Tecnologia di taglio a getto d’acqua – Creazione di articoli da regalo con il taglio a getto d’acqua

del Dr. David A. Summers, Curators’ Professor presso Missouri University of Science & Technology

Blog settimanale sul taglio a getto d'acqua di KMT Waterjet Systems

Blog settimanale sul taglio a getto d’acqua di KMT Waterjet Systems

C’è un periodo, che può arrivare alla fine dell’inverno e all’inizio della primavera, in cui la domanda diminuisce e si crea tempo libero per progetti interni occasionali. Sebbene molti di noi ora conoscano e capiscano con quanta efficacia idrogetti e flussi abrasivi a getto d’acqua possano tagliare materiale, ciò non è ancora ampiamente noto al grande pubblico. Questa discrepanza temporale può contribuire a porre rimedio a tale problema.

La carenza di informazioni sulle capacità del getto d’acqua è stata certamente un dato di fatto per molti anni nel nostro campus e sembra sia ancora così nonostante siano passati anni da quando sono andato in pensione. Inoltre, nei convegni, ho sentito spesso la lamentela secondo cui il settore deve comunicare il messaggio in modo più chiaro a un pubblico più ampio. Nella maggiore parte dei casi, i potenziali utenti industriali non sanno quanto l’idrogetto in una delle sue forme possa essere utile a risolvere i loro problemi.

Ora ci sono molti modi per risolvere il problema, ma oggi voglio parlare di uno solo, quello che abbiamo usato noi. Doveva essere qualcosa che potesse essere utilizzato da coloro a cui l’abbiamo dato. Doveva essere piccolo, relativamente economico e veloce da fare e tuttavia dimostrare alcune delle funzionalità che volevamo evidenziare. La risposta è arrivata sotto forma di porta biglietti da visita.

Porta biglietti da visita – Figura di donna minatore del Missouri

Figura 1. Porta biglietti da visita – Figura di donna minatore del Missouri

Data la penuria delle casse dei laboratori universitari, il materiale doveva essere relativamente a buon mercato, quindi abbiamo usato fogli di polistirolo leggero. Questo ci ha permesso di tagliare le parti della figura utilizzando solo acqua (a circa 20.000 psi) e ha ridotto in modo significativo il costo. All’inizio della progettazione della figura femminile (la terza di una serie in cui abbiamo tagliato una forma diversa ogni anno) è stato fatto notare che la dimensione relativa del corpo era più importante con figure femminili, quindi sono stati utilizzati due diversi spessori di polistirolo. Per il corpo e i perni è stato utilizzato uno spessore da 12,7 mm, mentre per gambe e braccia è stato utilizzato un foglio da 6,35 mm.

Vista frontale di minatrice in polistirolo

Figura 2. Vista frontale della minatrice in polistirolo – che mostra i due spessori di materiale con taglio a getto d’acqua

L’esecuzione di un piccolo foro nella posizione dell’occhio ha permesso al modello di mostrare come sia possibile eseguire un taglio piccolo e preciso in materiale più spesso. I cinque pezzi che componevano il tutto erano tenuti insieme con due perni rettangolari che sono stati ricavati da materiale più spesso e inseriti in alloggiamenti eseguiti ad hoc nelle diverse parti.

Uno dei vantaggi generati dal taglio di queste forme (e sono state tagliate parti per circa 300 figure che sono state utilizzate praticamente tutte ogni anno) è rappresentato dal fatto che è stato possibile, tra l’altro abbastanza facilmente, incidere l’identificatore del campus su una gamba della figura. Senza occupare molto spazio, è stato inciso originariamente UMR, poi modificato in “S & T” quando il campus ha cambiato nome.

Modello successivo di porta biglietti da visita con l'ID del campus inciso nella gamba con taglio a getto d'acqua

Figura 3. Modello successivo di porta biglietti da visita on l’ID del campus inciso nella gamba tramite taglio a getto d’acqua

Per accelerare il taglio, abbiamo inciso le lettere solo in metà gamba, anche se si può notare che in questa versione successiva i perni di collegamento sono stati tagliati con una forma rotonda anziché rettangolare. In questo modo la figura poteva essere riposizionata a discrezione del proprietario, in base a ciò che voleva farne.

