Membrana dell’accumulatore per perforatrici: principio di funzionamento, segnali di guasto e criteri di scelta per la sostituzione

Una perforatrice roccia idraulica dipende da un piccolo componente facilmente trascurabile per mantenere il sistema di percussione regolare ed efficiente: l’accumulatore membrana . Quando funziona correttamente, la maggior parte degli operatori non ci pensa mai. Quando si guasta, l’energia d’urto diminuisce, il suono della perforatrice cambia e la produttività della piattaforma ne risente. Questo articolo spiega come funzionano l’accumulatore e il suo diaframma all’interno di una perforatrice roccia idraulica, come riconoscere i segnali di guasto del diaframma e cosa verificare prima di ordinare un ricambio.

Che cos’è un accumulatore in una perforatrice roccia idraulica?

Un accumulatore è un piccolo recipiente pressurizzato integrato nel circuito di percussione di un perforatore idraulico per roccia. All'interno del recipiente, una membrana flessibile — talvolta ancora indicata come «coppa di cuoio» nei vecchi cataloghi ricambi, denominazione residua derivante da precedenti progetti di membrane — separa due camere: una riempita con azoto gassoso sotto pressione, l'altra collegata al circuito idraulico dell'olio del perforatore. Poiché il lato gas è ermetico e precaricato prima dell'installazione dell'accumulatore, mentre il lato olio è aperto al circuito idraulico operativo, questo componente è spesso chiamato accumulatore a azoto o accumulatore a gas.

La maggior parte dei perforatori idraulici per roccia utilizza almeno un accumulatore sul lato ad alta pressione del circuito di impatto; molti modelli ne aggiungono un secondo, a bassa pressione, nel circuito di ritorno o di smorzamento. Entrambi funzionano sullo stesso principio fondamentale, anche se le loro classi di pressione e le rispettive funzioni operative differiscono.

La letteratura tecnica sull’ingegneria idraulica classifica generalmente gli accumulatori in tre famiglie: tipo a sacco (bladder), tipo a diaframma e tipo a pistone. I confronti pubblicati tra queste tre tipologie evidenziano che gli accumulatori a pistone possono coprire un intervallo di volumi e pressioni molto ampio, senza essere limitati dal rapporto di compressione di un elastomero; tuttavia, la massa del pistone comporta una risposta dinamica sensibilmente più lenta rispetto a quella di un accumulatore a sacco o a diaframma, rendendo i tipi a pistone poco adatti ad assorbire piccole pulsazioni rapide a bassa pressione, anche se possono funzionare bene una volta raggiunta una pressione operativa sufficientemente elevata da ridurre l’effetto dell’inerzia del pistone. Al contrario, gli accumulatori a sacco e a diaframma presentano una massa mobile molto ridotta e rispondono rapidamente alle variazioni rapide di pressione: è proprio questo il comportamento richiesto da un circuito percussivo — una ragione pratica per cui gli accumulatori per trapani roccia e frantumatori idraulici sono realizzati quasi esclusivamente nei tipi a diaframma o a sacco, anziché a pistone.

Come funziona la membrana dell’accumulatore durante la percussione?

Il compito della membrana è muoversi. Man mano che la pressione dell’olio nel circuito d’urto aumenta durante ogni ciclo di percussione, il fluido idraulico spinge contro la membrana, flettendola verso il lato del gas e comprimendo l’azoto alle sue spalle. Quando la pressione nel circuito diminuisce nuovamente, il gas compresso si espande e spinge la membrana indietro, forzando l’olio fuori dall’accumulatore e nel circuito. Questo movimento alternato, descritto nella letteratura tecnica come moto di «ribaltamento» della membrana, segue la relazione generale tra pressione e volume prevista dalla legge dei gas: mentre la camera dell’olio aumenta di volume, la camera del gas si riduce e la sua pressione aumenta, e viceversa.

