L'oleodinamica nei sistemi di stabilizzazione di bordo Fluid Power in ...

L’oleodinamica nei sistemi di
stabilizzazione di bordo
Aldo Biraghi
Oleodinamica Pneumatica
Giugno 2009
Tutte le navi oggi costruite sono dotate di un
sistema di stabilizzazione. Stabilizzare la
navigazione significa dare un miglior comfort di
bordo, controllare il rollio della nave e a volte,
come nel caso dei catamarani, controllare
anche il beccheggio. Come conseguenza la
nave ha un assetto perfetto e questo le
permette migliori prestazioni in termini di
rendimento oltre al raggiungimento di velocità
più elevate. Senza stabilizzatori la nave
potrebbe risultare appoppata, appruata o
viaggiare sbandata, il suo rendimento
diminuirebbe di conseguenza e le sue
prestazioni sarebbero meno elevate.
Oggi anche sulle navi tradizionali (non ad alta
velocità) questa esigenza è assolutamente
rispettata, con sistemi di stabilizzazione che
permettono di ridurre circa il 90% dello
sbandamento, consentendo la velocità di
crociera prevista con il massimo comfort.
Fluid Power in Onboard
Stabilizer Systems
Originally published by Techniche Nuove Spa in the
June issue of Oleodinamica Pneumatica, pp. 34-38.
Le navi veloci si sono imposte nel mondo, per
applicazioni sia civili sia militari. L’alta velocità
richiede però sistemi di stabilizzazione precisi
e affidabili, dove l’oleodinamica ha un ruolo
centrale.
High-speed craft have been introduced all over
the world for both civil and defense
applications. But speed requires accurate and
reliable stabilizer systems and this is where
fluid power plays a critical role.
All ships built today are fitted with stabilizers.
Stable sailing means better comfort on board,
and this is achieved by controlling roll and
occasionally, as in the case of catamarans,
pitch. Optimizing dynamic trimming enhances
overall efficiency as well as allowing higher
speeds. A lack of stabilizers can make a vessel
bow or stern-heavy or induce a list, resulting in
reduced efficiency and performance.
Today, even conventional i.e. non high-speed
vessels meet this requirement. With the help of
modern hydraulics, typically the type of highintegrity
components designed by Eaton Fluid
Power, stabilization systems can reduce
heeling by up to 90%, thereby optimizing
comfort at cruising speeds.
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L’oleodinamica nei sistemi di
stabilizzazione di bordo
I Cantieri Rodriquez sono stati il primo cantiere
al mondo a produrre, nel 1956, un aliscafo per
impieghi commerciali completo di stabilizzatori.
Da quell’esperienza è maturato un know-how
che ha seguito le evoluzioni tecniche delle navi
fino alla produzione delle navi veloci.
A titolo di esempio ricordiamo le navi
monocarena da 114m in alluminio, attualmente
in servizio in Spagna, che hanno ala di prua,
ala di poppa, quattro pinne e intruder e
consentono un sofisticato sistema di controllo
che arriva a prevedere, date determinate
condizioni del mare, il numero di passeggeri
che potrebbero avere mal di mare.
Dal 1999 un nuovo progetto ha poi permesso
un ulteriore passo in avanti con la realizzazione
della stabilizzazione del rollio della nave anche
in assenza di velocità, con un controllo
progettato appositamente per la nave
all’ancora. Dal 1990 tutto l’impianto di
stabilizzazione delle navi è fatto in proprio, a
partire dalla progettazione dell’elettronica, degli
algoritmi e dell’impianto oleodinamico.
Quest’ultimo è infatti essenziale per tutte le
manovre degli stabilizzatori e l’oleodinamica è
oggi impiegata su tutte le navi per governare
questi comandi. La lunga esperienza maturata
in Rodriquez nella stabilizzazione permette
all’azienda di conoscere esattamente le
necessità oleodinamiche: circuito, prestazioni
delle pompe e tempi di risposta delle valvole.
