Pompa idraulica a portata variabile: funzionamento e applicazioni

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

Esistono diverse tipologie di pompe oleodinamiche, ciascuna più o meno adatta in base al tipo di utilizzo. Tutte le pompe che qui di seguito verranno presentate, hanno una caratteristica in comune, ossia sono tutte pompe volumetriche.

Pompe a 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.
Pompe a palette: utilizzano 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.
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.
Pompe a vite: si hanno uno o più rotori elicoidali per il trasferimento del fluido.

Pompe a ingranaggi

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. Le pompe a ingranaggi hanno pochissimi componenti mobili. 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.

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. La caratteristica più rilevante delle pompe ad ingranaggi interni è la bassa rumorosità.

Pompe a palette

Nel caso delle 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.

Le RV1P sono pompe a palette a cilindrata variabile, con compensatore di pressione idraulico di tipo pilotato, che consentono di adeguare istantaneamente la portata erogata secondo le richieste del circuito. Il consumo energetico è ridotto ed adeguato in ogni istante del ciclo. Il gruppo pompante è fornito di doppia compensazione assiale idrostatica che migliora il rendimento volumetrico e riduce le usure dei componenti. Il compensatore di pressione mantiene in posizione eccentrica l’anello statorico del gruppo pompante mediante l’azione di un pistone controllato idraulicamente da uno stadio pilota di pressione. Quando la pressione in mandata eguaglia la pressione corrispondente alla taratura dello stadio pilota, l’anello statorico viene spostato verso il centro, adeguando la portata erogata ai valori richiesti dall’impianto.

Pompe a pistoni

Tra le pompe oleodinamiche quelle 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. Le pompe idrauliche a pistone sono in grado di pompare flussi molto elevati ad alte pressioni. Il loro principio di funzionamento si basa sul movimento alternato dei pistoni.

Le pompe a pistone e le pompe a palette possono essere a cilindrata fissa o variabile, a seconda del modello.

Pompe a vite

Nelle pompe a vite si hanno uno o più rotori elicoidali per il trasferimento del fluido. Le pompe a viti, così come le pompe ad ingranaggi interni, presentano una notevole silenziosità di funzionamento. 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. 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.

Principi di funzionamento delle diverse tipologie di pompe

Vediamo nel dettaglio come funzionano le diverse tipologie di pompe:

Pompe a ingranaggi esterni: il fluido viene trasportato tra i denti degli ingranaggi e la carcassa.
Pompe a ingranaggi interni: 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. Nella zona delimitata dall'elemento di riempimento a forma di falce il fluido viene trasportato senza variazione di volume.
Pompe a pistoni radiali con albero eccentrico: l’albero rotante eccentrico genera movimenti radiali dei pistoni inseriti nel corpo esterno fisso.
Pompe a pistoni assiali a blocco cilindri inclinato: 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.

Cilindrata e rendimento

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. 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. 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.

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.

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. 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.

Applicazioni

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.
Trovano impiego non solo nell’industria, specialmente nelle macchine per la pressofusione e per lo stampaggio a iniezione, ma anche nelle macchine per la costruzione e i lavori pubblici. Trovano impiego anche nelle macchine da taglio a getto d’acqua. In questo caso il fluido idraulico è acqua e non olio.

Pompe a portata variabile e risparmio energetico

Un leitmotiv nell'automazione industriale è rappresentato dal concetto di energy saving sulle macchine di nuova generazione, in tutte le sue più svariate sfaccettature e applicazioni. A tal proposito, un banco di prova molto interessante si trova proprio nel settore oleodinamico ed è rappresentato dal settore mobile.

La trasmissione di potenza idraulica è per sua natura un sistema dissipativo: genera calore e dispersione energetica che non vengono trasformati in lavoro e, di conseguenza, in efficienza dell’impianto. In tal senso, una delle novità fondamentali è rappresentata dall’accoppiamento dei distributori load sensing Nordhydraulic con le pompe a pistoni della nuovissima generazione PPV100M, che consentono livelli di efficienza molto alti e, di conseguenza, elevati risparmi in termini di consumi e dispersioni energetiche.

Lavorare con una pompa a cilindrata variabile con il concetto load sensing significa che, mediante un segnale di pressione in retroazione sulla pompa, è possibile adattare i valori di pressione e portata alle richieste di ogni singola utenza presente nel circuito.

Nelle applicazioni canoniche, il gruppo motopompa veniva utilizzato con pompa fissa e distributore, ed era dimensionato per soddisfare la richiesta di portata e pressione dell’utilizzo più gravoso. Nel sistema, la spinta del gruppo motopompa era continua fino al raggiungimento della pressione di taratura della valvola di controllo pressione.

Se a un primo esame risulta chiaro che il valore economico di una pompa a pistoni è sicuramente maggiore rispetto al corrispettivo di una pompa a ingranaggi, occorre fare una valutazione più attenta e profonda dell’intero circuito. Il dimensionamento della potenza installata permette un risparmio di diversi kW sul motore elettrico. Questo è un primo passo verso la riduzione del consumo e dei costi di acquisto. Il compensatore della pompa, dotato di valvola di taglio pressione massima, aiuta a eliminare le grosse valvole previste sui blocchi.

L’applicazione del regolatore load sensing permette di adeguare le dimensioni dei tubi per ogni singola utenza. I risultati più evidenti di tali applicazioni sono quelli che permettono di ottenere l’ottimizzazione della macchina in ottica di saving energetico, dimensioni, spazi e costi.

Quale pompa scegliere?

Quale pompa idraulica elettrica scegliere per assicurarsi le migliori prestazioni? La valutazione deve tenere conto di diversi criteri, tra cui la pressione di esercizio richiesta, la portata necessaria, il tipo di fluido e le condizioni operative. La scelta della pompa oleodinamica più adatta deve, ovviamente, tenere conto delle proprie esigenze. è quindi necessaria un’attenta valutazione di molteplici fattori, non solo tecnici ma anche economici.

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.

In una macchina, la produzione di calore può essere continuativa e concentrata in determinate ore della giornata.

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