Pompa Idraulica a Pistoni Assiali: Funzionamento e Tipologie

Le pompe idrauliche sono componenti essenziali in molte applicazioni industriali e mobili. La loro funzione principale è quella di convertire l’energia meccanica in energia idraulica, permettendo il movimento dei fluidi all’interno di un sistema idraulico. Esistono vari tipi di pompe idrauliche, ognuna progettata per specifiche applicazioni e condizioni operative.

Tipi di Pompe Idrauliche

Ecco delle informazioni utili su tipologie, caratteristiche e applicazioni delle pompe idrauliche:

Pompe a Pistoni
Pompe a Ingranaggi
Pompe a Palette
Pompe Centrifughe
Pompe Rotative

Pompe a Pistoni

Le pompe a pistoni sono tra le più comuni e versatili nel settore idraulico; utilizzano pistoni mobili per comprimere il fluido idraulico e spingerlo attraverso il sistema.

Pompe a Pistoni Assiali

Note per l’efficienza e la capacità di operare a pressioni elevate, sono caratterizzate da pistoni che si muovono parallelamente all’albero motore.

Pompe a Pistoni Radiali

Hanno pistoni disposti radialmente intorno all’albero motore: un design che permette un’alta capacità di generare pressione, ma le rende meno comuni rispetto alle pompe a pistoni assiali a causa della loro complessità costruttiva.

Pompe a Ingranaggi

Le pompe a ingranaggi sono tra le più semplici e affidabili pompe idrauliche.

Pompe a Ingranaggi Esterni

Sono costituite da due ingranaggi che ruotano in direzioni opposte all’interno di una camera, creano un vuoto che aspira il fluido e lo spinge attraverso il sistema.

Pompe a Ingranaggi Interni

Utilizzano un ingranaggio esterno che ruota all’interno di un ingranaggio interno più grande. Questo design permette una maggiore efficienza volumetrica e un funzionamento più silenzioso rispetto alle pompe a ingranaggi esterni.

Pompe a Palette

Un altro tipo di pompa idraulica molto utilizzata e quella a palette, così chiamate poiché utilizzano palette scorrevoli montate su un rotore eccentrico per muovere il fluido attraverso il sistema. Funzionamento silenzioso, buona efficienza volumetrica e capacità di gestire fluidi a bassa viscosità sono i principali vantaggi delle pompe a palette.

Pompe Centrifughe

Le pompe centrifughe sono costituite da una camera a sezione crescente, detta chiocciola o diffusore, collegata al centro con la condotta d’aspirazione e alla periferia con quella di mandata. All’interno della chiocciola gira a grande velocità (da 1500 a 3000 giri/minuto) un organo rotante, chiamato girante o impulsore.

Girante

Si tratta di un organo rotante, con forma e profilo diversi, innestato sull’albero del motore da cui riceve l’energia da imprimere al liquido.

Le pompe centrifughe, quando si ha la necessità di superare alte prevalenze, mantenendo comunque alti i valori di portata, possono essere a multi-girante. In queste, un certo numero di giranti sono connesse con lo stesso albero. La geometria interna obbliga il liquido in uscita da una girante ad entrare in quella successiva. La pompa funziona così come diverse pompe in serie, ma con una compattezza maggiore. Sono presenti sul mercato sia pompe ad asse orizzontale che ad asse verticale. Queste ultime possono essere impiegate quando lo spazio disponibile per l’installazione è veramente esiguo, in quanto il motore è posto proprio sopra la pompa.

Un particolare tipo di pompa ad asse verticale è la pompa SOMMERSA, in cui il motore elettrico è posto all’interno di un contenitore ermetico. Queste pompe possono, perciò, essere installate sotto il livello del liquido e sono utilizzate quindi per pompare acqua da pozzi particolarmente profondi o da serbatoi interrati.

Le centrifughe possono essere anche autoadescanti, queste pompe sono in grado, a differenza delle normali pompe centrifughe, di aspirare l’aria contenuta nella condotta d’aspirazione e di creare all’interno della pompa una depressione capace di assicurare l’aspirazione del liquido da pompare. Tali pompe sono a una girante, posseggono una buona prevalenza, ma hanno generalmente un rendimento inferiore rispetto alle normali pompe centrifughe, in considerazione del ricircolo di parte del liquido pompato.

Pompe centrifughe autoadescanti a canale laterale

Presentano dalla parte più esterna una camera separata in due settori che individuano la camera di aspirazione e la camera di mandata. Nella zona centrale delle due camere sono presenti rispettivamente una luce di aspirazione ed una luce di mandata. Posteriormente a questa camera esterna è presente una camera in cui ruota una girante aperta di tipo stellare, rotante con un gioco minimo, in modo da assicurare una elevata capacità d’innesco, lavora cioè a sfioramento con il corpo e la culatta della pompa, creando così una depressione che preleva il liquido che, dalla camera di aspirazione, tramite la luce di carico, viene trasferito alla luce di scarico e quindi alla camera di mandata.

