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Perché la pompa idraulica vibra violentemente?
La vibrazione intensa delle pompe idrauliche nei sistemi idraulici è un problema comune ma al contempo impegnativo nella manutenzione degli impianti. Questa forte vibrazione non solo genera rumori fastidiosi, ma accelera anche l'usura dei componenti, provoca allentamento o addirittura crepe nei raccordi tubo, e in casi gravi può portare a guasti dei componenti idraulici, compromettendo sicurezza ed efficienza produttiva. Le vibrazioni della pompa non sono infrequenti sui cantieri e i loro effetti negativi non vanno sottovalutati. È quindi particolarmente importante, per gli ingegneri dei sistemi idraulici e il personale addetto alla manutenzione degli impianti, comprendere le cause delle forti vibrazioni della pompa ed eseguire tempestivamente il troubleshooting. Di seguito analizzeremo le ragioni di queste forti vibrazioni dal punto di vista dei principi tecnici, integrando considerazioni pratiche relative all'applicazione delle pompe a ingranaggi, pompe a palette e pompe a pistoni
- Infiltrazione d'aria e fenomeno di cavitazione
Quando l'aria si mescola in un sistema idraulico, la incomprimibilità dell'olio idraulico diminuisce, causando spesso cavitazione e provocando vibrazioni intense irregolari durante il funzionamento della pompa idraulica. La cavitazione indica il collasso rapido di bolle formatesi nell'olio quando queste entrano in una zona ad alta pressione, generando impatti localizzati. La cavitazione non solo provoca rumori acuti nella pompa, ma erode anche le superfici metalliche, lasciando buchi simili a spugna, aggravando ulteriormente le vibrazioni e i danni all'apparecchiatura. Le vie di infiltrazione dell'aria includono: perdite nella linea di aspirazione dell'olio, livello basso dell'olio nel serbatoio idraulico, estremità del tubo di ritorno non immersa sotto il pelo dell'olio e sigillatura difettosa del corpo della pompa. Quando la planarità del corpo e del coperchio della pompa a ingranaggi è insufficiente o la guarnizione invecchia, l'aria viene aspirata durante il funzionamento. Le pompe a palette, essendo dotate di capacità autoaspiranti inferiori rispetto alle pompe a ingranaggi (soprattutto le pompe a palette con piccola cilindrata), richiedono particolare attenzione affinché l'aspirazione dell'olio avvenga senza ostacoli e il sigillaggio sia integro. Anche le pompe a pistoni temono l'ingresso d'aria sul lato di aspirazione in condizioni operative gravose; se l'aria si mescola causando interruzione dell'alimentazione, potrebbe verificarsi un forte impatto da cavitazione e vibrazioni. Pertanto, mantenere un'adeguata tenuta stagna e il corretto livello dell'olio nel sistema idraulico è fondamentale. Se si sospetta cavitazione, è possibile riconoscerla dall'ascolto e dalla lettura del manometro: se l'ago del manometro oscilla in modo anomalo accompagnato da un suono tipo \"sabbioso\", ciò indica spesso cavitazione causata da un'errata aspirazione dell'olio, e pertanto va immediatamente controllata l'entrata di aspirazione della pompa e il filtro per eventuali ostruzioni o perdite d'aria.
- Difficoltà nell'assorbimento dell'olio e condizioni di lavoro inadeguate.
Condizioni di lavoro improprie delle pompe idrauliche possono causare anche forti vibrazioni; due situazioni comuni sono la pompa che non riesce ad aspirare abbastanza olio e il funzionamento in sovraccarico. Quando la velocità della pompa idraulica è troppo elevata, il processo di aspirazione dell'olio potrebbe non riuscire a tenere il passo con il ritmo di scarico, provocando un'insufficiente aspirazione di olio, generando una parziale condizione di vuoto all'ingresso della pompa accompagnata da fluttuazioni di pressione, portando infine a forti vibrazioni della pompa. In termini semplici, se la pompa ruota troppo velocemente ma non riesce a fornire olio, andrà in folle causando vibrazioni. Questo vale soprattutto per le pompe a ingranaggi: durante il funzionamento ad alta velocità, se l'aspirazione dell'olio non avviene tempestivamente, la camera di tenuta tra i denti sperimenta ripetutamente rapide impennate di pressione e improvvisi vuoti, causando forti vibrazioni e rumore. Per questo motivo, sulle strutture delle pompe a ingranaggi vengono generalmente fresate scanalature di scarico per attenuare l'impatto derivante dal trascinamento dell'olio tra i denti. Un altro scenario è il funzionamento in sovraccarico del sistema idraulico, nel quale la pompa opera per periodi prolungati oltre la pressione o la portata progettata, causando sollecitazioni anomale sui componenti interni e provocando vibrazioni generalizzate della macchina. Quando la pompa a pistoni cambia rapidamente sotto alta pressione e alta portata, se le prestazioni di aspirazione non riescono a tenere il passo, si verifica anche una "separazione della colonna liquida" transitoria, causando forti vibrazioni d'urto. Inoltre, variazioni della temperatura e della viscosità dell'olio idraulico possono influenzare le prestazioni di aspirazione: un'elevata viscosità dell'olio a basse temperature aumenta la resistenza all'aspirazione, rendendo difficile per la pompa aspirare rapidamente una quantità sufficiente di olio; se l'olio è troppo fluido ad alte temperature, può causare vaporizzazione (vaporizzazione prematura dell'olio). Tutti questi fattori rendono difficoltosa l'aspirazione dell'olio da parte della pompa e inducono vibrazioni. In ambito ingegneristico, si deve evitare che le pompe lavorino per lunghi periodi oltre la velocità o il carico nominale. Se necessario, si può ridurre la velocità oppure deviare l'alimentazione dell'olio, garantendo al contempo che la temperatura dell'olio idraulico sia adeguata. Nei sistemi con pompe a palette e pompe a pistoni, a volte vengono installate pompe ausiliarie di alimentazione o accumulatori per assicurare la richiesta di aspirazione della pompa durante operazioni ad alta frequenza e prevenire vibrazioni dovute a insufficiente alimentazione di olio.
