Giunti a membrana: principi di funzionamento, vantaggi e guida alla selezione

Durante un'indagine di routine sulle vibrazioni su un treno di compressori ad alta velocità, gli ingegneri hanno rilevato un picco di velocità di 4,5 mm/s all'estremità di azionamento del motore. La causa era un giunto a ingranaggi usurato, secco per mancata lubrificazione. La sua sostituzione con un accoppiamento a membrana ha eliminato definitivamente il problema. I giunti a membrana sono giunti metallici flessibili e non lubrificati che tollerano il disallineamento trasmettendo la piena coppia nominale. Sono diventati la scelta predefinita per i macchinari rotanti ad alta velocità, non perché siano nuovi, ma perché risolvono problemi operativi reali.

Cos'è un accoppiamento a membrana?

Un giunto a membrana collega due alberi utilizzando uno o più diaframmi metallici sottili. La coppia fluisce dalla flangia motrice attraverso la membrana flessibile nella flangia condotta. Il diaframma è progettato per piegarsi in modo controllato, il che gli consente di assorbire il disallineamento angolare, lo spostamento parallelo e lo spostamento assiale senza parti scorrevoli o gioco.

A differenza dei giunti a ingranaggi, i giunti a membrana non si basano su denti lubrificati. La flessione del metallo funziona tramite deformazione elastica, quindi non c'è usura per attrito. Ciò offre diversi vantaggi pratici:

• Non è richiesto alcun sistema di lubrificazione o di tenuta, riducendo la manutenzione ed eliminando le perdite di olio.
• Ampio intervallo di temperature operative, in genere da -40 °C a oltre 250 °C a seconda del materiale.
• Trasmissione della coppia fluida senza rumore periodico dell'ingranamento dei denti.
• Nessun gioco, il che li rende adatti per azionamenti di precisione e reversibili.
• Rigidità torsionale prevedibile, che aiuta a evitare problemi critici di velocità nei treni ad alta velocità.

Accoppiamento a membrana e accoppiamento a ingranaggi: differenze chiave

Il confronto più frequente nella progettazione di apparecchiature rotanti è tra giunti a ingranaggi e giunti a membrana. La tabella seguente riassume le differenze più importanti nel servizio.

Per un confronto ingegneristico più approfondito, leggi perché un giunto a membrana è spesso più adatto di un giunto a ingranaggi .

Design a disco singolo, a doppia membrana e ad albero intermedio

I giunti a membrana sono costruiti in diverse configurazioni. Un'unità a disco singolo ha un elemento flessibile e gestisce un disallineamento angolare moderato. Quando è necessario un maggiore spostamento parallelo o una maggiore cedevolezza, un giunto a doppia membrana utilizza due elementi flessibili separati da un distanziale centrale. Questa è la configurazione industriale più comune perché consente la compensazione sia angolare che disassata senza generare grandi forze di reazione sui cuscinetti.

Giunto a doppia membrana JMII per trasmissioni industriali compatte Questo giunto a disco in acciaio inossidabile utilizza due elementi flessibili e un distanziale centrale per gestire il disallineamento angolare e parallelo. Il suo design compatto in un unico pezzo è adatto a brevi distanze di trasmissione in pompe, macchine utensili e sistemi di automazione. Visualizza il prodotto →

Per distanze maggiori tra le macchine, un giunto a membrana con un albero intermedio unisce due pacchi a membrana con un tubo leggero. Questa disposizione consente agli ingegneri di coprire grandi distanze, mantenere il sistema bilanciato e ridurre il peso complessivo rispetto a un albero solido monopezzo. È ampiamente utilizzato nei treni di pompe e motori, nelle torri di raffreddamento e nei gruppi elettrogeni.

Giunto a membrana JMIJ con albero intermedio per campate lunghe Questo accoppiamento unisce due pacchi a membrana con un albero intermedio leggero, consentendo la trasmissione della coppia su lunghe distanze riducendo il peso e mantenendo l'equilibrio. È ideale per treni motopompe, torri di raffreddamento e gruppi elettrogeni. Visualizza il prodotto →

Entrambi i modelli condividono lo stesso principio che non richiede manutenzione: il diaframma metallico si flette elasticamente, ritorna alla sua forma originale quando il carico viene rimosso e non necessita mai di lubrificazione. La scelta tra loro dipende dalla campata e dalla capacità di disallineamento richiesta.

