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Pompe a ingranaggi esterne

Che cos’è una pompa a ingranaggi esterna?


Le pompe a ingranaggi esterne sono una tipologia di pompa volumetrica rotativa risalente alla fine del XVI secolo. In passato, venivano spesso azionate da ruote idrauliche, in quanto possono usare una semplice rotazione degli ingranaggi per trasferire fluidi. Le pompe a ingranaggi esterne si sono evolute fino a diventare oggi il modello più comune e semplice tra le pompe volumetriche rotative. Le pompe a ingranaggi esterne sono contraddistinte da due ingranaggi su due alberi separati con un albero connesso a un motore. I tipi di azionamento, dimensioni e materiali della costruzione variano ampiamente in base all’industria e al campo di applicazione. Esistono pompe a ingranaggi esterne con portate da 20 ml/min fino a oltre 50 l/min e con pressioni fino a 500 bar.

Ingranaggi di una pompa a ingranaggi accoppiata magneticamente

Come funzionano le pompe a ingranaggi esterne


Il ciclo della pompa a ingranaggi può essere suddiviso in tre fasi diverse:

  1. Il disaccoppiamento degli ingranaggi espande il volume all’ingresso della pompa. Il volume espanso crea una depressione, consentendo alla pressione esterna di spingere il fluido nella pompa.
  2. Mentre gli ingranaggi ruotano, il fluido si trova intrappolato tra le dentature dell’ingranaggio e la parete della cavità dell’alloggiamento. Ciò consente di trasferire il fluido dal lato di ingresso della pompa all’uscita. I giochi stretti e la velocità di rotazione riducono al minimo il trafilamento interno del fluido all’indietro.
  3. Il fluido aggiuntivo che arriva all’uscita della pompa, congiuntamente al volume decrescente creato mentre gli ingranaggi si incastrano, scarica il fluido facendolo defluire verso l’uscita.

Ciclo della pompa a ingranaggi

Tipi di ingranaggi


Le strutture delle pompe a ingranaggi esterne si basano si uno dei tre tipi di ingranaggio:

  • A ruote dentate cilindriche: gli ingranaggi a ruote dentate cilindriche presentano la geometria più semplice. Questi ingranaggi possono essere realizzati mediante svariati processi di produzione, tra cui lo stampaggio a iniezione. La geometria degli ingranaggi a ruote dentate cilindriche si presta bene anche alla molatura o all’elettroerosione a filo, rendendo i materiali induriti una valida opzione. Tuttavia, la lunghezza complessiva del meccanismo a ruote dentate cilindriche viene impiegata contemporaneamente; di conseguenza, il funzionato è più rumoroso, la sensibilità alla cavitazione è maggiore e la durata di vita risulta ridotta.
  • A dentatura elicoidale: gli ingranaggi a dentatura elicoidale sono ingranaggi cilindrici, ma con simmetria assiale a spirale lungo l’ingranaggio. Ciò riduce i rumori e le vibrazioni, in quanto le dentature si innestano e si disinnestano gradualmente durante la rotazione. La durata di vita utile risulta allungata. Tuttavia, la forma elicoidale induce una forza assiale che può comportare usura tra gli ingranaggi e l’alloggiamento. Questa problematica deve essere affrontata con una progettazione attenta e una scrupolosa scelta dei materiali. Gli ingranaggi a dentatura elicoidale sono leggermente più difficili da realizzare rispetto a quelli a ruote dentate cilindriche. Possono anch’essi essere prodotti con stampaggio a iniezione, seppur con una precisione ridotta.
  • A dentatura a spina di pesce: gli ingranaggi a dentatura a spina di pesce offrono i vantaggi degli ingranaggi a dentatura elicoidale, senza la forza assiale risultante in questi ultimi. L’elica è specchiata per circa il piano centrale dell’ingranaggio, generando un modello a v, definito “a spina di pesce”. Nonostante esso sia superiore rispetto agli altri tipi di ingranaggi dal punto di vista funzionale, si tratta di un ingranaggio molto più difficile da produrre ed è dunque l’opzione più costosa.


A ruote dentate cilindriche A dentatura elicoidale A dentatura a spina di pesce

Vantaggi/svantaggi


Quali sono le principali caratteristiche e i maggiori vantaggi di una pompa a ingranaggi esterna?

Le pompe a ingranaggi sono compatte e semplici e hanno un numero limitato di parti mobili. Le pompe a ingranaggi esterne di piccole dimensioni operano di norma fino a 4000 giri/min, consentendo portate elevate in involucri compatti. Sono completamente reversibili e facilitano procedure idrauliche complesse. A differenza delle pompe centrifughe, le pompe a ingranaggi sono autoadescanti e possono sollevare a secco pesi notevoli.

Poiché la resa è direttamente proporzionale alla velocità e si tratta di una portata liscia e priva di pulsazioni, le pompe a ingranaggi esterne vengono usate di norma per dosare, mescolare e controllare semplici operazioni di feedback. Queste pompe sono in grado di gestire fluidi sia a bassa che ad alta viscosità, ma è tuttavia importante consultare gli ingegneri per assicurarsi che la pompa funzioni in condizioni ottimali. Le pompe a ingranaggi sono annoverate tra le pompe volumetriche meno rumorose e sono pertanto ideali nelle applicazioni in cui il rumore costituisce un problema.

Un’importante sottocategoria delle pompe a ingranaggi è costituita dalle pompe a ingranaggi accoppiate magneticamente. Queste pompe non hanno una guarnizione dinamica, di conseguenza sono molto durevoli e non presentano il rischio di tenuta verso l’esterno.


Quali sono i limiti di una pompa a ingranaggi esterna?

