La combinazione pompa/servomotore aumenta l’efficienza

La sostituzione delle pompe a velocità fissa con servopompe, alimentate da servomotori, ottimizza costi di esercizio, prestazioni e risparmio energetico, anche grazie a collegamenti fra servomotori e pompe sempre più efficienti. Sono gli stessi costruttori di servomotori a promuovere i giunti di precisione, come quelli a elastomero della serie EK di R+W, per ottenere un incremento delle prestazioni, grazie all’assenza di gioco torsionale.

In linea con l’evoluzione delle tecnologie di controllo e le esigenze dei mercati di riferimento, anche i collegamenti fra i motori – azionamenti elettrici o idraulici – e le pompe sono cambiati e hanno via via accolto forme di intelligenza che migliorano le prestazioni minimizzando gli sprechi.
Il mercato dei giunti di precisione per il raccordo fra i motori o azionamenti evoluti – servomotori – e le pompe è relativamente nuovo e presenta quindi un buon potenziale di crescita. Nel corso degli anni i motori, inizialmente semplici e senza necessità di regolazione fine, si sono evoluti. Oggi la scelta ottimale per l’azionamento delle pompe è rappresentata dai servomotori, dotati di intelligenza propria.

La richiesta di componenti di precisione è in aumento

Con l’affermazione del concetto di servopompa, specialisti come R+W sono chiamati in causa sempre più spesso per la fornitura di giunti di precisione all’altezza delle loro rinnovate esigenze. Il volume d’affari legato ai giunti di precisione per l’accoppiamento servomotori-pompe è in deciso aumento.
In particolare, nel caso delle pompe per fluidi, l’accoppiamento con servomotore permette di monitorare più facilmente la qualità del prodotto finito sulla base dei livelli prestazionali: per esempio, in una macchina per la lavorazione-trasformazione di materiale plastico, è possibile stimare con esattezza sia la velocità operativa, sia l’output finale complessivo.
In Italia come all’estero, la plastica è fra i settori di sbocco di maggiore interesse, ma le prospettive sono incoraggianti ovunque. Sono gli stessi costruttori di servomotori a promuovere i giunti di precisione, come quelli a elastomero della serie EK di R+W, per ottenere un incremento delle prestazioni. A garantirlo è l’assenza di gioco torsionale che può assicurare un miglioramento sino al 50%. Ma lo sviluppo è continuo: il meglio deve ancora venire.

L’evoluzione dei sistemi di pompaggio industriale e delle servopompe

I sistemi di pompaggio industriale hanno risentito, negli ultimi anni, sia delle fluttuazioni del mercato dovute alla recessione, sia delle prerogative di digitalizzazione dei processi di produzione, nei quali gli stessi vengono impiegati.
Lo scopo principale di un produttore finale (o di ognuno dei suoi fornitori), è quello di ottenere quanti più vantaggi possibili dall’esercizio dell’attività.
Il primo insieme di vantaggi derivanti dal passaggio, nei sistemi di pompaggio industriale, dalle pompe a velocità fissa alle servopompe, consiste nella riduzione dei costi di esercizio e nell’incremento della qualità sia delle fasi di lavorazione che del prodotto finito, con una contestuale riduzione dei livelli di rumorosità nei reparti di produzione.

In un sistema di pompaggio convenzionale, un motore a velocità fissa aziona una pompa a cilindrata variabile, che mette in circolazione l’olio dal serbatoio al cilindro idraulico. Per mantenere l’olio in circolazione, la pompa ha bisogno di funzionare in maniera costante, consumando così energia anche quando l’attuatore è in posizione di riposo. Nei sistemi idraulici classici le pompe vengono alimentate tramite motori asincroni, meno efficienti dei motori sincroni impiegati nella progettazione dei servosistemi. Il ricorso ai sistemi elettro-idraulici ibridi fa leva sulla densità di potenza dei sistemi idraulici, unita alle caratteristiche di reattività e di risparmio energetico delle tecnologie elettromeccaniche. Al contrario dei motori asincroni, i motori sincroni impiegati nelle servopompe (costituite dall’accoppiamento di un servomotore con una pompa a cilindrata fissa) funzionano senza alcuna latenza; ancora meglio, essi funzionano in maniera efficiente su un ampio intervallo di velocità. Un primo vantaggio conseguente all’impiego delle servopompe, consiste nel non avere più un fluido idraulico che circola continuamente; in pratica, il motore si attiva e gira quando c’è necessità di un incremento di pressione, con tempi di risposta molto più contenuti.

