Giunti Rotanti Idraulici: Funzionamento e Applicazioni

I giunti rotanti sono organi di accoppiamento meccanico che consentono di trasferire un fluido da una parte fissa a una parte in rotazione di una macchina. Questo dispositivo garantisce la tenuta tra una alimentazione fissa (come una tubazione) ed una parte rotante (come un rullo, un cilindro, un mandrino) per consentire il flusso di un fluido in entrata e/o uscita dalla parte rotante.

Il giunto rotante è progettato per ruotare attorno ad un asse, per contenere e trasferire fluido senza perdite all’esterno.

Componenti Principali di un Giunto Rotante

Questi dispositivi sono costituiti da un rotore, una o più guarnizioni, uno o più cuscinetti e da un involucro, detto corpo o carcassa.

Il corpo (generalmente parte statica) è il componente che tiene insieme tutti gli altri elementi del Giunto Rotante, è dotato di una o più porte di ingresso, generalmente filettate, a cui verranno collegati, tramite raccordi, i tubi flessibili di adduzione/scarico del fluido.
L’albero/rotore è il componente che trasporta il fluido attraverso il suo collegamento al cilindro/rullo o macchinario a valle.
Una parte importante del giunto rotante sono i cuscinetti che possono essere di varie tipologie, generalmente sono a sfere: hanno l’importante compito di mantenere in asse il giunto durante la rotazione.

Alcuni Giunti Rotanti hanno cuscinetti “stagni”, ossia pre-lubrificati a vita in fabbrica, altri hanno il corpo dotato di raccordo per lubrificazione (ingrassatore) e periodicamente devono essere re-ingrassati per ripristinare il lubrificante consumato.

Il cuore del Giunto Rotante è la tenuta che ha il compito di impedire al fluido di fuoriuscire dal giunto stesso durante il funzionamento.

Tipi di Fluidi e Materiali

Per cominciare, dovrete prestare attenzione al tipo di fluido che transiterà per il giunto che state per acquistare. Tra i fluidi che, a seconda del modello, possono attraversare un giunto, ricordiamo i gas, l’aria, il vuoto, l’acqua, l’olio, il vapore, i liquidi di raffreddamento, ecc.

Un altro fattore da non trascurare è il materiale del raccordo. A seconda della natura del fluido da movimentare, è possibile scegliere tra acciaio, alluminio, ottone, ghisa e bronzo .

Come Dimensionare un Giunto Rotante

Sul mercato esistono giunti rotanti di varie dimensioni. Più precisamente, dovrete determinare la pressione normale del fluido, solitamente compresa tra 0 e 1380 bar, ossia tra 0 a 20.000 psi, e la pressione massima di esercizio.

I giunti rotanti, infatti, possono essere utilizzati sia in sistemi sottovuoto che in impianti sotto pressione.

Altri fattori importanti sono la temperatura di esercizio del fluido e la temperatura ambiente, la velocità e il senso di rotazione richiesti.

Giunto Rotante o Collettore Rotante?

Giunti rotanti e collettori rotanti facilitano la rotazione dei componenti della macchina in cui sono installati. Generalmente i collettori rotanti, detti anche collettori ad anelli, slip ring e anelli collettori, vengono installati sulla parte mobile della macchina.

Nei collettori la corrente viene trasmessa a partire da un ingresso fisso, spesso una spazzola, verso un’uscita rotante, che spesso corrisponde ad un anello. La carica elettrica, invece, è trasmessa lungo i fili che attraversano l’albero cavo.

Qualora però il vostro impianto debba garantire sia la trasmissione di fluidi che la trasmissione di potenza elettrica o di segnali, potrete combinare l’uso di raccordo e collettore.

Applicazioni dei Giunti Rotanti

I Giunti Rotanti sono differenziati principalmente in base al numero di passaggi, al tipo di fluido, alle condizioni operative (pressione e temperatura d’esercizio, velocità di rotazione), all’ambiente di lavoro ed alla destinazione d’uso (alimentare e non). Molte linee di montaggio utilizzano più Giunti Rotanti, perché sono altamente versatili e occupano meno spazio rispetto ad altri dispositivi progettati per uno scopo simile.

I giunti rotanti fluidici, sono impiegati per il trasferimento di fluidi come acqua, oli o aria/gas in pressione o sotto vuoto. La vasta gamma di giunti rotanti permette di avere un dispositivo adatto per ogni applicazione.

