Le pompe idrauliche sono dispositivi fondamentali nei sistemi idraulici, utilizzati per convertire l’energia meccanica in energia idraulica, permettendo il movimento dei fluidi all’interno di un circuito. Il loro funzionamento è cruciale per garantire l’efficienza e l’affidabilità dei sistemi idraulici in una vasta gamma di applicazioni, dall’industria pesante ai macchinari agricoli.
Tipologie di Pompe Idrauliche
Esistono vari tipi di pompe idrauliche, ognuna progettata per specifiche applicazioni e condizioni operative. Tutte le pompe che qui di seguito verranno presentate, hanno una caratteristica in comune, ossia sono tutte pompe volumetriche. 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.
Pompe a Pistoni
Le pompe a pistoni sono uno degli elementi fondamentali nel design e nel funzionamento di sistemi oleodinamici. Queste pompe sono progettate per generare un flusso costante di fluido ad alta pressione, mediante il movimento alternato di uno o più pistoni all'interno di cilindri. 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.
Funzionamento delle pompe a pistoni:
Nelle pompe a pistoni lo stantuffo è fissato ad un rotore con una biella così che, quando lo stantuffo in ceramica si contrae, produce pressione di aspirazione. Quando il rotore gira, lo stantuffo viene spinto indietro per spingere il liquido attraverso la valvola di uscita. 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. Le pompe a pistoni sfruttano il moto alternativo dei pistoni in ceramica per pressurizzare i liquidi e farli passare attraverso valvole di uscita. Lo stantuffo è generalmente realizzato in ceramica, particolarmente durevole e resistente all’usura.
Tipologie di pompe a pistoni:
- Pompe a pistoni assiali: Il movimento dei pistoni è parallelo all'asse della pompa. Note per l’efficienza e la capacità di operare a pressioni elevate, sono caratterizzate da pistoni che si muovono parallelamente all’albero motore. 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 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. 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.
Vantaggi delle pompe a pistoni:
Le pompe a pistoni offrono numerosi vantaggi rispetto ad altre tipologie di pompe, come quelle a palette o a ingranaggi. Molte pompe a pistoni sono dotate di un sistema di controllo della portata, che permette di regolare il flusso in base alle esigenze del sistema.
Applicazioni delle pompe a pistoni:
Le pompe a pistoni sono utilizzate in una vasta gamma di applicazioni, soprattutto dove è richiesto un alto livello di potenza e precisione nel controllo del flusso.
- Sistemi idraulici industriali: Le pompe a pistoni sono impiegate per alimentare macchinari industriali ad alta pressione, come presse, piegatrici, e sistemi di movimentazione.
- Sistemi di trasmissione su macchine movimento terra e veicoli: In queste applicazioni, la pompa a pistoni è utilizzata per alimentare i sistemi di sterzo, le leve di comando e i sistemi di sollevamento idraulico.
- Sistemi di controllo in ambito navale e offshore: Le pompe a pistoni sono utilizzate per il controllo di timoni, gru e altre attrezzature marine.
Manutenzione delle pompe a pistoni:
Le pompe a pistoni richiedono una manutenzione regolare per garantire il corretto funzionamento nel tempo.
Pompe a Ingranaggi
Le pompe a ingranaggi sono tra le più semplici e affidabili pompe idrauliche. Hanno una portata costante e generalmente operano a pressioni comprese tra 50 e 210 bar. Le pompe a ingranaggi hanno pochissimi componenti mobili. Sono costituite da due ruote dentate che ingranano l’una nell’altra.
Tipologie di pompe a ingranaggi:
- 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. 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.
- 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. La caratteristica più rilevante delle pompe ad ingranaggi interni è la bassa rumorosità.
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. Sono costituite da un rotore con scanalature radiali, nelle quali sono alloggiate delle palette rettangolari.
Vantaggi delle pompe a palette:
Funzionamento silenzioso, buona efficienza volumetrica e capacità di gestire fluidi a bassa viscosità sono i principali vantaggi delle pompe a palette.
Altri Tipi di Pompe
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.
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 a Vite: 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.
Parametri Importanti
- 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.
- Portata (Qv): chiamata anche flusso, che è espressa in l/min.
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.
Materiali e Applicazioni
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.
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.
Evoluzione Storica
Una prima comparsa delle pompe idrauliche avviene nel terzo secolo A.C. grazie ad Archimede, il quale progettò la pompa nota come Vite di Archimede: questo dispositivo era in grado di spostare grosse quantità di fluido, a basse prevalenze. Nello stesso periodo storico fece la sua comparsa la pompa Noria: si tratta di un meccanismo in grado di sollevare fluidi a più alte prevalenze, fino a 20/30 metri. Il funzionamento è quello tipico di un mulino, dove un corso d’acqua svolge la funzione di fonte di fluido e di energia meccanica.
Intorno al 1600 l’invenzione dei primi sistemi biella-manovella permise la creazione delle prime pompe a stantuffo, azionate dalla forza delle braccia. Le pompe alternative (o a stantuffo) sono caratterizzate dal moto rettilineo alternato di un organo mobile, lo stantuffo.
Considerazioni Finali
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.