

    " "

    " " / , ,molto elevati

    x

    x p

    p

    x p

    x p p x x x

    q h x va lvo la Q id eale rico prim en to n ullo

    q h x h P valvola Q reale trafilamenti

    valvola PQ h deriva in questo caso

    q h x h P da diverso funzionamento valvola

    q h x h P valvola P h h h

    ( )px x

    h qx P regolazione pressione

    h h +

    Vedi file allegato tb103.pdf

    {ricoprimento/trafilamenti/oppure linearizzazionerispetto ad x 0

    ( ) 2continua q h x x hx h pP

    VALVOLA Q(ideale)VALVOLA Q(ideale)

    P

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    98/118

    Q

    X

    reale

    VALVOLA P-QVALVOLA P-QVALVOLA P

    (ideale)

    VALVOLA P(ideale)

    P

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    99/118

    Q

    X

    Q

    X

    P P

    reale

    2d d

    Modello di valvola linearizzata

    +attuatore

    Modello di valvola linearizzata+attuatore

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    100/118

    1 11 12

    2 2

    2 12

    2

    2

    p

    b

    p

    b

    dv v pq h p hx h pdt E dt

    dv v pq h p hx h p

    dt E dt

    = + + =

    = = +

    y

    x

    MF

    P

    1 2

    kc

    2

    2

    d y dyp A m c ky

    dtdt = + +

    1 0

    2 0

    v v Ay

    v v Ay

    = +

    =

    +attuatore

    Valvola +attuatore lineareValvola +attuatore lineare

    1 11 12

    2pdv v pq h p hx h p

    dt E dt= + + =

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    101/118

    1 0

    2 0

    v v Ay

    v v Ay

    = +

    =

    2

    2

    d y dyp A m c kydtdt

    = + +

    Continuit

    RelazioneCinematica

    Dinamica del sistemameccanico eq. SDOF

    2 2

    2 12

    2

    2

    p

    b

    p

    b

    pq p pdt E dt

    dv v pq h p hx h p

    dt E dt

    = = +

    Valvola +attuatore lineareValvola +attuatore lineare

    1 11 12

    2 pdv v pq h p hx h p

    dt E dt= + + =

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    102/118

    ( )

    ( )

    ( ) ( ) ( )

    12

    12

    12 12 12

    2

    2

    2 2 2

    o

    p x

    b

    o

    p x

    b

    x x

    o o op p p

    b b b

    v d p dyh h p A h x

    E dt dtv

    Trasformata di laplace p h h s Asy h xE

    Asy h x h x Asypv v v

    h h s h h s h h sE E E

    + + = +

    + + = +

    + = + + + + + +

    1

    1 0

    2p

    b

    pq p pdt E dt

    dv dyv v Ay A

    dt dt = + =

    Valvola +attuatore lineareValvola +attuatore lineare

    2A k

    xAsy h xp +

    =

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    103/118

    2pA mys cys ky = + +

    ( )

    2

    12 2

    x

    o

    p

    b

    Asy h xA mys cys ky

    v

    h h s E

    += + +

    + +

    ( ) ( ) ( )2122

    o

    x p

    bht

    vAsy h x h h s mys cys kyE

    + = + + + +

    14243

    ( )122

    o

    p

    b

    pv

    h h sE

    =

    + +

    ( ) ( ) ( )2ovA Asy h x h h s mys cys ky + = + + + +

    Valvola +attuatore lineareValvola +attuatore lineare

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    104/118

    ( ) ( ) ( )122

    x p

    bht

    A Asy h x h h s mys cys kyE

    + = + + + +

    14243

    ( ) ( )2 2 22

    o

    x t

    b

    vA sy Ah x h mys cys ky s mys cys ky

    E + = + + + + +

    2 3 2

    2 2 2t t t o o o

    x x x x x b x b x b

    h m h c h k v m v c v k Ax ys ys ys y ys ys ysh Ah Ah Ah Ah E Ah E Ah E

    = + + + + +

    3 2

    2 2 2 2 2 2

    1

    12 2 2

    x

    o o t t o t

    b b b

    hy

    x A v m v c h m h c v k h k s s s

    E A E A A A E A

    = + + + + + +

    Valvola +attuatore lineareValvola +attuatore lineare

    3 2

    1

    1

    x

    t t t

    hy

    x A v m v c h m h c v k h k=

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    105/118

    Questo quello che normalmente viene chiamato in

    bibliografia Third order Model (modello del terzo ordine)

    E importante notare che in ragione del diverso valoredelle grandezze fisiche coinvolte la dinamica

    corrispondente a questa tf pu cambiare radicalmente!!!

