Come una progettazione più intelligente dei serbatoi idraulici può migliorare le prestazioni del sistema.

Allo stesso tempo, i produttori desiderano contenere il peso delle macchine, ridurre il consumo di risorse e semplificare la manutenzione senza compromettere la produttività.

Il serbatoio idraulico è un obiettivo ovvio, ma ridurne il volume non è un compito facile: non si tratta semplicemente di progettare un serbatoio più piccolo.

Storicamente, il giacimento ha svolto diverse funzioni e l'estrazione di petrolio senza comprenderne tali funzioni può causare una serie di problemi.

Perché i bacini idrici sono diventati grandi

Le linee guida convenzionali per il dimensionamento dei bacini idrici riflettono tre esigenze principali: gestione termica, sedimentazione dei contaminanti e deaerazione naturale.

Diversi fattori influenzano la qualità dell'olio idraulico.

Tenendo presente ciò, una regola empirica tradizionale è stata quella di mantenere un volume d'olio equivalente a due o tre volte la portata della pompa, dando il tempo al calore, alle particelle e all'aria di fuoriuscire dal fluido circolante.

Questa equazione sta cambiando, grazie a nuove opzioni per la gestione della temperatura dell'olio e alla filtrazione ad alta efficienza che affrontano la contaminazione in modo più diretto.

Ciò rende l'aerazione uno dei principali fattori limitanti per un'ulteriore riduzione delle dimensioni.

Jared Flanigan, Senior Hydraulic Product Manager di Donaldson, afferma: "La maggior parte dei moderni sistemi idraulici utilizza radiatori dell'olio per gestire la temperatura dell'olio, eliminando la necessità che il serbatoio si assuma questa responsabilità.

"La gestione della filtrazione e dell'aerazione consente ai produttori di apparecchiature originali (OEM) di ottimizzare le dimensioni del serbatoio in base alle reali esigenze del sistema."

Il costo nascosto dell'aria

L'aria può penetrare nell'olio idraulico durante il riempimento e la manutenzione, a causa di perdite o usura delle guarnizioni, e può essere difficile da separare in presenza di brevi tempi di permanenza nel serbatoio. Una parte è visibile sotto forma di schiuma o bolle; un'altra parte rimane disciolta o intrappolata nel fluido, invisibile a occhio nudo ma nascosta in bella vista.

L'implosione delle bolle ad alta pressione provoca danni da cavitazione ai componenti idraulici.

Quando l'aria raggiunge zone di bassa pressione, si possono formare bolle che poi collassano spostandosi verso zone di pressione più elevata.

La cavitazione che ne consegue può danneggiare le pompe e compromettere le prestazioni delle valvole e di altri componenti.

Ancor prima che si verifichi un guasto, l'olio aerato può ridurre l'efficienza della pompa, aumentare la rumorosità e le vibrazioni e compromettere il movimento preciso e stabile che ci si aspetta dalle macchine moderne.

La sfida progettuale consiste quindi non solo nell'eliminare le bolle visibili, ma anche nel controllare l'aria durante tutto il suo percorso attraverso il sistema e nell'impedire che ritorni ai componenti critici.

Dall'aria disciolta alla bolla rimovibile

Flanigan descrive la tecnologia STREAMTEQ di Donaldson, sviluppata attraverso un'ampia ricerca su come l'aria interagisce con gli oli idraulici, si comporta sotto pressione e reagisce quando attraversa materiali filtranti porosi.

Afferma: "La tecnologia può essere suddivisa in tre fasi distinte: nucleazione, coalescenza e crescita, e cattura.

"Si concentra sull'aria che non si può vedere, quindi la nucleazione è il primo passo per far uscire l'aria dalla soluzione, essenzialmente cambiando il suo stato da trascinato a libero."

Processo di rimozione dell'aria a due fasi STREAMTEQ™

“Le bolle più piccole si uniscono per formarne di più grandi. Una volta che sono diventate più grandi, è importante catturarle e indirizzarle fuori dall'olio, impedendo loro di andare dove non si desidera che vadano, cioè nella pompa.”

Questo compito viene svolto mediante l'utilizzo di un filtro a doppio stadio. Il primo stadio utilizza un mezzo filtrante sintetico multistrato per rimuovere le contaminazioni con elevata efficienza e avviare la fase di nucleazione quando la miscela aria-olio si sposta da una zona ad alta pressione a una a bassa pressione.

