Pompe ad ingranaggi esterni

Novembre 23, 2020

Cos’è una pompa ad ingranaggi esterni?

Le pompe ad ingranaggi esterni sono un tipo di pompa volumetrica rotativa risalente alla fine del XVI secolo. Spesso erano azionate da ruote idrauliche in quanto possono utilizzare la semplice rotazione di ingranaggi per trasferire i fluidi. Le pompe a ingranaggi esterni sono diventate il tipo più semplice e comune di pompa volumetrica rotativa. In genere, le pompe a ingranaggi esterni hanno due ingranaggi su alberi separati con un albero collegato a un motore. I tipi di azionamento, le dimensioni ei materiali di costruzione variano ampiamente a seconda del settore e dell’applicazione. Si possono trovare pompe ad ingranaggi esterni con portate da 20 ml / min a oltre 50 L / min, con pressioni fino a 500 bar.

DPP Gears from a Magnetically Coupled Gear Pump 2

Ingranaggi DPP da una pompa a ingranaggi accoppiata magneticamente 2

Come funzionano le pompe a ingranaggi esterni

Il ciclo di una pompa ad ingranaggi può essere suddiviso in tre azioni distinte:

  1. Scollegando gli ingranaggi si espande il volume all’ingresso della pompa. Il volume espanso crea un vuoto, consentendo alla pressione esterna di spingere il fluido nella pompa.
  2. Quando gli ingranaggi ruotano, il fluido rimane intrappolato tra i denti dell’ingranaggio e la parete della cavità della carcassa. Questo trasferisce il fluido dal lato di ingresso della pompa al lato di uscita. I giochi stretti e la velocità di rotazione riducono al minimo le perdite interne di fluido all’indietro.
  3. Il fluido aggiuntivo erogato al lato di uscita, insieme al volume decrescente creato quando gli ingranaggi si bloccano, scarica il fluido fuori dall’uscita.
DPP Diagram of external gear pump

Schema di una pompa DPP a ingranaggi esterni

Tipi di attrezzi

I modelli di pompe a ingranaggi esterni utilizzano uno dei tre tipi di ingranaggi:

  • Spur: gli ingranaggi cilindrici sono la geometria più semplice. Possono essere realizzati con numerosi metodi di produzione, incluso lo stampaggio a iniezione. La geometria degli ingranaggi cilindrici si presta bene anche alla rettifica o all’elettroerosione a filo, rendendo i materiali temprati un’opzione. Tuttavia, l’intera lunghezza dell’ingranaggio cilindrico si innesta simultaneamente, determinando un funzionamento più rumoroso, una maggiore sensibilità alla cavitazione e una durata ridotta.
  • Elicoidale: gli ingranaggi elicoidali sono ingranaggi cilindrici ma a spirale assialmente lungo l’ingranaggio. Ciò riduce il rumore e le vibrazioni perché i denti si innestano e si disinnestano gradualmente durante la rotazione, con conseguente maggiore durata. Tuttavia, la forma elicoidale induce una forza assiale che può causare usura tra gli ingranaggi e l’alloggiamento. Questo deve essere affrontato attraverso un’attenta progettazione e scelta dei materiali. Gli ingranaggi elicoidali sono leggermente più difficili da produrre rispetto agli ingranaggi cilindrici; Possono ancora essere stampati, anche se con una precisione ridotta.
  • Spina di pesce: gli ingranaggi a spina di pesce offrono i vantaggi degli ingranaggi elicoidali senza la forza assiale risultante. L’elica è specchiata attorno al piano centrale dell’ingranaggio, generando un motivo a “spina di pesce” a forma di V. Sebbene questo sia funzionalmente superiore agli altri tipi di ingranaggi, è notevolmente più difficile da produrre e quindi l’opzione più costosa.
Spur Helical Herringbone Gear Pumps

Pompe a ingranaggi a spina di pesce elicoidali a denti dritti

Vantaggi e svantaggi

Quali sono le principali caratteristiche e vantaggi di una pompa ad ingranaggi esterni?

Le pompe a ingranaggi sono compatte e semplici con un numero limitato di parti mobili. Le piccole pompe a ingranaggi esterni di solito funzionano fino a 4000 giri / min, consentendo portate elevate in involucri compatti. Sono completamente reversibili, facilitando procedure idrauliche complesse. A differenza delle pompe centrifughe, le pompe a ingranaggi sono autoadescanti e possono sollevare a secco altezze significative.

Poiché l’uscita è direttamente proporzionale alla velocità ed è un flusso regolare e privo di impulsi, le pompe a ingranaggi esterne sono comunemente utilizzate per la misurazione, la miscelazione e le semplici operazioni di feedback di controllo. Possono gestire fluidi sia ad alta che a bassa viscosità, ma la consultazione con i tecnici delle pompe è importante per garantire che la pompa funzioni in condizioni ottimali. Le pompe a ingranaggi sono tra le pompe volumetriche più silenziose e ideali per applicazioni in cui il suono è un problema.

Un’importante sottocategoria di pompe a ingranaggi è rappresentata dalle pompe a ingranaggi accoppiate magneticamente. Queste pompe non hanno tenuta dinamica, con conseguente lunga durata senza rischio di perdite esterne.

Quali sono i limiti di una pompa ad ingranaggi esterni?

