Il piccolo aggiustamento che fa una grande differenza
Le pompe centrifughe sono tra i dispositivi più comunemente utilizzati per il trasferimento di fluidi nelle applicazioni industriali. Sebbene di progettazione piuttosto robusta, le pompe centrifughe in genere subiscono guasti meccanici a causa dell'eccessiva usura delle guarnizioni, danni da slittamento nei cuscinetti e/o guasti alla gabbia dei cuscinetti. Questo articolo esplora queste tre modalità di guasto e, utilizzando un software proprietario di calcolo dei cuscinetti, spiega come un corretto gioco assiale del cuscinetto può mitigare questi problemi per prolungare la vita utile dei cuscinetti e, in definitiva, della pompa stessa.
Guardando all'interno di una pompa del fluido centrifuga, si possono trovare due posizioni di cuscinetto separate. La posizione anteriore più vicina alla girante è solitamente il cuscinetto libero che reagisce ai carichi radiali del sistema. Per questo scopo viene comunemente utilizzato un cuscinetto a sfere a gola profonda o un cuscinetto a rulli cilindrici. La posizione posteriore è tipicamente la coppia di cuscinetti a posizionamento assiale, che imposta il gioco assiale e reagisce al carico sia assiale che radiale. La maggior parte delle pompe centrifughe impiega un cuscinetto a sfere a contatto obliquo a doppia corona (DRACBB), una coppia di cuscinetti a sfere a contatto obliquo (ACBB) o una coppia di cuscinetti a rulli conici.
IMMAGINE 1: Tipica disposizione dei cuscinetti all'interno di una pompa centrifuga (immagini per gentile concessione di Schaeffler Group USA Inc.)
Modalità di fallimento
Come accennato in precedenza, le tre modalità di guasto comuni nelle pompe centrifughe sono l'usura delle guarnizioni, il danneggiamento da slittamento dei cuscinetti e la rottura della gabbia dei cuscinetti. La prima di queste modalità di guasto, l'eccessiva usura della tenuta, è causata da una deflessione dell'albero principale, che aumenta la forza di contatto della tenuta contro l'albero, usurando prematuramente il materiale della tenuta. La riduzione di questa deflessione dell'albero prolungherà la durata della tenuta, il che comporterà una maggiore durata del sistema per la pompa.
La seconda modalità di guasto comune per le pompe centrifughe, il danno da slittamento nei cuscinetti, è causata da un carico insufficiente su uno dei cuscinetti di posizionamento. Poiché la forza assiale della pompa in genere agisce solo in una direzione, solo uno dei cuscinetti di posizionamento assume la maggior parte del carico mentre l'altro cuscinetto viene utilizzato per supportare qualsiasi carico radiale aggiuntivo e momento di ribaltamento. A seconda delle condizioni operative, ciò può portare allo scarico di un cuscinetto, per cui gli elementi volventi tendono a ruotare fuori dal proprio asse piuttosto che rotolare lungo la direzione prevista nella pista di rotolamento. ACBB e DRACBB sono particolarmente vulnerabili a questo meccanismo in condizioni di leggero carico. Inoltre, la forza centrifuga esercitata sulle sfere mentre sono al di fuori della zona di carico può esacerbare ulteriormente la variazione dell'angolo di contatto che subisce il cuscinetto. Questa rotazione aggiuntiva porta a un fenomeno noto come slittamento, che può essere riconosciuto dalle tracce di slittamento sulla pista e dagli elementi volventi. Ridurre il gioco o addirittura precaricare i cuscinetti di posizionamento può aiutare a evitare questa modalità di guasto.