Fluid Power in Onboard
Stabilizer Systems
Cantieri Navali Rodriquez was the first shipyard
in the world to build, in 1956, a hydrofoil for
commercial use fitted with stabilizers. The
technical expertise acquired all those years ago
was eventually to lead to the development of
today's high-speed craft. Some advanced
designs, fitted with bow and stern T-foils,
together with four lateral stabilizing fins and
transom-mounted Intruders, are currently in
service in Spain. These 114-metre aluminium
monohull vessels feature a sophisticated
control system able to predict, for the prevailing
sea conditions, how many passengers are
likely to be seasick.
A further advance occurred in 1999 with a new
project involving a roll-stabilizer effective even
on stationary craft, incorporating a control
system specifically designed for boats at
anchor.
Since 1990, stabilization systems are produced
entirely in-house, from electronics to
hydraulics, the latter powering the entire
stabilizing system. Indeed, it is now common
practice on ships to use fluid power for the
control of such devices.
Based on extensive stabilizer expertise,
Rodriquez is able to fine-tune hydraulic
parameters such as system design, pump
performance and valve response times to
specific application requirements.
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L’oleodinamica nei sistemi di
stabilizzazione di bordo
Una commessa importante Top Order
Nel 2006 i cantieri Rodriquez acquisiscono una
commessa del sultanato di Oman per cinque
navi, costruite in due diverse configurazioni:
due unità destinate a operazioni di salvataggio
e soccorso in mare e tre unità da utilizzare per
trasporto di passeggeri e vetture (100
passeggeri e 10 persone di equipaggio). Si
tratta di catamarani di 52m di lunghezza e
15,5m di larghezza, del tipo wave-piercing,
equipaggiati con quattro motori di 2465 kW
cadauno che gli permettono 40 nodi di velocità
massima. Il primo esemplare è stato
consegnato all’inizio 2008, può ospitare 200
passeggeri e 22 persone di equipaggio ed è
dotato di piattaforma di atterraggio per
elicotteri.
La tenuta di mare e una navigazione
confortevole anche a queste velocità sono
garantite dai sistemi di stabilizzazione
progettati e costruiti da Rodriquez. Anzitutto
l’ala di prua (o T-foil): essa deve poter essere
abbassata o sollevata (retratta) e deve poter
essere regolata con un’inclinazione
longitudinale di ±5°, è inoltre dotata di due flap
laterali che permettono la stabilizzazione del
rollio della barca, grazie a una regolazione
continua e proporzionale di ±15°. I segnali che
comandano queste regolazioni derivano da un
inclinometro, un giroscopio e un accelerometro.
Il secondo dispositivo di stabilizzazione è
costituito dalle pinne stabilizzatrici posteriori
(intruder); esse permettono il controllo
dell’assetto longitudinale (beccheggio) della
barca e innalzano la poppa in navigazione
mantenendo l’assetto previsto alla nave. Sono
comandate da un segnale che arriva da un
inclinometro e un giroscopio e sono costituite
da una lama che esce dallo scafo in maniera
proporzionale a seconda del comando ricevuto,
da 0 a 50 mm di corsa. Tutto il sistema di
stabilizzazione della nave è governato da due
centraline equipaggiate con apparecchiature
Eaton, realizzate a partire da una precisa
richiesta dell’ufficio tecnico Rodriquez, già ben
definita nei particolari e nelle prestazioni da
raggiungere. Una prima centralina da 250 litri
serve al controllo dei movimenti dell’ala di prua.
Fluid Power in Onboard
Stabilizer Systems
In 2006, the Sultanate of Oman signed a
contract with Rodriquez shipyards for five
catamarans to be built in two versions: a
couple for sea rescue and the other trio for
passenger and vehicle transport (100
passengers and 10 crew). The 52-metre wavepiercing
catamarans, with a beam of 15.5m,
are fitted with four engines each developing
2465 kW, propelling the vessels to a top speed
of 40 knots. The first in the series, complete
with helicopter pad, was delivered in 2008. It
can carry 200 passengers and 22 crew.