Più precisamente, la carica di azoto segue la legge dei gas politropica utilizzata in tutta la letteratura progettuale sugli accumulatori:

p · V ⁿ = p ₀· V ₀ⁿ = costante (1)

dove p e V sono rispettivamente la pressione e il volume del gas in un dato istante, p₀ e V₀ sono la pressione e il volume di precarica, e n è l’indice politropico. Negli studi di modellazione idraulica di sistemi dotati di accumulatori, i cicli lenti di carica e scarica (di durata superiore a circa tre secondi) vengono generalmente considerati quasi isoterma, con n prossimo a 1, mentre i cicli rapidi (di durata inferiore a circa tre secondi) vengono considerati quasi adiabatici, con n prossimo a 1,4. Il ciclo di percussione di una perforatrice rotativa si ripete molte volte al secondo, quindi la compressione del gas all’interno del suo accumulatore rientra chiaramente nel regime rapido e adiabatico, anziché comportarsi come nel caso lento e isoterma talvolta assunto nelle spiegazioni semplificate.

Ciò significa anche che il diaframma e la sua carica di gas non si comportano come una semplice molla statica; nei modelli dinamici dell’accumulatore, il lato gas viene rappresentato come un sistema molla-smorzatore, con una rigidezza del gas e un termine di smorzamento entrambi dipendenti dalla pressione operativa e dal volume istantanei. In termini pratici, ciò che determina se l’accumulatore smorza effettivamente una pulsazione oppure la segue con ritardo non è soltanto l’entità della sua deformazione, ma soprattutto la rapidità e la precisione con cui il diaframma riesce a seguire una variazione di pressione.

Poiché il pistone di percussione di un martello idraulico inverte la propria direzione a elevata frequenza — comunemente nell’ordine di alcune migliaia di colpi al minuto o più, a seconda del modello — il diaframma si flette alla stessa frequenza per tutta la durata del funzionamento del martello. Questo aspetto merita di essere tenuto presente in seguito, quando esamineremo i fattori che causano l’usura effettiva del diaframma.

Foto 1: Trasversale ‑sezione Diagramma del diaframma ‑Accumulatore di tipo

Perché un martello da roccia necessita comunque di un accumulatore?

Sarebbe possibile far funzionare un circuito a percussione senza un accumulatore, ma il martello demolitore non avrebbe prestazioni soddisfacenti né una lunga durata in tal caso. L’accumulatore svolge tre funzioni fondamentali per il comportamento effettivo di un perforatore roccia sul campo:

• Assorbe le pulsazioni di pressione generate ogni volta che il pistone d’urto inverte il suo movimento, impedendo che l’intero colpo raggiunga la pompa, i tubi flessibili e il blocco valvole.
• Fornisce una rapida esplosione aggiuntiva di flusso d’olio nella camera d’urto durante la frazione di secondo in cui la domanda raggiunge il picco in ciascun ciclo, flusso che il regime costante della pompa da solo non riesce sempre a soddisfare. Le ricerche sui sistemi d’urto dei perforatori roccia hanno dimostrato che un accumulatore correttamente dimensionato migliora la stabilità di questa compensazione del flusso e contribuisce a mantenere una potenza d’urto costante.
• Riduce il rischio di cavitazione nel circuito d’urto, fenomeno che altrimenti potrebbe erodere i componenti e generare picchi di pressione acuti, percepiti come rumore e vibrazione.

In sintesi, l’accumulatore consente a un perforatore idraulico per roccia di erogare un elevato numero di colpi costanti e di piena intensità al minuto, anziché un’azione irregolare e disomogenea di martellamento.

L’entità del compito svolto dall’accumulatore diventa più chiara considerando due formule standard utilizzate nell’analisi dei sistemi d’urto dei perforatori per roccia. La potenza idraulica fornita a qualsiasi sottosistema (urto, avanzamento o ammortizzazione) è:

P = (p · Q) / 60 (2)

dove P è la potenza in chilowatt, p è la pressione d’ingresso del circuito in megapascal e Q è la portata in litri al minuto. L’energia cinetica del pistone d’urto nel momento in cui colpisce la barra di perforazione è:

