Pompa a pistoni assiali: panoramica strutturale e prestazionale

C'è un momento nella maggior parte delle carriere nel campo dell'ingegneria idraulica in cui le pompe a pistoni assiali smettono di risultare intimidatorie e cominciano a essere perfettamente comprensibili. La geometria è in realtà elegante, una volta che la si vede in azione: più pistoni che si alternano nella spinta del fluido, una piastra inclinata che regola l'intensità della spinta, l'intero insieme che ruota centinaia di volte al minuto all'interno di un corpo che si può facilmente tenere con due mani.

Questa eleganza è anche il motivo per cui la pompa a pistoni assiali domina le applicazioni idrauliche impegnative, mentre pompe più semplici a ingranaggi e a palette gestiscono i compiti meno gravosi. Pressioni nominali superiori a 400 bar, rendimenti volumetrici che rimangono superiori al 95% alle condizioni nominali, un autentico controllo della cilindrata variabile: nessuno di questi risultati deriva dai denti degli ingranaggi o dalle palette scorrevoli. Derivano invece dalla corsa dei pistoni controllata con precisione.

L'aspetto meccanico

Un cilindro rotante ruota attorno a un albero di trasmissione. All'interno, tipicamente sette, nove o undici pistoni sono alloggiati in fori praticati parallelamente all'asse dell'albero. Ciascun pistone presenta, all'estremità esterna, una pattina scorrevole — una piccola calzatura piana che scorre contro la superficie della piastra inclinata. La piastra inclinata è fissata con un angolo rispetto all'asse di rotazione del cilindro. Man mano che il cilindro ruota, tale angolo costringe ciascun pistone a muoversi alternativamente dentro e fuori dal proprio foro in sequenza — estendendosi nella prima metà della rotazione e ritraendosi nella seconda.

Sulla faccia posteriore del cilindro è montata la piastra distributrice, un disco di precisione dotato di due aperture a forma di rene. Una delle aperture è collegata al raccordo di aspirazione; l'altra al raccordo di mandata. Mentre ciascun foro del pistone passa sull'apertura a rene di aspirazione durante la fase di estensione, il fluido viene aspirato. Quando passa sull'apertura a rene di mandata durante la fase di ritrazione, il fluido viene espulso sotto pressione. Il comando è puramente meccanico: la geometria della piastra distributrice svolge interamente questa funzione.

Cilindrata variabile: la caratteristica che modifica il calcolo

Le pompe a cilindrata fissa erogano la portata determinata dalla velocità dell'albero e dalla geometria. Utili, ma poco flessibili. La piastra inclinata di una pompa assiale a pistoni a cilindrata variabile può essere inclinata mediante un comando esterno — idraulico, meccanico o elettro-idraulico. Inclinando maggiormente la piastra, la corsa dei pistoni aumenta; di conseguenza aumenta anche la cilindrata. Avvicinando la piastra alla posizione verticale, la corsa si accorcia; a zero gradi i pistoni si muovono appena e la portata cessa praticamente senza arrestare l’albero.

Questo è il cuore dei sistemi a rilevamento di carico e dei circuiti idraulici elettro-idraulici. La pompa regola continuamente la propria portata in modo da adattarla esattamente alle effettive esigenze del circuito, anziché funzionare a piena cilindrata e scaricare il flusso in eccesso attraverso una valvola di sicurezza. Nei reali cicli di lavoro industriali — ad esempio nello stampaggio a iniezione, nella formatura a pressa o in qualsiasi processo con fasi di attesa — la differenza di consumo energetico tra una pompa assiale a pistoni variabile e una pompa a cilindrata fissa è tale da risultare chiaramente evidente sulle bollette mensili dell’energia elettrica.

Perché il numero dispari di pistoni è importante

Sette, nove, undici — mai otto o dieci. Il numero dispari garantisce che nessun paio di pistoni attraversi mai contemporaneamente il confine tra alta e bassa pressione della piastra valvolare. Con numeri pari, i pistoni opposti raggiungono il punto di transizione nello stesso istante, generando un’ondulazione di pressione con un’ampiezza approssimativamente doppia rispetto a quella prodotta da configurazioni con numero dispari. Un’ondulazione inferiore comporta un funzionamento più silenzioso, una minore trasmissione di vibrazioni alla struttura della macchina e una maggiore durata a fatica delle tubazioni di mandata. Si tratta di un piccolo dettaglio progettuale i cui effetti si accumulano nel corso di migliaia di ore di funzionamento.

Configurazioni standard

La maggior parte dei produttori — con Rexroth e le sue famiglie di pompe A10V e A4V come esempi di riferimento — offre pompe con variante a flangia standard realizzate secondo i pattern di montaggio SAE A, B o C. Le pompe con variante a albero standard sono dotate di uscite a dentatura elicoidale o a chiavetta parallela, a seconda della configurazione di trasmissione. Queste interfacce standardizzate consentono di sostituire le pompe con modelli provenienti da fornitori diversi senza dover ricorrere ad adattatori personalizzati, un aspetto particolarmente rilevante quando una pompa si guasta durante la produzione e la sostituzione deve essere recapitata e installata rapidamente.

Guarnizioni e la precisione che proteggono

I valori prestazionali con cui viene consegnata una pompa a pistoni assiali dipendono interamente dal mantenimento di tolleranze dell’ordine del micron. Tra la piastra di scorrimento e la piastra inclinata, tra il pistone e il cilindro, tra la faccia della piastra distributrice: queste non sono aperture regolabili, bensì tolleranze realizzate in fabbrica e mantenute tenendo fuori contaminanti e preservando l’integrità delle guarnizioni.

Una guarnizione dell'albero in fase di deterioramento ha due effetti contemporaneamente: consente la fuoriuscita esterna del fluido idraulico e permette l’ingresso di aria nella carcassa sul lato di aspirazione. Questa aria si dissolve nel fluido sotto pressione, per poi collassare in modo esplosivo sulla piastra valvola quando la pressione diminuisce — un’erosione da cavitazione che può provocare solchi sulla superficie indurita della piastra valvola già dopo poche ore di funzionamento. La guarnizione dell’albero rappresenta effettivamente la polizza assicurativa più economica dell’intera pompa.

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Fonte: www.hovooseal.com