I giunti rotanti fluidici sono usati in ambito oil&gas e aerospaziale, per esempio negli avvolgitori dei tubi per le applicazioni offshore adoperando una combinazione di giunti rotanti e collettori rotanti.

Giunti Rotanti Idraulici per Autogru e Macchine di Sollevamento

I giunti rotanti rotanti idraulici per Autogru e Macchine di Sollevamento equipaggiano impianti spesso a circuito idrostatico quindi con pressioni d'esercizio molto alte. La complessità di questa tipologia di macchine implica il trasferimento di vari fluidi all'interno dello stesso collettore rotante fluidico. Sono spesso dotate di applicazioni elettriche molto evolute e con il sensore angolare di posizione.

Giunti Rotanti Autosupportati con Grafite a Doppio Cuscinetto

Per quanto riguarda i giunti rotanti autosupportati con grafite a doppio cuscinetto il supporto delle parti rotanti si ottiene mediante due cuscinetti in grafite auto lubrificanti. Le applicazioni dei giunti rotanti con supporti in grafite a doppio cuscinetto sono molteplici, anche grazie alla loro manutenzione semplice e immediata.

Giunti Fluidi: Un Approfondimento

Il giunto fluido (conosciuto anche come accoppiamento fluido o giunto idrodinamico) è un dispositivo di trasmissione di potenza che sfrutta un fluido - generalmente un olio minerale specifico per giunti idrodinamici o oli idraulici - per trasferire la coppia tra due alberi rotanti. Questo tipo di giunto è stato inventato all’inizio del XX secolo dall’ingegnere tedesco Hermann Föttinger, che ne intuì i vantaggi rispetto ai tradizionali sistemi di trasmissione meccanici rigidi, come gli ingranaggi o le frizioni a secco.

Importanza del Giunto Fluido nell’Industria Moderna

Nell’industria moderna, la necessità di gestire in modo efficiente la trasmissione di potenza e di ridurre i problemi legati a shock, vibrazioni e sovraccarichi è diventata fondamentale. I giunti fluidi offrono:

Riduzione degli urti meccanici: grazie all’effetto “smorzante” del fluido interno.
Protezione del motore: in caso di sovraccarico, il giunto fluido slitta prima di trasmettere una tensione eccessiva al motore.
Adattabilità: il giunto può essere tarato (con diversi livelli di riempimento o differenti viscosità del fluido) per rispondere meglio a specifiche esigenze di coppia e velocità.

Principio di Funzionamento dei Giunti Fluidi

Per comprendere come funziona un giunto fluido, è utile immaginare due ventole contrapposte all’interno di una scatola sigillata, riempita parzialmente di un fluido adatto (generalmente olio). Una ventola è collegata all’albero motore (definita pompa o girante), mentre l’altra ventola è collegata all’albero condotto (definita turbina).

Azione della Pompa (Girante)

Quando l’albero motore, e quindi la pompa, inizia a ruotare, il fluido all’interno del giunto viene messo in movimento a causa della forma delle pale della pompa. Queste pale spingono il fluido verso la turbina, generando un flusso circolante. L’energia cinetica del fluido trasferisce la coppia motrice alla turbina.

Azione della Turbina

La turbina riceve il fluido in movimento e, grazie alla forma delle proprie pale, converte l’energia cinetica del fluido nuovamente in energia meccanica, mettendosi in rotazione. Più aumenta la velocità della pompa, più intensamente il fluido viene “lanciato” verso la turbina, aumentando di conseguenza la velocità di rotazione anche dell’albero condotto.

Slittamento e Comportamento Dinamico

Uno degli aspetti peculiari del giunto fluido è che, a differenza dei sistemi di collegamento rigidi (es. frizioni a disco, giunti a denti), non c’è mai un collegamento fisico diretto tra i due alberi: esiste sempre un certo slittamento tra la pompa e la turbina. Questo slittamento è cruciale, perché:

Permette di assorbire urti e vibrazioni.
Evita il “blocco” in caso di sovraccarichi (il giunto può slittare, proteggendo il motore).
Consente una partenza più dolce, poiché la trasmissione di coppia avviene gradualmente man mano che la pompa accelera e mette in movimento il fluido.

Più è elevato lo slittamento, minore è l’efficienza di trasferimento di potenza, perché una parte dell’energia cinetica si trasforma in calore generato dall’agitazione del fluido. Ecco perché il raffreddamento - o la presenza di alette di dissipazione sul corpo del giunto - diventa fondamentale in molte applicazioni.