Gli utilizzi principali delle pompe centrifughe includono il pompaggio di sostanze chimiche, di acqua, in agricoltura, galvanica, torri di abbattimento fumi e nel settore petrolchimico.

Pompe Rotative

Le pompe rotative sono caratterizzate dal moto rotatorio lento di organi mobili: ruote dentate o lobi. Il trasferimento dell’energia avviene esercitando una pressione sul fluido in maniera analoga alle pompe a stantuffo. Il funzionamento di una pompa rotativa prevede che per ogni rotazione venga spostato un volume fisso di fluido. Queste pompe sono autoadescanti e forniscono una portata quasi costante, indipendentemente dalla pressione.

Pompe ad ingranaggi

Sfruttano il movimento di ingranaggi per pompare il fluido per spostamento. Le pompe a ingranaggi hanno pochissimi componenti mobili e sono costituite da due ruote dentate che ingranano l’una nell’altra. Hanno una portata costante e generalmente operano a pressioni comprese tra 50 e 210 bar.

Nelle pompe a ingranaggi esterni, solo una delle ruote dentate, la ruota motrice, è collegata alla trasmissione. Esistono pompe a doppio ingranaggio esterno, che consistono in due pompe a ingranaggi azionate dallo stesso albero.

Pompe Oleodinamiche

Parlare di pompe oleodinamiche significa concentrare l’attenzione su uno degli elementi più importanti di un sistema idraulico. Si tratta, infatti, del componente fondamentale per trasformare l’energia meccanica in energia idraulica. Le pompe per l’ oleodinamica sono dispositivi che aspirano il fluido da un serbatoio e lo immettono sotto pressione nel circuito idraulico. Durante questo processo l’energia meccanica viene convertita in energia idraulica. L’utilizzo delle pompe oleodinamiche e in modo particolare la possibilità di trasformare l’energia meccanica in energia idraulica, si rende necessario per i vantaggi che l’idraulica assicura rispetto alla meccanica. I sistemi idraulici, infatti, sono in grado di generare forze e coppie elevate anche in spazi relativamente ridotti, così come a ottenere un controllo preciso della velocità e della posizione dei vari attuatori.

Tipologie di Pompe Oleodinamiche

Pompe ad Ingranaggi: Sono la soluzione più diffusa nel settore soprattutto per la loro affidabilità e maggiore semplicità costruttiva. Ne esistono due tipologie: quelle a ingranaggi esterni e quelle a ingranaggi interni. Le pompe ad ingranaggi esterni sono formate da due ingranaggi posti all’interno di una carcassa e che ruotano in senso opposto. Il fluido viene trasportato tra i denti degli ingranaggi e la carcassa.
Pompe a Palette: Si ha una tipologia di pompa che utilizza un rotore dotato di palette mobili che durante il movimento creano delle camere di volume variabili. Anche in questo caso ne esistono di due tipi: pompe a palette bilanciate e non bilanciate. Nel primo caso ci sono due zone di pompaggio opposte che bilanciano le forze, mentre nell’altro c’è una sola zona di pompaggio.
Pompe a Pistoni: Sono considerate le più versatili in quanto dotate di maggiore sofisticatezza. Rappresentano la soluzione migliore in termini di pressione e rendimento e ne esistono diverse tipologie: le pompe a pistoni assiali e quelle a pistoni radiali. A loro volta le pompe a pistoni assiali si dividono in: con piattello inclinato, con corpo inclinato e a cilindrata variabile. Mentre le pompe a pistoni radiali in: a camme e a eccentrico.
Pompe a Vite: Si hanno uno o più rotori elicoidali per il trasferimento del fluido.

Applicazioni delle Pompe Oleodinamiche

Come abbiamo avuto modo di illustrare esistono diverse tipologie di pompe oleodinamiche, ciascuna più o meno adatta in base al tipo di utilizzo. Le pompe ad ingranaggi, per esempio, sono ideali per i sistemi di lubrificazione, le attrezzature per l’edilizia e le macchine agricole in quanto prevedono una bassa o media pressione. Le pompe a pistoni vengono utilizzate nelle presse idrauliche, nei sistemi di sollevamento, nei macchinari per la lavorazione dei metalli, per le macchine per il movimento terra e in generale per le applicazioni industriali pesanti in quanto sono in grado di generare pressioni elevate e flussi variabili.

La scelta della pompa idraulica giusta dipende da vari fattori, tra cui l’applicazione specifica, la pressione operativa, il tipo di fluido utilizzato e le condizioni ambientali.