Gli ingranaggi e i loro cuscinetti di banco sono lubrificati dal fluido pompato e non devono essere fatti funzionare a secco per periodi prolungati. Il pompaggio di fluido con abrasivi usurerà rapidamente sia i fianchi degli ingranaggi che i cuscinetti interni perché il fluido pompato è anche il fluido lubrificante.

Le strette tolleranze tra gli ingranaggi e la carcassa, una stretta maglia degli ingranaggi e i volumi limitati dei denti rendono difficile il pompaggio di fluidi con grandi solidi sospesi. Se sono previsti solidi sospesi, è possibile installare un filtro sul lato di ingresso. Tuttavia, la creazione di un vuoto troppo elevato sull’ingresso può portare alla cavitazione.

Una pompa a ingranaggi non deve essere azionata troppo lontano dalla gamma di velocità raccomandata. I cuscinetti di banco idrodinamici nelle pompe a ingranaggi sono ottimizzati per gamme di velocità specifiche. Un funzionamento troppo lento della pompa può, sorprendentemente, portare a un’usura accelerata.

Per applicazioni ad alta temperatura, è importante assicurarsi che l’intervallo di temperatura di esercizio sia compatibile con le specifiche della pompa. L’espansione termica della carcassa e degli ingranaggi può modificare i giochi all’interno della pompa, alterando le prestazioni e potenzialmente accelerando l’usura.

Data una potenza sufficiente, le pompe a ingranaggi continueranno a pompare contro una contropressione se sottoposte a un blocco a valle. Ciò può portare a una pressurizzazione eccessiva e provocare la rottura del sistema. La perdita interna di una pompa ad ingranaggi limita la sua pressione massima. Inoltre, nella pompa possono essere integrate valvole limitatrici di pressione (bypass) per cortocircuitare l’uscita all’ingresso alle pressioni prescritte.

Le alte velocità, i giochi stretti e la maglia degli ingranaggi delle pompe a ingranaggi esterni le rendono inadatte a liquidi sensibili al taglio come vernici e saponi.

Materiali di costruzione / Opzioni di configurazione

Come indica il seguente elenco, le pompe a ingranaggi possono essere costruite in un’ampia varietà di materiali. È possibile ottenere una durata superiore e un costo ottimizzato abbinando con precisione i materiali di costruzione al liquido. Mentre le pompe a ingranaggi esterni si trovano comunemente nella ghisa, i materiali più recenti consentono a queste pompe di gestire liquidi come acido solforico, ipoclorito di sodio, cloruro ferrico, idrossido di sodio e centinaia di altri liquidi corrosivi.

  • Esterni (testa, cassa, staffa) – Ferro, ghisa sferoidale, acciaio, acciaio inossidabile, alte leghe, compositi, PPS, ETFE
  • Alberi – Acciaio, acciaio inossidabile, alte leghe, allumina ceramica, PEEK
  • Ingranaggi – Acciaio, acciaio inossidabile, carburi, PTFE, PPS, PEEK
  • Boccole / cuscinetti – Carbonio, bronzo, carburo di silicio, cuscinetti ad aghi, PEEK,
  • Tenuta dell’albero – Guarnizione, tenuta a labbro, tenuta meccanica del componente, accoppiamento magnetico

Perché tutte le pompe a ingranaggi non sono create uguali

Vita

  • La durata della pompa è una combinazione di dettagli di progettazione, precisione di produzione e collaborazione tra ingegneri:
  • Le dimensioni e la disposizione dei cuscinetti sono fondamentali per bassi tassi di usura.
  • I percorsi di lubrificazione corretti sono sottili ma importanti per mantenere i cuscinetti lubrificati, freschi e con abbastanza liquido per sviluppare un adeguato strato idrodinamico.
  • Il mantenimento di giochi piccoli e costanti dei cuscinetti portanti riduce il contatto ma richiede una precisione di lavorazione elevata e ripetibile.
  • La scarsa qualità del profilo dell’ingranaggio, derivante dallo stampaggio o da cattive pratiche di lavorazione, accelera l’usura.
  • Anche il design migliore e le pompe di altissima qualità possono funzionare male se utilizzate in modo improprio. L’accesso e il coinvolgimento degli ingegneri delle pompe sono fondamentali per una lunga durata.
  • Selezione corretta del materiale

Consistenza

Per le applicazioni OEM, la ripetibilità da pompa a pompa è una caratteristica fondamentale ma spesso trascurata delle pompe. Numerosi fattori influenzano la ripetibilità nelle pompe a ingranaggi, comprese le tolleranze degli ingranaggi, le tolleranze dell’alloggiamento, le tolleranze dei cuscinetti, l’allineamento dell’assieme e la consistenza del motore. Se non sono presenti controlli adeguati, la variazione da pompa a pompa può superare il 20% a pressioni elevate. Garantire al produttore della pompa un solido sistema di controllo della qualità, testare la pompa al 100% e una reputazione consolidata sono essenziali.

Guarnizioni

Le guarnizioni tra l’albero del motore e l’alloggio sono i componenti che riducono maggiormente la durata di una pompa. È necessaria un’attenta selezione e verifica delle guarnizioni utilizzando i fluidi progettati per quel sistema specifico. Una guarnizione che pompa acqua offrirà prestazioni molto diverse da quella che pompa un acido aggressivo. Inoltre, il guasto ad una guarnizione può provocare danni alle apparecchiature circostanti e non solo alla pompa. La soluzione migliore è utilizzare un accoppiamento magnetico se la pressione e la velocità lo consentono.

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