Cosa sono le pompe a ingranaggi?
Una pompa volumetrica (nota anche come ‘pompa di spostamento’ o ‘pompa PD’) utilizza un'azione meccanica per spostare un fluido, a differenza di una pompa centrifuga che converte l'energia cinetica in pressione.
Esistono due tipi di pompe volumetriche: rotative e alternative. Una pompa a ingranaggi è un tipo di pompa volumetrica rotativa. Le pompe volumetriche alternative si muovono linearmente e richiedono valvole di aspirazione e scarico per funzionare. Le pompe volumetriche sono generalmente utilizzate per applicazioni a basso flusso e alta pressione, ma questa è una generalizzazione approssimativa.
Inventate all'inizio del XVII secolo da Johannes Kepler, le pompe a ingranaggi sono spesso utilizzate per applicazioni di potenza idraulica e per fluidi ad alta viscosità (fluidi densi). Come tutte le pompe volumetriche, possono pompare aria e sono quindi auto-adescanti.
Sebbene esistano diversi design di pompe a ingranaggi, ci sono due principali configurazioni. Un design utilizza due ingranaggi identici che si ingranano tra loro; questo tipo è chiamato pompa a ingranaggi esterna. Il secondo design ha un ingranaggio posizionato all'interno di un altro; questo tipo è chiamato pompa a ingranaggi interna.
Design di Pompe a Ingranaggi Esterne (sinistra) e Interne (centro e destra)
I fluidi scaricati da una pompa a ingranaggi generalmente fluiscono con basse pulsazioni di pressione che risultano in un flusso ‘regolare’ e costante. Il tasso di flusso attraverso la pompa correla direttamente con la velocità di rotazione degli ingranaggi, il che rende la pompa a ingranaggi una buona scelta per applicazioni di misurazione (dove la quantità di flusso deve essere misurata con precisione).
Le pompe a ingranaggi sono solitamente azionate elettricamente utilizzando un motore elettrico, ma possono anche essere azionate idraulicamente o meccanicamente, a seconda del design e dell'applicazione. Ad esempio, molti trattori utilizzano pompe a ingranaggi per i sistemi idraulici di bordo (sollevamento e abbassamento di un aratro ecc.), e la pompa è collegata meccanicamente al motore del trattore.
La velocità di rotazione di una pompa a ingranaggi e le strette tolleranze meccaniche minimizzano la quantità di fluido che fluisce nella direzione sbagliata (perdite); ridotte perdite portano a una maggiore efficienza della pompa.
Conoscenza Utile – il fluido o il materiale pompato da una pompa è indicato come ‘pompaggi’. I pompaggi possono includere solidi, liquidi, vapori o gas, a seconda del design della pompa (le pompe a vite possono pompare dadi e bulloni!).
Ingranaggi della Pompa a Ingranaggi
Gli ingranaggi delle pompe a ingranaggi sono spesso del tipo a ingranaggi cilindrici, sebbene non siano rare le pompe a ingranaggi che utilizzano ingranaggi elicoidali o a denti di sega. Gli ingranaggi elicoidali e a denti di sega offrono un flusso più regolare (pulsazioni di pressione inferiori) rispetto agli ingranaggi cilindrici; sono anche preferiti per applicazioni a capacità/flusso più elevati.
Tipi di Ingranaggi per Pompe a Ingranaggi
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Pompe a Ingranaggi Esterne
Una pompa a ingranaggi esterna è composta da un port di aspirazione, un port di scarico, ingranaggi, cuscinetti e una cassa.
Componenti della Pompa a Ingranaggi Esterna
Gli ingranaggi in una pompa a ingranaggi esterna sono installati parallelamente tra loro. Un albero è installato attraverso l'asse centrale di ciascun ingranaggio e i cuscinetti mantengono ciascun albero in posizione. Entrambi gli ingranaggi sono classificati come ingranaggi esterni perché i denti degli ingranaggi sono situati sulla superficie esterna di ciascun ingranaggio. Tipicamente, un ingranaggio è un ingranaggio condotto (‘master’, ‘leader’) mentre l'altro è un ingranaggio folle (‘slave’, ‘follower’). Gli ingranaggi folli ruotano solo se il loro ingranaggio condotto associato ruota. Una cassa con due aperture circonda gli ingranaggi, queste aperture formano i port di aspirazione e scarico.
Animazione della Pompa a Ingranaggi Esterna
Un altro design di pompa a ingranaggi esterna utilizza ingranaggi che sono entrambi condotti da ingranaggi di sincronizzazione, ma questo design è più complicato, più costoso e di conseguenza meno comune. Tuttavia, ha il vantaggio che gli ingranaggi non si toccano tra loro, il che significa che i fluidi con qualità di lubrificazione inferiori (bassa lubrificazione) possono essere pompati.