Lo slittamento può anche portare alla frattura della gabbia, la terza modalità di guasto comune per le pompe centrifughe. All'interno di un cuscinetto leggermente caricato, la zona di carico costituisce una porzione più piccola della pista. Ciò può causare la decelerazione o la frenatura degli elementi volventi nella tasca della gabbia del cuscinetto quando entrano nella zona scaricata nelle tasche della gabbia e quindi accelera quando rientrano nella zona di carico e ricominciano a ruotare normalmente. Se queste accelerazioni e decelerazioni sono drastiche o abbastanza frequenti, la gabbia può subire affaticamento e alla fine fratturarsi nella tasca a causa delle sollecitazioni superiori al normale.
IMMAGINE 2: Deflessione della tenuta a diverse impostazioni di gioco assiale del cuscinetto (mostrato su BEP)
Analisi
Per studiare queste modalità di guasto, un produttore di cuscinetti ha selezionato una pompa fornita dall'utente e ha monitorato lo spostamento alla tenuta, il rapporto di rotazione/rotazione delle sfere e l'accelerazione della gabbia attraverso un punto di migliore efficienza (BEP). Per simulare le normali condizioni operative, tutti i casi di carico sono stati eseguiti a 1.780 rotazioni al minuto (rpm) con una differenza di temperatura di 10°C (50°F) tra l'anello interno ed esterno. Tre diverse coppie di ACBB della serie 7313 sono state simulate nella posizione di localizzazione nelle condizioni summenzionate con intervalli di gioco variabili. Tutte le coppie testate erano di design universale (destinate all'uso in coppia nella disposizione X o O) e presentavano le seguenti classi di gioco: UA (gioco assiale piccolo), UB (gioco assiale inferiore a UA) e UO (senza gioco) . Il gioco nel cuscinetto anteriore della serie 6313 è stato impostato sul gioco normale (CN) per tutti i calcoli. In base al carico fornito, il cuscinetto lato motore nella coppia di arresto supporta il carico assiale nel sistema, mentre il cuscinetto lato girante sopporta eventuali carichi radiali e momenti di ribaltamento.
Utilizzando questi parametri di prova e tre diverse coppie di ACBB, lo spostamento dell'albero nella posizione della tenuta è stata la prima condizione da studiare. Queste deviazioni possono essere viste nell'immagine 2. A 0% BEP, la coppia di ACBB con gioco UA ha determinato il massimo spostamento dell'albero. Nel frattempo, i cuscinetti con gioco UB hanno deviato 13 micrometri (µm) in meno rispetto alle versioni con gioco UA, mentre la coppia di cuscinetti con gioco UO ha deviato 27 µm in meno rispetto alla coppia UA nella posizione della tenuta. Risultati simili sono stati osservati al 25% BEP: la coppia UB-clearance ha deviato 11 µm in meno rispetto alla coppia UA, mentre la coppia UO-clearance ha deviato 24 µm in meno rispetto alla coppia UA nella posizione del sigillo.
Sebbene siano stati osservati risultati simili al 50% di BEP, va notato che la deflessione complessiva dell'albero diminuisce all'aumentare del BEP. La coppia di ACBB con gioco UB ha deviato 2 µm in meno rispetto alla coppia UA, mentre i cuscinetti con gioco UO hanno deviato 4 µm in meno rispetto alla coppia UA nella posizione della tenuta. Al 75% e al 100% BEP, la coppia UA ha deviato meno di entrambi i cuscinetti UB e UO. Al 75% di BEP, i cuscinetti con gioco UB hanno deviato 1 µm in più rispetto ai cuscinetti con gioco UA, mentre la coppia UO ha deviato 2 µm in più rispetto alla coppia UA nella posizione della tenuta.
Allo stesso modo, i cuscinetti con gioco UB hanno deviato 2 µm in più rispetto alla coppia UA al 100% BEP, mentre i cuscinetti con gioco UO hanno deviato 3 µm in più rispetto alla coppia UA nella posizione della tenuta.
Ci sono solo differenze marginali nella deflessione a un intervallo BEP più ottimale, ma c'è un vantaggio a BEP inferiore rispetto alla riduzione al minimo dell'usura della tenuta a causa della minore deflessione dell'albero.