- Fattori di viscosità e inquinamento dell'olio.
Un'elevata o insufficiente viscosità dell'olio idraulico può causare vibrazioni anomale nel funzionamento della pompa idraulica. Quando la viscosità è troppo elevata (ad esempio all'avviamento a basse temperature o utilizzando un olio con grado di viscosità alto), la resistenza al flusso dell'olio aumenta e l'aspirazione in ingresso alla pompa risulta irregolare, il che può generare una condizione di vuoto locale provocando cavitazione e vibrazioni. Al contrario, una bassa viscosità (ad esempio ad alta temperatura dell'olio o utilizzando un olio troppo fluido) può rendere più sottile il film lubrificante, aumentare l'attrito interno nella pompa e causare una lubrificazione inadeguata delle componenti, portando ad usura e vibrazioni anomale. Pertanto, è necessario selezionare un olio idraulico con un grado di viscosità adeguato in base alle condizioni operative dell'equipaggiamento, garantendo anche che la temperatura del sistema rimanga entro i limiti normali. Inoltre, la pulizia dell'olio è fondamentale per il regolare funzionamento della pompa. Inquinanti possono aggravare l'usura della pompa e persino bloccare le parti mobili, causando vibrazioni e rumori. Il gioco di accoppiamento preciso della pompa a palette è ridotto, rendendola particolarmente sensibile alla contaminazione dell'olio; non appena impurità ne ostacolano il movimento, si verifica una pressione in uscita instabile accompagnata da vibrazioni. Se particelle come trucioli di ferro entrano nella pompa a ingranaggi, possono provocare graffi sulle superfici dentate, usura eccentrica degli ingranaggi e generare rumori e vibrazioni simili a un morso durante il funzionamento. La pompa a pistoni presenta i requisiti più elevati in termini di purezza dell'olio: anche piccole particelle possono accelerare l'usura tra pistoni e cilindri, causando pulsazioni di pressione e guasti da vibrazione. Mantenere l'olio idraulico pulito riduce notevolmente questi rischi. La sostituzione periodica degli elementi filtranti e il monitoraggio della qualità dell'olio per prevenire il deterioramento della viscosità e un'eccessiva contaminazione sono compiti quotidiani prioritari per il personale addetto alla manutenzione dell'equipaggiamento.
- Problemi di installazione meccanica e strutturali:
L'installazione e i fattori strutturali interni delle pompe idrauliche possono causare anche forti vibrazioni. In primo luogo, un'installazione non corretta. Se l'albero motore della pompa idraulica non è allineato con l'asse del motore o se l'accoppiamento è mal installato, durante il funzionamento della pompa si generano sollecitazioni meccaniche aggiuntive e forze eccentriche, provocando forti vibrazioni del telaio. Numerosi casi sul campo hanno dimostrato che anche un lieve disallineamento degli assi può far rimbalzare la pompa durante la rotazione ad alta velocità, portando a un precoce danneggiamento delle guarnizioni e all'usura dei cuscinetti. Per un'installazione corretta, utilizzare un giunto per allineare gli assi e serrare adeguatamente i supporti della pompa. Se necessario, aggiungere apposite guarnizioni antivibranti. In secondo luogo, la fabbricazione o l'usura di componenti interni della pompa potrebbe essere la causa principale delle vibrazioni. Ad esempio, nelle pompe a ingranaggi, una scarsa precisione degli ingranaggi, un gioco ridotto tra i denti o l'usura dei cuscinetti possono alterare l'equilibrio del funzionamento, generando vibrazioni e rumori significativi. La pompa a ingranaggi presenta di per sé lo svantaggio intrinseco della forza radialmente sbilanciata, che genera carichi alternati sui cuscinetti e sul corpo pompa ed è più soggetta a vibrazioni se progettata o assemblata in modo improprio. Se nella pompa a palette vi è usura localizzata sulla superficie interna dello statore o insufficiente elasticità delle palette, ciò può causare forze irregolari sulle stesse, determinando vibrazioni durante la rotazione. Una pompa a pistoni contiene diversi componenti reciprocanti ad alta velocità; se singoli pistoni o pattini sono usurati o presentano giochi, possono verificarsi urti e pulsazioni di flusso, manifestandosi come vibrazioni generalizzate. Inoltre, bulloni allentati che fissano la pompa e le tubazioni, oppure un supporto di base con rigidità insufficiente, possono amplificare vibrazioni minime durante il normale funzionamento, risultando in evidenti "forti vibrazioni" visibili ad occhio nudo. Pertanto, durante la manutenzione dell'apparecchiatura, è necessario controllare lo stato di giunti, elementi di fissaggio e componenti interni della pompa, correggendo e sostituendo tempestivamente tutte le parti difettose.
