Le macchine perforatrici per gallerie rappresentano uno degli ambienti meccanici più impegnativi al mondo. Questi colossali sistemi ingegneristici azionano teste di taglio rotanti attraverso roccia, argilla, gesso e terreni misti, con portate costanti che distruggerebbero componenti della trasmissione meno performanti in poche ore. Al centro di ogni sistema di trasmissione di una TBM – che collega motori elettrici ad alta potenza a riduttori epicicloidali, e questi ultimi all'albero del cuscinetto principale e della testa di taglio – si trova un componente che la maggior parte degli ingegneri di progetto impiega settimane a selezionare: il giunto di trasmissione. Nel panorama delle costruzioni sotterranee del Regno Unito, dove progetti come il Thames Tideway Tunnel, le operazioni di scavo dell'HS2 e le continue espansioni della metropolitana urbana richiedono prestazioni meccaniche ininterrotte, il giunto di trasmissione non è una considerazione secondaria. È, letteralmente, l'elemento che mantiene la macchina in funzione. Comprendere come funzionano i giunti di trasmissione, quali materiali ne definiscono l'affidabilità e quali configurazioni si adattano ai profili di coppia estremi delle trasmissioni delle TBM è una conoscenza essenziale per gli ingegneri degli acquisti, i responsabili di progetto e i team di manutenzione che operano ovunque, dai progetti di ampliamento della metropolitana di Londra alle profonde miniere minerarie dello Yorkshire.
Principio di funzionamento: come un giunto a ingranaggi trasmette una coppia elevata
Un giunto a ingranaggi trasmette la coppia di rotazione e compensa il disallineamento dell'albero tramite l'ingranamento di una boccola esterna dentata internamente con un mozzo dentato esternamente. I denti esterni sono bombati, ovvero lavorati con un profilo convesso lungo la loro lunghezza anziché essere a taglio dritto. Questa geometria bombata intenzionale è la caratteristica ingegneristica distintiva del progetto. Quando gli alberi collegati sono perfettamente allineati, i denti bombati si ingranano uniformemente su tutta la loro larghezza. In presenza di disallineamento angolare, parallelo o assiale, come inevitabilmente accade nella trasmissione di una TBM sotto carico, i denti bombati oscillano e scorrono contro i denti della boccola interna, ridistribuendo la sollecitazione di contatto sulla superficie del dente anziché concentrarla su un bordo.
Questo meccanismo consente all'accoppiamento di compensare disallineamenti angolari tipicamente compresi tra 0,5° e 1,5° per ogni dentino di ingranaggio e disallineamenti paralleli fino a diversi millimetri, a seconda delle dimensioni dell'accoppiamento. Nelle applicazioni TBM, dove la dilatazione termica degli alloggiamenti del riduttore e la deflessione dinamica del cuscinetto principale sotto il carico della testa di taglio contribuiscono allo spostamento dell'albero, questa capacità di compensazione del disallineamento non è solo una questione di convenienza, ma è ciò che previene guasti catastrofici per contatto dente-dente nelle alternative a taglio dritto. L'accoppiamento a ingranaggi funziona senza elementi in gomma o elastomerici, il che significa che il suo percorso di trasmissione della coppia è interamente metallico, consentendogli di sopportare carichi d'urto, inversioni di marcia e cicli di lavoro ad alta coppia sostenuti, ben oltre quanto possono gestire gli accoppiamenti a disco o a ganasce flessibili. La lubrificazione è fornita da grasso contenuto all'interno del manicotto sigillato e l'interfaccia tra mozzo e manicotto è l'unico punto di usura dell'intero gruppo.
Materiali di base per la produzione
Il materiale standard del settore per i mozzi dei giunti a ingranaggi per impieghi gravosi. L'acciaio al cromo-molibdeno offre una resistenza alla trazione di 900-1.100 MPa dopo il trattamento di tempra e rinvenimento, conferendo ai denti esterni la combinazione di tenacità del nucleo e durezza superficiale necessaria per una trasmissione di coppia costante sotto carichi alternati.
Utilizzato laddove è richiesta la massima durezza superficiale dei denti degli ingranaggi senza sacrificare la duttilità del nucleo interno. La cementazione e la tempra superficiale producono una durezza superficiale dei denti di 58-62 HRC, mantenendo al contempo un nucleo tenace e resistente agli urti. Questo materiale è preferito per applicazioni TBM che prevedono frequenti cicli di avvio e arresto e carichi d'urto elevati durante l'ingaggio della testa di taglio con formazioni rocciose dure.