Pompe a Ingranaggi Interne
Le pompe a ingranaggi interne operano sullo stesso principio delle pompe a ingranaggi esterne, ma le pompe a ingranaggi interne hanno un ingranaggio installato all'interno di un altro. A differenza degli ingranaggi in una pompa a ingranaggi esterna, i due ingranaggi accoppiati non sono della stessa dimensione. Il piccolo ingranaggio interno è chiamato rotore e il grande ingranaggio esterno è chiamato ingranaggio folle.
Animazione della Pompa a Ingranaggi Interna
Le pompe a ingranaggi interne hanno denti degli ingranaggi sulla superficie interna dell'ingranaggio folle in modo che possano interagire con i denti degli ingranaggi esterni del rotore. I due set di ingranaggi (rotore e ingranaggio folle) si interbloccano/si ingranano tra loro nello stesso modo di quelli in una pompa a ingranaggi esterna.
Come Funzionano le Pompe a Ingranaggi?
Le pompe a ingranaggi intrappolano il fluido sul lato di aspirazione e lo scaricano a una pressione più alta sul lato di scarico. Il principio operativo per una pompa a ingranaggi esterna è molto simile a quello di una pompa a ingranaggi interna; entrambi i principi operativi saranno discussi separatamente per chiarezza.
Come Funzionano le Pompe a Ingranaggi Esterne
Il fluido entra nella pompa sul lato di aspirazione. Quando gli ingranaggi sul lato di aspirazione ruotano, lo spazio volumetrico tra i loro denti aumenta. Il fluido entra nello spazio/cavità tra i denti a causa della pressione negativa di aspirazione all'interno delle cavità. Quando gli ingranaggi ruotano ulteriormente, il fluido all'interno delle cavità viene intrappolato tra gli ingranaggi e la cassa.
Funzionamento della Pompa a Ingranaggi Esterna
Dopo un'ulteriore rotazione, gli ingranaggi si avvicinano al lato di scarico. Lo spazio tra gli ingranaggi e la cassa aumenta e il fluido fuoriesce dalle cavità. Un'ulteriore rotazione degli ingranaggi porta al loro ingranamento (interblocco), il che porta a qualsiasi fluido rimanente all'interno delle cavità ad essere ‘spremuto’ fuori. Così, quando gli ingranaggi iniziano a separarsi di nuovo sul lato di aspirazione, il fluido può entrare nelle cavità vuote e il processo può essere ripetuto.
Come Funzionano le Pompe a Ingranaggi Interne
Il meccanismo di azionamento (motore elettrico ecc.) fornisce movimento rotatorio all'ingranaggio rotore (l'ingranaggio interno). Quando l'ingranaggio rotore ruota, fa ruotare anche l'ingranaggio folle (ingranaggio esterno). Il fluido entra sul lato di aspirazione della pompa e fluisce nelle cavità tra il rotore e l'ingranaggio folle. Un sigillo a mezzaluna stazionario separa i due ingranaggi mentre continuano la loro rotazione. Il fluido è intrappolato nelle cavità tra l'ingranaggio rotore e la superficie interna della mezzaluna, e tra l'ingranaggio folle e la superficie esterna della mezzaluna. Un'ulteriore rotazione degli ingranaggi porta i denti degli ingranaggi di entrambi gli ingranaggi più vicini tra loro. Quando gli ingranaggi iniziano a ingranarsi, il fluido viene forzato fuori dalle cavità e viene scaricato dalla pompa; il processo si ripete quindi.
Funzionamento della Pompa a Ingranaggi Interna (con mezzaluna)
Design alternativi di pompe a ingranaggi interne non utilizzano il sigillo a mezzaluna, ma il principio di funzionamento è molto simile a quello di una pompa a ingranaggi interna con sigillo a mezzaluna.
Funzionamento della Pompa a Ingranaggi Interna (senza mezzaluna)
Applicazioni delle Pompe a Ingranaggi
Le pompe a ingranaggi sono ben adatte per fluidi ad alta viscosità (densi) con un basso numero di solidi sospesi. I fluidi ad alta viscosità includono sostanze come vernici e saponi ecc. Poiché le pompe a ingranaggi hanno strette tolleranze meccaniche, i solidi sospesi all'interno di un fluido possono causare abrasione delle parti di una pompa a ingranaggi, il che porta a una riduzione dell'efficienza della pompa e a una riduzione della durata di servizio della pompa.
Le applicazioni tipiche delle pompe a ingranaggi includono:
- Carburanti e oli automobilistici.
- Oli idraulici.
- Alcool e solventi.
- Circolazione su piccola scala di olio caldo.
- Vernici, resine e polimeri.
- Sapone liquido.
- Alimenti commestibili come sciroppo di mais, mangimi per animali e burro di arachidi.