Fondamentalmente, però servivano come porta biglietti da visita e dopo averli distribuiti (e regalati ad alti funzionari del campus come porta biglietti da visita per cene di lavoro) è stato divertente vedere come andavano a ruba ed erano apprezzati.

Non siamo arrivati a queste figure in una sola fase. L’idea iniziale era quella di ritagliare qualcosa nella roccia, poiché l’intero reparto era noto come The Rock Mechanics and Explosives Research Center. Tuttavia, se si incide qualcosa nella roccia, in particolare la forma di una persona, questa deve essere più grande, data la scarsa resistenza della roccia.

Fumetto di minatore ritagliato in granito del Missouri con taglio a getto d'acqua

Figura 4. Fumetto di minatore ritagliato in granito del Missouri con taglio a getto d’acqua

Il costo è stato elevato, poiché i tagli dovevano essere realizzati con abrasivo, e la roccia doveva essere rifinita prima di essere tagliata. Il tentativo di eliminare sporgenze appuntite dopo il taglio ha causato diverse rotture, e in questo caso l’oggetto o è perfetto o è inutile.

Ci sono diverse buone idee che le singole società hanno e che sono utili per vendere il loro nome e i loro servizi, sotto forma di gadget in metallo che possono servire come cavatappi o per altri utilizzi. Ma noi non potevamo permetterci il costo di tagliare una grande quantità di pezzi con abrasivo, e nulla di ciò che abbiamo provato in metallo aveva la qualità dei piccoli minatori.

In questo caso, la mascotte del campus è il minatore del Missouri e il primo modello che abbiamo tagliato seguiva la forma di quella figura da cartone animato. In seguito sulla scia del fatto che molti dei nostri laureati andavano a lavorare nel campo dell’estrazione del carbone, che è anche il mio background, nella seconda e nella terza versione sulla testa della figura è stato messo un casco da minatore e, come ulteriore dimostrazione di capacità, è stato praticato un piccolo taglio circolare nel casco per infilarci un perno giallo a indicare la tipica torcia del minatore.

Quando ci è stato chiesto di preparare piccoli souvenir per un altro evento abbiamo usato il granito del Missouri, ma in base a quanto avevamo appreso, questa volta ci siamo procurati materiale già rifinito. Quindi, è stato sufficiente tagliate la forma dello stato nelle piastrelle e poi applicare un logo adesivo dell’Università sul pezzo; ecco pronto il dono per gli ospiti.

Souvenir che riproduce la forma dello stato ritagliato in granito con tecnologia di taglio a getto d'acqua

Figura 5. Souvenir che riproduce la forma dello stato ritagliato in piastrella di granito mediante tecnologia di taglio a getto d’acqua

Questi sono stati realizzati in una specifica occasione in cui lo sponsor era disposto a sostenere sia i costi di taglio che dei materiali, ma al fine di mantenere bassi i costi (dal momento che si trattava di regali) i pezzi dovevano essere di piccole dimensioni. Per questo particolare ciclo è stato difficile mantenere un inventario, poiché molto pezzi sono spariti durante la lavorazione (ci siamo resi conto, infatti, che con la realizzazione di pezzi “artistici” e la presenza di molte persone provvisorie coinvolte nel lavoro esiste questo rischio).

A tale proposito, consiglio di pianificare una quantità maggiore di pezzi di quella che si ritiene necessaria e, se possibile, predisporsi a realizzare ulteriori pezzi se necessario. In un post successivo parlerò di luoghi in cui è possibile ottenere assistenza artistica a un costo relativamente basso per ottenere idee come queste.