    3 2

    2 2 2 2 2 21

    2 2 2

    o o t t o t

    b b b

    v m v c h m h c v k h ks s s

    A E A E A A A E A

    + + + + + +

    3 2

    1

    1

    x

    o o t t o t

    hy

    x A v m v c h m h c v k h k =

    Valvola +attuatore lineareValvola +attuatore lineare

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    106/118

    3 2

    2 2 2 2 2 21

    2 2 2

    o o t t o t

    b b b

    s s sA E A E A A A E A

    + + + + + +

    ( )

    ( )

    b

    o

    t

    Ea p p re zza b i le c a so rea l e

    v

    h p ic co l o m a n o n t ra s cu r a b il e

    k e c trascurabili caso comu ne

    =

    =( ).b

    o

    t

    Egrande es fluido incomprimibile

    v

    h elevati trafilamenti

    =

    Sistema secondo ordine constessi modi di quello meccanicocon maggior smorzamenti dovutial trafilamento (cilindro

    =SMORZATORE )

    2

    2 2

    1

    12

    x

    o t

    b

    hyx A v m h m

    s s sA E A

    =

    + + Sistema del terzo ordine in cui modo

    proprio quello del cilindro con inerzia(trafilamenti aggiungono smorzamento)

    22b

    n

    o

    E

    v m =

    2

    x

    t t t

    hy

    h m h c h k xs s A

    A A

    =

    + + +

    Valvola +attuatore lineareValvola +attuatore lineare

    Attenzione: entit di trafilamenti ed attriti su

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    107/118

    attuatore sono influenzati da moltiparametri tra cui si ricordano:

    Tipo di tenute (ad attrito ad esempio)

    Viscosit Olio (e quindi temperatura)

    Usura tenute, valvole, etc.

    2

    ( ) 1

    ( )1

    x

    o t

    hy s

    x s A v m h m=

    Valvola +attuatore lineare+Tf valvolaValvola +attuatore lineare+Tf valvola

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    108/118

    ( )

    2

    2 2

    2 2

    12

    1

    ( ) ( ) 2

    o t

    b

    v v

    s s sA E A

    x s i s funzione di trasferimento valvolas s

    + +

    = + +

    ( )2 2 22 2

    ( ) 1

    ( )1 2

    2

    x

    o t

    v v

    b

    hy s

    i s A v m h ms s s s s

    A E A

    = + + + +

    Questo quello che normalmente vienechiamato in bibliografia fifth order Model

    (modello del quinto ordine)

    ( )2 2 2

    ( ) 1

    ( )1 2

    x

    o t

    hy s

    i s A v m h ms s s s s

    =

    + + + +

    Valvola +attuatore lineare+Tf valvolaValvola +attuatore lineare+Tf valvola

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    109/118

    ( )2 2 1 22 v vbs s s s s

    A E A + + + +

    mag

    phase

    freq

    20db/decade

    100db/decade

    60db/decade

    BODE (esempio

    tipico)

    Polo cilindro(ris.smorzata in funzione di ht)

    Polo valvola(ris.smorzata in funzione di

    -90

    -270

    -450

    Introduzione ad AmesimIntroduzione ad Amesim

    1)Segue una rapida carrellata dei principali simboliutilizzati per descrivere componenti di circuiti pneumatici

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    110/118

    utilizzati per descrivere componenti di circuiti pneumaticioleodinamici effettuata utilizzando gli elementi di libreriaAmesim.

    2)software di simulazione Amesim introduzione

    3)Esempi di simulazione di impianti

    pneumatici/oleodinamici4) Problematiche relative alla simulazione di sistemi STIFFe/o con discontinuit

    Al momento non sono disponibili appunti su questa partedel corso (lo saranno in futuro) ci scusiamo per mancanza esi consiglia vivamente attenzione a spiegazione in classe !!!!

