Servopompe per aumentare l’efficienza del processo

In linea con le evoluzioni delle tecnologie di controllo e con 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 e minimizzano ogni spreco.

Il mercato dei giunti di precisione indirizzati al raccordo fra i motori o azionamenti evoluti – servomotori – e le pompe è relativamente nuovo con un potenziale di crescita magari difficile da calcolare ma senza dubbio più che allettante. Nel corso degli anni i motori, inizialmente semplici e senza necessità di regolazione fine, si sono evoluti, tanto da far privilegiare la scelta di far guidare le pompe da cosiddetti servomotori, dotati di una loro intelligenza a scopi di controllo.

Componenti di precisione, aumenta la richiesta

Si è così affermato il concetto di servo-pompa e fornitori specializzati come R+W sono stati chiamati in causa sempre più spesso per mettere a disposizione dei clienti gamme di giunti di precisione all’altezza delle loro rinnovate esigenze, con un conseguente notevole aumento del volume d’affari legato ai giunti di precisione per l’accoppiamento servomotori-pompe.

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 di prestazione: 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.

Nel nostro Paese come all’estero, la plastica è fra i settori di sbocco di maggiore interesse, non a caso; 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, in vista dell’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.

Evoluzione di sistemi di pompaggio industriale e servopompe

I sistemi di pompaggio industriale hanno risentito, negli ultimi anni, sia delle fluttuazioni del mercato dovute alla recessione, che delle prerogative di digitalizzazione dei processi di produzione, nei quali gli stessi vengono impiegati.

Lo scopo principale di un produttore finale (o, ad esempio, di ciascuno dei suoi fornitori), è quello di ottenere quanti più vantaggi possibili dall’esercizio dell’attività.

Dalle pompe alle servopompe

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.

Le pompe nei sistemi idraulici classici 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.

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 pressopiegatrici, 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 (o VFD, 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.

Ad esempio, l’impiego delle gomme in tale processo richiede che la pressione venga applicata e mantenuta ad 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 del ricorso ad una 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.

La caratteristica principale di tali giunti è data dalle loro capacità smorzanti, che ne rendono l’uso ottimale in tutti i contesti in cui vanno contenuti sia gli urti che le 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, in pratica, 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 essere anche molto silenzioso.

Un altro vantaggio che deriva dall’impiego dei giunti ad elastomero, è dato dal sistema di controllo che viene ottenuto, del tipo a retroazione in anello chiuso.

E’ tale sistema di controllo, caratterizzante la servopompa, che permette di rendere disponibile l’esatto valore della coppia e della velocità richiesta, per una particolare applicazione, in maniera istantanea.

Tale mix ottimale tra caratteristiche meccaniche e prestazioni dei sistemi di controllo, risulta essere sempre più diffuso in applicazioni quali la formatura della lamiera.

Un tipico approccio progettuale nella realizzazione di un sistema per lo stampaggio ad iniezione, tramite l’impiego di servopompe, è mostrato nel caso industriale 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 conseguente all’impiego della servopompa può, infine, essere rappresentato come nel grafico mostrato in 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, quello sicuramente più interessante riguarda le macchine impiegate nello stampaggio ad iniezione.

In tale tecnologia è fondamentale il mantenimento della continuità e dei 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 servopompe, da impiegare nei sistemi di pompaggio industriale evoluti, può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista.

Nel settore delle servopompe, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni anche per tutte le altre esigenze di trasmissione della coppia. Oltre ai fondamentali giunti ad elastomero della serie EK citati in precedenza (per l’accoppiamento pompa – servomotore), R+W rende disponibili i giunti a soffietto metallico della serie BX.

I giunti a elastomero EK 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 fa 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.