IMMAGINE 3: Rapporto rollio/rotazione in funzione del gioco assiale del cuscinetto
Dopo l'analisi della deflessione dell'albero, il rapporto rollio/rotazione era la condizione successiva da esaminare. Un rapporto rollio/rotazione maggiore di 0,5 è stato collegato a una maggiore probabilità di danni da slittamento nei cuscinetti, sebbene ciò possa dipendere dalla lubrificazione nel sistema. Per questa parte dell'analisi, sono stati monitorati i cuscinetti nelle posizioni lato motore e lato girante e nell'immagine 3 è possibile visualizzare un output completo dei risultati.
Per quanto riguarda la coppia di cuscinetti con gioco UA, il rapporto rollio/rotazione è maggiore di 1,1 per tutte le scatole BEP nel cuscinetto lato girante; questo indica che sarebbe probabile uno slittamento. Mentre il cuscinetto lato motore è migliore una volta aumentato il BEP, è ancora probabile lo slittamento quando si opera al di sotto del 50% del BEP. Nel frattempo, il cuscinetto lato girante della coppia UB ha mostrato un rapporto rollio/rotazione maggiore di 0,9 per tutti i casi BEP, ancora una volta, indicando che sarebbe probabile uno slittamento. Lo slittamento è ancora un problema allo 0% BEP e al 25% BEP nel cuscinetto lato motore; la condizione di slittamento è al limite al 50% BEP. Infine, il cuscinetto lato girante della coppia di cuscinetti UO-gioco ha mostrato un rapporto rollio/rotazione maggiore di 0,6 per tutti i casi BEP. Ciò indica che lo slittamento sarebbe probabile allo 0% BEP e al 25% BEP; a un BEP più alto, la condizione di slittamento è borderline.
IMMAGINE 4: Differenza di velocità della gabbia in funzione del gioco assiale del cuscinetto
Per quanto riguarda la terza modalità di guasto comune per le pompe centrifughe, il guasto della gabbia dei cuscinetti, la variazione della velocità della gabbia dei cuscinetti ha mostrato risultati simili alla condizione di rollio/rotazione. Ciò è stato determinato calcolando la velocità orbitale di ciascuna palla nelle tasche della gabbia e quindi utilizzando la varianza tra i valori massimo e minimo per generare la differenza di velocità della gabbia vista nell'immagine 4.
Poiché maggiori differenze di velocità della gabbia mettono più stress sulle tasche, questa condizione può portare a fratture. Secondo l'immagine 4, la coppia di cuscinetti con gioco UA mostra la più alta differenza di velocità della gabbia; questo fenomeno è particolarmente evidente al diminuire del BEP. Sebbene la coppia UB abbia prestazioni migliori, le variazioni di velocità della gabbia più basse si ottengono utilizzando cuscinetti con gioco UO.
Come ha dimostrato l'indagine precedente sulle tre modalità di guasto comuni per le pompe centrifughe, la selezione del gioco assiale corretto dei cuscinetti dovrebbe migliorare la durata dei cuscinetti e, di conseguenza, della pompa stessa.
L'uso di un cuscinetto con un gioco inferiore limita la deflessione della tenuta, che, a sua volta, può aiutare a migliorare la durata della tenuta della pompa, specialmente quando si opera a una distanza maggiore rispetto a intervalli BEP ottimali. Inoltre, il gioco ridotto riduce al minimo la quantità di potenziale slittamento nei cuscinetti, in particolare nel cuscinetto scarico che viene utilizzato principalmente per il momento e il carico radiale.
La scelta del gioco corretto può anche ridurre le sollecitazioni nella gabbia dovute alle accelerazioni, che possono prolungare la vita del cuscinetto e dell'intero sistema. Se, tuttavia, si riscontrano ancora danni nei cuscinetti anche con un intervallo di gioco ridotto, potrebbe essere necessario passare a un cuscinetto precaricato per ridurre ulteriormente la probabilità di slittamento e sollecitazioni della gabbia.