Suggerimento dell'ingegnere
Per quanto riguarda il problema del forte scuotimento delle pompe idrauliche, gli ingegneri forniscono i seguenti suggerimenti per riferimento:
Verificare tempestivamente la cavitazione e le perdite d'aria: in caso di rumori anomali o forti fluttuazioni dell'indicatore del manometro, è necessario innanzitutto verificare se l'elemento del filtro di aspirazione è ostruito, se la guarnizione del raccordo della tubazione di aspirazione è integra, se il livello dell'olio nel serbatoio è basso e se il tubo di ritorno è immerso nel livello dell'olio. L'eliminazione dei rischi di ingresso d'aria può ridurre efficacemente le vibrazioni della pompa idraulica. Se necessario, aumentare adeguatamente la pressione di alimentazione all'ingresso della pompa (ad esempio installando una pompa ausiliaria o innalzando l'altezza del serbatoio) per prevenire la cavitazione.
Controllare in modo ragionevole i parametri operativi: rispettare le specifiche di velocità e pressione nominali della pompa idraulica, evitando funzionamenti prolungati a velocità e carico eccessivi. Per pompe con limitata capacità di autoadescamento, come le pompe a ingranaggi, si consiglia di preriscaldare la macchina mediante funzionamento a vuoto a basse temperature, riducendo così la viscosità dell'olio prima di passare al funzionamento a pieno carico, per prevenire vibrazioni causate da difficoltà nell'aspirazione dell'olio. In un sistema con più pompe, si può prendere in considerazione l'uso di un accumulatore in parallelo per stabilizzare le pulsazioni di pressione e ridurre l'impatto delle azioni rapide sulla pompa.
Selezionare l'olio appropriato e mantenerlo regolarmente: scegliere un olio idraulico con grado di viscosità adeguato in base alla temperatura ambiente, per evitare che l'olio sia troppo viscoso o troppo fluido, il che potrebbe influire sull'aspirazione e sulla lubrificazione della pompa. Sostituire o filtrare regolarmente l'olio per mantenerne la pulizia. In particolare sui dispositivi che utilizzano pompe a palette e pompe a pistoni, il programma di filtraggio e sostituzione dell'olio deve essere rigorosamente rispettato per prevenire l'ingresso di impurità e guasti da vibrazioni.
Verificare l'installazione e lo stato dei componenti: assicurarsi che l'albero della pompa idraulica e del motore siano correttamente allineati, che il montaggio del giunto rispetti i requisiti previsti e serrare regolarmente i bulloni di ancoraggio della pompa e i supporti delle tubazioni. Se si riscontrano usure anomale o parti allentate all'interno della pompa, provvedere tempestivamente alla riparazione o alla sostituzione. Per le pompe a ingranaggi, è possibile verificare l'usura di ingranaggi e cuscinetti; per le pompe a palette, controllare il corretto accoppiamento tra palette e statore; per le pompe a pistoni assiali, prestare attenzione all'usura dei pistoni, delle scarpe scorrevoli e della piastra inclinata. La risoluzione dei guasti dell'equipaggiamento deve essere effettuata passando da esterno a interno, da semplice a complesso, in modo da individuare precocemente i problemi e prevenirli prima che si verifichino.
Dall'analisi sopra riportata, si può notare che "perché le pompe idrauliche vibrano violentemente" non è un mistero irrisolvibile. Cavitazione, difficoltà nell'assorbimento dell'olio, condizioni di lavoro inadeguate, problemi dell'olio e fattori legati al montaggio meccanico sono cause comuni. Per i professionisti del settore idraulico, conoscere questi principi e adottare misure preventive è necessario per ridurre efficacemente rumori e vibrazioni delle pompe a ingranaggi, prolungare la vita dell'equipaggiamento e garantire il funzionamento stabile ed efficiente dei sistemi idraulici. Ogni volta che si verifica una vibrazione anomala nella pompa idraulica, si consiglia di rivedere i punti sopra elencati per la risoluzione dei problemi dell'apparecchiatura. Siamo certi che ciò vi aiuterà a identificare rapidamente la causa, applicare la cura giusta e risolvere il problema.