Tutto Quello Che Devi Sapere Sulle Pompe Idrauliche

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LA POMPA IDRAULICA

 

Si definisce pompa un organo in grado di operare la conversione di energia meccanica, prelevata da un motore primo, in energia idraulica (essenzialmente di pressione) del liquido pompato.

È opportuno precisare subito che una pompa volumetrica, di qualunque tipo essa sia, eroga semplicemente una portata che può essere considerata circa costante, mentre il livello di pressione alla mandata non dipende dalla pompa ma soltanto dal circuito a valle della stessa. La pressione nasce nel circuito solamente quando il flusso del fluido incontra delle resistenze (perdite di carico, forze o coppie da vincere).

Se una pompa alimenta, ad esempio, un motore idraulico e se all’albero di uscita del motore idraulico non è applicata nessuna coppia resistente, il motore gira con velocità corrispondente alla portata di alimentazione e in ogni punto del circuito la pressione è pari esclusivamente alla somma delle perdite di carico che si creano nella tubazione che collega lo stesso allo scarico nel serbatoio e della pressione necessaria per produrre la coppia sufficiente a far girare a vuoto il motore.

Gli impianti oleodinamici sono generalmente tali da richiedere contemporaneamente elevati valori di pressione, necessari per vincere il carico resistente applicato agli attuatori e portate ben definite, necessarie per controllare la velocità degli attuatori e realizzare sequenze sincronizzate di operazioni.

Per questo, una pompa deve essere in grado di assicurare:

• Possibilità di funzionamento a pressioni elevate;

• Portata erogata sensibilmente costante al variare della pressione di mandata;

• Eventuale possibilità di modificare agevolmente la portata in funzione delle condizioni operative dell’impianto.

Inoltre deve soddisfare una serie di requisiti che dipendono essenzialmente dai seguenti fattori:

• Fluido impiegato;

• Campo di pressione richiesto;

• Campo di velocità di rotazione;

• Temperatura minima e massima di esercizio;

• Viscosità minima e massima di esercizio;

• Durata richiesta della pompa;

• Rumorosità massima ammessa;

• Semplicità di manutenzione;

• Eventuali limiti di prezzo.

 

L’elevato numero di requisiti richiesti, dimostra come non tutte le pompe possano soddisfarli in maniera ideale e sostanziale, ed è per questo motivo che le pompe in commercio sono realizzate secondo criteri costruttivi molto diversi.

Tutte le pompe che qui di seguito verranno presentate, hanno una caratteristica in comune, ossia sono tutte pompe volumetriche. Questo vuol dire che durante il funzionamento, all’interno della pompa si creano dei vani o camere a tenuta, delimitati da elementi costruttivi, in cui il liquido viene trasportato dall’ingresso (attacco di aspirazione) all’uscita (attacco di mandata) variandone il livello di pressione.

 

 

 

CARATTERISTICHE DELLE POMPE IDRAULICHE

 

Cilindrata: Con il termine cilindrata di una pompa si indica il volume teorico di liquido spostato (aspirato ed espulso) in una rotazione completa dell’albero motore. Si parla di volume teorico, perché la cilindrata è un volume geometrico e quindi, a causa dei trafilamenti Dispense di Oleodinamica 13 interni, non corrisponde esattamente alla portata erogata dalla pompa nelle condizioni di esercizio.

Rendimento volumetrico e portata: La portata effettivamente erogata da una pompa volumetrica è proporzionale al prodotto della cilindrata per la velocità di rotazione, corretta con un coefficiente adimensionale detto rendimento volumetrico :

Q V n =η v (m3/s)

dove :

• V = cilindrata della pompa (m3 );

• n = velocità di rotazione della pompa (giri/s);

• ηv = rendimento volumetrico.

Il rendimento volumetrico, definito come il rapporto tra la portata realmente mandata e quella teorica, dipende dai seguenti fattori:

• difetto di riempimento delle camere pompanti;

• trafilamenti dalle camere ad alta pressione a quelle a bassa pressione;

• perdite per comprimibilità del fluido.

E’ da notare che i trafilamenti, pur essendo una perdita dal punto di vista energetico, molto spesso, andando a finire nel corpo pompa, svolgono una funzione essenziale, quella di lubrificare le parti in movimento relativo e di refrigerare l’intera pompa asportando il calore generato per le inevitabili perdite.

Rendimento globale e potenza: Il ciclo ideale delle pompe volumetriche è un rettangolo avente per base la cilindrata della pompa e per altezza il salto di pressione che si verifica fra l’aspirazione e la mandata:

Ad una fase di aspirazione del fluido (AB) a pressione pa segue un brusco innalzamento di pressione (BC) quando il fluido viene in contatto con l’ambiente di mandata a pressione pm;

Successivamente si ha la mandata del fluido a pressione costante (CD), seguito da un brusco crollo di pressione (DA) quando il volume ritorna in comunicazione con l’ambiente di aspirazione.