E _p = ½ · m · v ² (3)

dove m è la massa del pistone d’urto e v è la sua velocità nel punto di impatto. Uno studio recente sul consumo energetico di un perforatore idraulico per roccia ha realizzato una simulazione Amesim dell’intero circuito d’urto, di ammortizzazione e di avanzamento, modellando l’accumulatore con un sottomodello dedicato che ne rappresenta esattamente i due compiti descritti sopra: assorbire le pulsazioni di pressione e fornire olio ausiliario su richiesta. I test di perforazione condotti nello stesso studio confermano due compromessi pratici già noti agli operatori di perforatori per roccia: una pressione di avanzamento (spinta) insufficiente fa sì che la punta perda il contatto stabile con la roccia, fenomeno noto come battuta a vuoto o battuta in bianco; al contrario, una pressione eccessiva nel circuito di ammortizzazione/smorzamento modifica la distribuzione della forza d’urto lungo l’asta di perforazione. Entrambi questi effetti derivano dal medesimo compito di gestione della pressione che l’accumulatore è progettato per svolgere.

Cosa accade quando il diaframma dell’accumulatore si rompe?

Un guasto della membrana elimina la separazione tra il lato azoto e il lato olio dell’accumulatore. Una volta scomparsa tale separazione, il gas azoto può migrare nell’olio idraulico, formando bolle comprimibili che circolano nel circuito. Poiché il gas si comprime molto più facilmente dell’olio, il circuito d’urto non riesce più a generare e mantenere la pressione come previsto dalla progettazione, e l’accumulatore non è più in grado di smorzare le pulsazioni generate da ogni inversione del pistone.

Il risultato pratico è una perforatrice che colpisce con minore forza, minore costanza o entrambe le cose. Alcuni tecnici descrivono il cambiamento del suono come il passaggio da un colpo nitido e deciso a uno più smorzato e roco; le letture di pressione confermano di solito questo fenomeno con una diminuzione della pressione d’urto e un corrispondente aumento delle fluttuazioni sul manometro. Nei casi più gravi, lo stesso evento di sovrappressione che ha danneggiato la membrana può anche sollecitare il corpo o il coperchio terminale dell’accumulatore; pertanto, un guasto della membrana rappresenta un valido motivo per ispezionare l’intero insieme dell’accumulatore, non solo la membrana stessa.

Come capire se la membrana della vostra perforatrice a percussione si è guastata?

Il guasto della membrana raramente si manifesta con un singolo sintomo evidente; di solito si presenta come una combinazione dei seguenti elementi:

• Un cambiamento nel suono di percussione della perforatrice, da nitido a smorzato o roco.
• Una diminuzione della pressione d’urto o dell’energia d’urto rispetto al valore normale della macchina.
• Un ago del manometro che tremola o oscilla invece di rimanere stabile durante il funzionamento.
• Vibrazione evidente nella tubazione dell’olio ad alta pressione, assente in precedenza.
• Un accumulatore che non mantiene la sua pre-carica di azoto quando controllato con un manometro tarato.

La tabella seguente rappresenta un punto di partenza per collegare un sintomo a una causa probabile e a un successivo controllo ragionevole.

Nessuno di questi sintomi conferma da solo un diaframma guasto; ciò che effettivamente indica se l’accumulatore ha perso la sua carica è una verifica della pressione del gas con un kit di ricarica tarato, il metodo più rapido per distinguere un problema dell’accumulatore da un problema della pompa, della valvola o delle guarnizioni in un’altra parte della perforatrice.

Le pulsazioni non smorzate, se lasciate senza gestione per un tempo sufficientemente lungo, aumentano anche il rischio di cavitazione in altre parti del circuito: ovunque la pressione locale scenda momentaneamente al di sotto della pressione di vapore dell’olio idraulico, si formano bolle di vapore che poi collassano violentemente quando la pressione ritorna ai livelli normali, erodendo progressivamente le superfici metalliche circostanti. Recenti ricerche sui componenti idraulici sulla cavitazione nelle valvole di regolazione della pressione confermano ulteriormente perché è essenziale mantenere intatto lo smorzamento delle pulsazioni, non solo per proteggere il diaframma: la cavitazione e i danni da erosione ad essa associati sono causati esattamente dal tipo di brusche e ripetute fluttuazioni di pressione che un accumulatore è progettato per impedire di raggiungere il resto del circuito.

Foto 2: Foto di un diaframma danneggiato e guasto

Quali sono le cause del guasto prematuro della membrana?

