Giunti flessibili: tipologie, criteri di selezione e standard

Cosa sono i giunti flessibili e perché sono essenziali nella trasmissione di potenza?

Giunti flessibili sono dispositivi meccanici che collegano due alberi rotanti, in genere un motore (motore, motore o turbina) e una macchina condotta (pompa, compressore, cambio o generatore), compensando al contempo il disallineamento tra le linee centrali dell'albero, smorzando le vibrazioni torsionali e proteggendo le apparecchiature collegate dai carichi d'urto. A differenza dei giunti rigidi, che richiedono un allineamento dell'albero quasi perfetto e trasmettono tutte le forze dinamiche direttamente tra gli alberi, i giunti flessibili introducono un elemento cedevole (gomma, poliuretano, membrana metallica o fluido) che assorbe il disallineamento e attenua la trasmissione di carichi dinamici dannosi.

L'importanza meccanica dei giunti flessibili va ben oltre la loro funzione di semplici connettori. In qualsiasi sistema di macchinari rotanti, il disallineamento dell'albero, sia esso angolare, parallelo (disassato) o assiale, genera carichi sui cuscinetti, usura delle guarnizioni e vibrazioni che riducono la durata della macchina e aumentano i costi di manutenzione. Anche in installazioni accuratamente allineate, l'espansione termica durante il funzionamento e la deflessione dinamica sotto carico causano lo sviluppo di disallineamenti nel tempo. Studi condotti da organizzazioni che si occupano di affidabilità dei macchinari indicano che il disallineamento è responsabile di circa il 50% di tutti i guasti dei macchinari rotanti , rendendo la capacità di adattamento al disallineamento del giunto flessibile una delle proprietà commercialmente più significative nella trasmissione di potenza industriale.

Il mercato globale dei giunti flessibili è stato valutato a circa 3,2 miliardi di dollari nel 2023, al servizio delle industrie del petrolio e del gas e della produzione di energia attraverso la trasformazione alimentare, il trattamento delle acque e la propulsione marina. Selezionare il tipo di giunto corretto per una determinata applicazione, adattando la rigidità torsionale, la capacità di disallineamento, la velocità nominale e la compatibilità ambientale ai requisiti del sistema, è una decisione ingegneristica critica con implicazioni dirette sull'affidabilità del sistema, sugli intervalli di manutenzione e sul costo totale del ciclo di vita.

Tipi principali di giunti flessibili

I giunti flessibili sono classificati in base alla natura del loro elemento flessibile: il componente che fornisce adattamento al disallineamento e smorzamento delle vibrazioni. Ciascun tipo offre una combinazione distinta di capacità di coppia, tolleranza al disallineamento, rigidità torsionale e caratteristiche operative che lo rendono adatto a classi di applicazione specifiche.

Giunti a mascella (ragno).

I giunti a ganascia sono costituiti da due mozzi metallici con sporgenze delle ganasce ad incastro separate da un elemento a ragno elastomerico, tipicamente poliuretano o gomma, che trasmette la coppia attraverso la compressione dei suoi lobi tra le ganasce. Sono il tipo di giunto più utilizzato nelle applicazioni industriali generali, apprezzati per la loro semplicità, basso costo, facilità di sostituzione (la stella può essere sostituita senza spostare le macchine collegate) e per l'efficace smorzamento delle vibrazioni. I giunti a ganascia standard sopportano disallineamenti angolari fino a 1°, disallineamenti paralleli fino a 0,5 mm e disallineamenti assiali entro l'intervallo di compressione dello spider. La durezza dell'elemento spider (durometro Shore A) determina la rigidità torsionale e le caratteristiche di smorzamento del giunto — spider più morbidi (Shore 80A) garantiscono un maggiore isolamento dalle vibrazioni; gli spider più duri (Shore 98A o poliuretano) offrono una maggiore capacità di coppia e un avvolgimento ridotto a scapito di uno smorzamento ridotto.