Nel ciclo reale si hanno una serie di perdite che vanno ad incrementare l’area del ciclo e quindi la potenza interna richiesta dalla macchina. Si introduce quindi un rendimento idraulico della pompa ηy pari al rapporto tra l’area del ciclo di lavoro ideale e quella del ciclo reale; pertanto si ha:

Inoltre, a causa delle perdite di tipo meccanico, la potenza assorbita dalla pompa è superiore alla potenza interna: si introduce, a tal fine, il rendimento meccanico ηm pari al rapporto tra la potenza interna e quella assorbita. Tenendo conto delle suddette perdite, la potenza assorbita dalla pompa è esprimibile mediante le seguenti espressioni:

dalle quali si evidenzia che la potenza idraulica fornita al fluido è esprimibile anche come prodotto della portata volumetrica per il salto di pressione.

Il rendimento globale della pompa ηP, che appare nella espressione precedente, è definito come il rapporto tra la potenza idraulica conferita al fluido dalla pompa e la potenza meccanica assorbita attraverso l’albero motore ed è esprimibile come prodotto dei rendimenti volumetrico, idraulico e meccanico prima introdotti. Infine, per varie applicazioni, riveste notevole importanza l’espressione della coppia assorbita dalla pompa:

 

TIPOLOGIE COSTRUTTIVE E PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DELLE POMPE IDRAULICHE

 

Pompe ad ingranaggi esterni

Le pompe ad ingranaggi esterni sono molto utilizzate soprattutto nell’oleodinamica per macchine mobili grazie alle seguenti caratteristiche:

• Pressione relativamente alta con peso contenuto;

• Prezzo relativamente basso;

• Ampia gamma di velocità di rotazione;

• Ampio campo di viscosità ammesse.

In questo tipo di pompa i vani di trasporto del fluido sono delimitati dai fianchi dei denti, dalla superficie interna del corpo pompa e dalle superfici frontali delle bronzine.

All’avviamento della pompa, nei vani viene trasportata, dall’attacco di aspirazione a quello di mandata, solo l’aria presente nelle tubazioni dall’aspirazione al serbatoio. Ciò provoca una depressione che aumenta fino a richiamare il fluido dal serbatoio alla pompa e quindi ad instaurare la condizione di corretto funzionamento della pompa.

Affinché il funzionamento della pompa sia corretto, è necessario che i vani siano a tenuta pressoché perfetta, in modo da garantire un trasporto del fluido senza perdite rilevanti. Le pompe ad ingranaggi esterni hanno cilindrate comprese tra 0.2 e 200 cm3 , con una pressione massima di esercizio di circa 300 bar e una velocità di rotazione compresa fra i 500 e i 6000 RPM. Il loro handicap è costituito da una elevata rumorosità.

 

Pompe ad ingranaggi interni

La caratteristica più rilevante delle pompe ad ingranaggi interni è la bassa rumorosità. Esse trovano perciò impiego principalmente nell'oleodinamica industriale (presse, macchine per materie plastiche, macchine utensili ecc.) e su veicoli operanti in ambienti chiusi (carrelli elevatori elettrici ecc.).

Mettendo in rotazione il rotore dentato accoppiato al motore di azionamento il volume fra i fianchi dei denti aumenta e la pompa aspira. L'aumento di volume interessa un angolo di rotazione di circa 120°, per cui il vano si riempie in un tempo relativamente lungo. Grazie a ciò il funzionamento della pompa è eccezionalmente regolare e si realizza un'ottima aspirazione.

Nella zona delimitata dall'elemento di riempimento a forma di falce il fluido viene trasportato senza variazione di volume. Al termine di questa zona si trova l'attacco di mandata, dal quale il fluido fuoriesce per immettersi nell'impianto.

La particolare forma della dentatura ha un effetto positivo sul funzionamento, dato che fra il rotore dentato e la ruota cava - a differenza di quanto accade nelle pompe ad ingranaggi esterni - non esiste praticamente un volume morto di ingranamento, che tenderebbe a provocare pulsazioni di pressione.

Pertanto le pompe ad ingranaggi interni del tipo rappresentato sono pressoché esenti da pulsazioni e quindi particolarmente silenziose.

 

Pompe a viti

Le pompe a viti, così come le pompe ad ingranaggi interni, presentano una notevole silenziosità di funzionamento. All’interno del corpo della pompa sono incorporati 2 o 3 alberi muniti di elicoide (vite).

L’albero ad elica destra, viene accoppiato al motore dal quale riceve la coppia e trasmette il movimento rotatorio all’altro albero, munito di elica sinistra. Tra le elica degli alberi si crea un vano che, per effetto della rotazione degli alberi, trasla senza variazione di volume, dall’attacco di aspirazione a quello di mandata.

Questo tipo di pompa presenta una portata uniforme e quasi priva di pulsazione e il funzionamento è molto regolare.

