Una pompa idraulica ad alta efficienza per le macchine operatrici elettrificate

La nuova pompa della serie AX di Bucher Hydraulics mette fine ai tradizionali svantaggi delle pompe idrauliche. Il passaggio all’elettrificazione sta avendo un grande impatto anche sulle macchine operatrici mobili. Nel caso di carichi molto elevati, tuttavia è ancora l’idraulica a farsi valere. Una nuova pompa ad alta efficienza consente alle batterie di durare più a lungo.

di Dierk Peitsmeyer

La sostituzione dell’idraulica con i sistemi elettrici è un tema all’ordine del giorno. I sistemi proposti sono solitamente basati sulla tecnologia di azionamento elettrico in combinazione con catene, cinghie o ingranaggi meccanici – in altre parole, su azionamenti rotativi. Tuttavia, le macchine operatrici mobili richiedono azionamenti lineari di potenza elevata in spazi molto ristretti. Devono anche essere i più robusti possibile, in modo da poter lavorare in ambienti difficili come quelli tipicamente affrontati dalle macchine operatrici mobili.
Con un azionamento elettromeccanico, di solito è necessario convertire la rotazione in un movimento lineare tramite componenti come mandrini filettati o viti a ricircolazione di sfere – e in tali ambienti l’azionamento raggiunge presto i suoi limiti. Gli azionamenti elettromeccanici di questo tipo non sono particolarmente adatti alle macchine operatrici, perché il motore elettrico e il riduttore formano un’unità pesante e inseparabile. Ogni cilindro idraulico dovrebbe essere sostituito da un’unità simile.
Le viti a ricircolazione di sfere possono essere facilmente paragonate ai cuscinetti a sfera: entrambi sono infatti molto suscettibili agli impatti. In caso di sovraccarico, anche i componenti meccanici possono essere danneggiati. Ciò detto, bisogna riconoscere che colpi, carichi d’urto e sovraccarichi sono la regola piuttosto che l’eccezione quando si tratta di macchine per costruzioni che operano in condizioni ambientali gravose.

Il cilindro idraulico rimane indispensabile
In una macchina operatrice elettromeccanica, ogni azionamento lineare richiede un motore elettrico dotato di riduttore e mandrino. Trattandosi di azionamenti di potenza elevata, essi devono sempre essere opportunamente dimensionati – anche se non capita mai che necessitino tutti della massima potenza nello stesso tempo. Questo porta a dei costi molto elevati e inutili. Inoltre, è altamente probabile che la rigida disposizione dell’unità motore elettrico/riduttore/mandrino possa provocare dei considerevoli problemi di spazio sulle macchine operatrici, nonostante la loro elevata efficienza energetica e la loro ottima controllabilità.
Ne consegue che il cilindro idraulico sia indispensabile per le macchine operatrici del futuro. Solo con un cilindro si possono infatti trasmettere delle forze elevate in pochissimo spazio. La semplice separazione fra azionamento e attuatore permette una configurazione flessibile della macchina operatrice. Grazie alla sua compressibilità, il sistema idraulico è, inoltre, per sua stessa natura molto resistente a colpi, carichi d’urto e sovraccarichi.
Le valvole idrauliche di sicurezza forniscono un ulteriore livello di protezione ai componenti più importanti. Gli azionamenti elettromeccanici, al contrario, richiedono componeneti di sicurezza che possano spezzarsi se sovraccaricati. Questo porta inevitabilmente a fermi macchina e, di conseguenza, a costi di riparazione abbastanza elevati.
In un sistema idraulico la potenza può essere distribuita a seconda delle necessità. La potenza totale installata può quindi essere minore della somma delle potenze di tutti i cilindri messi insieme. Questo rende la tecnologia idraulica più efficace, soprattutto in termini di costi, rispetto all’elettromeccanica. Inoltre, i prezzi in €/kW per le attrezzature elettromeccaniche sono significativamente più elevati.
D’altro canto, non dovremmo chiudere gli occhi di fronte agli svantaggi della tecnologia odierna a controllo idraulico: innanzitutto, ci sono delle perdite elevate dovute a strozzamento, bypass e resistenze nei tubi di collegamento – senza contare l’efficienza non ottimale delle pompe. Inoltre, la rumorosità del sistema idraulico diventa predominanti nelle macchine elettriche, perché non sono più coperti dal rumore del motore diesel.