    Amesim e lapproccio bond graph/1(accenni)

    Amesim e lapproccio bond graph/1(accenni)

    Con il termine bond graph si intende una particolare tecnica

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    111/118

    utilizzata per studiare sistemi dinamici in termini di semplicibilanci di potenza. In questo modo risulta relativamente facile

    descrivere in modo compatto linterazione dinamica tra sistemiagenti in domini fisici diversi (es. accoppiamenti di sistemi afluido con sistemi meccanici). A questo approccio proposto nel1959 dal prof. H.M. Paynter corrisponde anche una particolare

    notazione grafica utilizzata per rappresentare e descrivere inmaniera sintetica le relazioni che descrivono la dinamica di unopi sistemi tra loro interagenti. Molti strumenti di simulazione(es. LMS AMESIM o molti dei blockset pi recenti di Matlab

    Simulink ) in commercio sono sostanzialmente basati su questoapproccio pur non adottandone loriginale notazione grafica afavore di interfacce e rappresentazioni a blocchi ritenute pifruibili o commercialmente pi accattivanti.

    Amesim e lapproccio bond graph/2(accenni)

    Amesim e lapproccio bond graph/2(accenni)

    E pertanto invalso luso del termine bond graph per descrivere pigenericamente la rappresentazione di un sistema dinamico con

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    112/118

    genericamente la rappresentazione di un sistema dinamico condiagrammi a blocchi in cui i collegamenti tra i singoli blocchi nonrappresentano il trasferimento di un segnale (es scalare, vettoriale)

    bens la rappresentazione di un flusso di potenza tra sottosistemilegato allinterazione bi-direzionale tra i due. In figura si riporta(AMESIM) la struttura di un blocco inerzia . Il blocco ha solo dueporte, ma queste rappresentano non una variabile, ma le grandezzescambiate con gli altri blocchi che simulano dinamica di diversicomponenti del sistema (es. rigidezze).

    Amesim e lapproccio bond graph/3(accenni)

    Amesim e lapproccio bond graph/3(accenni)

    Per facilitare scrittura delle equazioni del sistema in termini di bilancidi potenza le equazioni differenziali che descrivono dinamica del

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    113/118

    di potenza le equazioni differenziali che descrivono dinamica delsistema vengono descritte in termini di f(Flow ) causati da differenzedi e (effort). La conservazione della potenza in qualsiasi dominio fisico

    implica la costanza del prodotto f*e

    Dominio Fisico Effort (e) Flow (f)

    MeccanicoForce (F) Velocity (v)

    Torque () Angular velocity ()

    Elettrico Voltage (V) Current (i)

    Idraulico Pressure (P) Volume flow rate (dQ/dt)

    TermicoTemperature (T) Entropy change rate (ds/dt)

    Pressure (P) Volume change rate (dV/dt)

    Termo-ChimicoChemical potential () Mole flow rate (dN/dt)

    Enthalpy (h) Mass flow rate (dm/dt)

    Magnetico Magneto-motive force (em) Magnetic flux ()

    Amesime lapproccio bond graph/4 accenni)Amesime lapproccio bond graph/4 accenni)Se il sistema fisico rappresentato continuo (es. tubazione piena diolio chiusa ad un estremit) dinamica del sistema viene approssimatada quella di un sistema discreto composto da un certo numero di

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    114/118

    da quella di un sistema discreto composto da un certo numero diblocchi R-C-I secondo un approccio che analogo a quello a costanticoncentrate (lumped) spesso utilizzato nello studio dei sistemi

    vibranti.

    R

    CI

    P=effort

    Q=flow Flow=0Effort=e0=P0

    flow

    effort flow=0 (condizione al contorno)

    Discretizzazione tubo con un elemento R-C-I

    Effort=P0Cond.Contorno

    Amesim e lapproccio bond graph/5(accenni)

    Amesim e lapproccio bond graph/5(accenni)

    fd Elemento C

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    115/118

    e fdt

    e f

    e f

    &

    Elemento C(capacit impianto)

    Elemento R

    (perdite di carico)

    Elemento I

    (inerzia meccanicaconcentrata)

    Elemento linearizzato es.per regime turbolento

    Amesime lapproccio bond graph/6 accenniAmesime lapproccio bond graph/6 accenniSe il sistema fisico rappresentato continuo aumento del numero di

    elementi utilizzato per discretizzarlo aumenta naturalmente accuratezzadei risultati.