Tecnologia di taglio a getto d’acqua – Flessibili e tubi ad alta pressione

del Dr. David A. Summers, Curators’ Professor presso Missouri University of Science & Technology

Blog settimanale sul taglio a getto d'acqua di KMT Waterjet Systems

Blog settimanale sul taglio a getto d’acqua di KMT Waterjet Systems

Una delle prime decisioni da prendere nel collegare una pompa a getto d’acqua a un ugello è selezionare la dimensione della tubazione che porterà l’acqua dalla pompa all’ugello di taglio. Questa scelta è diventata leggermente più complicata quando sono arrivati sul mercato tubi ad altissima pressione, dal momento che possono essere utilizzati a pressioni che una volta potevano essere erogate solo con tubi ad alta pressione. Tuttavia, a pressioni più elevate, la flessibilità dei tubi flessibili si riduce – sia a causa di tale pressione sia a causa degli strati di protezione integrati nella struttura del tubo.

Molti impianti idraulici originali ai primordi della tecnologia utilizzavano tubi di acciaio con un diametro interno da 3/16 di pollice e un diametro esterno da 9/16 di pollice. Una ragione di ciò era che, con questo diametro, il tubo poteva essere facilmente piegato e curvato in forme a spirale. E ciò, a sua volta, ha consentito di assicurare una certa flessibilità in una struttura che altrimenti sarebbe stata piuttosto rigida.

Vecchio ugello di taglio con spirali nella linea di alimentazione del getto d'acqua ad alta pressione all'ugello

Figura 1. Vecchio ugello di taglio con serpentine nella linea di alimentazione del getto d’acqua ad alta pressione all’ugello

Quando gli ugelli di taglio sono stati inizialmente introdotti nel settore, sono stati fissati in sede dato il rigido collegamento alla pompa. Pertanto, il materiale di destinazione doveva essere alimentato sotto l’ugello poiché questo era più facile da spostare anziché aggiungere flessibilità alla linea di alimentazione dell’acqua.

Operazione di taglio a getto d'acqua ai primordi

Figura 2. Operazione di taglio a getto d’acqua in passato (per gentile concessione di KMT Waterjet Systems)

Tuttavia, poiché il materiale di alimentazione può variare in geometria, una certa flessibilità nel posizionamento dell’ugello di taglio sul tavolo da taglio potrebbe consentire al getto di fare di più anziché limitarsi a tagliare linee rette. Occorreva trovare un modo per consentire all’ugello di muoversi, e questo ha portato allo sviluppo di una serie di rotazioni a spirale da imprimere al tubo nel trasporto dell’acqua all’ugello (vedere Figura 1). Ciò ha prodotto, a sua volta, un leggero movimento dell’ugello. Con l’aggiunta di questa flessibilità all’ugello, si potrebbe realizzare un connubio significativo tra robotica e taglio a getto d’acqua.

La forza necessaria per tenere un ugello in una posizione fissa diventa abbastanza piccola con la riduzione della portata e l’aumento della pressione (a 40.0000 psi e a una portata di circa 4 litri al minuto la spinta è di circa 4 kg). I primi robot di assemblaggio utilizzati erano piuttosto inefficaci, e quando le loro braccia si allungavano, la quantità di spinta che potevano sostenere senza vacillare era limitata, ma criticamente più di 4,5 kg. E ciò ha dato un impulso iniziale all’aggiunta di teste di taglio a getto a robot industriali di tipo sia a piedistallo che mobili per consentire il rapido taglio di forme in un materiale di destinazione, come ad esempio il tappetino di un’auto, nel quale occorre rimuovere materiale per creare le aperture per vari pedali e aste.

Ma questo connubio tra il robot e il getto richiedeva che il tubo a supporto del getto fosse flessibile, in modo da poter permettere all’ugello di spostarsi sul bersaglio e posizionarsi per tagliare, ad esempio, i fori per i bulloni di fissaggio senza danneggiare il materiale interposto.