Giunti a disco

I giunti a disco trasmettono la coppia attraverso una serie di sottili dischi metallici, tipicamente in acciaio inossidabile o Inconel, disposti in un pacco e imbullonati alternativamente alle flange motrici e condotte. La coppia viene trasmessa sotto forma di tensione e compressione del pacco dischi mentre il giunto ruota, mentre i dischi si flettono per adattarsi al disallineamento. I giunti a disco sono torsionalmente rigidi (senza avvolgimento o gioco), non richiedono lubrificazione e funzionano efficacemente da temperature criogeniche a oltre 300°C, rendendoli la specifica preferita per turbomacchine ad alta velocità, macchine utensili di precisione e applicazioni di servoazionamento. Sono in grado di sopportare disallineamenti angolari fino a 0,5° per pacco lamellare e disallineamenti paralleli attraverso l'uso di configurazioni di distanziatori a doppio pacco lamellare.

Giunti ad ingranaggi

I giunti a ingranaggi utilizzano mozzi dentati a dentatura esterna che ingranano con manicotti a dentatura interna per trasmettere la coppia, con la geometria del profilo del dente che consente il disallineamento sia angolare che parallelo attraverso il contatto scorrevole tra le superfici dei denti accoppiate. Offrono la densità di coppia più elevata di qualsiasi tipo di giunto flessibile (i giunti a ingranaggi possono trasmettere coppie superiori a 2.000.000 di Nm in configurazioni industriali di grandi dimensioni) e rappresentano la specifica standard per le industrie pesanti, tra cui acciaierie, attrezzature minerarie e azionamenti di pompe di grandi dimensioni. La necessità di lubrificazione periodica (grasso o olio) è l'onere di manutenzione principale dei giunti a ingranaggi e il mancato mantenimento di una lubrificazione adeguata è la causa più comune di guasto prematuro dei giunti a ingranaggi in servizio.

Giunti a membrana (diaframma).

Gli accoppiamenti a membrana utilizzano uno o più diaframmi metallici sottili, in genere un diaframma singolo contorto o un pacco a diaframma multiplo, per compensare il disallineamento attraverso la flessione del materiale del diaframma. Come i giunti a disco, sono torsionalmente rigidi, esenti da lubrificazione e in grado di funzionare ad alta velocità. I giunti a membrana sono particolarmente apprezzati nelle applicazioni con compressori e pompe dell'industria di processo, dove la combinazione di alta velocità, temperatura elevata e necessità di manutenzione zero in installazioni inaccessibili rende inappropriati i giunti metallici elastomerici e lubrificati. Respingono un disallineamento angolare maggiore rispetto ai giunti a disco (fino a 1° per elemento) pur mantenendo la rigidità torsionale.

Giunti per pneumatici (pneumatici).

I giunti per pneumatici utilizzano un elemento toroidale in gomma, a forma di ciambella o di sezione trasversale di pneumatico, imbullonato tra due mozzi flangiati. La forma dell'elemento in gomma gli consente di flettersi in tutte le direzioni contemporaneamente, fornendo un'eccezionale adattamento al disallineamento (disallineamento angolare fino a 4°, disallineamento parallelo fino a 3 mm nelle dimensioni grandi) e un eccezionale isolamento dalle vibrazioni. Sono preferiti in applicazioni soggette a forti carichi d'urto e ad elevato disallineamento, tra cui azionamenti di frantumatori, compressori alternativi e sistemi di propulsione marina in cui la flessibilità della fondazione causa un ampio disallineamento dinamico durante il funzionamento.

Giunti idraulici

I giunti idraulici trasmettono la coppia in modo idrocinetico attraverso un fluido di lavoro (tipicamente olio minerale) fatto circolare tra una girante (motrice) e un corridore (condotto) contenuto all'interno di un alloggiamento sigillato. Limitano intrinsecamente la coppia trasmessa all'avvio, proteggendo i motori dalle elevate correnti di spunto e le macchine azionate dai carichi d'urto durante l'avvio, e forniscono scorrimento tra gli alberi di ingresso e di uscita, assorbendo le differenze di velocità e le vibrazioni torsionali. I giunti del fluido a riempimento variabile, che regolano il volume del fluido di lavoro per controllare la velocità di uscita, vengono utilizzati per l'avvio graduale e il controllo della velocità di nastri trasportatori di grandi dimensioni, sistemi di ventilazione e applicazioni di pompe.