Il meglio di entrambi i mondi: azionamenti elettro-idraulici
Sono quindi disponibili due tecnologie ben distinte, ognuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi. E allora perché non combinare i vantaggi della tecnologia di automazione elettrica con quelli dell’idraulica per creare la perfetta macchina operatrice ad alimentazione elettrica? Invece di un azionamento lineare elettromeccanico, si può utilizzare un azionamento lineare elettroidraulico – che consiste in un motore elettrico a velocità controllata, in una pompa molto efficiente e in un cilindro. Con l’eccezione delle funzioni di sicurezza, si può fare a meno della tecnologia valvolare, sempre così dispendiosa in termini di energia. Grazie al suo basso potere di dispersione, questa configurazione è molto efficiente dal punto di vista energetico, e può essere controllata con la stessa facilità con cui si controllano gli azionamenti elettromeccanici – come hanno mostrato tutti i collaudi sul banco prova.
L’azionamento lineare elettroidraulico ha un altro aspetto positivo a suo favore: rende particolarmente facile recuperare energia durante le operazioni di frenatura e abbassamento dello stelo del cilindro. Con questa disposizione, i costi del sistema di azionamento – con un motore elettrico e una pompa per ogni cilindro – risultano concorrenziali grazie al costo minore della batteria. Un’altra soluzione alternativa interessante potrebbe essere quella di controlli elettrici delle valvole ottimizzati e coordinati con quelli di un motore elettrico collegato alla pompa. In ogni caso, è sempre opportuna un’analisi delle perdite di potenza durante il ciclo di carico della macchina.
Le prestazioni degli azionamenti lineari elettroidraulici in un circuito chiuso sono del tutto paragonabili a quelle degli azionamenti elettromeccanici, senza i loro particolari svantaggi. Questi azionamenti sono perfettamente adatti a operazioni con pompe a quattro quadranti con elevati livelli di potenza ed energia recuperabile, proprio come quelle nelle funzioni dei cilindri telescopici o del sollevamento pesante.

Il potenziale del passaggio alla potenza elettrica
L’elettrificazione delle macchine operatrici apre un nuovo ventaglio di possibilità che, a causa del principio operativo, i sistemi idraulici odierni non sono in grado di offrire. Ad esempio, tutti gli azionamenti possono essere connessi tra loro tramite una centralina elettronica. L’energia elettrica di tale circuito intermedio può essere fornita da batterie, supercap, un generatore diesel o una cella a combustibile. Da questo circuito intermedio, gli azionamenti attingono solo la potenza di cui hanno bisogno. Possono anche restituire l’energia potenzialmente recuperata nelle fasi di abbassamento del cilindro e frenatura.
A seconda delle loro caratteristiche funzionali, i cilindri idraulici possono funzionare a circuito chiuso o aperto. Una batteria può servire come accumulatore di energia, in modo che il motore diesel possa sempre funzionare al suo punto operativo ideale – con un consumo specifico minimo del carburante e una combustione ottimale. I picchi di potenza durante l’accelerazione sono coperti dal dispositivo di accumulo dell’energia elettrica. In molte macchine operatrici mobili dotate di tipici profili a carico ciclico, il motore diesel – una volta disaccoppiato in questo modo dalle funzioni di lavoro – può quindi essere di taglia più ridotta.
In generale, l’elettrificazione offre una sintesi di diversi concetti di trasmissione idraulici, che possono essere applicati in una combinazione flessibile per andare incontro ai requisiti dell’applicazione e del budget progettuale. Ad esempio, gli attuatori più potenti possono essere dotati della nuova tecnologia delle pompe AX di Bucher Hydraulics – mentre per gli azionamenti con output inferiori, potrebbe essere più economica la tradizionale tecnologia delle valvole con load sensing.
Ma anche con questi azionamenti, c’è ampio potenziale di miglioramento dell’efficienza.