La seconda fase gestisce l'aria, catturando e convogliando le bolle verso il livello del fluido nel serbatoio, da dove l'aria libera può fuoriuscire.

In questo modo, la filtrazione e la deaerazione diventano funzioni di sistema coordinate, anziché risposte separate a problemi distinti.

Protezione per circuiti più complessi

L'ottimizzazione del serbatoio è solo una parte delle opportunità. I circuiti idraulici mobili sono passati da sistemi prevalentemente meccanici a sistemi elettroidraulici che operano a pressioni più elevate e con tolleranze più ristrette.

Valvole, pompe e motori sono ora più sensibili alla contaminazione, il che aumenta l'importanza di una filtrazione ad alta efficienza per garantire il funzionamento ottimale di questi componenti nel tempo.

Le soluzioni Donaldson supportano circuiti idraulici complessi. Immagine: Shutterstock

Se una pompa o un motore subiscono danni interni dovuti a usura o contaminazione, i detriti che si generano possono essere ricircolati attraverso la linea di drenaggio del corpo pompa, riportando così i contaminanti nocivi nel serbatoio e nel sistema.

Ciò rende le linee di drenaggio della cassa particolarmente problematiche in termini di contaminazione, eppure spesso non vengono filtrate a causa della sensibilità alla contropressione e del rischio di danneggiare le guarnizioni della pompa o del motore.

Un filtro a doppio stadio all'interno del serbatoio, come quello utilizzato nella tecnologia STREAMTEQ di Donaldson, può essere impiegato per offrire una protezione aggiuntiva al sistema, combinando i flussi di ritorno dell'attrezzo principale e di scarico del carter, integrando al contempo la protezione del riempimento dell'olio nuovo, del bypass e dello sfiato.

Un minor numero di componenti indipendenti si traduce in un design del serbatoio più intelligente e semplice, in un minor numero di potenziali punti di perdita e in un processo di produzione e assistenza meno complesso.

Il filtro non è più un accessorio da scegliere dopo la progettazione del serbatoio, bensì un elemento progettuale fondamentale che influenza le dimensioni, la forma e le prestazioni del serbatoio stesso.

Caso di studio: Un serbatoio più piccolo per apparecchiature compatte

Di recente, un importante produttore di macchine edili si è trovato ad affrontare una sfida di imballaggio su una piattaforma per pale compatte e minipale.

La cabina riprogettata richiedeva più spazio, mentre il serbatoio idraulico occupava un volume prezioso.

Il produttore desiderava ridurre l'ingombro del serbatoio e aumentare la protezione del sistema idraulico con un filtro di ritorno aggiuntivo all'interno del serbatoio.

Le prove di laboratorio hanno indicato che il bacino idrico potrebbe essere ridotto fino al 44% utilizzando la tecnologia di deaerazione STEAMTEQ.

Il team di progettazione della produzione ha optato per un approccio leggermente più cauto, ma comunque ambizioso. Hanno introdotto un filtro multifunzione Donaldson HKK da installare nel serbatoio, che incorpora la tecnologia di deaerazione STREAMTEQ, consentendo di ridurre la capacità del serbatoio originale da 36 litri di 10 litri, ovvero del 28%.

Il risultato è stato una migliore protezione del sistema, maggiore libertà di progettazione e 10 litri di olio idraulico in meno per ogni macchina.

L'aggiunta del sistema di filtrazione di ritorno all'interno del serbatoio ha permesso di raddoppiare l'intervallo di manutenzione del filtro di carica, portandolo da 500 a 1.000 ore, estendendo così il periodo di manutenzione e migliorando l'esperienza dell'utente finale.

In effetti, la protezione aggiuntiva si è rivelata preziosa già durante la fase di sviluppo. I detriti provenienti da una pompa o un motore guasti rifluivano attraverso le linee di drenaggio dell'involucro, ma il secondo stadio del filtro li catturava prima che potessero circolare e causare ulteriori danni.

"La funzione di drenaggio del carter ha contribuito a prevenire un guasto potenzialmente catastrofico del sistema idraulico", afferma Jared Flanigan di Donaldson. "La precedente soluzione di filtrazione non prevedeva la filtrazione del drenaggio del carter, quindi questo ha dimostrato il valore della protezione migliorata."