Seaworthiness and sailing comfort are
enhanced by a sophisticated stabilizing system
entirely designed and manufactured by
Rodriquez. Under the bow, an impressive T-foil
extends and retracts, and can be trimmed to a
longitudinal angle of ±5°. The side flaps of the
T, which counteract roll and pitch, are
continuously adjusted over ±15° by a
proportional signal generated by a control
system comprising inclinometer, gyroscope and
accelerometer.
A second stabilizer arrangement, consisting of
aft-mounted fins (Intruders), provides a
measure of pitch control by lifting the bow while
underway to maintain optimum trim. The fins
protrude between 0 and 50 mm from the hull
proportionally to a signal received from an
inclinometer and gyroscope system.
Overall management of the stabilization system
is via two packaged systems utilizing Eaton
hydraulic components specifically geared to the
stringent requirements Rodriquez set out for
design and performance. T-foil motion is
controlled by a 250-litre system.
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L’oleodinamica nei sistemi di
stabilizzazione di bordo
Vi sono montate due pompe a pistoni assiali
PVM045 da 65 l/min, complete di
compensatore e blocchetto di comando a
doppia pressione (140 e 180 bar), due cilindri
125/90x1890 mm fanno la retrazione
(sollevamento) dell’ala, un cilindro è dedicato
alla regolazione dell’angolo di inclinazione
longitudinale dell’ala (±5°), un cilindro aziona il
blocco dell’ala in posizione chiusa mentre il
terzo cilindro fa il controllo della stabilizzazione
in automatico del rollio, in anello chiuso.
Quest’ultimo cilindro è collegato ai due flap
laterali inclinabili ed è comandato dalla valvola
proporzionale Eaton KBSDG4V3, in grado di
garantire la precisione e velocità di risposta
che questa regolazione richiede.
Una seconda centralina da 75 litri è invece
dedicata al controllo degli intruder. Vi sono
montate due pompe Eaton a pistoni assiali
PVM018 da 20 l/min, complete di
compensatore e blocchetto di comando a
singola pressione (140 bar).
Ogni intruder è azionato da un cilindro a doppio
stelo Ø 63/36 x 100 mm ed entrambi sono
controllati in anello chiuso da una valvola
proporzionale Eaton KBSDG4V3. Su entrambe
le centraline la pulizia dell’olio è assicurata da
filtri micronici in mandata e sul ritorno da
10 µm.
Cuore dell’impianto, per l’elevata affidabilità
abbinata a un bassissimo livello di rumorosità,
sono le pompe a pistoni assiali serie PMV. Il
controllo è costituito da un normale
compensatore di pressione su cui viene
montato un blocchetto speciale che permette di
ottenere uno o più livelli di pressione.
In questa applicazione sulla centralina da
250 litri le pompe possono lavorare a
pressione 0, alla pressione massima prevista o
a un livello di pressione intermedio (doppia
pressione), mentre sulla centralina più piccola il
controllo permette il funzionamento a 0 bar
oppure alla massima (singola pressione).
Fluid Power in Onboard
Stabilizer Systems
This first package includes two 65 L/min
PVM045 axial piston pumps, complete with
compensator and a dual-pressure control (140
and 180 bar). Two 125/90x1890 mm cylinders
extend and retract the fore foil, while three
others trim the ±5° angle, lock the foil in the
fully-retracted position and power the closedloop,
automatic roll control array.
The latter cylinder, which regulates the angle of
attack of the two hydrofoil side flaps, is
connected to an Eaton proportional directional
control KBSDG4V3, ensuring the level of
accuracy and fast response demanded by this
application.
