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Valvole a cartuccia per applicazioni eleodinamiche: metodi e strumenti di progettazione e simulazione

In questo articolo vengono qualitativamente presentate alcune tecniche di modellazione e simulazione utilizzate per coadiuvare la progettazione di valvole a cartuccia, e quindi focalizzate sull'analisi di alcuni aspetti legati al funzionamento di tali componenti, molto diffusi nell'ambito delle applicazioni oleodinamiche compatte.

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La Termotecnica aprile 2018

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Tecnica 60 LA TERMOTECNICA APRILE 2018 Fluidodinamica & Regolazione INTRODUZIONE
Nel mondo delle applicazioni oleodinamiche industriali e mobili, le
valvole a cartuccia (Figura 1) rappresentano un'ottima soluzione per
coniugare compattezza e funzionalità degli elementi di regolazione
[1]. Queste valvole, che possono essere delle più diverse tipologie, sono
avvitate in apposite cavità di blocchi oleodinamici [2] al cui interno sono
realizzate le connessioni ed i passaggi per il fluido di lavoro. In questo
modo si realizzano porzioni di circuito in modo semplice e riducendo gli
ingombri. Proprio perché le valvole a cartuccia trovano ampio utilizzo
nel settore oleodinamico, esse devono anche rispettare le richieste di
un mercato sempre più esigente: un mercato che richiede un innalza-
mento dei livelli di pressione nelle applicazioni dove gli ingombri e il
peso sono gli aspetti più critici, oppure che esige capacità di elaborare
portate elevate in nuovi layout circuitali. E contemporaneamente i tempi
di risposta di questi elementi di regolazione devono rimanere molto
ridotti, dell'ordine di qualche decina di ms. Sarà in grado la valvola,
che ieri era testata per un determinato range di portata o pressione, di
soddisfare le nuove richieste' Quali modifiche andranno apportate al
design' Che nuovi problemi sorgeranno'
Per rispondere a queste domande con il tipico approccio tradizionale
al design diffuso in molte aziende del settore, occorre intraprendere un
lungo lavoro di re-design, basato sul know-how precedente, e su costo-
se campagne di test sperimentali. Con un metodo trial&error, i reparti
di progettazione e sperimentazione dell'azienda arrivano a definire
un nuovo prodotto in grado di rispondere alle esigenze del mercato;
tuttavia, ci sono alcuni punti deboli in quest'approccio. I tempi e i costi
coinvolti nello sviluppo di un nuovo progetto possono essere notevoli,
a volte tali da scoraggiare la piccola-media azienda dall'intraprendere
il processo. L'approccio sperimentale presenta alcune difficoltà: non
tutte le caratteristiche di funzionamento di un componente di rego-
lazione sono facilmente misurabili; l'errore di misura sperimentale,
che dipende dal tipo di strumentazione utilizzata e dalla metodologia
di misura, spesso maschera proprio ciò che si vuole studiare, ovvero l'influenza di qualche parametro di progettazione sulle caratteristiche
di funzionamento del componente; quando i parametri di design da
tenere sotto controllo sono molti, le prove sperimentali si moltiplicano
ed è sempre più difficile disaccoppiare gli effetti. Esistono sicuramente
dei metodi per organizzare una campagna sperimentale in modo da
raggiungere un certo obiettivo con il minimo numero di prove (i classici
metodi Design of Experiments), ma resta comunque vero che spesso non
è facile districarsi in mezzo ad un cumulo di dati sperimentali.
La modellazione e la simulazione introdotte nel flusso della progetta-
zione possono ridurre i tempi e costi della sperimentazione, guidando
i test verso un minor numero di prototipi e di parametri da analizzare.
Si utilizza la simulazione per verificare la funzionalità del componente
in diverse condizioni operative rispetto alle standard, o per analizzare
alcune modifiche progettuali, e con un modello accurato è possibile
individuare più facilmente e meno dispendiosamente le linee guida da
seguire per la realizzazione dei nuovi prototipi, da testare finalmente
al banco prova. Inoltre, un consapevole utilizzo dei metodi di modella-
zione e simulazione comporta come 'effetto collaterale' la generazione
di una conoscenza più profonda del comportamento del componente
e di come i parametri di progettazione lo influenzino.
