Soluzioni innovative di cuscinetti per compressori e pompe a vuoto

SKF ha introdotto nel catalogo una gamma migliorata e più ampia di cuscinetti obliqui a una corona di sfere Explorer per l’impiego in applicazioni come i compressori e le pompe a vite, incluse quelle a vuoto industriali. Questi cuscinetti possono contribuire ad aumentare la densità di potenza e a migliorare le prestazioni e l’efficienza delle macchine, consentendo il funzionamento a velocità più elevate e con minore attrito e assicurando al contempo competitività in termini di costi, assistenza e disponibilità su scala globale.

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Pompa a vuoto o compressore con tecnologia a doppia vite

L’aria compressa è spesso indicata come la “quarta utenza”. L’affidabilità e le prestazioni efficienti dei sistemi di compressione sono fondamentali per molti siti di produzione. Un tipo di compressore comune negli impianti industriali è il compressore a doppia vite. Oltre all’aria compressa, un numero sempre maggiore di processi di produzione moderni richiede atmosfere con livelli di vuoto differenti. Le pompe a vuoto – di solito molto simili ai compressori d’aria – sono comuni in molti settori, ad esempio in quello alimentare, degli imballaggi, ottico, elettronico, dei semiconduttori, nonché nei settori chimico, farmaceutico e del vetro, dove si utilizzano nei processi di rivestimento industriale come PVD (Physical Vapour Deposition) e CVD (Chemical Vapour Deposition). Le pompe a vuoto si impiegano anche in esperimenti scientifici su larga scala, come nei rivelatori di onde gravitazionali.

Proprio come i compressori a doppia vite, le pompe a vite a vuoto funzionano con due alberi a vite che ruotano in direzioni opposte. In questo modo il gas viene intrappolato tra le viti e trasportato al lato di scarico, mentre sul lato di ingresso il gas viene rilasciato e la pressione viene ridotta al livello di vuoto previsto. I cuscinetti che supportano i rotori a vite sono componenti fondamentali: oltre a reggere i carichi creati dalla pressione del gas, assicurano un posizionamento radiale e assiale dell’albero della massima precisione; questo è un criterio essenziale per l’efficienza delle macchine a vite.

In futuro, i mercati dei compressori e delle pompe potrebbero aspettarsi velocità più elevate, ingombro ridotto, posizionamento assiale dell’albero ancora più preciso e solide prestazioni dei cuscinetti di backup. Questi ultimi, che sopportano i carichi di spinta e controllano il gioco assiale del sistema di cuscinetti e di conseguenza la distanza tra gli alberi e l’alloggiamento, possono risentire di una combinazione di velocità elevata e carichi ridotti. Per le pompe a vite a vuoto, infatti, velocità, efficienza (determinata da ridotti giochi delle tenute) e bassa generazione di calore sono fondamentali.

Compressore a vite dotato di cuscinetti obliqui a sfere con angolo di 25°

Progetto migliorato

SKF sta già rispondendo a queste nuove esigenze. Ha introdotto diversi miglioramenti nel progetto dei cuscinetti e ha sviluppato una gamma completamente nuova per assicurare che il cuscinetto obliquo a una corona di sfere SKF Explorer possa soddisfare le esigenze attuali e future in termini di prestazioni. La prima innovazione è stata una nuova gabbia con una geometria notevolmente migliorata e una nuova lega di ottone, che consente il funzionamento a velocità più elevata con attrito ridotto.

Inoltre, SKF ha aggiunto una variante con angolo di contatto di 25o alla gamma standard di cuscinetti obliqui a sfere. Entrambi i modelli dei cuscinetti hanno la nuova gabbia migliorata. Rispetto alla variante con angolo di contatto di 40°, con l’angolo di contatto di 25° il cuscinetto non solo può essere impiegato a velocità più elevate, ma può anche funzionare meglio come cuscinetto di backup in condizioni di carico leggero. I cuscinetti con angolo di 25° assicurano anche una capacità di carico radiale più elevata rispetto a quelli con angolo di 40°; questo è particolarmente utile in caso di applicazioni con una prevalenza di carichi radiali e per il downsizing delle macchine. Questa nuova versione viene offerta a catalogo come standard, assicurandone la disponibilità su scala globale con tempi di consegna ridotti.

Un altro grande vantaggio di questa serie con angolo di 25° è che questi cuscinetti sono universalmente accoppiabili con altri cuscinetti con angoli di 25° e 40°; ciò significa che possono essere assemblati in disposizioni duplex o triplex senza dover eseguire misurazioni.

Alla gamma di cuscinetti obliqui a sfere standard è stata aggiunta una variante con angolo di contatto di 25°
Risultato del calcolo ottenuto dal confronto tra l’angolo di contatto di 25° e l’angolo di contatto di 40°
Confronto delle velocità limite di cuscinetti obliqui a una corona di sfere con gabbia in ottone lavorato
Confronto delle temperature di cuscinetti obliqui a una corona di sfere con gabbia in ottone lavorato, lubrificazione a grasso

Esempio di progetto

Un cliente si è rivolto all’assistenza tecnica per convalidare una proposta progettuale per una nuova generazione di pompe a vite a vuoto. SKF ha svolto un’analisi completa del sistema di cuscinetti, utilizzando il programma di simulazione 3D SKF SimPro. La simulazione ha evidenziato alcuni rischi per le prestazioni in caso di utilizzo di cuscinetti obliqui a sfere con angolo di 40°, tra questi una durata calcolata inferiore, elevate variazioni dell’angolo di contatto e maggiori perdite per attrito. Si noti che, a velocità molto elevate, le forze centrifughe che agiscono sulle sfere diventano rilevanti; in tali condizioni un angolo di contatto più piccolo migliora la cinematica.

Le velocità delle pompe a vuoto analizzate erano più elevate rispetto a quelle di compressori a vite di dimensioni simili, mentre i carichi assiali erano leggermente inferiori. Le analisi hanno dimostrato che la migliore scelta progettuale era l’utilizzo di un sistema di cuscinetti duplex con gioco ridotto che incorporasse i nuovi cuscinetti SKF Explorer con angolo di contatto di 25°. I risultati dei calcoli riportati nei grafici seguenti dimostrano chiaramente le differenze di prestazioni per quanto riguarda la durata calcolata e la riduzione delle perdite di potenza.

Un'analisi completa delle dinamiche non lineari dei cuscinetti nel sistema di pompe a vite a vuoto è stata effettuata utilizzando lo strumento di simulazione SKF SimPro.

Vantaggi degli ultimi miglioramenti

Grazie agli ultimi miglioramenti apportati alla gamma SKF Explorer di cuscinetti obliqui a una corona di sfere, i clienti possono ottenere molteplici vantaggi, tra cui efficienza in termini di costi ed una gamma standard disponibile in magazzino. Per quanto riguarda le prestazioni, invece, i cuscinetti obliqui a sfere con angolo di 25° possono funzionare a velocità più elevate. Inoltre, mostrano prestazioni superiori come cuscinetti di backup in condizioni di carico ridotto. La capacità di carico radiale più elevata si può utilizzare anche per il downsizing delle macchine. Il disegno, nuovo e migliorato, della gabbia massiccia in ottone riduce rumorosità e perdite per attrito. Le opzioni di progettazione sono molto flessibili, con tre classi di gioco e tre di precarico. Poiché sia i cuscinetti con angolo di 40° sia quelli con angolo di 25° sono universalmente accoppiabili, la logistica, la gestione del magazzino e il montaggio delle macchine diventano operazioni molto semplici. Tutti questi vantaggi sono valorizzati dalla presenza di SKF su scala globale e dai brevi tempi di consegna.