Parametri prestazionali e criteri di selezione

Processo di selezione ingegneristica: oltre la valutazione della coppia

La scelta di un giunto flessibile esclusivamente sulla base della coppia nominale (corrispondente alla coppia nominale del giunto con la coppia erogata sulla targhetta del conducente) è un approccio che spesso provoca un guasto prematuro del giunto o una protezione inadeguata del sistema. Un rigoroso processo di selezione tiene conto contemporaneamente del fattore di servizio, della dinamica del sistema torsionale, dei carichi di disallineamento, della velocità e delle condizioni ambientali.

Applicazione del fattore di servizio

Il fattore di servizio (SF) moltiplica la coppia nominale trasmessa per stabilire la coppia nominale del giunto richiesta, tenendo conto del carattere di carico dinamico dell'applicazione. AGMA e i produttori di giunti pubblicano tabelle dei fattori di servizio basate sulla combinazione del tipo di motore (motore elettrico, motore diesel o turbina) e del tipo di macchina azionata (pompa centrifuga, compressore alternativo o frantumatore). I fattori di servizio vanno da 1,0 per carichi regolari e uniformi con azionamenti di motori elettrici a 3,0 o superiore per carichi d'urto pesanti con motori alternativi multicilindrici — ciò significa che un'applicazione di coppia nominale di 100 Nm potrebbe richiedere un giunto valutato per 300 Nm quando i fattori di servizio sono applicati correttamente.

Analisi della frequenza naturale torsionale

Ogni treno di macchine rotanti ha frequenze torsionali naturali determinate dai momenti di inerzia di massa dei componenti rotanti e dalla rigidità torsionale degli alberi di collegamento e dei giunti. Se una frequenza naturale torsionale coincide con una frequenza di eccitazione compresa nell'intervallo di velocità operativa (dalla frequenza di passaggio polare del motore, dalla frequenza di ingranamento o dalla frequenza di accensione del motore alternativo) si verifica una risonanza, che genera ampiezze di vibrazione torsionale che possono affaticare rapidamente gli elementi di accoppiamento e gli alberi collegati. La rigidità torsionale del giunto è la variabile di progetto principale a disposizione dell'ingegnere per spostare le frequenze naturali torsionali lontano dalle eccitazioni operative. Per le applicazioni critiche, è necessario eseguire un'analisi torsionale utilizzando software come ANSYS o Rotor-Dynamics prima di finalizzare le specifiche del giunto e consultare il produttore del giunto sui valori di rigidità torsionale dei prodotti candidati.

Capacità di disallineamento rispetto al disallineamento residuo

Un malinteso comune è che la capacità di disallineamento di un giunto rappresenti il disallineamento dell'installazione target. In effetti, la capacità di disallineamento del giunto è il disallineamento massimo ammissibile in base al quale il giunto funzionerà senza guasti e il funzionamento continuo al massimo disallineamento genera carichi sui cuscinetti, calore e fatica degli elementi di giunto che riducono drasticamente la durata di servizio. La migliore pratica allinea i macchinari entro il 20-30% della capacità di disallineamento nominale del giunto al momento dell'installazione, lasciando un margine per la crescita del disallineamento operativo dovuto all'espansione termica e all'assestamento delle fondazioni.

Considerazioni sulla velocità e sulla velocità critica

Gli alberi distanziatori del giunto flessibile - l'albero intermedio che collega due pacchi di dischi o due elementi di ingranaggio in una configurazione di giunto distanziatore - hanno una velocità critica laterale che deve essere superiore alla velocità operativa massima con un margine di separazione adeguato (tipicamente minimo 20% secondo API 671). Per le applicazioni con turbomacchine ad alta velocità, i produttori di giunti eseguono calcoli della velocità critica laterale come parte del pacchetto di dati tecnici e certificano che il giunto fornito soddisfa i requisiti di margine di separazione specificati.

Standard specifici del settore e requisiti API

I giunti flessibili utilizzati nell'industria di processo, nella produzione di energia e nelle applicazioni marine sono soggetti a rigorosi standard di settore che definiscono requisiti di progettazione, materiale, test e documentazione oltre a quelli dei giunti industriali generali.