Pompe a Pistoni Assiali: Approfondimento

Le pompe a pistoni assiali rappresentano una componente fondamentale in numerosi sistemi idraulici, spaziando da macchinari industriali pesanti a sofisticati sistemi di controllo aeronautico. La loro capacità di generare alte pressioni e flussi variabili le rende insostituibili in contesti dove la precisione e l'affidabilità sono cruciali. Comprendere il loro funzionamento, i vantaggi e le applicazioni è essenziale per ingegneri, tecnici e chiunque operi nel settore dell'idraulica.

Principio di Funzionamento

Il principio di funzionamento di una pompa a pistoni assiali si basa sul movimento alternativo di un certo numero di pistoni all'interno di cilindri disposti parallelamente all'asse di rotazione. Questi pistoni sono collegati a un elemento rotante, tipicamente un piatto oscillante (o swashplate), tramite bielle o pattini. Quando l'elemento rotante ruota, i pistoni compiono un movimento alternato di aspirazione e mandata all'interno dei cilindri.

Fase di Aspirazione: Durante la fase di aspirazione, il pistone si ritrae all'interno del cilindro, creando un volume crescente. Questa depressione aspira il fluido idraulico attraverso una valvola di ingresso nel cilindro.
Fase di Mandata: Successivamente, il pistone si sposta in avanti, riducendo il volume del cilindro. Questa compressione spinge il fluido idraulico attraverso una valvola di uscita verso il circuito idraulico a una determinata pressione.

L'angolo del piatto oscillante determina la corsa dei pistoni e, di conseguenza, la portata della pompa. Regolando l'angolo del piatto oscillante, è possibile variare la portata della pompa, rendendola adatta a diverse applicazioni che richiedono flussi variabili. Esistono anche design con cilindri rotanti attorno a un albero fisso, ottenendo un effetto simile.

Componenti Chiave

Per comprendere appieno il funzionamento di una pompa a pistoni assiali, è fondamentale conoscere le sue componenti principali:

Albero di trasmissione: Fornisce la potenza meccanica per azionare la pompa.
Blocco cilindri (o tamburo): Contiene i cilindri in cui si muovono i pistoni.
Pistoni: Elementi che eseguono il movimento alternato per aspirare e spingere il fluido. Possono essere realizzati in ceramica, acciaio inossidabile o altri materiali ad alta resistenza.
Piatto oscillante (o swashplate): Converte il movimento rotatorio dell'albero in movimento lineare dei pistoni. L'angolo del piatto oscillante determina la corsa dei pistoni e, quindi, la portata della pompa.
Bielle o pattini: Collegano i pistoni al piatto oscillante, trasmettendo il movimento.
Valvole di ingresso e uscita: Tipicamente a funzionamento automatico, si aprono e si chiudono in base alle differenze di pressione. Controllano il flusso del fluido idraulico dentro e fuori dai cilindri, garantendo che il flusso avvenga nella direzione corretta.
Corpo pompa: Involucro che contiene e protegge tutti i componenti interni. Il Carter é con olio.

Vantaggi

Le pompe a pistoni assiali offrono numerosi vantaggi rispetto ad altri tipi di pompe idrauliche, che le rendono la scelta preferita in molte applicazioni:

Alta Pressione di Esercizio: Sono in grado di generare e sostenere pressioni molto elevate, essenziali per applicazioni che richiedono forze considerevoli. Le pompe a pistoni possono generare pressioni estremamente elevate, da alcune decine di bar fino a oltre 1000 bar nei modelli industriali più performanti.
Alta Efficienza: Offrono un'elevata efficienza volumetrica e meccanica, il che significa che convertono una grande percentuale della potenza in ingresso in potenza idraulica in uscita, riducendo le perdite e il consumo energetico. Misura il rapporto tra la portata effettiva e quella teorica.
Portata Variabile: Molte pompe a pistoni assiali sono progettate per variare la portata, consentendo di adattare il flusso del fluido idraulico alle esigenze specifiche dell'applicazione. Indica la quantità di fluido che la pompa può spostare nell’unità di tempo, generalmente espressa in litri al minuto (l/min). Questo è particolarmente utile in sistemi che richiedono un controllo preciso della velocità e della forza.
Lunga Durata: Grazie alla loro costruzione robusta e all'utilizzo di materiali di alta qualità, le pompe a pistoni assiali tendono ad avere una lunga durata operativa, riducendo i costi di manutenzione e sostituzione. Elementi critici che impediscono perdite di fluido e garantiscono il mantenimento della pressione.
Affidabilità: Sono generalmente molto affidabili e in grado di operare in condizioni gravose.
Design Compatto: Nonostante la loro elevata potenza, possono avere un design relativamente compatto, facilitando l'integrazione in spazi ristretti. Le pompe possono essere dotate di un numero variabile di pistoni, generalmente da 3 a 9. Un maggior numero di pistoni garantisce un flusso più uniforme ma aumenta la complessità e il costo del sistema.