Come selezionare un accoppiamento a membrana

Selezionare l'accoppiamento a membrana corretto è un processo semplice se si considerano i seguenti dati applicativi:

• Coppia nominale e fattore di servizio — calcolare la coppia trasmessa effettiva e applicare un fattore per carichi d'urto, frequenza di avviamento e velocità.
• Velocità operativa — verificare che la velocità massima dell'accoppiamento sia superiore alla velocità massima della macchina e controllare i margini di velocità critici per i treni ad alta velocità.
• Requisiti di disallineamento — definire gli spostamenti angolari, paralleli e assiali previsti dalla crescita termica, dall'assestamento delle fondazioni o dalle tolleranze di produzione.
• Dimensioni del foro e sedi per chiavetta — adattare il foro del giunto a entrambi i diametri dell'albero; i fori personalizzati sono comuni e devono essere specificati al momento dell'ordine.
• Busta spaziale — misurare la distanza tra le estremità dell'albero e lo spazio radiale disponibile.
• Ambiente — considerare i requisiti di temperatura, umidità, esposizione chimica e lavaggio. Per le aree corrosive è possibile specificare diaframmi e dispositivi di fissaggio in acciaio inossidabile.
• Qualità dell'equilibrio — per azionamenti ad alta velocità o di precisione, specificare un grado di equilibratura come G2.5 o G1 secondo ISO 21940.

Quando questi parametri sono noti, i team di ingegneri possono calcolare la dimensione del giunto utilizzando i valori di coppia e disallineamento del produttore. Poiché l'elemento flessibile non è una parte soggetta ad usura, lo stesso giunto può spesso essere riutilizzato in una nuova installazione, a condizione che gli adattatori del foro e la spaziatura siano verificati.

Dove vengono utilizzati i giunti a membrana

I giunti a membrana compaiono ovunque l'affidabilità e la pulizia siano importanti. Sono la scelta standard per compressori, pompe, generatori, turbine a gas e altre apparecchiature rotanti ad alta velocità. I settori chimico, petrolchimico, marittimo e della produzione di energia li utilizzano perché eliminano le perdite di petrolio e riducono la manutenzione in luoghi remoti o di difficile accesso. Nelle industrie pesanti come quella siderurgica e mineraria, i giunti a diaframma sono sempre più utilizzati su azionamenti che in precedenza si affidavano a giunti a ingranaggi, soprattutto dove i costi di fermo macchina sono elevati.

I produttori di giunti personalizzati servono questi settori industriali con unità forate e bilanciate, spesso costruite per adattarsi a un involucro esistente senza modificare i macchinari. Un accoppiamento a membrana ben realizzato può durare anni senza alcun intervento oltre all'ispezione visiva periodica.

Considerazioni sull'installazione e sulla manutenzione

La qualità dell'installazione ha un forte effetto sulla durata del giunto a membrana. L'elemento flessibile consente una certa quantità di disallineamento, ma non costituisce una licenza per un allineamento approssimativo. Segui sempre queste pratiche:

• Allineare gli alberi alla temperatura di esercizio ove possibile; la crescita termica modifica i valori di allineamento a freddo.
• Verificare la spaziatura assiale in modo che il pacco a membrana funzioni entro il campo di corsa assiale previsto.
• Stringere i bulloni del mozzo e dell'elemento flessibile alla coppia specificata dal produttore utilizzando una chiave dinamometrica calibrata.
• Controllare che i fori del gioco dei bulloni siano corretti; un giunto a membrana è sensibile al serraggio irregolare dei bulloni.
• Dopo l'installazione, ruotare lentamente il gruppo e misurare l'eccentricità sul diametro esterno delle flange.

La manutenzione periodica è limitata all'ispezione del diaframma per individuare eventuali crepe, corrosione e condizioni dei bulloni. Non è necessaria alcuna lubrificazione, motivo per cui molti utenti durante una revisione convertono qualsiasi fastidiosa trasmissione accoppiata a ingranaggi in un giunto a membrana.

Conclusione

I giunti a membrana offrono una combinazione unica di servizio senza lubrificazione, durata a fatica prevedibile e funzionamento pulito. Per le macchine ad alta velocità o coppia elevata in cui i tempi di fermo sono costosi, sono diventati l'alternativa preferita ai giunti a ingranaggi. Definendo la coppia, la velocità, il disallineamento e le dimensioni dell'albero, è possibile selezionare un'unità standard o un giunto a membrana personalizzato che funzionerà in modo affidabile per anni. Se si sostituisce un giunto usurato su un'unità critica, il semplice passaggio a un giunto a membrana esente da manutenzione spesso elimina la causa principale di guasti ripetuti.