• API 671 (Giunti per scopi speciali per servizi dell'industria petrolifera, chimica e del gas): Lo standard principale per i giunti utilizzati nelle turbomacchine dell'industria di processo. Richiede un design con elementi metallici torsionalmente rigidi (disco o diaframma), bilanciamento G2.5 o migliore secondo ISO 1940-1, analisi della velocità critica laterale e documentazione completa sulla tracciabilità del materiale. I giunti API 671 devono essere in grado di trasmettere il 177% della coppia nominale senza guasti (equivalente a un fattore di servizio 1,77 integrato nello standard).
• AGMA 9000 e 9001: Standard dell'American Gear Manufacturers Association che riguardano la classificazione, la selezione e i requisiti di lubrificazione dei giunti flessibili. AGMA 9000 fornisce la struttura per accoppiare fattori di servizio ampiamente utilizzati nelle applicazioni industriali generali.
• ISO 14691: Standard internazionale per giunti flessibili per applicazioni industriali generali, che copre criteri di selezione, terminologia di disallineamento e test delle prestazioni, fornendo un quadro per il confronto e la selezione dei giunti al di fuori del contesto dell'industria di processo coperto dall'API 671.
• ATEX/IECEx: Per i giunti installati in atmosfere esplosive, la certificazione ATEX (UE) o IECEx verifica che il design e i materiali del giunto non creino fonti di accensione in condizioni di guasto normali o prevedibili. I giunti elastomerici richiedono elementi spider antistatici (resistività superficiale ≤10⁹ Ω) per prevenire scariche elettrostatiche in ambienti ATEX Zona 1 e Zona 2.

Manutenzione, analisi dei guasti e ottimizzazione della durata utile

I requisiti di manutenzione dei giunti flessibili variano in modo significativo in base al tipo, ma tutti i giunti beneficiano di un programma strutturato di ispezione e monitoraggio delle condizioni che identifica i problemi in via di sviluppo prima che causino tempi di fermo macchina non pianificati o danni secondari alla macchina.

Per i giunti elastomerici (tipi a ganascia, pneumatico e boccola), l'elemento di servizio principale è l'elemento flessibile. Gli elementi in gomma e poliuretano si degradano a causa della fatica, dell'attacco chimico dovuto alla contaminazione di olio e grasso e dell'invecchiamento termico. L'ispezione visiva a intervalli di manutenzione pianificati, alla ricerca di crepe, scheggiature, deformazione da compressione o deterioramento della superficie della crociera o dell'elemento del pneumatico, consente la sostituzione dell'elemento prima del guasto. Intervalli di sostituzione degli elementi elastomerici di 1–3 anni sono tipici nel servizio industriale continuo , sebbene la durata effettiva vari ampiamente a seconda della gravità delle condizioni operative e del grado di disallineamento del sistema.

Per i giunti con elementi metallici (disco e diaframma), l'ispezione periodica del pacco lamellare per individuare eventuali fessurazioni da fatica, vaiolature per corrosione e mantenimento della coppia di fissaggio è il requisito di manutenzione principale. L'ispezione del pacco dischi mediante test con liquidi penetranti a intervalli di revisione importanti è una pratica standard nelle applicazioni critiche delle turbomacchine. I guasti da fatica del disco in genere iniziano nei fori dei bulloni, il punto di massima concentrazione delle sollecitazioni, e si propagano radialmente, portando a un'improvvisa perdita di integrità del pacco dischi. La conseguenza del guasto del pacco lamellare nei macchinari ad alta velocità può includere danni catastrofici alle apparecchiature se il giunto guasto non viene contenuto, rendendo l'ispezione del pacco lamellare un'attività di manutenzione critica per la sicurezza.

Il monitoraggio online delle condizioni dei giunti flessibili attraverso l'analisi delle vibrazioni, monitorando i cambiamenti nelle ampiezze e nelle fasi delle vibrazioni della velocità di funzionamento 1× e 2× che caratterizzano il disallineamento, consente la valutazione continua delle condizioni del giunto e dell'allineamento senza arresto. Aumenti significativi dell'ampiezza delle vibrazioni 2× o cambiamenti nella relazione di fase tra macchine accoppiate spesso indicano lo sviluppo di un disallineamento o un degrado degli elementi di accoppiamento, fornendo un avviso anticipato che consente di pianificare e programmare la manutenzione anziché reattiva.