In questo articolo parleremo quindi di questo tipo di approccio ap-
plicato all'analisi di diversi aspetti di valvole a cartuccia per il settore
oleodinamico. MODELLAZIONE FLUIDODINAMICA 0-DIMENSIONALE
Tale approccio di modellazione e simulazione è particolarmente con-
veniente quando interessa valutare il comportamento dinamico di un
componente di regolazione, ricostruendo la sua caratteristica per valu-
tare i tempi di risposta del componente e per verificarne la funzionalità
quando il componente sia inserito in un circuito, o porzione di circuito,
che può anch'esso essere modellato e introdotto nell'analisi.
Secondo questo approccio, è possibile scrivere un set di equazioni
differenziali e algebriche che descrivono gli elementi del componente di B. Zardin, G. Cillo, M. Borghi, C. A. Rinaldini, E. Mattarelli Valvole a cartuccia per applicazioni oledinamiche:
metodi e strumenti di progettazione e simulazione
In questo articolo vengono qualitativamente presentate alcune tecniche di modellazione e simulazione utilizzate per coadiuvare la progettazione di
valvole a cartuccia, e quindi focalizzate sull'analisi di alcuni aspetti critici legati al funzionamento di tali componenti, molto diffusi nell'ambito delle
applicazioni oleodinamiche compatte. CARTRIDGE VALVES FOR FLUID POWER APPLICATIONS: MODELLING AND SIMULATION TO OVERCOME DESIGN CRITICAL ISSUES
This paper briefly describes the application of modelling and simulation techniques to support the design of cartridge valves for compact fluid power ap-
plications. In particular, some examples of 0-dimensional and multi-dimensional fluid-dynamic analyses and of structural analysis are here presented. Barbara Zardin, Giovanni Cillo, Massimo Borghi, Carlo Alberto Rinaldini, Enrico Mattarelli
Dipartimento di Ingegneria 'Enzo Ferrari', Modena Tecnica LA TERMOTECNICA APRILE 2018 61 Fluidodinamica & Regolazione e le loro relazioni reciproche.
Questo tipo di analisi applicata al caso di una valvola a cartuccia
ON/OFF con azionamento elettrico e stadio pilota del tipo mostrato in
Figura 1 porta a scrivere: Questa equazione descrive l'equilibrio dinamico della spola principale
e l'equilibrio dinamico dello spillo dello stadio pilota, permettendo di
calcolare spostamento X e velocità ' dei due elementi, adattando ai due casi i contributi della massa m e delle forze in gioco F i (forza dovuta alla molla, forza generata dalla pressione agente sulle superfici utili
degli elementi mobili, forze fluidodinamiche dovute al flusso di fluido
che attraversa i passaggi a disposizione, forze generata dall'attrito
statico, dinamico e viscoso). Questa equazione descrive la variazione della pressione p nella generi-
ca camera interna alla valvola, in funzione del modulo di comprimibilità
del fluido B, del volume iniziale della camera V i e della variazione di volume nel tempo, delle portate volumetriche entranti e uscenti Q j. Equazione della portata attraverso uno strozzatore, utilizzata per
determinare le portate volumetriche attraverso l'otturatore princi-
pale, lo spillo dello stadio pilota e gli strozzatori dinamici e i vari passaggi interni nella valvola, in funzione dell'area di passaggio
A j, del coefficiente di efflusso Cd,j, della differenza di pressione a cavallo del passaggio considerato 'p j e della densità del fluido '. Utilizzando il software commerciale AMESim [3], sono stati costruiti
modelli delle valvole a cartuccia di taglia diversa, per testarne la
funzionalità in un più ampio range di condizioni applicative e verifi-
care i tempi di risposta e le perdite di pressione nell'attraversamento
della valvola (Figura 2). La campagna di simulazione ha permesso di
individuare anche i parametri di progetto che influenzano maggior-
mente i diversi aspetti appena menzionati, delineando le linee guida
per la costruzione di nuovi prototipi ottimizzati. L'applicazione delle
tecniche di Design of Experiments alle simulazioni ha permesso poi
di ottimizzare tali prototipi. MODELLAZIONE FLUIDODINAMICA 3D
In un modello di simulazione fluidodinamica 0-dimensionale oc-
corre comunque formulare alcune ipotesi per descrivere il flusso
del fluido attraverso i passaggi della valvola: occorre, cioè, fornire
in input alcuni parametri caratteristici che aiutano a definire se il
flusso è laminare o turbolento e a calcolare il coefficiente d'efflusso
C d. Tali parametri possono essere ottenuti da una seria di test spe- rimentali volti ad analizzare ogni passaggio di flusso della valvola
o possono, più agevolmente, essere ottenuti attraverso un'analisi
fluidodinamica bi o tridimensionale dei singoli passaggi utilizzando
un software per la simulazione computazionale fluidodinamica [4].
