Pompa a pistoni assiali

Una pompa a pistoni assiali è una pompa volumetrica utilizzata in idraulica, in cui diversi pistoni sono disposti parallelamente all’albero motore ed eseguono una corsa assiale tramite rotazione per aspirare e convogliare il fluido idraulico. Si caratterizza per le elevate pressioni di esercizio fino a 500 bar, la struttura compatta e la regolazione continua della portata e rientra tra i modelli di pompa più utilizzati nei sistemi idraulici industriali e mobili.

Principio di base e funzionamento della pompa a pistoni assiali

Le pompe a pistoni assiali convertono l’energia meccanica di rotazione in energia idraulica di pressione. Il principio di funzionamento centrale si basa sullo spostamento di volume: i pistoni si muovono in senso assiale avanti e indietro nei fori dei cilindri, modificando così il volume nelle camere dei pistoni e generando alternativamente una depressione per l’aspirazione e una sovrapressione per il convogliamento del fluido idraulico.

Struttura di una pompa a pistoni assiali

Il blocco cilindri, detto anche blocco a pistoni rotanti, costituisce il cuore della pompa. Contiene tipicamente da sette a undici fori per pistoni, disposti parallelamente all’asse di rotazione. I pistoni stessi sono collegati tramite bielle o giunti sferici a un disco inclinato o a una flangia di comando. Un albero motore fa ruotare il blocco cilindri e l’angolo di inclinazione del disco inclinato costringe i pistoni a un movimento di corsa. Sul lato frontale del blocco cilindri, un disco di comando con canali a forma di rene assicura che ogni pistone attraversi esattamente una fase di aspirazione e una fase di pressione durante un giro.

Generazione di pressione e portata volumetrica

La corsa di ciascun pistone è determinata dall’angolo di inclinazione del disco inclinato rispetto all’asse di rotazione. Maggiore è questo angolo, maggiore è la corsa del pistone e maggiore è il volume spostato per ogni giro. La portata della pompa dipende quindi direttamente da due grandezze: la velocità di rotazione dell’albero motore e l’angolo di inclinazione del disco obliquo. Con un angolo di inclinazione pari a zero gradi, i pistoni non si muovono e la pompa non eroga alcuna portata. All’aumentare dell’angolo, la portata aumenta in modo continuo. Le moderne pompe a pistoni assiali raggiungono portate fino a circa 800 litri al minuto.

Tipi di pompe a pistoni assiali

Le pompe a pistoni assiali possono essere classificate in base a diversi criteri. La distinzione più importante riguarda il tipo di generazione della portata: pompa a disco obliquo (disco oscillante) e pompa ad asse obliquo. Inoltre, si distingue tra pompe a volume di spostamento costante e variabile.

Pompa a disco obliquo con disco oscillante

In questo tipo di costruzione, il blocco cilindri e l’albero motore ruotano insieme. Il disco inclinato è fisso nell’alloggiamento o può essere inclinato attorno a un punto di rotazione. I pistoni scorrono con i loro punti di base sul disco inclinato ed eseguono un movimento di corsa grazie all’angolo del disco. L’angolo di rotazione massimo è di circa 18 gradi nella maggior parte dei modelli. Le pompe a disco obliquo regolabili consentono una regolazione continua della portata durante il funzionamento. In questo tipo di costruzione è possibile un accoppiamento meccanico, il che consente la realizzazione di pompe in tandem su un albero motore comune.

Pompa ad asse inclinato

Nella pompa ad asse inclinato, l’asse del blocco cilindri è disposto obliquamente rispetto all’albero motore. Una flangia di trasmissione trasferisce il movimento rotatorio dall’albero motore al blocco cilindri. I pistoni sono collegati al disco di scorrimento fisso tramite giunti sferici. La corsa del pistone è determinata dalla posizione obliqua dell’asse. La regolazione della portata volumetrica avviene modificando l’angolo di inclinazione tra l’asse del blocco cilindri e l’albero motore. Le pompe ad asse obliquo si distinguono per la buona autoadescabilità e una maggiore resistenza alle impurità presenti nell’olio idraulico.