Caratteristiche Operative
Per migliorare il funzionamento di una pompa a ingranaggi, è importante ridurre l'attrito tra le sue parti. L'attrito porta a calore, che causerà l'espansione fisica dei componenti di una pompa a ingranaggi. Le pompe a ingranaggi hanno strette tolleranze meccaniche, in particolare le pompe a ingranaggi esterne, quindi qualsiasi espansione termica può causare danni alla pompa. Ad esempio, i denti degli ingranaggi potrebbero diventare disallineati, il che porterebbe a usura, perdite e una conseguente riduzione dell'efficienza. In casi estremi, una pompa a ingranaggi gravemente disallineata potrebbe bloccarsi (non essere più in grado di ruotare).
Tipicamente, il fluido pompato serve a lubrificare i componenti interni della pompa. Per questo motivo, la maggior parte delle pompe a ingranaggi non è ben adatta per un funzionamento a secco (senza flusso di fluido) per periodi prolungati.
Le pompe a ingranaggi sono più efficienti quando operano alla loro velocità di progetto massima; giri al minuto (rpm) più bassi porteranno a efficienze della pompa inferiori.
Vantaggi Generali delle Pompe a Ingranaggi
Le pompe a ingranaggi in generale sono utili grazie alle loro dimensioni compatte e al design semplice. Poiché hanno un numero ridotto di parti mobili, sono più affidabili rispetto ad altri design di pompe più complessi. Sono spesso auto-lubrificanti perché il fluido che pompano lubrifica anche le parti interne della pompa. La maggior parte delle pompe a ingranaggi non dovrebbe essere azionata a secco per periodi prolungati, poiché ciò porterà molto probabilmente a danni ai componenti della pompa a causa di attrito/calore.
Svantaggi Generali delle Pompe a Ingranaggi
A causa delle strette tolleranze necessarie per il loro design (in particolare per le pompe a ingranaggi esterne), le pompe a ingranaggi sono soggette a usura. Man mano che le loro parti si usurano/degradano, si verificano perdite e l'efficienza della pompa si riduce. Se una pompa a ingranaggi deve essere utilizzata con solidi abrasivi (sconsigliato), la pressione dovrebbe essere bassa, il flusso alto e la velocità operativa bassa.
Come con tutti i design di pompe volumetriche, dovrebbero essere installati dispositivi di rilascio della pressione per proteggere la pompa e i componenti a valle.
Vantaggi e Svantaggi delle Pompe a Ingranaggi Esterne
Una pompa a ingranaggi esterna può operare a pressioni più elevate rispetto ad alcuni altri tipi di pompe e spesso offre un design più compatto e meno costoso. Le pompe a ingranaggi esterne funzionano bene a temperature basse a medie, mantenendo un tasso di flusso relativamente alto. Il design della pompa a ingranaggi esterna richiede strette tolleranze interne, il che la rende ideale per applicazioni a lotti, poiché ha un tasso di flusso preciso; è anche in grado di gestire fluidi a bassa viscosità poiché ci sono poche perdite a causa delle strette tolleranze tra le parti. Tuttavia, a causa delle strette tolleranze tra le sue parti mobili, una pompa a ingranaggi esterna ha spesso un tasso di usura più elevato rispetto ad altri tipi di pompe.
Vantaggi e Svantaggi delle Pompe a Ingranaggi Interne
La pompa a ingranaggi interna funziona meglio sotto pressioni moderate. È tipicamente più ingombrante e più costosa rispetto alla sua controparte esterna. Tuttavia, ha diversi vantaggi rispetto a una pompa a ingranaggi esterna:
- Ha una maggiore capacità di aspirazione, quindi è meglio adatta per gestire fluidi ad alta viscosità.
- È più robusta perché ha tolleranze meccaniche più rilassate.
- Le tolleranze meccaniche rilassate le permettono di gestire meglio temperature dei fluidi più elevate (più spazio per l'espansione termica delle parti), il che la rende una buona scelta di pompa per sistemi ad alta temperatura, ad esempio olio termico.
Le pompe a ingranaggi interne sono in grado di flusso bidirezionale (flusso in due direzioni). Questo le rende utili se è necessaria una singola pompa per un duplice scopo, ad esempio riempire e svuotare un serbatoio.
Sebbene sia sconsigliato utilizzare qualsiasi pompa a ingranaggi con sostanze abrasive o solidi, le pompe a ingranaggi interne sono meglio adatte per questo tipo di operazione rispetto alle pompe a ingranaggi esterne, questo è dovuto alle loro tolleranze meccaniche rilassate. Tuttavia, le pompe a ingranaggi interne sono meno in grado di gestire fluidi a bassa viscosità perché il tasso di perdite è relativamente alto (le tolleranze rilassate portano a tassi di perdite più elevati, specialmente per fluidi a viscosità più bassa (più sottili)).
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Risorse Aggiuntive
https://kammash.com/learn-gear-pumps-characteristics-and-applications/