Svantaggi

Nonostante i numerosi vantaggi, le pompe a pistoni assiali presentano anche alcuni svantaggi che è importante considerare:

Costo Elevato: Rispetto ad altri tipi di pompe, come le pompe a ingranaggi o a palette, le pompe a pistoni assiali sono generalmente più costose, sia in termini di acquisto iniziale che di manutenzione.
Rumorosità: Possono essere più rumorose rispetto ad altri tipi di pompe, soprattutto a pressioni elevate.
Complessità: La loro costruzione è più complessa, il che può rendere la manutenzione più difficile e richiedere personale specializzato.
Sensibilità alla Contaminazione: Sono più sensibili alla contaminazione del fluido idraulico rispetto ad altri tipi di pompe. La presenza di particelle contaminanti può causare usura prematura e guasti.

Applicazioni

Le pompe a pistoni assiali trovano impiego in una vasta gamma di applicazioni industriali e mobili, grazie alla loro capacità di fornire alte pressioni, flussi variabili e affidabilità. Alcuni esempi includono:

Macchinari Edili e Movimento Terra: Escavatori, bulldozer, gru, pale caricatrici.
Macchinari Agricoli: Trattori, mietitrebbie, irroratrici.
Macchinari Industriali: Presse idrauliche, macchine utensili, macchine per lo stampaggio a iniezione.
Settore Marittimo: Sistemi di propulsione navale, gru di bordo, verricelli.
Settore Aeronautico: Sistemi di controllo del volo, carrelli di atterraggio.
Settore Minerario: Macchinari per l'estrazione mineraria, perforatrici.
Veicoli Industriali: Camion, Autobus, mezzi speciali.

Tipi di Pompe a Pistoni Assiali

Esistono diverse varianti di pompe a pistoni assiali, progettate per soddisfare esigenze specifiche. Le principali tipologie sono:

Pompe a Piatto Oscillante: Sono le più comuni. L'angolo del piatto oscillante determina la corsa dei pistoni e, quindi, la portata della pompa. Possono essere a cilindrata fissa o variabile.
Pompe ad Albero Inclinato: In queste pompe, il blocco cilindri è inclinato rispetto all'asse di rotazione. L'inclinazione determina la corsa dei pistoni. Anche queste possono essere a cilindrata fissa o variabile.
Pompe con Cilindri Rotanti: In questo design, i cilindri ruotano attorno a un albero fisso, mentre i pistoni si muovono assialmente.

Selezione

La selezione della pompa a pistoni assiali più adatta a una specifica applicazione richiede un'attenta valutazione di diversi fattori:

Pressione di esercizio richiesta: Determinare la pressione massima che la pompa dovrà generare.
Portata richiesta: Calcolare il flusso di fluido idraulico necessario per soddisfare le esigenze dell'applicazione.
Tipo di fluido idraulico: Assicurarsi che la pompa sia compatibile con il fluido idraulico utilizzato.
Temperatura di esercizio: Verificare che la pompa possa operare in sicurezza all'interno dell'intervallo di temperatura previsto. Le pompe a pistoni possono operare con fluidi a temperature variabili, generalmente comprese tra 0°C e 65°C.
Efficienza: Scegliere una pompa con un'elevata efficienza per ridurre il consumo energetico e i costi operativi.
Rumorosità: Considerare il livello di rumorosità della pompa, soprattutto in ambienti sensibili al rumore.
Costo: Valutare il costo iniziale della pompa, nonché i costi di manutenzione e riparazione a lungo termine.
Affidabilità e Durata: Ricercare modelli con una comprovata affidabilità e durata.
Controllo: Valutare le opzioni di controllo disponibili (elettroproporzionale, manuale, ecc.) e scegliere quella più adatta all'applicazione.

Manutenzione

Una corretta manutenzione è essenziale per garantire la lunga durata e l'affidabilità delle pompe a pistoni assiali. L’olio lubrificante è essenziale per il corretto funzionamento della pompa. Il livello deve essere controllato regolarmente e l’olio sostituito secondo le indicazioni del produttore (generalmente ogni 200-500 ore di funzionamento). Le guarnizioni di tenuta tendono a usurarsi nel tempo. I pistoni in ceramica, sebbene estremamente resistenti, possono danneggiarsi in caso di cavitazione o presenza di particelle abrasive nell’acqua. La loro capacità di fornire alte pressioni, flussi variabili e affidabilità le rende insostituibili in molte applicazioni industriali e mobili.

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