Il tubo doveva essere in grado di ruotare, di estendersi e di ritrarsi, all’interno di un intervallo ragionevole, in modo da poter svolgere le attività necessarie. Piegare il tubo in una serie di anelli ha prodotto tale flessibilità.

Una singola curva circolare intera nel tubo acquisirà una flessibilità sufficiente affinché l’estremità del tubo (e quindi l’ugello) possa essere spostata su un arco di circa 9 gradi.

Spirali su un robot a piedistallo

Figura 3. Spirali su un robot a piedistallo, che consentono il posizionamento tridimensionale dell’ugello di taglio

Sono state necessarie numerose spirali poiché il tubo presentava una flessibilità molto limitata in ogni curva. Ad esempio, se si volesse allungare il collegamento abbassando l’ugello, le diverse spirali si comporterebbero come l’acciaio di una molla quando viene estesa. Il movimento può forse essere illustrato con la seguente rappresentazione di una serie di spirali, con dimensioni metriche.

Schema di una serie di spirali

Figura 4. Schema di una serie di spirali disposte in modo da consentire all’ugello di alimentare lateralmente

Ogni spirale consentirà anche una leggera regolazione angolare, e ciò aumenta mano a mano che più spirali vengono aggiunte al passaggio.

Movimento angolare consentito per ciascuna spirale

Figura 5. Movimento angolare consentito per ciascuna spirale. Questo non deve superare i 9 gradi per ciascuna curva.

Mentre in molti assemblaggi moderni, potrebbe sembrare che questo sia un modo originale di risolvere il problema, nei primi tempi in cui questi sistemi sono stati realizzati, era molto difficile trovare snodi ad alta pressione in grado di funzionare a pressione per un certo periodo di tempo. All’epoca, potevamo disporre di una sola risorsa che offriva uno snodo in grado di funzionare per molte ore, a condizione che fossero rimosse dallo snodo stesso tutte le forze esterne. Infatti, questo subiva danni irreparabili nel momento in cui veniva colpito da una forza fuori allineamento. In un’altra applicazione, avevamo testato ogni snodo che potesse essere inserito in un foro di circa 15 cm di diametro e ne avevamo trovato uno in grado di funzionare per dieci minuti. Per completare la nostra dimostrazione sul campo, dove dovevamo eseguire una perforazione di circa 15 metri in orizzontale da un pozzo di accesso verticale, abbiamo dovuto versare continuamente acqua sul giunto per raffreddarlo, e il costruttore stava nei pressi con una tasca piena di rondelle da sostituire non appena una avesse dato segni di cedimento.

Ma tutto ciò risale a più di trent’anni fa. Ora i collegamenti dalla pompa all’ugello possono fluire attraverso un flessibile ad altissima pressione con una flessibilità prima inimmaginabile. E gli snodi ad altissima pressione hanno una durata ben superiore a un centinaio di ore ciascuno, senza manifestare alcuna riduzione nelle prestazioni. La transizione, tuttavia, è stata graduale.

Alimentazione ad altissima pressione a un ugello, utilizzando spirali e snodi

Figura 6. Alimentazione ad altissima pressione a un ugello, con spirali e snodi

Ci sono un paio di precauzioni aggiuntive da tenere presenti quando si esegue la posa in opera di queste linee. Sebbene un tubo flessibile presenti una maggiore flessibilità, esso tende a pulsare e a muoversi leggermente su una superficie di appoggio in conseguenza delle sollecitazioni di una pompa in funzione. Nella maggior parte dei siti questo non è un problema, ma se il tubo flessibile è piegato e confinato in uno spazio limitato potrebbe sfregare contro una superficie vicina. A lungo andare, ciò può generare calore e usurare i vari strati del tubo flessibile.

Tubo flessibile usurato e segno causato dallo sfregamento contro una superficie

Figura 7. Tubo flessibile usurato e segno lasciato dallo sfregamento contro una superficie.

