Una pompa idraulica su una macchina edile ha funzionato solo per 480 ore prima che il tecnico notasse il caratteristico rumore simile a quello della ghiaia proveniente dal lato di aspirazione. All'apertura dell'unità, la zona di ingresso e la cartuccia della pompa presentavano cavità profonde e superfici ruvide. Quella era cavitazione, non una parte difettosa. La cavitazione è la principale causa di guasto prematuro delle pompe nei sistemi idraulici e può quasi sempre essere evitata comprendendo le condizioni che la innescano.
La cavitazione avviene quando la pressione del fluido all'ingresso della pompa scende al di sotto della pressione di vapore dell'olio, formando bolle di vapore che collassano violentemente quando vengono spinte nella zona ad alta pressione all'interno della pompa. Il collasso genera onde d'urto localizzate che erodono il metallo, provocano vibrazioni e alla fine portano alla distruzione della pompa. Per macchine edili operatori, ciò significa tempi di inattività non pianificati e riparazioni costose. La sola cartuccia sostitutiva della pompa può costare centinaia di dollari e i tempi di inattività di un escavatore o di una pressa idraulica possono essere ancora più costosi.
Cos'è la cavitazione e perché distrugge le pompe
La cavitazione è un processo fisico che avviene in qualsiasi pompa per liquidi. Ogni fluido idraulico ha una pressione di vapore che aumenta con la temperatura. Quando la pressione sul lato di aspirazione della pompa scende al di sotto della pressione di vapore, il fluido inizia a bollire a temperatura ambiente, formando bolle microscopiche. Quando queste bolle viaggiano nella regione ad alta pressione della pompa, vengono collassate dal fluido circostante. Queste implosioni agiscono come microscopici martelli contro le superfici metalliche, generando onde d'urto con pressioni locali che possono superare i 1.000 bar.
Il margine tra l’NPSH disponibile e quello richiesto è ciò che gli ingegneri chiamano margine NPSH. Mantenere sano quel margine è la regola di progettazione più importante per prevenire la cavitazione.
Il danno derivante da questo processo ha un aspetto distintivo. Le aree interessate, in genere la porta di aspirazione, il bordo di ingresso della cartuccia a palette o la girante, sono vaiolate e risultano ruvide al tatto. Nei casi più gravi, il metallo manca del tutto. La capacità della pompa diminuisce, il rumore diventa più forte e aumenta il rischio di un grippaggio completo della pompa.
Le principali cause di cavitazione nelle pompe
Capire le cause è il primo passo verso la prevenzione. Esistono due categorie generali: cause lato aspirazione e cause lato mandata. La tabella seguente riassume quelli più comuni.
| Categoria | Cause | Effetto sulla pompa |
|---|---|---|
| Aspirazione | NPSHa inferiore a NPSHr | Si formano bolle all'ingresso |
| Aspirazione | Filtro o filtro di aspirazione intasato | Caduta di pressione e carenza di flusso |
| Aspirazione | Aspirazione line too long, too small, or too many bends | Perdita di pressione eccessiva |
| Aspirazione | Temperatura del fluido elevata | La pressione del vapore aumenta, più facile da cavitare |
| Aspirazione | Pompa montata troppo in alto sopra il livello dell'olio | Prevalenza insufficiente in ingresso |
| Scarica | Uscita bloccata, valvola chiusa o impostazione di alta pressione | Scarica cavitation |
| Scarica | Funzionamento oltre la velocità nominale | La pressione interna scende al di sotto della pressione del vapore |
| Sistema | Ingresso di aria nella linea di aspirazione | Sacche di gas che imitano la cavitazione |
La categoria più comune è la cavitazione sul lato aspirazione. Si verifica quando la pompa semplicemente non riesce ad aspirare abbastanza fluido. L'elemento filtrante è il colpevole più frequente: quando il filtro si intasa, la differenza di pressione al suo interno aumenta e la pressione all'ingresso della pompa scende al di sotto della pressione del vapore. Anche un filtro con una modesta quantità di contaminazione può causare ciò.
Una seconda causa comune è la linea di aspirazione stessa. Se la linea è più stretta di quanto consigliato dal produttore della pompa, o se sono presenti troppi gomiti e raccordi, la velocità del fluido nella linea di aspirazione aumenta e la pressione locale diminuisce. Lo stesso accade quando la pompa è montata molto al di sopra del serbatoio: l'altezza di aspirazione supera quella che il fluido può fornire in sicurezza.
La temperatura del fluido è una causa nascosta che spesso gli operatori trascurano. La pressione del vapore della maggior parte degli oli idraulici aumenta notevolmente al di sopra dei 60°C. Se un sistema funziona a 70°C con un livello dell'olio basso o un filtro parzialmente intasato, la cavitazione può iniziare anche quando i calcoli dell'NPSH sembravano corretti in fase di progettazione.
La cavitazione sul lato di scarico è meno comune ma comunque grave. Se la linea di uscita è ostruita, se una valvola è aperta solo parzialmente o se il setpoint di limitazione della pressione viene aumentato oltre la capacità nominale della pompa, la pressione sugli elementi pompanti può scendere al di sotto della pressione del vapore. Nelle pompe a pistoni e pompe a palette allo stesso modo, questa condizione produce lo stesso rumore rivelatore e lo stesso danno.