Componenti Principali di un Giunto Fluido

Un giunto fluido, pur esistendo in diverse configurazioni e varianti, si compone essenzialmente di alcuni elementi chiave:

Scatola o involucro (housing): Contiene il fluido e protegge i componenti interni. Costruito in ghisa o acciaio per resistere a pressioni e temperature elevate. Spesso dotato di alette esterne per favorire lo smaltimento del calore.
Pompa (o girante): Collegata all’albero motore. Presenta pale curve progettate per “lanciare” il fluido verso la turbina.
Turbina: Collegata all’albero condotto. Riceve il fluido dalla pompa e ne converte l’energia cinetica in rotazione meccanica. Possiede pale conformate per ricevere il getto e rimandare il fluido nuovamente verso la pompa.
Fluido: Di solito un olio speciale con un certo grado di viscosità e caratteristiche di resistenza all’ossidazione e al calore. La qualità del fluido e il suo livello di riempimento influenzano le prestazioni del giunto (coppia trasmissibile, dissipazione del calore, efficienza).
Guarnizioni e cuscinetti: Servono a garantire la tenuta dell’olio all’interno del giunto e a sostenere gli alberi in rotazione. Devono resistere al calore e alla pressione generata dalla rotazione ad alta velocità del fluido.
Eventuali sistemi di raffreddamento: In alcune applicazioni, soprattutto a potenze elevate o in ambienti dove le temperature di esercizio sono già alte, è prevista la presenza di circuiti di raffreddamento a liquido o di sistemi di ventilazione forzata per disperdere il calore in eccesso generato dallo slittamento.

Ogni produttore può introdurre varianti o soluzioni progettuali differenti per ottimizzare la durata del giunto, minimizzare le perdite e migliorare la dissipazione del calore.

Vantaggi e Svantaggi del Giunto Fluido

Come ogni dispositivo meccanico, il giunto fluido presenta una serie di vantaggi e svantaggi che vale la pena considerare nella fase di progettazione di un impianto o di una trasmissione.

Vantaggi

Protezione dai sovraccarichi: In caso di picchi di carico o di blocchi improvvisi dell’albero condotto, il giunto fluido permette uno slittamento maggiore, proteggendo così il motore e l’intero sistema di trasmissione.
Riduzione delle vibrazioni e degli urti: Grazie all’effetto ammortizzante del fluido, si riducono le sollecitazioni meccaniche sugli alberi e sui cuscinetti, allungando la vita utile delle macchine.
Partenza graduale: Il dispositivo consente di passare gradualmente da 0 alla velocità operativa, evitando brusche variazioni di coppia che potrebbero danneggiare la meccanica o creare problemi di stabilità.
Nessuna usura per attrito diretto tra parti metalliche: Essendo un accoppiamento idrodinamico, non c’è attrito secco tra le superfici di contatto (come avviene invece in una frizione a dischi). Questo si traduce in minor usura meccanica dei componenti interni, a patto che il fluido sia mantenuto in buono stato.
Versatilità: Esistono giunti fluidi di diverse dimensioni e capacità, adattabili a svariati ambiti: dalle piccole macchine utensili ai grandi impianti di movimentazione materiali.

Svantaggi

Rendimento inferiore rispetto ai giunti rigidi: Lo slittamento fisiologico tra pompa e turbina genera inevitabilmente perdite di energia sotto forma di calore. Pertanto, l’efficienza di un giunto fluido non raggiunge mai il 100%.
Riscaldamento eccessivo a carichi elevati o prolungati: A differenza dei giunti meccanici, quelli fluidi possono surriscaldarsi se lavorano a elevate coppie o se il regime di rotazione non è adeguato. È fondamentale un adeguato sistema di raffreddamento o di dissipazione del calore.
Dipendenza dal fluido: La viscosità, la temperatura e il livello dell’olio interno influiscono direttamente sulle prestazioni del giunto. Una manutenzione inadeguata del fluido (invecchiamento, contaminazione) può comportare un calo di efficienza e problemi di affidabilità.
Costo iniziale più alto di altri giunti semplici: Sebbene a lungo termine si possano avere risparmi dovuti a minori sollecitazioni meccaniche, il giunto fluido può richiedere un investimento iniziale più elevato rispetto a giunti rigidi o semirigidi.