La pompa idraulica ottimale per l’elettrificazione
Le alte efficienze dei motori elettrici moderni che coprono un’ampia gamma di condizioni operative, unite alle minime perdite di potenza, sono in netto contrasto con le pompe idrauliche tradizionali, meno efficienti e soggette maggiormente a perdite di potenza. Questo è stato il punto di partenza per lo sviluppo, da parte di Bucher Hydraulics, di un nuovo tipo di pompa in grado di eliminare sistematicamente le perdite di carico.
Bucher Hydraulics ha presentato la nuova pompa AX al Bauma 2019, attirando un grande interesse, tanto da diventare finalista per il ‘Bauma Innovation Award’. La pompa è disponibile con cilindrate fisse da 18 a 76 cm³/giro, e in futuro saranno disponibili unità fino a 122 cm³/giro. La pompa è adatta a pressioni continue fino a 450 bar, questa è di solito la pressione di picco per le macchine operatrici.
Con efficienze elevate in un’ampia gamma di condizioni operative la pompa AX è il componente ideale per le macchine con azionamenti elettrici efficienti. Facciamo un esempio: mentre una pompa tradizionale può essere caratterizzata da perdite di potenza fino a 5.2 kW, con la nuova pompa AX di Bucher Hydraulics questa perdita si riduce a soli 1.6 kW. Questo fa risparmiare molti kilowatt/ora, un fatto che risulta particolarmente evidente con il funzionamento a batteria. La batteria può essere resa più piccola ed economica, oppure si può estendere il suo tempo di attività – come hanno mostrato i calcoli di progetto e le prove sul campo. L’attrito estremamente basso non solo riduce la perdita di potenza, ma diminuisce in maniera considerevole l’usura dei componenti interni della pompa. Questo permette di ottenere una vita operativa più lunga e affidabile della unità.
La pompa AX risolve anche il problema, già citato, presente in molti progetti di elettrificazione: il livello di rumore elevato dei componenti idraulici. Gli utenti finali si aspettano che le macchine elettriche abbiano un basso livello di rumorosità, un livello che le attuali pompe a pistoni assiali non possono eguagliare. Le pompe a ingranaggi sono più silenziose, ma non sono progettate per il campo di pressione richiesto dalle macchine operatrici. Implementare un ulteriore isolamento acustico è difficile a causa degli spazi ridotti e dei costi elevati. La pompa AX elimina le cause delle emissioni sonore. Anche a livelli di potenza elevati, funziona a un livello di rumorosità più che accettabile – paragonabile a quello delle macchine elettriche.
Una tipica funzione di sollevamento/abbassamento per le macchine operatrici esemplifica perfettamente il potenziale di risparmio energetico della pompa AX rispetto a quello di un sistema controllato a valvole – e con un azionamento lineare elettroidraulico usando una pompa tradizionale. La perdita di potenza della pompa AX ad alta efficienza può essere fino al 50% inferiore, il che riduce anche le emissioni CO2. Il nuovo principio operativo abbassa notevolmente inoltre il limite di velocità minimo di rotazione dell’albero dell’unità idraulica. È così possibile ottenere movimenti rotativi o lineari precisi, senza ulteriori accorgimenti; inoltre, semplifica ed estende considerevolmente gli ambiti applicativi delle pompe idrauliche. La pompa AX di Bucher Hydraulics soddisfa quindi tutti i requisiti delle macchine operatrici mobili azionate con motore elettrico.