La membrana è un componente soggetto a usura e, con il tempo, raggiungerà comunque la fine della sua vita utile a causa della fatica ordinaria, poiché si flette ad alta frequenza per tutta la durata di funzionamento della perforatrice. Diverse condizioni possono ridurre significativamente questa vita utile rispetto alle prestazioni normalmente ottenibili dal materiale:

• Pre-carica errata di azoto, in entrambi i sensi. Un accumulatore sovraccarico limita il movimento normale della membrana e può intrappolare piccole sacche di olio contro la carcassa, concentrando lo sforzo sulla superficie della membrana. Un accumulatore sottocarico o completamente scarico fa sì che la membrana urti ripetutamente contro la sede, trasferendo una maggiore parte dello shock di pressione direttamente sulla carcassa.
• Olio idraulico contaminato, ossidato o utilizzato ben oltre l’intervallo di servizio raccomandato, il quale può attaccare l’elastomero o trasportare particelle abrasive che accelerano l’usura.
• Temperatura dell'olio eccessivamente elevata e persistente causata da un refrigeratore di dimensioni insufficienti, da un radiatore intasato o da un ciclo di lavoro che supera la portata nominale della macchina, il che ammorbidisce gradualmente la maggior parte dei composti elastomerici.
• Danni fisici provocati durante l'installazione, ad esempio schiacciamento, torsione o sovra-allungamento della membrana durante il montaggio.

La maggior parte di queste cause è prevenibile mediante controlli periodici della pressione di precarica e una normale manutenzione del sistema idraulico, operazioni generalmente molto meno costose rispetto a un nuovo guasto della membrana.

In che modo la pressione di precarica con azoto influisce sulla durata della membrana?

La pressione di precarica determina la posizione di riposo della membrana ancor prima che la perforatrice venga accesa; tale posizione di riposo definisce l'entità della flessione cui la membrana è sottoposta in ciascun ciclo operativo. Se impostata correttamente, secondo le specifiche del costruttore della macchina, la membrana si muove entro un intervallo controllato e ripetibile, progettato per essere tollerato dal materiale.

Se impostato troppo in alto, il diaframma si trova vicino all’estremità del guscio lato olio prima dell’avvio della perforazione, lasciando poco spazio per assorbire il volume di olio in entrata; questa condizione è stata associata al trattenimento di olio idraulico in piccole sacche tra il diaframma e la piastra di base dell’accumulatore, il che aumenta lo sforzo locale in tale zona e può provocare crepe.

Se impostato troppo in basso, oppure con l’accumulatore completamente scarico, il diaframma deve percorrere una distanza maggiore e può colpire il guscio ad ogni ciclo, trasferendo allo chassis lo shock che l’accumulatore dovrebbe assorbire e, nel tempo, all’intero circuito d’urto.

La letteratura tecnica sui progetti di accumulatori esprime questi due limiti mediante un rapporto di compressione, ovvero il rapporto tra la pressione massima di lavoro e la pressione di precarica:

k = p _max \/ P ₀ (4)

I metodi di dimensionamento pubblicati per gli accumulatori a diaframma e a sacca limitano comunemente questo rapporto ben al di sotto della gamma praticamente illimitata degli accumulatori a pistone: i valori tipici citati nella letteratura indicano un rapporto massimo di compressione dell’ordine di 10:1 per gli accumulatori a diaframma e di circa 4:1 per quelli a sacca. L’estremità inferiore del campo di pressione di esercizio viene mantenuta al di sopra della pressione di precarica con un margine simile:

p _min 1,1 · p ₀ (5)

in modo che il diaframma non prema mai completamente contro la parete esterna del corpo alla fine della sua corsa. Un accumulatore per perforatrici che abbia superato uno qualsiasi di questi due limiti — operando troppo vicino al proprio rapporto di compressione nominale nella parte alta del campo, oppure troppo vicino allo scarico completo nella parte bassa — funziona nella stessa zona di sovraccarico che la letteratura tecnica associa a fessurazioni e riduzione della durata utile, ben prima che il diaframma presenti una rottura evidente.