In questo caso è necessario ricostruire o utilizzare il modello CAD
della valvola o di una sua porzione, posizionare l'elemento mobile
(ad esempio l'otturatore principale o lo spillo) in una determinata
posizione e 'flussare' il passaggio interessato, imponendo come FIGURA 1 - a) Banco prova: 1-motore elettrico, 2-torsiometro, 3-pompa, 4-sensore di pressione e valvola alla
mandata, 5- sensore di pressione all'aspirazione; b) Modello virtuale della pompa; c) griglia di calcolo
FIGURA 2 - Confronto numerico-sperimentale dei tempi di risposta e delle perdite di pressione di una valvola a
cartuccia ON/OFF ad azionamento elettrico
Tecnica 62 LA TERMOTECNICA APRILE 2018 Fluidodinamica & Regolazione condizione al contorno la portata in ingresso e la pressione in uscita
(pressione al serbatoio). Si agisce insomma come si farebbe avendo
a disposizione un banco prova sperimentale, analizzando poi le
caratteristiche stazionarie della valvola o del singolo passaggio,
ma utilizzando un software di simulazione opportunamente settato.
Al di là delle informazioni riguardanti i parametri dell'efflusso
prima descritte, è possibile visualizzare attraverso linee di flusso
o utilizzando i vettori velocità, come si distribuisce il flusso nell'at-
traversamento del a valvola (figura 2), come diverse geometrie dell'otturatore possono originare turbolenze più o meno accentuate,
come le condizioni operative stesse e le dimensioni dei passaggi più
critici (ad esempio gli strozzatori 'dinamici' di figura 1) possono
influenzare il comportamento della valvola.
Rilevante da questo punto di vista è inoltre la possibilità di valutare
con questo tipo di analisi il contributo stazionario delle forze di flusso
sugli elementi mobili della valvola. Tali forze derivano proprio dalla
trasformazione dell'energia di pressione in energia cinetica sui così
detti 'spigoli pilotanti' della valvola; a causa di queste trasforma- FIGURA 3 - Intensità della velocità del flusso e linee di flusso del fluido che attraversa l'otturatore principale di
una valvola a cartuccia
FIGURA 4 - Spigoli pilotanti di un distributore a cartuccia dove si determinano le forze di flusso Tecnica LA TERMOTECNICA APRILE 2018 63 Fluidodinamica & Regolazione zioni energetiche, si generano distribuzioni di pressioni locali sulle
superfici utili degli elementi mobili che possono determinare una
risultante globale (la forza di flusso) che assume ordini di grandezza
tutt'altro che irrilevanti.
Soprattutto se l'azionamento della valvola avviene tramite un so-
lenoide, che è in grado di generare forze piuttosto contenute,
considerando le dimensioni compatibili con le valvole a cartuccia
analizzate e con le tensioni di alimentazioni adottate mediamente,
occorre considerare attentamente i contributi delle forze di flusso
e cercare di ridurli e/o bilanciarli intelligentemente con geometrie
opportune. Un'analisi di questo tipo è particolarmente complessa
se più spigoli pilotanti sono presenti nella valvola (tipicamente se la
valvola è un distributore ad esempio come mostrato in Figura 4) e
proprio in questi casi la simulazione virtuale aiuta la progettazione
e l'ottimizzazione della valvola stessa. ANALISI STRUTTURALE
L'utilizzo di valvole a cartuccia standard in range di pressione più
elevati rispetto le applicazioni standard comporta anche la necessità
di effettuare una verifica strutturale su alcune tipologie di valvole: si
tratta prevalentemente di verifica della resistenza a fatica dei corpi
delle valvole, verifica che a livello industriale viene effettuata su
banchi sperimentali appositamente progettati.