Pompe a portata costante e pompe a portata variabile

Le pompe a portata costante hanno un angolo di inclinazione fisso e, a un determinato numero di giri, erogano una portata costante. Le pompe a portata variabile adattano il volume di spostamento in modo continuo al fabbisogno. Nei sistemi idraulici industriali vengono utilizzate prevalentemente pompe a portata variabile, poiché consentono di risparmiare energia, mantengono la pressione in base al fabbisogno e riducono lo sviluppo di calore.

Pompa a pistoni assiali in circuito aperto e chiuso

La scelta del tipo di costruzione dipende in modo determinante dal circuito in cui opera la pompa.

Circuito aperto

Nel circuito aperto, la pompa aspira il fluido idraulico da un serbatoio e lo convoglia all’utilizzatore. Il ritorno rifluisce nel serbatoio. Le pompe ad assi obliqui sono particolarmente adatte ai circuiti aperti, poiché dispongono di una buona capacità di autoaspirazione e assorbono bene i carichi variabili. I circuiti aperti si trovano in presse, macchine per lo stampaggio a iniezione e macchine utensili.

Circuito chiuso

Nel circuito chiuso, il fluido idraulico circola direttamente tra la pompa e il motore idraulico, senza passare per un serbatoio. Una pompa di alimentazione compensa le perdite. Le pompe a disco obliquo vengono spesso utilizzate in questo caso, ad esempio nelle trasmissioni idrostatiche di macchine edili, pale gommate e veicoli agricoli. Il circuito chiuso consente di realizzare un impianto compatto e di invertire rapidamente la direzione di marcia.

Caratteristiche tecniche della pompa a pistoni assiali

Le pompe a pistoni assiali funzionano in un ampio campo di funzionamento. I seguenti valori caratteristici forniscono un orientamento per la progettazione:

I valori effettivi variano a seconda del produttore, delle dimensioni e delle condizioni operative. A pressioni superiori a 400 bar, le pompe a pistoni radiali vengono sempre più spesso prese in considerazione come alternativa, poiché questo tipo di costruzione sopporta pressioni più elevate con minori pulsazioni.

Pompa a pistoni assiali contro pompa a pistoni radiali

Entrambi i modelli appartengono alla categoria delle pompe a pistoni, ma si differenziano per la struttura e gli ambiti di applicazione. I progettisti scelgono la pompa a pistoni assiali quando sono prioritarie dimensioni compatte, velocità elevate e regolabilità continua. Le pompe a pistoni radiali vengono utilizzate in caso di pressioni estreme, funzionamento continuo ed elevati requisiti di silenziosità.

Regolazione e controllo delle pompe a pistoni assiali

La regolazione della portata avviene tramite diversi sistemi di regolazione che si sono dimostrati efficaci nella pratica.

Regolazione della pressione

La regolazione della pressione mantiene la pressione del sistema su un valore nominale prestabilito, indipendentemente dal fabbisogno di portata dei consumatori. Non appena la pressione raggiunge il valore nominale, il disco ruota indietro e riduce la portata al livello necessario per mantenere la pressione. La potenza in eccesso non viene dissipata sotto forma di calore tramite una valvola limitatrice di pressione, il che migliora notevolmente il bilancio energetico.

Regolazione della portata

In questo caso la pompa regola la portata a un valore costante, indipendentemente dalle fluttuazioni di pressione nel sistema. L’angolo di apertura del disco obliquo viene regolato da un regolatore. Questa regolazione è adatta per applicazioni con portata costante degli utenze.

Regolazione Load-Sensing

La regolazione Load-Sensing rileva il fabbisogno di pressione massimo degli utenze collegate e imposta la pompa esattamente su questa pressione più una piccola differenza di pressione di pilotaggio. In questo modo la pompa eroga solo la portata effettivamente necessaria alle utenze e funziona con la pressione di sistema minima necessaria. Ciò riduce il consumo energetico e il riscaldamento dell’olio idraulico.