I corpi esterni delle boccole sono generalmente realizzati in acciaio al carbonio medio AISI 1045 o equivalente EN8, che offre una rigidità sufficiente a contenere l'ingranaggio interno pur rimanendo lavorabile con tolleranze ristrette per fori e sedi delle chiavette. Per ambienti sotterranei corrosivi, in particolare nelle zone di falde acquifere calcaree tipiche del sud-est dell'Inghilterra, la superficie esterna viene rivestita con una zincatura-nichel o una cromatura dura.
Gli anelli di tenuta in nylon 66 o poliuretano mantengono la ritenzione del grasso sotto forza centrifuga alle velocità di esercizio. Per l'interfaccia di accoppiamento degli ingranaggi è specificato un grasso al litio complesso EP (per pressioni estreme) classificato NLGI Grado 1 o 2, che fornisce una pellicola lubrificante sacrificale che impedisce il contatto metallo-metallo durante l'adattamento al disallineamento: un fattore che distingue un giunto con una durata di servizio di 50.000 ore da uno che si guasta in pochi mesi sottoterra.
Principali vantaggi tecnici degli accoppiamenti a ingranaggi
I giunti a ingranaggi raggiungono il più alto rapporto coppia/diametro di qualsiasi altro tipo di giunto flessibile. Un giunto a ingranaggi con foro da 250 mm può trasmettere regolarmente 200.000 N·m, un valore ineguagliato da giunti a disco, a ganasce o a pneumatico di dimensioni equivalenti. Questa densità è indispensabile negli alloggiamenti di azionamento delle TBM (Tunnel Boring Machine) dove i vincoli geometrici sono stringenti.
La geometria a denti bombati compensa simultaneamente la deviazione angolare (fino a 1,5°), lo spostamento parallelo (fino a 3-5 mm nelle dimensioni maggiori) e il gioco assiale. Negli ambienti di scavo di gallerie, dove l'assestamento differenziale, la dilatazione termica e i carichi di reazione della testa di taglio spostano gli assi degli alberi collegati, questa tolleranza multiassiale è la ragione principale per cui i giunti a ingranaggi dominano le trasmissioni delle TBM a livello globale.
A differenza dei giunti elastomerici, il giunto a ingranaggi non presenta elementi polimerici soggetti a fatica sotto carico ciclico e urtivo. Quando la testa di taglio di una TBM colpisce un'inclusione rocciosa dura e il sistema di trasmissione subisce picchi di coppia istantanei pari a due o tre volte il carico nominale, l'ingranaggio interamente in acciaio assorbe e trasmette il picco senza deformazioni permanenti, a condizione che il giunto sia dimensionato con opportuni fattori di servizio.
Con una corretta lubrificazione iniziale e un'adeguata ritenzione del grasso, gli accoppiamenti degli ingranaggi nelle applicazioni TBM funzionano di norma per 5.000-10.000 ore tra un intervento di manutenzione e l'altro. Nei contratti di scavo di gallerie sotterranee, dove l'accesso al sistema di azionamento per la manutenzione richiede l'arresto dell'intera operazione – un fermo che può costare decine di migliaia di sterline al giorno – questo lungo intervallo di manutenzione si traduce direttamente in un miglioramento dei tempi e dei costi del progetto.
Le teste di taglio delle TBM vengono occasionalmente invertite per liberare i dischi di taglio inceppati o per far uscire la macchina da condizioni del terreno problematiche. I giunti a ingranaggi trasmettono la coppia nominale in entrambe le direzioni di rotazione senza degrado: un requisito operativo che esclude completamente molte tecnologie di accoppiamento alternative dalla considerazione della trasmissione delle TBM.
