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. Tra queste, le pompe a pistoni assiali rappresentano una tecnologia fondamentale nel campo delle applicazioni idrauliche ad alta pressione, offrendo una combinazione unica di prestazioni, efficienza e affidabilità.

Tipologie di Pompe Idrauliche

Esistono diverse tipologie di pompe idrauliche, tra cui:

  • Pompe a pistoni: utilizzano pistoni mobili per comprimere il fluido idraulico e spingerlo attraverso il sistema.
  • Pompe a ingranaggi: tra le più semplici e affidabili, utilizzano ingranaggi rotanti per creare un vuoto che aspira il fluido.
  • Pompe a palette: utilizzano palette scorrevoli montate su un rotore eccentrico per muovere il fluido.

Pompe a Pistoni

Le pompe a pistoni sono tra le più comuni e versatili nel settore idraulico. Esistono due tipologie principali:

  • Pompe a pistoni assiali: caratterizzate da pistoni che si muovono parallelamente all’albero motore, offrono efficienza e capacità di operare a pressioni elevate.
  • Pompe a pistoni radiali: hanno pistoni disposti radialmente intorno all’albero motore, permettendo un'alta capacità di generare pressione, ma risultano meno comuni a causa della loro complessità costruttiva.

Pompe a Ingranaggi

Le pompe a ingranaggi sono tra le più semplici e affidabili pompe idrauliche. Si distinguono in:

  • Pompe a ingranaggi esterni: 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, offrendo 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 è 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 a Pistoni Assiali: Dettagli e Funzionamento

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.

  1. 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.
  2. 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: Controllano il flusso del fluido idraulico dentro e fuori dai cilindri, garantendo che il flusso avvenga nella direzione corretta. Tipicamente a funzionamento automatico, si aprono e si chiudono in base alle differenze di pressione.
  • Corpo pompa: Involucro che contiene e protegge tutti i componenti interni. Il Carter è con olio.
  • Guarnizioni di tenuta: Elementi critici che impediscono perdite di fluido e garantiscono il mantenimento della pressione.

Vantaggi delle Pompe a Pistoni Assiali

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, da alcune decine di bar fino a oltre 1000 bar nei modelli industriali più performanti, essenziali per applicazioni che richiedono forze considerevoli.
  • 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. Il rendimento viene considerato normale se pari a 95% o comunque superiore a 90%.
  • 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. 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.
  • 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.

Svantaggi delle Pompe a Pistoni Assiali

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. L' unità a pistoni assiali a blocco cilindri inclinato (detta anche ad asse inclinato) è una macchina volumetrica i cui pistoni, insieme al blocco cilindri in cui scorrono, sono montati in posizione inclinata rispetto all'asse dell’albero. 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.
  • Pompe con Cilindri Rotanti: In questo design, i cilindri ruotano attorno a un albero fisso, mentre i pistoni si muovono assialmente.

Selezione di una Pompa a Pistoni Assiali

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.

Altri tipi di pompe

Esistono anche 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.

Nelle pompe a pistoni radiali con albero eccentrico, l’albero rotante eccentrico genera movimenti radiali dei pistoni inseriti nel corpo esterno fisso. Le pompe a pistoni radiali vengono generalmente progettate con un numero di pompanti dispari, poiché un numero di pompanti pari - anche se maggiore - presenta una pulsazione di portata superiore.

In questo tipo di macchina il movimento rotatorio dell’albero si trasforma in un moto oscillatorio dei pistoncini (pompanti) nella direzione parallela a quella dell’asse di rotazione. Mettendo in rotazione l’albero il blocco cilindri viene trascinato dall’accoppiamento scanalato.

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. 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.

Con blocco cilindri eccentrico: la rotazione del pistone avviene all’interno di un anello esterno rigido. Sono costituite da un rotore con scanalature radiali, nelle quali sono alloggiate delle palette rettangolari.