Anche l'intrappolamento di aria da una linea di aspirazione che perde può simulare i sintomi della vera cavitazione. Quando la pompa aspira aria, le sacche di gas collassano con un rumore simile e provocano un'erosione simile. La differenza è che la causa principale è l’aria, non la pressione del vapore. Ispezionare e serrare tutte le connessioni della linea di aspirazione è un passaggio semplice che evita molti falsi allarmi.
Come rilevare la cavitazione prima che la pompa si guasti
La cavitazione fornisce chiari avvertimenti. Il più affidabile è il suono: un costante "biglie in un barattolo" o un sonaglio simile a ghiaia che peggiora quando il carico di lavoro aumenta. La vibrazione è il secondo segno. Una pompa che funziona regolarmente a 1.800 giri al minuto ma diventa irregolare a 2.200 giri al minuto indica che l'ingresso è stato limitato.
Anche i cambiamenti delle prestazioni sono comuni. Il flusso diminuisce gradualmente e il cilindro idraulico o il motore sul lato a valle si muove più lentamente rispetto a quando il sistema era nuovo. Le letture della pressione all'uscita della pompa fluttuano e l'olio potrebbe formare schiuma nel serbatoio.
Quando si apre la pompa durante un intervallo di manutenzione, ispezionare la cartuccia della pompa. Il set di alette interne è spesso la prima parte a mostrare danni. Le punte delle palette bucherellate, le rigature sulla piastra della porta e le superfici ruvide sulla porta di aspirazione sono tutti indicatori di fenomeni di cavitazione. La buona notizia è che la cartuccia è un componente sostituibile. In una pompa di tipo T6/T7, la cartuccia può essere sostituita senza sostituire il corpo della pompa, riducendo così i costi di riparazione.
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La prevenzione può essere affrontata a tre livelli: progettazione del sistema, abitudini operative e manutenzione.
Suggerimenti per la progettazione del sistema
- Calcolare NPSHa nella condizione peggiore: temperatura dell'olio elevata, filtro contaminato e livello dell'olio più basso nel serbatoio. Mantenere un margine di almeno il 15-20% al di sopra dell'NPSHr richiesto dalla pompa.
- Mantenere la linea di aspirazione quanto più corta e diritta possibile. La velocità del fluido nella linea di aspirazione non deve superare 1,2 m/s per una pompa idraulica. Se necessario, utilizzare un tubo più grande.
- Ridurre al minimo raccordi, gomiti e valvole sul lato di aspirazione. Ogni raccordo aggiuntivo aggiunge una caduta di pressione.
- Quando possibile, utilizzare un filtro sulla linea di ritorno anziché un filtro di aspirazione. Se un filtro di aspirazione è inevitabile, selezionarne uno con una bassa pressione differenziale e un generoso bypass.
- Nel serbatoio, mantenere un livello del fluido che copra l'ingresso della pompa. Utilizzare un deflettore per evitare che l'olio crei vortici e attiri aria nella pompa.
- Scegliere una pompa con un NPSHr adatto all'NPSH disponibile. Una pompa a palette della serie V è progettata con una cartuccia compatta e un funzionamento silenzioso, che la rendono più adatta ai sistemi sensibili all'aspirazione.
Pompa singola a bassa rumorosità serie V La pompa a palette a bassa rumorosità della serie V soddisfa l'industria delle macchine utensili. Queste pompe hanno un'alta pressione. Con grande capacità, dimensioni compatte, basso livello di rumore e servizio più lungo... Visualizza il prodotto → Abitudini operative
- Far funzionare la pompa entro l'intervallo di velocità indicato dal produttore. La maggior parte delle pompe a palette hanno una velocità nominale compresa tra 1.200 e 2.500 giri al minuto. Spingere una pompa a 3.000 giri al minuto su base continua favorisce la cavitazione anche se la linea di aspirazione sembra a posto.
- Mantenere la temperatura del fluido nell'intervallo 40-60°C. Utilizzare uno scambiatore di calore quando la macchina funziona continuamente.
- Non impostare la valvola di sicurezza al di sopra della pressione massima stabilita dal produttore della pompa. Il setpoint della pressione deve corrispondere al progetto del sistema, non al limite teorico della pompa.
- Per applicazioni ad alta pressione con carico variabile, una pompa a pistone come la serie A10VSO offre un design rigido e buone tolleranze ad alta pressione.
Pompa a pistone serie A10VSO 31 Descrizione del prodotto: Visualizza il prodotto → Consigli per la manutenzione
- Sostituire i filtri di aspirazione nei tempi previsti, non quando l'indicatore scatta. Un filtro intasato all'80% può ancora produrre una pressione adeguata nella linea di ritorno, ma la caduta di pressione sul lato di aspirazione potrebbe essere già sufficientemente elevata da disturbare l'ingresso della pompa.
- Controllare la cartuccia della pompa durante ogni manutenzione programmata. Se le punte delle palette mostrano segni di usura o vaiolature, si tratta di un segnale precoce.
- Monitorare la temperatura e la contaminazione dell'olio. L'alta temperatura e lo sporco sono una combinazione letale.
La linea di fondo
La cavitazione è un sintomo di un sistema idraulico mal progettato, gestito in modo improprio o scarsamente mantenuto. La pompa stessa è spesso la vittima, non la causa. Correggere le condizioni di ingresso, mantenere l'olio fresco e pulito e selezionare una pompa i cui requisiti NPSH corrispondano al sistema reale. Questo è il percorso più semplice per eliminare i danni da cavitazione e mantenere in servizio le apparecchiature idrauliche.