A second, 75 litre packaged system controlling
the Intruders, includes two 20 L/min PVM018
axial piston pumps featuring pressure
compensator and single pressure control
(140 bar).
Each Intruder is actuated by a 63/36 dia. X
100 mm double-rod cylinder, close-loop
controlled by an Eaton KBSDG4V3 proportional
valve. Both packaged systems are fitted with
10 µm filters in the pressure and return lines to
maintain fluid cleanliness.
At the heart of the system, the PMV-series
axial piston pumps offers high reliability and
very low noise levels. Pump control system
includes a standard pressure compensator
fitted with a special unit to enable one or more
pressure levels.
In this application, the 250-litre package pumps
can operate at zero or maximum pressure, or
at an intermediate setting (dual pressure), while
the smaller 75-litre package can operate at
0 bar or maximum working pressure.
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L’oleodinamica nei sistemi di
stabilizzazione di bordo
Anche la valvola proporzionale KBSDG4V3 è
risultata indispensabile, fornita con elettronica
e lettura di feed-back integrata, questa valvola
è in grado di dare tempi di risposta
paragonabili a quelli delle servovalvole.
Fluid Power in Onboard
Stabilizer Systems
Cantieri Navali Rodriquez Rodriquez Shipyards
Nel 1887 Leopoldo Rodriquez apre in Messina
un piccolo cantiere di riparazioni navali. Da
allora molta strada è stata fatta: nel 1956 i
cantieri Rodriquez costruiscono il primo
aliscafo commerciale, negli anni settanta si
costruiscono i primi aliscafi dotati di
stabilizzatori con controllo elettronico. Negli
anni novanta si iniziano a costruire catamarani
commerciali e i primi traghetti veloci (serie
Aquastrada), navi di oltre 100 metri di
lunghezza capaci di velocità fino a 47 nodi.
Dal 2004 Rodriquez Cantieri Navali entra a far
parte del gruppo Immsi. Oggi l’azienda, che
dispone di tre cantieri in Italia e uno in Brasile,
è in grado di produrre imbarcazioni di
lunghezza da 14 a 150 metri, in acciaio,
alluminio,fibra di vetro o fibra di carbonio,
destinate ad applicazioni militari, commerciali e
diporto (yacht). Attualmente impiega ca. 400
dipendenti, ha circa 50 imbarcazioni o navi in
costruzione e un portafoglio ordini di circa
410 milioni di euro.
The proportional control KBSDG4V3 is an
equally vital component. With its electronics
and integral feedback, this valve can achieve
response times comparable to the performance
of a servo-valve.
Since the day when, in 1887, Leopoldo
Rodriquez set up a boat repair facility in
Messina, Sicily, the shipyard has come a very
long way. Numerous achievements include the
world's first commercial hydrofoil in 1956; the
first hydrofoils fitted with electric stabilizer
system in the 70s; by the 90s Rodriquez was
embarking on a program commercial
catamarans along with the first high-speed
ferries (Aquastrada series), over 100m long
and capable of 47 knots.
In 2004, Rodriquez Cantieri Navali joined
Immsi S.p.A., a Group of over 40 companies
operating in a variety of business sectors,
including industry, shipbuilding and real estate.
Today, Rodriquez operates three shipyards in
Italy and one in Brazil, designing and building
craft from 14 to 150 metres long, in fibreglass,
carbon-fibre, aluminium and steel for defense,
commercial and leisure markets. The company
employs around 400 people, owns some
50 vessels, and boasts a €410 million order
book.
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L’oleodinamica nei sistemi di
stabilizzazione di bordo
Fluid Power in Onboard
Stabilizer Systems
Eaton Fluid Power Eaton Fluid Power
Il gruppo Eaton è leader mondiale nel mercato
dei sistemi elettrici e componenti per la
generazione di potenza, la distribuzione e il
controllo. Inoltre nella potenza fluida e servizi
per il mercato industriale, mobile e
dell’industria aeronautica. Il gruppo conta su
circa 80.000 collaboratori e ha realizzato un
fatturato 2008 di ca. 16,3 miliardi di dollari
(stima), con prodotti venduti in oltre 150 paesi
nel mondo.