Ci sono altri problemi con i tubi flessibili: linee ad alta pressione più piccole possono attorcigliarsi durante l’utilizzo in operazioni di pulizia e ciò è molto GRAVE quando accade. Parlerò di questo in un articolo futuro. Analogamente, occorre considerare il peso del tubo flessibile, in particolare nelle operazioni manuali, nelle quali è importante tenere conto della manipolazione del tubo nell’ambito della procedura, ma anche questo sarà discusso più avanti.

Tecnologia di taglio a getto d’acqua – Perdite nella linea ad alta pressione

del Dr. David A. Summers, Curators’ Professor presso Missouri University of Science & Technology

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Le pompe a getto d’acqua ad alta pressione sono generalmente piuttosto efficienti nel portare l’acqua alla pressione necessaria per una determinata attività. Eppure, di volta in volta, il getto che raggiunge il bersaglio non è più in grado di raggiungere l’obiettivo promesso al momento della progettazione del sistema. Molto spesso questa diminuzione delle prestazioni può essere ricondotta al modo in cui l’acqua passa attraverso il sistema di mandata ed esce dall’ugello che forma il getto.

I flussi d’acqua che vengono utilizzati in una vasta gamma di operazioni sono piuttosto bassi. In operazioni di taglio e pulizia ad alta pressione, vengono utilizzate principalmente portate non superiore a 40 litri al minuto (10 galloni al minuto, gpm). Inoltre, in alcuni casi di operazioni manuali si utilizzano portate molto al di sopra degli 80 litri al minuto (20 gpm), a causa dei livelli di spinta coinvolti. E in presenza di portate basse significa che c’è poca perdita di pressione tra la pompa e l’ugello, giusto? Um! Non esattamente.

Le perdite di pressione dovute alla presenza di attrito nelle linee di alimentazione (tubi o flessibili) dalla pompa all’ugello possono determinare una differenza significativa nel funzionamento del sistema, come ho detto in uno dei primi post di questa serie. In quel post ho fatto notare che un gruppo di ricerca noto (non noi) ha fatto funzionare per due settimane un sistema con una pressione dell’acqua di 45.000 psi in ingresso in una linea di alimentazione, ma con solo circa 10.000 psi utilmente disponibili quando il flusso raggiungeva il fondo (io stesso confesserò liberamente più avanti in questo articolo di aver commesso un errore simile). Quindi, viene spontaneamente da chiedersi come si possono evitare queste perdite.

In una sola parola: diametro! Più piccolo è il diametro della linea di alimentazione in cui l’acqua deve scorrere, maggiore è la pressione necessaria per guidare l’acqua attraverso quella linea, indipendentemente dalla dimensione dell’ugello sul lato della mandata. Il diametro in questione è, inoltre, il diametro interno del flessibile o del tubo, non il diametro esterno (anche se la combinazione è importante per assicurare che la linea possa contenere la pressione dell’acqua trasportata nella linea).

Elementi di cui tenere conto sono la condizione della linea, i raccordi che collegano le diverse parti insieme e altri fattori che tratterò nei post successivi a questo, ma questo si occuperà solo della riduzione di pressione che si verifica lungo un tubo a diverse portate. Ci sono formule che si possono utilizzare, ma una stima ragionevole della perdita può essere ottenuta o con le tabelle di progettazione che la maggior parte dei produttori forniscono con il loro prodotto o attraverso un semplice nomogramma che aggiungerò alla fine di questo articolo.

Per cominciare, considerare le equazioni di base che regolano la riduzione di pressione:

Equazione della relazione tra riduzione di pressione e portata/diametro del tubo

Figura 1. L’equazione della relazione tra riduzione di pressione e portata/diametro del tubo

Si noti che nell’equazione di cui sopra, la riduzione di pressione è collegata alla quinta potenza del diametro del tubo – tale è la potenza che avrà sulla riduzione di pressione nella linea un cambiamento anche minimo del diametro del canale del flusso.