Gli ingranaggi e i relativi cuscinetti portanti sono lubrificati da un fluido pompato e non devono girare a secco per periodi prolungati. Il pompaggio di fluidi con agenti abrasivi comporta un’usura precoce delle parti laterali dell’ingranaggio e dei cuscinetti interni, in quanto il fluido pompato funge anche da fluido lubrificante.

Le tolleranze ristrette tra gli ingranaggi e l’alloggiamento, un accoppiamento stretto e volumi di dentature limitati rendono difficile il pompaggio di fluidi con solidi in sospensione di grandi dimensioni. Se i solidi in sospensione sono anticipati, è possibile installare un filtro sul lato dell’entrata. Tuttavia, una depressione eccessiva all’entrata della pompa può essere causa di cavitazione.

Una pompa a ingranaggi non deve essere impiegata a un intervallo di velocità eccessivamente superiore a quello consigliato. I cuscinetti portanti idrodinamici nelle pompe a ingranaggi sono ottimizzati per intervalli di velocità specifici. Un esercizio della pompa troppo lento, per quanto ciò possa risultare sorprendente, potrebbe comportare un’usura prematura.

Per applicazioni a temperature elevate è importante assicurarsi che l’intervallo della temperatura di esercizio sia compatibile con le specifiche della pompa. L’espansione termica dell’alloggiamento e degli ingranaggi potrebbe modificare i giochi all’interno della pompa, comportando un’alterazione delle prestazioni e accelerando potenzialmente l’usura.

Con una potenza sufficiente, le pompe a ingranaggi continueranno a pompare contro una contropressione se soggette a un blocco a valle. Ciò potrebbe causare una sovrapressione con conseguente guasto del sistema. Il trafilamento interno di una pompa a ingranaggi limita la sua pressione massima. Inoltre, le valvole di sovrapressione (bypass) possono essere integrate nella pompa per cortocircuitare l’uscita all’entrata alle pressioni prescritte.

Le elevate velocità, i giochi ristretti e l’accoppiamento delle pompe a ingranaggi esterne le rendono inadatte per i liquidi sensibili al taglio come le vernici e i saponi.


Materiali di costruzione / opzioni di configurazione


Come suggerisce la lista seguente, le pompe a ingranaggi possono essere realizzate in svariati materiali. Abbinando in modo preciso i materiali di costruzione al liquido è possibile ottenere una durata di vita superiore e costi ottimizzati. Mentre le pompe a ingranaggi esterne sono spesso realizzate in ghisa, nuovi materiali consentono a queste pompe di gestire i liquidi come l’acido solforico, l’ipoclorito di sodio, il cloruro ferrico, l’idrossido di sodio e centinaia di altri liquidi corrosivi.

  • Parti esterne (testata, alloggiamento, supporto): ferro, ferro duttile, acciaio, acciaio inossidabile, alte leghe, composti, PPS, ETFE
  • Alberi: acciaio, acciaio inossidabile, alte leghe, ceramica di allumina, PEEK
  • Ingranaggi: acciaio, acciaio inossidabile, carburi, PTFE, PPS, PEEK
  • Manicotti/cuscinetti: carbone, bronzo, carburo di silicio, cuscinetti ad aghi, PEEK
  • Giunti per alberi: imballaggio, guarnizioni a labbro, guarnizione a componente meccanica, accoppiamento magnetico

 

Perché le pompe a ingranaggi non sono tutte uguali


Vita utile

La vita utile di una pompa è una combinazione di dettagli di progettazione, precisione di fabbricazione e collaborazione tra ingegneri:

  • Le dimensioni dei cuscinetti e la sistemazione sono essenziali per ottenere tassi di usura ridotti.#
  • I percorsi di lubrificazione appropriati sono sottili ma importanti per mantenere i cuscinetti lubrificati, al fresco e con abbastanza liquido da poter sviluppare uno strato idrodinamico appropriato.
  • Mantenere giochi ridotti e consistenti dei cuscinetti portanti riduce il contatto, ma richiede una precisione di lavorazione elevata e ripetibile.
  • Una scarsa qualità del profilo dell’ingranaggio, derivante sia da stampaggio che da tecniche di lavorazione scarse, accelera l’usura.
  • Persino le pompe meglio progettate e della più elevata qualità possono funzionare male, se usate in modo improprio. Per assicurare una lunga vita utile del prodotto, occorre collaborare con gli ingegneri addetti alla progettazione delle pompe.
  • Selezione accurata dei materiali.

Consistenza

Per le applicazioni OEM, la ripetibilità tra le pompe è una caratteristica cruciale, eppure spesso ignorata o non considerata a sufficienza. Una serie di fattori influenza la ripetibilità nelle pompe a ingranaggi, ad esempio le tolleranze degli ingranaggi, le tolleranze dell’alloggiamento e dei cuscinetti, l’allineamento dell’assemblaggio e la consistenza del motore. Se non vengono effettuati controlli appropriati, la variazione pompa-pompa può superare il 20% a pressioni elevate. È essenziale accertarsi che il produttore della pompa possa offrire un solido sistema di controllo della qualità, in grado di effettuare un collaudo impeccabile delle pompe e che abbia una reputazione consolidata.

Guarnizioni

Le guarnizioni tra l’albero del motore e l’alloggiamento sono i componenti della pompa che limitano maggiormente la vita utile. Occorre selezionare accuratamente e testare le guarnizioni utilizzando i fluidi effettivi del progettista del sistema. Un’acqua di pompaggio sigillante si comporterà molto diversamente rispetto a un acido di pompaggio aggressivo. Inoltre, una tenuta impropria può danneggiare le apparecchiature circostanti oltre alla pompa. La soluzione migliore, se la pressione e la velocità lo consentono, è utilizzare un accoppiamento magnetico.