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

    116/118

    Naturalmente discretizzazione di sistemi non lineari (es.cond. regimeturbolento, fluidi comprimibili, Mach>0.4) costringe ad uso di elementi

    R-C-I con equazioni non lineari e relazioni fisiche pi complesse (es.bilanci entalpia/flusso termico) . Per chi desidera approfondireargomento si suggerisce consultazione della doc. tecnica di Amesimoppure di testi specialistici*

    *Gawthrop, P. J. and Smith, L. P. S., 1996: Metamodelling: bond graphs anddynamic systems, Prentice Hall

    Esempi di Modelli RCI utilizzatti perdiscretizzare condotte pneumatiche inAmesim(diversi combinazioni dielementi per tener conto di interazionecon componenti diversi e quindi diversecondizioni al contorno )

    Appendice: Definizioni utiliAppendice: Definizioni utiliSistema STIFF o sistema con problemi di NUMERICAL STIFFNESS: Termine

    molto utilizzato nella simulazione di sistemi dinamici per indicare un tipicoproblem di malcondizionamento numerico. Un sistema STIFF quando una o

    i d i t di STATI / GRANDEZZE OSSERVATE d l i t

  • 5/28/2018 sistemi idraulici&pneumatici

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    pi derivate di STATI e/o GRANDEZZE OSSERVATE del sistema caratterizzato da un elevata sensibilit allerrore commesso nel calcolo diuno o piSTATI e/o GRANDEZZE OSSERVATE . Questo problema normalmente

    associato alla presenza di frequenze proprie del sistema molto elevate e/o diforti discontinuit/non linearit del sistema. Se lintegratore utilizzato apasso variable possono esserci problemi di convergenza del calcolo o elevatirallentamenti dello stesso associati ad un eccessivo infittimento del passo di

    integrazione. Nel caso di integratori a passo fisso se il passo di integrazionerisulta troppo ampio rispetto alla rapida dinamica del sistema si possonoavere errori molto elevati nella simulazione..Esempio di stiffness/1: la pressione di un fluido incomprimibile allinterno diuna cavit risulta sensibilissima ad errori commessi nella valutazione del

    bilancio di massa entrante uscente allinterno della stessa.Esempio di stiffness/2: in un sistema massa/molla con valori di inerzia moltopiccoli e rigidezza della molla molto alta, il calcolo di velocit e accelerazionedella massa molto sensibile ad errori di valutazione della posizione

    Appendice: Definizioni utiliAppendice: Definizioni utiliDISCONTINUITA: Nella simulazione/modellazione del sistema si usa il terminegenerico discontinuities per segnalare una brusca variazione delle derivate

    del sistema corrispondente ad un preciso valore di uno o pi stati. Lediscontinuit sono tipicamente associate a comportamenti non lineari del

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    sistema e/o a variazioni del modello associato al sistema in funzione delvalore di uno o pi stati.Esempio tipico di discontinuit meccanica/1: Fine corsa meccanico, quandosi raggiunge un finecorsa meccanico la velocit dellorgano nella direzioneefficace del vincolo deve essere nulla. Si tratta di una variazione rapidissimadi velocit associata ad un preciso valore della corsa di un organo meccanico.Esempio tipico di discontinuit meccanica/2: modellazione di forze di attrito

    coulombiano; il verso in cui agisce la forza di attrito dipende solo dal segnodella velocit relativa tra le superfici striscianti; per velocit nulle, se lattrito elevato, piccoli errori nel calcolo della velocit producono errori grandi nelcalcolo delle forze agenti sul sistema e quindi sullaccelerazioni dello stesso.Esempio tipico di discontinuit/3: Quando in una qualsiasi sezione di un

    impianto pneumatico/oleodinamico certe sezioni/componenti vengono icollegati/isolati si ha una brusca variazione della struttura del modello e deglistati che descrivono limpianto in funzione. Tale variazione pu essereassociata ad un preciso valore di una variabile (es. valore di pressione cheprovoca apertura di valvola di limitazione)