Quando inizia il flusso attraverso un canale, questo avrà inizialmente un andamento laminare, in altre parole l’acqua si muove a strati. A tale riguardo, sono disponibili qui un video interessante e un video di uno dei modelli utilizzati, ad esempio, per creare i getti “solidi” che si possono vedere zampillare intorno alle siepi di un qualsiasi parco divertimenti.

Differenza tra flusso laminare e turbolento

Figura 2. Differenza tra flusso laminare e turbolento

Con l’aumentare della velocità dell’acqua, tuttavia, il flusso si trasformerà da flusso laminare in flusso turbolento, in cui la rugosità della parete del canale di flusso diventa più importante. La rugosità, il fattore di attrito risultante e la portata si combinano per permettere il calcolo della pressione necessaria per vincere l’attrito nel tubo. Ciò vale sia nel caso in cui il flusso è alla portata di quattro o otto litri al minuto (uno o due gpm) utilizzata nel taglio ad alta pressione, o alle portate elevate con una pressione relativamente bassa utilizzate per contrastare gli incendi.

Ma (eccetto noi accademici) pochi in realtà calcolano i numeri. Non c’è davvero bisogno, dal momento che la maggior parte dei produttori forniscono le informazioni nei rispettivi cataloghi. Ci sono due modi di presentare le informazioni. Secondo la prassi convenzionale, si forniva un grafico raffigurante la riduzione di pressione, in funzione del diametro interno del tubo, per una data lunghezza del tubo.

Riduzione di pressione lungo un tubo, in funzione della portata e del diametro interno del tubo

Figura 3. Riduzione di pressione lungo un tubo, in funzione della portata e del diametro interno del tubo. Si noti che le scale sono logaritmiche.

Grafici come questo sono un po’ difficili da leggere, e su un grafico logaritmico piccoli errori nella lettura del valore possono generare stime notevolmente errate; quindi, è spesso più utile un metodo più esteso. Quello che preferisco utilizzare è un nomogramma, in cui è possibile fare confronti tra diverse opzioni su una singola figura con una scala leggermente espansa.

Considerare, ad esempio, questo nomogramma del Parker Catalog che mostra il rapporto tra il volume che attraversa una linea, il diametro interno attraverso il quale scorre e la risultante velocità del flusso.

Nomogramma per determinare il migliore diametro del tubo, in base alla velocità del flusso consentita

Figura 4. Un nomogramma per determinare il migliore diametro del tubo, in base alla velocità del flusso consentita. (Parker)

Mentre questo non rappresenta generalmente un problema nelle linee di alimentazione agli ugelli (a causa degli elevati livelli di filtrazione dell’acqua), in linee che trasportano acque reflue e detriti la velocità può destare preoccupazione, e anche in sistemi di eliminazione di liquami abrasivi, dove portate superiori a 12 m/sec possono portare a erosione della linea.

Il nomogramma più utile, invece, è quello che ho adattato dallo U.S. Bureau of Mines (un’agenzia governativa ora, purtroppo, defunta).

Nomogramma per calcolare la perdita di pressione lungo un tubo di 3 metri di lunghezza

Figura 5. Nomogramma per calcolare la perdita di pressione lungo un tubo di 6 m di lunghezza

Conoscendo la portata della linea e fissando un bordo diritto (di solito un righello) per contrassegnare il livello, il righello viene poi posizionato in modo che attraversi anche il diametro interno del tubo. Nell’esempio in alto, il righello è allineato alla linea mostrata, che va da circa 80 litri al minuto a 0,1875 pollici di diametro del tubo (3/16 di pollice). Il punto in corrispondenza del quale la linea attraversa la riduzione di pressione fornisce la perdita di attrito nella linea. In tal caso, la lettura è di 3.600 psi per ogni 3 metri di tubo.