La cilindrata di una pompa corrisponde al volume del fluido pompato, a seconda del modello, dagli ingranaggi, dalle palette o dai pistoni durante un ciclo completo. Le pompe a pistone e le pompe a palette possono essere a cilindrata fissa o variabile, a seconda del modello. Portata (Qv), chiamata anche flusso, che è espressa in l/min.

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.

Mazzoni offre una vasta gamma di pompe a pistoni e motopompe progettate per soddisfare le esigenze di diversi settori applicativi. Le motopompe della serie EDM combinano una pompa a pistoni di alta qualità con un motore a combustione interna (benzina o diesel), creando unità autonome ideali per applicazioni in mobilità o in luoghi privi di alimentazione elettrica. Le serie PMD - MMD - GM -XM comprende pompe a pistoni in linea progettate specificamente per applicazioni con acqua fredda ad alta pressione. Le pompe della serie HW sono specificamente progettate per applicazioni con acqua calda, con temperature fino a 85°C in ingresso. Mazzoni investe costantemente in ricerca e sviluppo per migliorare le prestazioni, l’affidabilità e l’efficienza energetica delle sue pompe a pistoni.

Le pompe a pistoni rappresentano una tecnologia fondamentale nel campo delle applicazioni idrauliche ad alta pressione, offrendo una combinazione unica di prestazioni, efficienza e affidabilità. Mazzoni, con la sua vasta gamma di pompe a pistoni e motopompe ad alta pressione, offre soluzioni tecnologicamente avanzate per ogni esigenza applicativa, dal settore professionale a quello industriale. L’attenzione alla qualità dei materiali, l’innovazione tecnologica costante e il supporto tecnico specializzato fanno di Mazzoni un partner affidabile per chi cerca prestazioni elevate e durature nel tempo.

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. Tutte le pompe che qui di seguito verranno presentate, hanno una caratteristica in comune, ossia sono tutte pompe volumetriche.

Cilindrata: 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.

Le pompe volumetriche sono impiegate in vari campi dell’industria. Quelle che in genere troviamo nella maggioranza dei circuiti oleodinamici sono divise in due grandi tipologie: pompe rotative e pompe a pistoni alternativi. Le pompe rotative basano il loro funzionamento grazie al passaggio di un fluido attraverso un meato o gioco, cioè una millimetrica o micrometrica intercapedine, che separa le superfici di due corpi in movimento relativo, riempita di lubrificante che ne evita lo sfregamento. Esso viene realizzato meccanicamente attraverso l’uso di coppie di ingranaggi o di viti oppure sfruttando gli spazi generati da palette mobili.

In questo articolo prenderemo in considerazione le più comuni pompe rotative ad ingranaggi esterni. La ruota dentata primaria (2) ruota nel senso indicato dalla freccia (vedi figura 2), trascinando la ruota dentata secondaria (3), in senso di rotazione contrario. A seguito della rotazione, si rendono liberi i vani di dentatura: la conseguente depressione che viene generata e l’azione della pressione atmosferica, fanno in modo che il fluido affluisca nella camera di aspirazione E. Il fluido riempie i vani dei denti e, percorrendo la parte esterna, viene spinto verso l’uscita P, la cosiddetta mandata: per un buon rendimento volumetrico occorre tenere sotto controllo il gioco di accoppiamento laterale (rasamento sui fianchi) tra ingranaggi (5) e gli organi di tenuta, le ralle (6). Inoltre questo tipo di pompe sono dotate di cuscinetti di sostentamento e bilanciamento idrostatico funzionanti tramite i dischi (7), i quali, spinti dalla pressione del sistema, premono sui fianchi degli ingranaggi. Come si sottolineato all’inizio di questo articolo, la pompa costituisce il cuore di ogni impianto oleodinamico, per cui è fondamentale conoscerne le modalità di guasto, le possibili cause ed i rimedi più efficaci. 6) -Instabilità della valvola di max. Un ulteriore parametro fondamentale, indicatore dello stato di salute della pompa, è il Rendimento: esso viene considerato normale se pari a 95% o comunque superiore a 90%.

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