La cilindrata varia da 15 a 3500 cm3; la pressione massima di esercizio si attesta sui 200 bar e la velocità di rotazione va dai 1000 ai 3500 RPM.

 

Pompe a palette

Nella versione più semplice, una pompa a palette è costituita da:

• Un rotore cilindrico, calettato sull’albero motore, che riporta delle cave radiali, nelle quali sono alloggiate con precisione delle palette a sezione rettangolare e che hanno la possibilità di scorrere all’interno delle cave;

• Un anello fisso o statore, eccentrico rispetto al rotore, anch’esso a sezione circolare e sistemato all’interno del corpo della pompa. Il posizionamento del rotore all’interno dello statore e la tenuta assiale sono assicurati da due piastre di riscontro frontali.

I volumi sono quindi delimitati:

• In senso radiale, dalla superficie esterna del rotore e da quella interna dello statore;
• In senso assiale, dalle piastre frontali;
• In senso circonferenziale, da due palette consecutive scagliate verso l’esterno per effetto della forza centrifuga.

Dal punto a minor distanza tra le due circonferenze, procedendo in senso orario si ha dapprima un progressivo aumento del volume delle camere, per poi subire una diminuzione progressiva. I volumi crescenti e decrescenti sono collegati rispettivamente con l’aspirazione e la mandata.

Le pompe a palette a camera semplice hanno una cilindrata compresa tra 5 e 100 cm3 , una pressione di esercizio massima di 100 bar e una velocità di rotazione compresa tra 1000 e 2000 RPM.

 

Pompe a pistoni radiali

Le pompe a pistoni radiali si impiegano nell’oleodinamica ad alta pressione (oltre i 400 bar), in quanto solo questo tipo di pompe è in grado di funzionare anche in esercizio continuo a pressioni così elevate (ad esempio per le presse atte alla lavorazione di materie plastiche).

Normalmente si impiegano due tipi di pompe a pistoni radiali:

• con blocco cilindri eccentrico

• con albero eccentrico

Una pompa a pistoni radiali con blocco cilindri eccentrico è costituita da:

• Un rotore contenente una stella di cilindri, in numero dispari in modo da garantire una migliore regolarità della portata, trascinato in rotazione dall’albero motore;
• Un distributore fisso coassiale al rotore;
• Un anello di reazione, esterno al rotore ed eccentrico rispetto ad esso, al quale sono ancorati mediante nodi sferici e pattini le estremità dei pistoni (piedi di biella).

Durante la sua rotazione, il rotore si trascina i pistoni che, per effetto dell’eccentricità tra rotore e pista esterna, spazzano un volume variabile.

Nelle pompe a pistoni radiali con albero eccentrico, l’albero rotante eccentrico genera movimenti radiali dei pistoni inseriti nel corpo esterno fisso. In entrambi i casi la cilindrata è esprimibile con la seguente formula:

con:

z = numero di pistoni

e = eccentricità

Le pompe a pistoni radiali vengono generalmente progettate con un numero di pompanti dispari, poiché un numero di pompanti pari - anche se maggiore - presenta una pulsazione di portata superiore. Le pompe a pistoni radiali hanno cilindrate comprese tra 1 e 100 cm3 , pressioni di esercizio massime fino a 1600 bar (pompa del Common Rail), e velocità di rotazione nel campo 1000-3000 RPM.

 

Pompe a pistoni assiali

In questo tipo di macchina il movimento rotatorio dell’albero si trasforma in un moto oscillatorio dei pistoncini (pompanti) nella direzione parallela a quella dell’asse di  rotazione. Queste pompe, che solitamente sono reversibili, cioè possono funzionare anche da motore, trovano notevole diffusione a causa delle elevate pressioni raggiungibili, della facilità di regolazione, delle elevate velocità di rotazione e delle buone proprietà in fatto di durata e rumorosità.

Normalmente si impiegano due tipi di pompe a pistoni assiali:

• a piastra inclinata

• ad asse inclinato

Il blocco cilindri dell’unità a piastra inclinata è un dispositivo volumetrico i cui pistoni sono disposti assialmente rispetto all’albero motore e appoggiano contro una piastra inclinata.

Mettendo in rotazione l’albero il blocco cilindri viene trascinato dall’accoppiamento scanalato. I pistoni eseguono una corsa di andata e ritorno, la cui entità è proporzionale all'angolo d'inclinazione della piastra.

L' unità a pistoni assiali a blocco cilindri inclinato (detta anche ad asse inclinato) è una macchina volumetrica i cui pistoni, insieme al blocco cilindri in cui scorrono, sono montati in posizione inclinata rispetto all'asse dell’albero. Mettendo in rotazione l'albero il blocco cilindri è trascinato in rotazione, senza interposizione di giunto cardanico, direttamente dai pistoni a testa snodata.

Ad ogni giro completo dell'albero i pistoni compiono nei rispettivi alloggiamenti ricavati nel blocco una corsa di andata e ritorno, la cui entità è proporzionale all'angolo d'inclinazione.