L’esempio è stato preso da un esperimento sul campo dove si stavano eseguendo delle perforazioni nel lato di un pilastro di roccia. Non abbiamo avuto problemi a perforare 3 metri, ma quando abbiamo aggiunto un secondo tratto di tubo da 3 metri per eseguire perforazioni di circa 6 metri di profondità, il trapano non ha funzionato. Solo nel tardo pomeriggio ci siamo resi conto che con l’aggiunta del secondo tratto di tubo la pressione di taglio in uscita dall’ugello si era ridotta, quindi mentre la pressione sul manometro era di 10.000 psi, la pressione del getto iniziale era stata solo di 6.400 psi e quando è stato aggiunto il secondo tratto di tubo, la pressione è scesa a 2.800 psi. Questo valore era inferiore alla pressione alla quale era possibile tagliare efficacemente la roccia. E abbiamo imparato.

Pompe ad alta pressione per taglio a getto d’acqua – Pulsazioni della pompa

del Dr. David A. Summers, Curators’ Professor presso Missouri University of Science & Technology

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Le pompe ad alta pressione generalmente attingono acqua in una cavità cilindrica e la espellono tramite un pistone a moto alternato. Esistono diversi modi in cui il pistone può essere azionato. Può essere collegato in modalità eccentrica a un albero rotante, in modo che, quando l’albero ruota, il pistone viene spinto dentro e fuori. I pistoni possono essere mossi dalla rotazione di un piano inclinato, in modo che, quando il piano ruota, i pistoni vengono spinti.

Componenti base di una pompa con piano oscillante

Figura 1. Componenti base di una pompa con piano oscillante (Sugino et al, 9th International Waterjet Symposium, Sendai, Sendai, Giappone, 1988)

E, più comunemente a pressioni maggiori, il pistone può essere di una doppia dimensione, in modo che, se un fluido a pressione minore su un lato del pistone spinge in avanti, un fluido a pressione maggiore sull’estremità più piccola del pistone viene spinto nel collettore di uscita, e fuori dalla pompa. Quest’ultimo modello di pompa è diventato comunemente noto come pompa con intensificatore. La base semplificata per il suo funzionamento può essere visualizzata utilizzando il disegno lineare utilizzato in precedenza.

Schema semplificato che illustra il funzionamento di un intensificatore

Figura 2. Schema semplificato che mostra il funzionamento di una pompa con intensificatore

Quando l’intensificatore viene costruito, la bellezza semplificata della sua costruzione è più evidente.

 

Sezione parziale dell'intensificatore da 90.000 psi che mostra i componenti e l'estremità piccola del pistone a moto alternato

Figura 3. Sezione parziale dell’intensificatore da 90.000 psi che mostra i componenti e l’estremità piccola del pistone a moto alternato (per gentile concessione di KMT Waterjet Systems)

Tuttavia, ciò di cui vorrei parlare oggi riguarda quello che accade quando i pistoni in questi cilindri raggiungono la fine della loro corsa, ed è un po’ più facile usare un intensificatore come punto di partenza per questa discussione, sebbene (come dimostrerò) si riferisca anche ad altri modelli di pompe ad alta pressione che pure utilizzano pistoni.

Considerare l’eventualità che ci sia un solo lato del pistone, anziché la produzione di alta pressione in entrambe le direzioni. Questo modello è noto come intensificatore ad azione singola, e potrebbe, in modo schematico, essere simile a quello raffigurato in basso:

Schema semplificato di un intensificatore ad azione singola

Figura 4. Schema semplificato di un intensificatore ad azione singola

Quando il pistone inizia a muoversi dal lato destro del cilindro verso quello sinistro, azionato dalla pressione sul lato grande del pistone, esso sposta acqua dal cilindro di diametro più piccolo sulla sinistra. Si supponga che il rapporto di area sia di 20:1 e che il fluido a bassa pressione entri a 5.000 psi, semplicisticamente, il fluido nella camera della pompa ad alta pressione sarà scaricato a 100.000 psi. Ma non immediatamente!

