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7 Progettazione dell’impianto idraulico 7.1 Dimensionamento dell’impianto idraulico Avendo scelto lo schema dell’impianto (riportato sotto) è ora possibile procedere al suo dimensionamento. Fm Al fine di dimensionare i cilindri e le condotte percorse dall’olio si considera l’ipotesi in cui la barra falciante sia improvvisamente bloccata nel suo moto da un corpo estraneo che essa non sia in grado di tagliare, tipicamente una pietra. In questo caso si ha un colpo d’ariete che si ripercuote lungo il circuito fino ai cilindri. Nel seguito per il cilindro verrà considerato un diametro di 15 mm. La motivazione della scelta di un diametro così piccolo (inferiore agli alesaggi minimi disponibili normalmente sul mercato) sarà considerata più avanti in questo capitolo. Per il dimensionamento degli elementi si è utilizzata la procedura seguente. 7.1.1 Calcolo della pressione di colpo d’ariete p1 F1 1. Si considera la velocità massima dell’elemento mobile. Dalla (4.4) a pag. 52 si ha: p4 p2 p3 F2 V max = 0.03⋅ 94.24 = 2.83 [m/s] (7.1) F3 79
2. Si calcola la portata volumetrica di olio nella condotta supponendo un alesaggio D del cilindro di 15 mm: D 0.015 Q A V V 4 4 2 2 −4 max = cil ⋅ max = π ⋅ ⋅ max = π ⋅ ⋅ 2.83= 510 ⋅ [m 3 /s] (7.2) 3. Si calcola la velocità massima nella condotta Vc ricavandola dalla portata e conoscendo il diametro della condotta. Come scelta iniziale per la condotta si prenda un tubo commerciale con diametro Dc = 7.93 mm (corrispondenti a 5/16”) e spessore s = 3.575 mm; tale scelta andrà successivamente verificata e, eventualmente, modificata compiendo una seconda iterazione della procedura: V c Q 4⋅ Q 4510 ⋅ ⋅ = = = = 10.1 [m/s] −4 max max A 2 π ⋅Dc 2 π ⋅0.00793 (7.3) 4. Da Vc con le equazioni del colpo d’ariete si ricava la massima sovrappressione ΔPca nell’impianto. Si assuma come fluido l’acqua: questa ipotesi risulta cautelativa in quanto l’olio è in realtà più viscoso e produce quindi uno smorzamento maggiore sull’onda d’urto. Nel caso di chiusura repentina (durata nulla) si ha: dove, per acqua: con: c = celerità cV ⋅ g C Δ Pca = [mH2O] c = 1420 ε D 1+ ⋅ E s c [m/s] Dc = diametro della condotta = 7.93 mm s = spessore della condotta = 4.33 mm E = modulo di elasticità del materiale della condotta = 15 GPa ε = modulo di elasticità di volume del liquido = 2 GPa (7.4) (7.5) Il valore del modulo di elasticità del materiale della condotta è frutto di una stima che tiene conto della duplice natura dei normali tubi flessibili che sono costituiti da un’anima in gomma e da un rivestimento in tela o maglia metallica. Tale stima è volutamente abbondante perché ad un maggiore valore di E fa fronte una minore dilatazione della condotta e, quindi, un minore smorzamento dell’onda di pressione. 80
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2. Si calcola la portata volumetrica <strong>di</strong> olio nella condotta supponendo un alesaggio D del<br />
cilindro <strong>di</strong> 15 mm:<br />
D 0.015<br />
Q A V V<br />
4 4<br />
2 2<br />
−4<br />
max = cil ⋅ max = π ⋅ ⋅ max = π ⋅ ⋅ 2.83= 510 ⋅ [m 3 /s]<br />
(7.2)<br />
3. Si calcola la velocità massima nella condotta Vc ricavandola dalla portata e conoscendo<br />
il <strong>di</strong>ametro <strong>della</strong> condotta. Come scelta iniziale per la condotta si prenda un tubo<br />
commerciale con <strong>di</strong>ametro Dc = 7.93 mm (corrispondenti a 5/16”) e spessore s = 3.575<br />
mm; tale scelta andrà successivamente verificata e, eventualmente, mo<strong>di</strong>ficata<br />
compiendo una seconda iterazione <strong>della</strong> procedura:<br />
V<br />
c<br />
Q 4⋅ Q 4510 ⋅ ⋅<br />
= = = = 10.1 [m/s]<br />
−4<br />
max max<br />
A<br />
2<br />
π ⋅Dc 2<br />
π ⋅0.00793<br />
(7.3)<br />
4. Da Vc con le equazioni del colpo d’ariete si ricava la massima sovrappressione ΔPca<br />
nell’impianto.<br />
Si assuma come fluido l’acqua: questa ipotesi risulta cautelativa in quanto l’olio è in<br />
realtà più viscoso e produce quin<strong>di</strong> uno smorzamento maggiore sull’onda d’urto.<br />
Nel caso <strong>di</strong> chiusura repentina (durata nulla) si ha:<br />
dove, per acqua:<br />
con:<br />
c = celerità<br />
cV ⋅<br />
g<br />
C Δ Pca<br />
= [mH2O]<br />
c =<br />
1420<br />
ε D<br />
1+<br />
⋅<br />
E s<br />
c<br />
[m/s]<br />
Dc = <strong>di</strong>ametro <strong>della</strong> condotta = 7.93 mm<br />
s = spessore <strong>della</strong> condotta = 4.33 mm<br />
E = modulo <strong>di</strong> elasticità del materiale <strong>della</strong> condotta = 15 GPa<br />
ε = modulo <strong>di</strong> elasticità <strong>di</strong> volume del liquido = 2 GPa<br />
(7.4)<br />
(7.5)<br />
Il valore del modulo <strong>di</strong> elasticità del materiale <strong>della</strong> condotta è frutto <strong>di</strong> una stima che<br />
tiene conto <strong>della</strong> duplice natura dei normali tubi flessibili che sono costituiti da<br />
un’anima in gomma e da un rivestimento in tela o maglia metallica. Tale stima è<br />
volutamente abbondante perché ad un maggiore valore <strong>di</strong> E fa fronte una minore<br />
<strong>di</strong>latazione <strong>della</strong> condotta e, quin<strong>di</strong>, un minore smorzamento dell’onda <strong>di</strong> pressione.<br />
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