La divisione Eaton Hydraulics produce e
commercializza una completa gamma di
prodotti e sistemi impiegati nei più svariati
settori tra i quali ricordiamo l’industria
meccanica, mineraria, energetica, agricoltura,
movimentazione materiali e movimento terra,
automotive, generazione di potenza.
La filiale italiana della divisione Fluid Power ha
sede a Pessano con Bornago (MI) ed è attiva
in molti settori dove è tradizionalmente
presente nel nostro paese: ricordiamo la
siderurgia e l’automotive, oltre al settore
ferroviario, dove l’azienda è la fornitrice del
sistema oleodinamico delle carrozze del
pendolino. Tra le più significative
apparecchiature utilizzate in quest’applicazione
ricordiamo le pompe a pistoni assiali serie PVM
e la valvola direzionale proporzionale serie
KBSDG4V. La pompa PVM è disponibile con
cilindrate da 18 a 141 cm 3 /giro per pressioni
fino a 280 bar ed è stata progettata per
garantire una alta affidabilità di lavoro con un
livello di rumorosità inferiore agli standard
attualmente richiesti.
Eaton is a global leader in electrical
components and systems for power generation,
distribution and management, as well as
hydraulic products and services for industrial
and mobile applications including the
aerospace industry. Eaton employs around
80,000 people generating 2008 sales of some
$16,3 billion in over 150 countries worldwide.
The Eaton Hydraulics division produces and
sells a complete range of components and
systems for a wide variety of applications
including mechanical engineering, mining,
renewable energy, farming, materials handling,
earthmoving, automotive and power
generation.
The Italian subsidiary of Eaton Fluid Power,
based in Pessano con Bornago near Milan,
Italy, offers comprehensive support in areas
where Italian industry has traditionally been at
the forefront such as iron and steel, automotive
and rail applications, the latter for instance
where Eaton provides the fluid power for tilting
trains. Top of the list of components come the
PVM axial piston pumps and KBSDG4V-series
proportional directional controls. The variabledisplacement
PVM is available in capacities
ranging from 18 to 141 cm 3 /rev, with pressures
up to 280 bar, and incorporates advanced
design features to keep noise emissions below
specified levels.
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L’oleodinamica nei sistemi di
stabilizzazione di bordo
E’ disponibile con compensatore in diverse
versioni: oltre alla versione base, mediante
aggiunta di un’elettrovalvola possiamo avere la
versione con messa a scarico e singola o
doppia pressione di funzionamento. Se
necessario può essere fornita con controllo
proporzionale della pressione di lavoro,
mediante valvola proporzionale montata
direttamente sul compensatore. La valvola
proporzionale KBSDG4V è stata progettata per
portate fino a 40 l/min e pressione max fino a
350 bar. Ha un magnete di 30W di potenza ed
è disponibile anche con elettronica integrata;
progettata per lavorare in continuo (ED=100%)
ha un 'isteresi inferiore a 0,5% e bassi tempi di
risposta (da 6 a 12 ms a seconda della corsa
del cursore richiesta), paragonabili a quelli di
una servovalvola.
Fluid Power in Onboard
Stabilizer Systems
A variety of control options include load
sensing and pressure or flow compensator.
The pump is also available with proportional
control of operating pressures, using a
proportional valve mounted directly on the
compensator. The proportional KBSDG4V,
featuring 30W solenoid and optional integrated
electronics, is sized for flows up to 40 L/min
and pressures to 350 bar. Designed for
continuous duty (ED = 100%), the valve
provides lower than 0,5% hysteresis and fast
response time (6-12 ms depending on spool
travel), which is comparable to the performance
of a servo-valve.
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