La temperatura aggiunge una seconda variabile che può essere facilmente scambiata per una perdita. A volume costante, la pressione dell’azoto segue una relazione diretta con la sua temperatura assoluta; pertanto, una precarica impostata in una giornata calda indicherà un valore misurabilmente inferiore una volta che l’accumulatore si sarà raffreddato, senza che alcun gas sia effettivamente fuoriuscito:

p₀′ = p₀ · (T _min \/ T ₀) (6)

dove p₀ e T₀ sono rispettivamente la pressione e la temperatura di pre-carica al momento del caricamento, e p₀′ è la pressione equivalente a una diversa temperatura Tmin. Gli studi pubblicati sul dimensionamento degli accumulatori, basati su questa relazione, raccomandano di verificare la pressione di pre-carica confrontandola con la temperatura rilevata al momento della verifica, utilizzando il diagramma di riferimento del produttore, piuttosto che ipotizzare che qualsiasi diminuzione rispetto al valore nominale indichi necessariamente una perdita di gas. Come esempio pratico del rapporto tipico tra pressione di pre-carica e pressione di lavoro, un progetto pubblicato per un diverso sistema idraulico alternativo, basato su un accumulatore a diaframma, specifica una pre-carica con azoto pari a circa il 70% della pressione di lavoro nominale della pompa — un rapporto ampiamente coerente con l’intervallo generale del 60–90% indicato nelle linee guida sugli accumulatori idraulici, e un ragionevole controllo di coerenza quando si esamina il valore specificato dal produttore originale (OEM) per un perforatore a percussione.

Poiché il valore corretto della pre-carica varia in base al modello e al produttore della perforatrice, esso deve sempre essere ricavato dalla documentazione tecnica specifica della macchina, anziché essere stimato. Gli accumulatori a azoto sono recipienti a pressione: la loro carica o scarica richiede sempre l’uso dell’apposito kit di carica, e il circuito deve essere completamente depressurizzato prima di qualsiasi smontaggio.

Foto 3: Operazione di carica a azoto per l’accumulatore

Cosa verificare prima di sostituire la membrana?

Prima di ordinare una nuova membrana, è utile confermare il guasto ed escludere altre possibili cause dei medesimi sintomi:

1. Verificare la pressione d’urto rispetto alle specifiche della macchina, quindi controllare la pre-carica a azoto dell’accumulatore con un manometro tarato, poiché una lettura bassa o pari a zero costituisce la conferma più evidente di un problema alla membrana.
2. Identificare esattamente il modello della perforatrice per roccia e il numero di parte dell’accumulatore. Le dimensioni e le forme della membrana non sono intercambiabili tra marche diverse, né tantomeno tra generazioni diverse di modelli dello stesso produttore; inoltre la terminologia varia: lo stesso componente può essere denominato membrana, diaframma o coppa in pelle, a seconda del catalogo ricambi.
3. Ispezionare il corpo dell’accumulatore, la valvola del gas e le superfici di tenuta di accoppiamento per verificare eventuali danni oltre alla membrana stessa, poiché un corpo sottoposto a sollecitazione eccessiva potrebbe richiedere interventi specifici.
4. Verificare che l’olio idraulico sia pulito e conforme alle specifiche della macchina. Una membrana nuova installata in olio contaminato è probabile che si guasti nuovamente entro un arco di tempo simile.
5. Seguire la sequenza di smontaggio, i valori di coppia e le precauzioni di sicurezza indicate dal costruttore originale (OEM) per quel preciso modello di perforatrice per roccia, anziché applicare una procedura generica, dato che tali dettagli sono specifici per ciascun modello.

Come scegliere la membrana di ricambio adatta?

Con la causa radice confermata e il componente corretto identificato, resta da decidere quale diaframma di ricambio installare. Tre fattori sono i più importanti:

• Corrispondenza dimensionale esatta. Diametro esterno, diametro interno, spessore e profilo complessivo devono corrispondere al componente originale; un diaframma simile ma non identico può influenzarne la corsa e il comportamento di tenuta all’interno dell’accumulatore.
• Un materiale adatto alle condizioni operative della perforatrice. Le perforatrici diaframmi sono comunemente realizzate in gomma NBR, HNBR o poliuretano, ciascuno con diversi compromessi in termini di resistenza al calore, flessibilità a basse temperature e resistenza all’abrasione; la scelta ottimale dipende dal clima, dal ciclo di lavoro e dalla pulizia dell’olio idraulico, argomento così ampio da meritare un confronto dettagliato a sé stante.
• Prove fornite dal fornitore. Un fornitore in grado di confermare le dimensioni e il materiale della membrana rispetto al numero di ricambio OEM originale, anziché semplicemente abbinarla a una descrizione generica, offre maggiore affidabilità riguardo al corretto funzionamento del componente.