Su scala produttiva, i modesti risparmi per singola macchina diventano sostanziali. I dati del progetto indicano un risparmio annuo di petrolio equivalente a circa 1.400 fusti, mentre Donaldson ha calcolato un risparmio di emissioni nell'intero ciclo di vita di circa 10.000 tonnellate di CO2e in dieci anni di produzione .

Questi dati dipendono dai volumi di produzione e dalle ipotesi operative, ma illustrano l'effetto cumulativo della riduzione sia del riempimento iniziale che del consumo di servizi.

Cerchi una panoramica rapida?

In questo documento di una pagina troverete una sintesi del caso di studio.

Minori costi del ciclo di vita, non solo minori volumi di petrolio.

L'olio idraulico è una risorsa ingegneristica importante, ma rappresenta anche un costo operativo ricorrente.

Un meccanico esegue la manutenzione dell'impianto idraulico di una macchina. Immagine: Shutterstock

Un riempimento iniziale più piccolo riduce il materiale necessario in fase di produzione, il peso trasportato dalla macchina e il volume che verrà poi gestito durante la manutenzione.

Intervalli di filtraggio più lunghi possono inoltre ridurre gli interventi di manutenzione e i relativi tempi di inattività.

"La sostituzione dell'olio idraulico a intervalli regolari è una delle principali voci di spesa per la manutenzione", afferma Flanigan. "I costi non dovrebbero essere il motivo per cui un utente finale ritarda la manutenzione. Risparmiare olio nel sistema contribuisce a ridurre i costi complessivi di manutenzione e a migliorare l'esperienza dell'utente finale."

I vantaggi devono tuttavia essere valutati a livello di sistema. I benefici derivanti dalla riduzione delle dimensioni del serbatoio devono essere misurati in base ai cicli di lavoro effettivi, alle condizioni di flusso, alle caratteristiche di rilascio dell'aria, agli obiettivi di contaminazione, alla capacità di raffreddamento e ai requisiti di servizio.

L'obiettivo finale non è quello di ottenere il serbatoio più piccolo possibile, ma il serbatoio più piccolo che offra una macchina affidabile, senza compromettere la produttività e con una manutenzione più gestibile.

Progettare la filtrazione fin dall'inizio

I team di ingegneri degli OEM hanno il compito di prendere molte decisioni che influiscono sulla progettazione delle macchine, dalle prestazioni all'imballaggio e all'assemblaggio in produzione; ma la filtrazione rimane un fattore importante in questo processo decisionale.

Il filtro multifunzione in serbatoio Donaldson HKK

Per loro, trattare il serbatoio, il filtro, la strategia di deaerazione e il circuito idraulico come un problema di progettazione integrato crea opzioni che uno sviluppo componente per componente potrebbe non offrire.

"Il filtro non dovrebbe mai essere considerato un elemento secondario nella progettazione di un bacino idrico", afferma Flanigan.

“Un filtro all'interno del serbatoio è una parte importante del sistema idraulico. Protegge i componenti critici e può consentire l'ottimizzazione del serbatoio, aggiungendo funzionalità e protezione a livello di sistema.

"Progettare tenendo conto del filtro può portare a risultati che non si credevano possibili."

Man mano che le piattaforme delle apparecchiature diventano più compatte e tecnicamente complesse, questo approccio sistemico è destinato ad acquisire maggiore importanza.

È ormai chiaro che una gestione efficace dell'aria e della contaminazione può consentire una maggiore flessibilità di progettazione e una migliore protezione del sistema.

Una gestione efficace dell'aria e della contaminazione non solo consente una maggiore flessibilità di progettazione e una migliore protezione del sistema, ma può anche contribuire al raggiungimento degli obiettivi di efficienza, affidabilità e sostenibilità della prossima generazione di macchine edili.

Immagine: Shutterstock

*Basato su fattori di emissione di riferimento, dimensioni previste del progetto e raccomandazioni del produttore.

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Questo articolo è stato prodotto da KHL Content Studio, in collaborazione con esperti di Donaldson

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Tutte le immagini senza attribuzione sono per gentile concessione di Donaldson.

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