Principali applicazioni e soluzioni costruttive

La risposta istantanea fornita dai servomotori consente all’attuatore di operare in maniera più rapida e deterministica, fornendo una soluzione ottimale per applicazioni quali le presso piegatrici, le cesoie oleodinamiche, le punzonatrici e le presse.
L’impiego dei servomotori consente, così, la realizzazione di soluzioni dagli ingombri più contenuti, integrando dispositivi ad alto valore aggiunto come gli Azionamenti a Frequenza Variabile (VFD o Variable Frequency Drive) e con caratteristiche smart di diagnostica in tempo reale.
Tra le applicazioni che maggiormente traggono vantaggio dall’impiego delle servopompe, vi è il processo di stampaggio ad iniezione. L’impiego delle gomme in tale processo richiede che la pressione venga applicata e mantenuta a un livello predeterminato per un periodo di tempo prolungato, durante il quale il materiale in fusione riempie ogni più piccolo dettaglio dello stampo.
Sulla base di queste osservazioni, il calcolo del consumo di energia e dei costi di esercizio connessi al ciclo di vita utile del motore, mostra il netto vantaggio della progettazione basata su tali servosistemi, che verrà mostrata più avanti in un esempio industriale.
Per quanto riguarda la realizzazione dell’accoppiamento cinematico, si ricorre all’impiego dei giunti con elastomero, mostrati in Figura 1, caratterizzati da elevate capacità smorzanti, che ne rendono l’uso ottimale laddove è necessario ridurre urti e vibrazioni.
Un giunto ad elastomero è formato da due elementi costruttivi: i mozzi (dalle diverse tipologie) e l’anello elastomerico; quest’ultimo è preposto alle funzioni di smorzamento e di trasmissione della coppia ed alla compensazione di eventuali errori di disallineamento. In Figura 2 è mostrato un tipico anello elastomerico.

Il vantaggio derivante dal giunto con elastomero di precisione è determinato dall’azione dell’anello elastomerico e dalla natura del materiale componente. Oltre alle funzioni già indicate di smorzamento e riduzione delle vibrazioni, l’anello elastomerico di precisione svolge l’importante funzione di trasmissione del moto in totale assenza di gioco angolare. L’accoppiamento così ottenuto, caratterizzato non solo dalla compensazione dei disallineamenti e dall’assenza di gioco, ma anche dal conseguimento di elevati livelli di isolamento elettrico, risulta anche molto silenzioso.
Un altro vantaggio che deriva dall’impiego dei giunti ad elastomero, è il sistema di controllo che viene ottenuto, del tipo a retroazione in anello chiuso. Questo sistema, caratteristico della servopompa, permette di rendere disponibile l’esatto valore della coppia e della velocità richiesta, per una particolare applicazione, in maniera istantanea. Questo mix ottimale tra caratteristiche meccaniche e prestazioni dei sistemi di controllo, è sempre più diffuso in applicazioni quali la deformazione della lamiera. Un tipico approccio progettuale nella realizzazione di un sistema per lo stampaggio a iniezione, tramite l’impiego di servopompe, è illustrato in Figura 3; sono inoltre mostrate le scelte progettuali descritte in precedenza, finalizzate alla realizzazione del sistema a retroazione in anello chiuso. Il diagramma in Figura 3 mostra, in maniera sintetica, l’evoluzione dell’approccio progettuale, partendo da quello semplice (che prevede l’impiego di una valvola limitatrice di pressione), passando per le pompe a velocità fissa e cilindrata variabile (che impiegano una valvola di controllo dell’angolo), per arrivare al servosistema finale. Il vantaggio derivante dall’impiego della servopompa è rappresentato dal grafico di Figura 4, che raggruppa i tre diversi andamenti del consumo di energia, in funzione della durata del processo, per le tre soluzioni progettuali mostrate in Figura 3.

Criticità progettuali e sviluppi futuri

L’inizio dell’evoluzione dei sistemi di pompaggio industriale, tramite l’impiego delle servopompe, risale a circa cinque anni fa. Un ulteriore impulso è stato di recente fornito dall’avvento della Quarta Rivoluzione Industriale, che rende estremamente interessante e promettente il ricorso ad azionamenti con le caratteristiche smart indicate in precedenza. Tra gli sviluppi futuri, il più interessante riguarda, ancora una volta, il settore dello stampaggio a iniezione, dove è fondamentale mantenere la continuità e i requisiti di qualità della produzione; a tale scopo, va attuato un controllo altamente dinamico e preciso delle variabili di processo all’interno dei limiti ammissibili.

Il ruolo del fornitore di componenti

Un’attività complessa come la progettazione delle servo-pompe, da impiegare nei sistemi di pompaggio industriale evoluti, trova un valido supporto nel fornitore di componenti. È il caso di R+W, produttore di giunti e alberi di trasmissione.
Nel settore delle servopompe, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione della coppia. Oltre ai giunti ad elastomero della serie EK per l’accoppiamento pompa/servomotore, R+W rende disponibili i giunti a soffietto metallico della serie BX.
I giunti a elastomero EK (Figura 5) combinano elevata flessibilità e buona resistenza; smorzano vibrazioni e impatti compensando i disallineamenti degli alberi. Molti elementi condizionano la progettazione dei giunti a elastomero: da fattori quali il carico, l’avviamento e la temperatura dipende la durata dell’inserto. L’elemento elastomerico è disponibile in diverse durezze shore, per trovare sempre un compromesso adatto fra le proprietà di smorzamento, la rigidità torsionale e la correzione dei disallineamenti per la maggior parte delle applicazioni.
I giunti a soffietto metallico BX, per coppie elevate, presentano una rigidità torsionale e sono privi di gioco. Hanno un design semplice e compatto, un sistema di montaggio e smontaggio facilitato ed un’elevata composizione dei disallineamenti. Sono disponibili in diverse lunghezze.