Regolazione elettronica

Le moderne pompe a pistoni assiali utilizzano sempre più spesso regolatori elettroidraulici che comandano valvole proporzionali o servovalvole. Un regolatore elettronico elabora i segnali provenienti dai sensori di pressione e di velocità e invia segnali di comando alle valvole di regolazione. Ciò consente circuiti di regolazione precisi e dinamici e l’integrazione in sistemi di controllo delle macchine di livello superiore. I segnali di comando tipici sono compresi tra 4 e 20 mA.

Norme e requisiti di sicurezza

La norma EN ISO 4413: 2010 disciplina i requisiti di sicurezza per gli impianti idraulici e i loro componenti, comprese le pompe a pistoni assiali. Essa definisce i pericoli quali sovrapressione, perdite e rumore e stabilisce i principi per la loro prevenzione. La norma richiede, tra l’altro, che i carichi assiali e radiali sull’albero della pompa rimangano entro i limiti specificati dal produttore, che le vibrazioni torsionali siano ridotte tramite giunti ammortizzanti e che le temperature superficiali siano limitate in modo sicuro secondo la norma ISO 13732-1. Inoltre, la norma ISO 4406 disciplina la classe di pulizia dell’olio idraulico, fondamentale per il funzionamento affidabile delle pompe a pistoni assiali.

Manutenzione e riparazione

Le pompe a pistoni assiali funzionano a pressioni e velocità elevate, il che richiede una manutenzione regolare. Circa il 70% dei guasti negli impianti idraulici è dovuto all’olio idraulico sporco. Un filtraggio efficace e cambi d’olio regolari secondo le indicazioni del produttore sono tra le misure preventive più importanti.

Segni tipici di usura

• Superfici di scorrimento dei pistoni e fori dei cilindri: rigature e pitting dovuti all’usura da particelle o alla cavitazione
• Superfici di scorrimento del disco obliquo: usura dovuta all’attrito continuo della base del pistone, riconoscibile da un aumento della portata di perdita
• Guarnizioni e anelli di tenuta dell’albero: infragilimento e formazione di crepe dovuti a sollecitazioni termiche e meccaniche
• Cuscinetti: gioco aumentato, rumori di funzionamento e aumento della temperatura come indicatori di danni ai cuscinetti

Misure per aumentare la durata

Ad ogni cambio di turno è necessario effettuare controlli visivi regolari per individuare eventuali perdite, rumori insoliti e vibrazioni. Le analisi del fluido forniscono informazioni sul contenuto di particelle, sul contenuto d’acqua e sull’invecchiamento chimico dell’olio. Le guarnizioni devono essere ispezionate ogni tre-sei mesi e sostituite se necessario. Il rispetto degli intervalli di cambio dell’olio e dei cicli di sostituzione dei filtri specificati dal produttore garantisce la pulizia dell’olio idraulico e quindi la funzionalità della pompa. HK Hydraulik raccomanda di utilizzare ricambi originali per la riparazione e la manutenzione delle pompe idrauliche, al fine di garantire la precisione di accoppiamento e la resistenza delle parti soggette a usura.

Campi di applicazione della pompa a pistoni assiali

Le pompe a pistoni assiali trovano impiego in quasi tutti i settori dell’idraulica industriale e mobile. Nelle macchine da lavoro mobili come escavatori, pale gommate, gru e trattori costituiscono la fonte centrale di energia per i sistemi di azionamento e le funzioni operative. Negli impianti industriali fissi forniscono potenza idraulica a presse, presse a iniezione e macchine utensili. Trovano impiego anche nell’idraulica navale, negli impianti eolici e nei banchi di prova. La combinazione di alto livello di pressione, struttura compatta e regolabilità continua rende la pompa a pistoni assiali la prima scelta quando si tratta di azionamenti idraulici efficienti e ad alta densità di potenza.