Come regola decisionale: un riferimento incrociato esatto al numero di ricambio OEM della vostra macchina, fornito da un fornitore in grado di confermare sia le dimensioni sia il materiale, rappresenta una scelta più sicura rispetto a una membrana descritta genericamente come «adattabile universale».

I riferimenti progettuali per gli accumulatori indicano una gamma di materiali leggermente più ampia rispetto ai tre composti più spesso discussi per le perforatrici: oltre al NBR, all'HNBR e al poliuretano, alcune linee guida pubblicate sugli accumulatori elencano anche la gomma butilica (IIR) e la gomma epi-cloro-idrina (ECO) come opzioni per diaframmi in determinate combinazioni di temperatura e fluido. Nella pratica, la stragrande maggioranza dei diaframmi per perforatrici e frantumatori idraulici è specificata in NBR, HNBR o poliuretano; tuttavia, l’elenco più ampio ricorda che la scelta del materiale è infine dettata dal fluido e dall’intervallo di temperatura specifici cui si è effettivamente confrontati, non da un elenco ristretto e fisso.

Foto 4: Confronto tra diversi ‑Diaframmi di sostituzione per materiale

Dove è possibile reperire un diaframma di sostituzione affidabile?

Una volta noto esattamente il numero di parte e la specifica materiale richiesti, l’approvvigionamento diventa una questione di individuare un fornitore in grado di garantire con affidabilità tale corrispondenza e di spiegarne i motivi, anziché limitarsi a indicare un prezzo.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, un produttore cinese di guarnizioni fondato nel 2013, produce componenti di tenuta in PU, gomma e PTFE, inclusi diaframmi per accumulatori di perforatrici a roccia e frantumatori idraulici, con riferimenti incrociati ai principali marchi quali Atlas Copco/ Epiroc , Furukawa, Montabert, Sandvik e Tamrock, tra gli altri. Oltre ai ricambi stessi, Hovoo dichiara di offrire supporto tecnico gratuito per aiutare a confermare il numero di parte corretto, le dimensioni e la classe di materiale per un determinato modello di perforatrice a roccia prima di effettuare un ordine.

Se non si è certi del diaframma necessario per la propria macchina, fornire al fornitore il modello della perforatrice a roccia, il numero di parte esistente dell’accumulatore e una nota sulle condizioni operative abituali (clima, ciclo di lavoro, pulizia dell’olio) — consentendo così al fornitore di effettuare un riferimento incrociato con le specifiche OEM — rappresenta il metodo più affidabile per evitare di ordinare due volte il ricambio errato.

1. Zhang S., Chen J., He L. "Metodo di calcolo dell’accumulatore di sospensione in base alle condizioni operative limite." Hydraulics Pneumatics & Seals, 2019(04): 19–25.
2. Chang S., Ma W., Ye M., Zhang J., Li Y., Ma Y. "Ricerca sulla previsione del consumo energetico dei perforatori idraulici basata su compensazione guidata dai dati." Engineering Mechanics, pubblicato online in anticipo rispetto alla stampa, 2026.
3. Liu Y. "Ricerca sul controllo della pressione e sull’effetto di iniezione di un sistema di iniezione basato su accumulatore." Tesi di laurea magistrale, Xi’an University of Technology, 2022.
4. Shu Q. "Analisi delle pulsazioni di flusso e progettazione del sistema anti-vibrante per una pompa a membrana idraulica alternata." Chinese pump engineering journal, 2014(5): 45–49.
5. Liang J., Yan L., Tang S., et al. "Effetto della polvere StronWi TNK sulle prestazioni del composto per diaframma in gomma nell'accumulatore di energia." China Rubber Industry, 2024, 71(8): 599–603.
6. Li M. «Ricerca sul meccanismo di cavitazione e sulla previsione dell’erosione da cavitazione delle valvole idrauliche a fungo.» Tesi di dottorato, Yanshan University, 2025.