Inoltre, nei nuovi progetti il corpo valvola può venire modificato
anche per ridurre le perdite di pressione determinate dall'attraver-
samento del fluido; per alcuni tipi di valvole, infatti, ridurre le perdite
di pressione significa ridurre le dissipazioni energetiche nel sistema
in cui le valvole sono inserite. Una prima verifica a fatica, soprattutto
nell'ambito delle attività progettuali che portano a selezionare nuovi
prototipi di valvole, può essere svolta anche a livello simulativo; nell'ambito della nostra analisi, utilizzando ancora [4], sono state
eseguite prove a fatica statiche e dinamiche.
Un altro aspetto importante relativo alle valvole a cartuccia è la
definizione della coppia di serraggio delle valvole stesse sui relativi
blocchi idraulici; la coppia di serraggio va calibrata opportuna-
mente, per garantire che le sollecitazioni e vibrazioni durante il
funzionamento del sistema non comportino lo svitamento della val-
vola stessa e per evitare di portare il materiale dei corpi valvola allo
snervamento a causa della sollecitazione troppo elevata. In realtà
questo ultimo aspetto, per le sollecitazioni coinvolte e gli ordini di
grandezza delle coppie di serraggio normalmente utilizzate, non
è particolarmente critico; tuttavia, anche se non si presenta questo
problema, le deformazioni indotte sui corpi valvola possono com-
promettere il gioco tra l'otturatore principale ed il corpo valvola,
bloccando o pregiudicando il buon funzionamento della valvola. Per
studiare questo aspetto, che è particolarmente critico, occorre simu-
lare una configurazione in cui il corpo valvola è avvitato sul blocco
idraulico, e quindi opportunamente caricato con una forza assiale
equivalente; siccome tale forza varia notevolmente in funzione del
coefficiente di attrito tra le superfici dei filetti maschio e femmina, le
simulazioni sono state effettuate considerando la variazione di tale
coefficiente in condizioni 'secche' e con olio minerale interposto. In
Figura 5 compare un esempio dei risultati ottenuti, che evidenziano
come, in alcuni casi, le deformazioni del corpo valvola possono es-
sere critiche, in particolare quando i corpi sono realizzati con grandi
fori di ingresso/uscita del fluido che favoriscono una deformazione
a clessidra del corpo stesso. CONCLUSIONI
In questo lavoro abbiamo qualitativamente descritto l'applicazione
di tecniche di modellazione e simulazione per l'analisi di alcuni
aspetti critici legati alla progettazione e al funzionamento di valvole
a cartuccia per applicazioni oleodinamiche. Tali analisi, inserite
nel flusso della progettazione quotidiana industriale, permettono
di ridurre sensibilmente i tempi di progettazione di nuovi proto-
tipi, riducendo contemporaneamente anche i costi legati alla loro
realizzazione e sperimentazione. Inoltre, l'utilizzo consapevole di
strumenti di simulazione, con le dovute verifiche di affidabilità dei
risultati numerici, comporta un approfondimento ed un incremento
della conoscenza legata al funzionamento del componente e agli
aspetti progettuali che ne influenzano le caratteristiche, arricchendo
il know-how aziendale da cui trarranno vantaggio i progetti futuri. BIBLIOGRAFIA
1. Zardin, B.; Borghi, M.; Cillo, G.; Rinaldini, C.,A.; Mattarelli, E. Design Of Two-Stage On/Off Cartridge Valves For Mobi-
le Applications, Energy Procedia, Volume 126, 2017, Pages
1123-1130, ISSN 1876-6102, https://doi.org/10.1016/j.
egypro.2017.08.275. 2. Zardin, B.; Cillo, G.; Rinaldini, C.A.; Mattarelli, E.; Borghi, M. Pressure Losses in Hydraulic Manifolds. Energies 2017, 10(3),
310; doi:10.3390/en10030310 3. LMS Imagine.Lab AMESim rev 13 Manual.
4. Autodesk Simulation 2013 Manual. FIGURA 5 - Visualizzazione qualitativa delle
deformazioni del corpo valvola calcolate con analisi
FEM, dovute all'azione della coppia di serraggio


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