Battery-electric mobile machines are good examples of where and how hydraulic-pump applications will evolve in the near future. The rapidly growing demands will have to be met with variable-speed drives. Originally designed and engineered for use with diesel engines, hydraulic pumps are high-performance components. However, they have some fundamental flaws that highlight a considerable need for improvement in the face of the new demands.<\/p>\n
by Dierk Peitsmeyer<\/em><\/p>\n Le pompe e i motori idraulici sono componenti tecnicamente evoluti che sfruttano appieno il proprio potenziale nelle macchine operatrici mobili, tradizionalmente in combinazione con motori diesel. Queste unit\u00e0 idrauliche sono state concepite per questo impiego e si sono dimostrate efficienti nel corso degli anni. Tuttavia oggi mostrano qualche limite nelle nuove applicazioni che prevedono l\u2019elettrificazione della trasmissione (drive train) alimentata, appunto, con batteria elettrica. Tali limiti vengono evidenziati in tutte le fasi di funzionamento: dall\u2019avviamento sotto carico al ciclo di lavoro con velocit\u00e0 variabile, fino alla rumorosit\u00e0 e al rendimento. La potenza dissipata fa lievitare costi ed emissioni di CO2<\/strong> Il fattore \u201crumorosit\u00e0\u201d nei sistemi elettrificati<\/strong> Velocit\u00e0 di rotazione e pressione di lavoro sono fattori critici<\/strong> Efficienza energetica del motore idraulico<\/strong>
\nLa batteria elettrica \u00e8 costosa e deve, quindi, essere utilizzata in modo efficiente. Il miglioramento di tale efficienza dipende in larga misura dai singoli componenti del sistema.
\nProgetti di elettrificazione recenti dimostrano che la trasmissione idraulica ha rendimenti non al passo con l\u2019elevata efficienza degli azionamenti elettrici. L\u2019utilizzo di una pompa idraulica semplice ed economica comporta un\u2019elevata dissipazione di energia gravando pesantemente sulla durata di servizio della batteria elettrica. In questi casi una parte importante dell\u2019energia immagazzinata nella batteria viene impiegata solo per compensare l\u2019energia consumata dall\u2019impianto idraulico sotto forma di dispersione di calore.<\/p>\n
\nEcco un esempio dell\u2019incidenza del rendimento di una pompa idraulica sui costi energetici e sulle emissioni di CO2. Il calcolo \u00e8 basato su una pompa con una cilindrata di 80 cm\u00b3\/min e una pressione di esercizio di 250 bar:
\nPompa 80 cm\u00b3\/min a 250 bar, 1.500 giri\/min, \u03b7 (pompa) = 0,85, PPerdita = 8,8 kW sull\u2019albero
\nLa potenza dissipata della pompa idraulica che viene richiesta dal motore elettrico, risulta essere quindi:
\n\u03b7 (motore elettrico + inverter) = 0,92 > potenza dissipata PPerdita= 9,5 kW richiesta alla batteria o alla alimentazione elettrica.
\nDopo 1.000 ore di funzionamento l\u2019energia dissipata equivale a 9.500 kWh. Utilizzando il fattore di emissione di CO2 fornito dall\u2019Ufficio Federale tedesco per l\u2019ambiente nel 2017, ne deriva un\u2019emissione di 5.102 kg di CO2.
\nRicordiamo che questo valore di emissione corrisponde alla semplice compensazione di energia causata dalle perdite dovute al solo rendimento del sistema pompa idraulica\/motore elettrico.
\nOltre che sull\u2019aumento delle emissioni, la compensazione della potenza dissipata nella pompa idraulica si ripercuote ovviamente anche sui maggiori costi della energia elettrica:
\n1.000 h a 0,15 \u20ac\/kWh = 1.425,00 \u20ac<\/p>\n
\nLe unit\u00e0 a pistoni assiali sono molto rumorose a causa delle loro intrinseche caratteristiche progettuali.
\nL\u2019ampiezza della pulsazione dell\u2019olio in pressione, abbinata alle geometrie degli elementi rotanti, provocano significative \u201cvibrazioni\u201d dell\u2019unit\u00e0 durante il funzionamento che risulta, quindi, molto rumoroso. Esistono accorgimenti tecnici per attutire il rumore, ma richiedono ulteriori sforzi progettuali, maggiore ingombro e costi pi\u00f9 elevati. Se negli impianti industriali stazionari si possono prevedere barriere sonore, nell\u2019idraulica mobile tali accorgimenti non sono facilmente realizzabili a causa dello spazio ridotto disponibile. Se vengono utilizzate pompe idrauliche in combinazione con i motori diesel, l\u2019effetto delle pulsazioni \u00e8 trascurabile, ma il discorso cambia radicalmente in caso di utilizzo di pompe idrauliche con motori elettrici silenziosi in quanto la caratteristica rumorosit\u00e0 risulta essere particolarmente fastidiosa e inaccettabile dagli utenti finali che richiedono emissioni sonore il pi\u00f9 possibile ridotte in un ampio spettro di pressioni e velocit\u00e0.<\/p>\n
\nPer la loro caratteristica progettuale, per evitare usure dei componenti interni soprattutto durante cicli di lavoro a pressioni elevate, le pompe a pistoni assiali non possono funzionare al di sotto di una ben definita velocit\u00e0 di rotazione minima. Situazioni critiche si verificano soprattutto durante il posizionamento di carichi pesanti dove la precisione viene ottenuta solo facendo funzionare la pompa a una portata ridotta e a una pressione elevata. In questo caso la velocit\u00e0 \u00e8 un criterio importante per mantenere il film lubrificante. Tuttavia, a causa del limite minimo di velocit\u00e0 (non inferiore a 1.000 giri\/min), la pompa eroga troppo olio e l\u2019eccesso deve essere scaricato attraverso un bypass. In caso di pressione elevata, ci\u00f2 comporta grandi perdite di energia che devono essere compensate anche dalla batteria: una parte della capacit\u00e0 viene semplicemente convertita in calore inutile. Infine, ma non meno importante, l\u2019alta pressione fino a 350 bar richiesta nelle macchine mobili non pu\u00f2 essere raggiunta con semplici pompe ad ingranaggi esterni.<\/p>\n
\nLa situazione \u00e8 altrettanto critica nel momento in cui la pompa funziona come motore. In un momento in cui l\u2019efficienza energetica \u00e8 una delle questioni pi\u00f9 importanti in un impianto idraulico, il rendimento complessivo dell\u2019impianto idraulico \u00e8 molto limitato a causa del suo insufficiente recupero energetico.
\nAncora oggi i rendimenti di un sistema a \u201crecupero di energia potenziale\u201d (ad esempio un peso sollevato) sono indiscutibilmente troppo bassi, limitando cos\u00ec in maniera notevole la ricarica della batteria durante il ciclo di lavoro. Inoltre, la velocit\u00e0 minima di rotazione gi\u00e0 evidenziata sulle pompe, influenza notevolmente la velocit\u00e0 minima dei motori dei veicoli equipaggiati con riduttori ruota.<\/p>\n