La valvola di scarico è stata impostata in modo che non si apra finché il liquido ha raggiunto la pressione di scarico necessaria, e ciò richiederà un piccolo movimento iniziale del pistone (forse all’incirca del 12%) per comprimere l’acqua e portarla a quella pressione prima che la valvola si apra. E, con un solo pistone intensificatore, quando il pistone si sposta completamente a sinistra e il lato ad alta pressione viene svuotato dall’acqua, non ci sarà più flusso da quel cilindro, fino a quando il pistone viene riportato fino in fondo al cilindro, e il processo è pronto per ricominciare.

Parte del problema rappresentato dal flusso continuo è superato quando l’intensificatore ad azione singola diventa ad azione doppia, perché alla fine della corsa a sinistra, il liquido entra nella camera a destra, e quando il pistone inizia la corsa di ritorno il cilindro a destra scarica il fluido ad alta pressione. Ma anche in questo caso non immediatamente!

Un modo per superare questo problema è di utilizzare due pistoni ad azione singola, ma ad azionamento temporizzato (in fasi) in modo che il secondo pistone inizi a muoversi appena prima che il primo pistone raggiunga la fine della sua corsa. Ciò elimina i tempi morti durante il cambio di direzione. Le due modalità possono essere messe a confronto:

Differenza di pulsazione tra una serie di intensificatori ad azione singola in fase e una unità ad azione doppia

Figura 5. Differenza di pulsazione tra una serie di intensificatori ad azione singola in fase e una unità ad azione doppia. (Singh et al 11th International Waterjet Conference, 1992)

Nelle operazioni di taglio, ridurre la pulsazione dal getto è spesso importante nel ridurre al minimo le variazioni nella qualità del taglio e quindi, per smorzare le pulsazioni con un sistema ad azione doppia, si adotta un approccio diverso e nella linea di mandata viene inserito un piccolo accumulatore, in modo che il fluido in quel volume possa aiutare a mantenere la pressione durante il periodo di transizione.

Effetto del volume dell'accumulatore sulle variazioni di pressione

Figura 6. Effetto del volume dell’accumulatore sulle variazioni di pressione (Chalmers 7th American Waterjet Conference, Seattle 1993)

Si può di nuovo utilizzare uno schema semplificato per mostrare dove può essere collocato un accumulatore.

Posizione dell'accumulatore nella linea dell'intensificatore per taglio a getto d'acqua

Figura 7. Posizione dell’accumulatore nella linea dell’intensificatore per taglio a getto d’acqua

D’altra parte, in particolari applicazioni di pulizia con acqua e senza abrasivi, ci sono casi (di cui parlerò più avanti) in cui una pulsazione potrebbe migliorare il funzionamento del sistema. Una pompa a tre pistoni, senza un accumulatore, sarà soggetta a una variazione della pressione di uscita con una riduzione istantanea fino al 12% al di sotto della media e a un aumento del 6% superiore alla media durante un ciclo. Un modo per ovviare a ciò è di aumentare il numero di pistoni che vengono azionati nella pompa.

Quando si passa, ad esempio, da tre pistoni a cinque pistoni, la variazione della pressione di uscita è notevolmente inferiore.

Effetto del cambiamento del numero di pistoni della pompa sulla variazione della pressione di mandata

Figura 8. Effetto del cambiamento del numero di pistoni della pompa sulla variazione della pressione di mandata. (De Santis 3rd American Waterjet Conference, Pittsburgh, 1985)

Parte del motivo per cui impulsi d’acqua più stabili, determinati dalla corsa più lenta dell’intensificatore, possono essere utili è che l’acqua è un getto che fuoriesce dall’ugello a una velocità che è controllato dalla pressione di azionamento. Una forte variazione di pressione significa che vi è un cambiamento nella velocità del flusso d’acqua lungo il getto. Ciò significa che le sezioni più lente del getto vengono, a maggiori distanze di stallo, raggiunte dalle successive sezioni più veloci del getto. Questo rende il getto più instabile. Ciò può, tuttavia, essere un vantaggio, in alcuni casi, e se ne parlerà in un secondo momento, quando sarà stata stabilita una base migliore per spiegare quali sono gli effetti.