Facing the New Demands of Mobile Machinery by Optimizing Hydraulic Units

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.

by Dierk Peitsmeyer

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 unità 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’elettrificazione della trasmissione (drive train) alimentata, appunto, con batteria elettrica. Tali limiti vengono evidenziati in tutte le fasi di funzionamento: dall’avviamento sotto carico al ciclo di lavoro con velocità variabile, fino alla rumorosità e al rendimento.
La batteria elettrica è costosa e deve, quindi, essere utilizzata in modo efficiente. Il miglioramento di tale efficienza dipende in larga misura dai singoli componenti del sistema.
Progetti di elettrificazione recenti dimostrano che la trasmissione idraulica ha rendimenti non al passo con l’elevata efficienza degli azionamenti elettrici. L’utilizzo di una pompa idraulica semplice ed economica comporta un’elevata dissipazione di energia gravando pesantemente sulla durata di servizio della batteria elettrica. In questi casi una parte importante dell’energia immagazzinata nella batteria viene impiegata solo per compensare l’energia consumata dall’impianto idraulico sotto forma di dispersione di calore.

La potenza dissipata fa lievitare costi ed emissioni di CO2
Ecco un esempio dell’incidenza del rendimento di una pompa idraulica sui costi energetici e sulle emissioni di CO2. Il calcolo è basato su una pompa con una cilindrata di 80 cm³/min e una pressione di esercizio di 250 bar:
Pompa 80 cm³/min a 250 bar, 1.500 giri/min, η (pompa) = 0,85, PPerdita = 8,8 kW sull’albero
La potenza dissipata della pompa idraulica che viene richiesta dal motore elettrico, risulta essere quindi:
η (motore elettrico + inverter) = 0,92 > potenza dissipata PPerdita= 9,5 kW richiesta alla batteria o alla alimentazione elettrica.
Dopo 1.000 ore di funzionamento l’energia dissipata equivale a 9.500 kWh. Utilizzando il fattore di emissione di CO2 fornito dall’Ufficio Federale tedesco per l’ambiente nel 2017, ne deriva un’emissione di 5.102 kg di CO2.
Ricordiamo che questo valore di emissione corrisponde alla semplice compensazione di energia causata dalle perdite dovute al solo rendimento del sistema pompa idraulica/motore elettrico.
Oltre che sull’aumento delle emissioni, la compensazione della potenza dissipata nella pompa idraulica si ripercuote ovviamente anche sui maggiori costi della energia elettrica:
1.000 h a 0,15 €/kWh = 1.425,00 €

Il fattore “rumorosità” nei sistemi elettrificati
Le unità a pistoni assiali sono molto rumorose a causa delle loro intrinseche caratteristiche progettuali.
L’ampiezza della pulsazione dell’olio in pressione, abbinata alle geometrie degli elementi rotanti, provocano significative “vibrazioni” dell’unità durante il funzionamento che risulta, quindi, molto rumoroso. Esistono accorgimenti tecnici per attutire il rumore, ma richiedono ulteriori sforzi progettuali, maggiore ingombro e costi più elevati. Se negli impianti industriali stazionari si possono prevedere barriere sonore, nell’idraulica 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’effetto delle pulsazioni è trascurabile, ma il discorso cambia radicalmente in caso di utilizzo di pompe idrauliche con motori elettrici silenziosi in quanto la caratteristica rumorosità risulta essere particolarmente fastidiosa e inaccettabile dagli utenti finali che richiedono emissioni sonore il più possibile ridotte in un ampio spettro di pressioni e velocità.

Velocità di rotazione e pressione di lavoro sono fattori critici
Per 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 velocità 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 velocità è un criterio importante per mantenere il film lubrificante. Tuttavia, a causa del limite minimo di velocità (non inferiore a 1.000 giri/min), la pompa eroga troppo olio e l’eccesso deve essere scaricato attraverso un bypass. In caso di pressione elevata, ciò comporta grandi perdite di energia che devono essere compensate anche dalla batteria: una parte della capacità viene semplicemente convertita in calore inutile. Infine, ma non meno importante, l’alta pressione fino a 350 bar richiesta nelle macchine mobili non può essere raggiunta con semplici pompe ad ingranaggi esterni.

Efficienza energetica del motore idraulico
La situazione è altrettanto critica nel momento in cui la pompa funziona come motore. In un momento in cui l’efficienza energetica è una delle questioni più importanti in un impianto idraulico, il rendimento complessivo dell’impianto idraulico è molto limitato a causa del suo insufficiente recupero energetico.
Ancora oggi i rendimenti di un sistema a “recupero di energia potenziale” (ad esempio un peso sollevato) sono indiscutibilmente troppo bassi, limitando così in maniera notevole la ricarica della batteria durante il ciclo di lavoro. Inoltre, la velocità minima di rotazione già evidenziata sulle pompe, influenza notevolmente la velocità minima dei motori dei veicoli equipaggiati con riduttori ruota.

Criticità nella fase di avvio del motore idraulico
La fase di avvio è un momento decisamente critico, in particolare per i motori idraulici a piatto inclinato: gli organi rotanti interni sono inizialmente bloccati e soggetti a un elevato attrito di primo distacco; l’inizio della rotazione avviene quindi sempre bruscamente. Questa situazione non è accettabile, per esempio, in caso di posizionamento lento e preciso di un carico tramite un argano di sollevamento. Occorre poi sottolineare che la velocità di rotazione relativamente bassa amplifica l’incidenza delle pulsazioni della coppia erogata dal motore. Ciò può causare oscillazioni incontrollate del carico con conseguente necessità di adottare misure correttive.
Infine anche le dimensioni d’ingombro dell’unità idraulica possono diventare un fattore critico: le componenti delle forze interne non sono bilanciate e compensate nelle unità idrauliche ad assi inclinati e possono quindi essere assorbite solo da cuscinetti volventi di dimensioni molto grandi, portando a sovradimensionare le unità e, di conseguenza, ad aumentare l’ingombro della macchina.
Per limitare i “punti deboli” è indispensabile, quindi, ottimizzare le pompe e i motori idraulici in termini di rendimento, rumorosità, ingombro e funzionalità (portata, pressione/momento torcente) in base alle diverse velocità di rotazione. Solo in questo modo è possibile soddisfare le esigenze, sempre più elevate, dei costruttori di macchine operatrici mobili.

Dierk Peitsmeyer is Product Portfolio Manager at Bucher Hydraulics