Principali Applicazioni Pratiche dei Giunti Fluidi

Il giunto fluido trova impiego in un’ampia gamma di settori, grazie alle sue proprietà di trasmissione progressiva e protezione dai sovraccarichi.

Settore Automotive

Storicamente, i giunti fluidi hanno trovato larga diffusione nei cambi automatici delle auto d’epoca o di alcuni modelli di veicoli commerciali. Prima dell’avvento e della diffusione dei convertitori di coppia (che costituiscono un’evoluzione del giunto fluido, dotati di uno stadio aggiuntivo chiamato statore), il giunto fluido era la base dei sistemi di trasmissione automatica.

Impianti Industriali

Gli impianti industriali costituiscono probabilmente il campo di applicazione più vasto per i giunti fluidi. Alcuni esempi:

Nastri trasportatori e sistemi di movimentazione materiali: I giunti fluidi permettono partenze graduali di lunghi nastri trasportatori, evitando shock meccanici su cinghie e rulli e proteggendo i motori da sovraccarichi improvvisi (ad esempio, quando il nastro si blocca o il carico è particolarmente pesante).
Pompe e ventilatori industriali: L’accoppiamento fluido agevola il controllo della velocità di avviamento e ammortizza le vibrazioni. Inoltre, protegge le giranti delle pompe da colpi d’ariete o altri shock idraulici.
Trituratori, frantoi e mulini: In questi macchinari, dove si gestiscono carichi pesanti e variabili (minerali, pietre, rifiuti), il giunto fluido consente di evitare la rottura o l’usura eccessiva delle parti meccaniche in caso di blocchi o ostruzioni improvvise.
Generatori e gruppi elettrogeni: Quando è necessario avviare gradualmente un generatore in parallelo con altri motori, il giunto fluido previene shock di coppia che potrebbero danneggiare gli avvolgimenti o i dispositivi di controllo.

Settore Ferroviario e Marittimo

Alcuni treni storici e locomotive diesel-idrauliche utilizzavano i giunti fluidi come parte integrante dei sistemi di trasmissione.

Come Scegliere un Giunto Fluido

Quando ci si trova a dover selezionare un giunto fluido per una determinata applicazione, è importante tenere in considerazione diversi fattori:

Potenza e coppia richieste: La prima variabile da valutare è la potenza del motore e la coppia che si desidera trasmettere. I cataloghi dei produttori di giunti fluidi solitamente indicano la gamma di potenza supportata per ciascun modello.
Velocità di rotazione: Ogni giunto fluido ha un range di velocità ottimale in cui funziona al meglio. È quindi necessario conoscere la velocità operativa dell’albero motore e dell’albero condotto.
Condizioni di esercizio e ambiente di lavoro: Temperatura ambientale elevata, presenza di polveri, umidità o sostanze aggressive possono influire sulla scelta dei materiali e sul tipo di tenute. Inoltre, in presenza di carichi ciclici o di avviamenti frequenti, si dovrà scegliere un giunto con un sistema di raffreddamento più efficiente.
Livello di slittamento ammissibile: Non tutti i processi industriali possono tollerare uno slittamento significativo tra albero motore e albero condotto. Se è fondamentale una trasmissione il più rigida possibile, potrebbe essere preferibile un altro tipo di giunto o un sistema di controllo più sofisticato.
Costi e manutenzione: Bisogna valutare il costo totale di proprietà (TCO - Total Cost of Ownership), che comprende non solo il prezzo di acquisto del giunto fluido, ma anche i costi di esercizio (energia persa sotto forma di calore) e di manutenzione (sostituzione del fluido, controlli periodici).
Compatibilità con i dispositivi di controllo e regolazione: In alcuni impianti moderni, la velocità del motore è gestita da inverter (VFD - Variable Frequency Drive) o altri sistemi di controllo elettronico. In questi casi, l’utilizzo di un giunto fluido potrebbe aggiungere complessità. Serve una corretta integrazione tra le logiche di controllo e il comportamento dinamico dell’accoppiamento fluido.

Manutenzione e Buone Pratiche

Per garantire prestazioni ottimali e prolungare la vita del giunto fluido, è essenziale adottare alcune buone pratiche di manutenzione:

Controllo periodico del livello e della qualità del fluido: Monitorare che il livello di riempimento sia conforme a quanto raccomandato dal costruttore.

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