Parametri tecnici e prestazionali del prodotto
| Parametro | Impiegati leggeri (Tipo A) | Uso medio (Tipo B) | Per impieghi gravosi (Tipo C) | TBM / Ultra-pesante (Tipo D) |
|---|---|---|---|---|
| Coppia nominale (N·m) | 1.000 – 5.000 | 5.000 – 30.000 | 30.000 – 100.000 | 100.000 – 250.000+ |
| Diametro del foro (mm) | 20 – 80 | 80 – 160 | 160 – 280 | 280 – 500+ |
| Velocità massima (RPM) | 3,500 | 2,500 | 1,200 | 300 – 600 |
| Disallineamento angolare | fino a 1,5° | fino a 1,5° | fino a 1,0° | fino a 0,8° |
| Offset parallelo (mm) | fino a 0,5 | fino a 1,5 | fino a 3.0 | fino a 5.0 |
| Materiale del mozzo | Acciaio al carbonio 45# | Acciaio legato 42CrMo4 | 42CrMo4 Q&T | Acciaio inox 20CrMnTi con trattamento di cementazione |
| Durezza della superficie del dente | 48–52 HRC | 52–56 HRC | 56–60 HRC | 58–62 HRC |
| Temperatura di servizio (°C) | da -30 a +100 | da -30 a +100 | da -20 a +120 | da -10 a +120 |
| Tipo di lubrificazione | Grasso (NLGI 2) | Grasso EP (NLGI 1) | Grasso EP (NLGI 1) | Nebbia di grasso o olio EP |
| Fattore di servizio (K) | 1,25 – 1,5 | 1,5 – 1,75 | 1,75 – 2,0 | 2.0 – 3.0 (TBM) |
Scenario applicativo: Sistemi di azionamento della testa di taglio per macchine perforatrici di gallerie
Le macchine perforatrici per gallerie sono il fiore all'occhiello dell'ingegneria civile moderna. Una tipica TBM a scudo a fanghi o a bilanciamento della pressione del terreno, progettata per lo scavo di gallerie urbane nel Regno Unito — come quelle utilizzate per la sezione Chiltern della linea ferroviaria ad alta velocità HS2 o per gli attraversamenti di sottoservizi nel centro di Manchester — genera coppie motrici sulla testa di taglio che vanno da 8.000 kN·m su una macchina di 6 metri di diametro fino a oltre 50.000 kN·m sulle macchine più grandi da 14 metri di diametro utilizzate in terreni soffici. Per sviluppare e trasmettere queste coppie, il sistema di azionamento principale impiega più motori elettrici montati in parallelo, ciascuno accoppiato a un singolo albero di ingresso di un riduttore epicicloidale tramite un giunto a ingranaggi. I riduttori sono quindi montati radialmente attorno al cuscinetto principale, con i loro alberi di uscita che azionano i pignoni che si innestano sulla corona dentata principale imbullonata alla parte posteriore del gruppo della testa di taglio.
In questo sistema di trasmissione, i giunti a ingranaggi sono presenti in due punti distinti. Tra l'albero di uscita di ciascun motore e il corrispondente albero di ingresso del riduttore, un giunto a ingranaggi compatto deve compensare le tolleranze di montaggio del motore, la dilatazione termica del telaio del motore rispetto all'alloggiamento del riduttore e il leggero movimento laterale del motore durante le fasi di accelerazione controllate dall'inverter. In questa posizione, il giunto deve gestire velocità di rotazione del motore che possono raggiungere i 1.450 giri/min o superiori, trasmettendo al contempo la coppia nominale completa, rendendo l'equilibrio preciso e la rettifica accurata del profilo dei denti requisiti di produzione fondamentali. La seconda applicazione si trova tra gli alberi di uscita del riduttore e i componenti principali della trasmissione dei cuscinetti, dove le velocità di rotazione degli alberi sono molto basse, spesso inferiori a 100 giri/min, ma i carichi di coppia sono enormi e il giunto deve gestire contemporaneamente la deviazione angolare causata dalla dilatazione termica differenziale dell'intera piastra di montaggio del riduttore sotto riscaldamento operativo prolungato.
Rispetto alle pratiche dell'Europa continentale, l'ambiente di scavo nel Regno Unito presenta ulteriori sfide in termini di selezione dei materiali. Gran parte del terreno sotto Londra e il sud-est è costituito da argilla londinese, un'argilla sovraconsolidata altamente plastica che genera una significativa variabilità della pressione sul fronte di scavo e fluttuazioni della coppia della testa di taglio quando la macchina attraversa inclusioni più rigide o variazioni dell'indice di plasticità. I progetti infrastrutturali di Birmingham incontrano frequentemente formazioni di argillite di Mercia e arenarie triassiche, che possono produrre elevati carichi di abrasione e improvvise inversioni di coppia quando la testa di taglio passa da strati duri a strati morbidi. La geologia dei giacimenti carboniferi profondi di Sheffield, rilevante per i lavori di drenaggio delle miniere e le gallerie di servizio esistenti, presenta sfide simili in termini di variabilità della competenza del terreno. In tutti questi contesti geologici del Regno Unito, la capacità del giunto di trasmissione di assorbire picchi di coppia da due a tre volte superiori al valore di regime, senza alcun elemento in gomma o elastomero che assorba e mascheri lo shock, è ciò che consente al sistema di controllo della trasmissione di rilevare e rispondere con precisione ai picchi di coppia che segnalano cambiamenti nelle condizioni del terreno.
Ulteriori scenari di applicazione industriale
Nelle centrali elettriche del Regno Unito, dagli impianti a turbina a gas ancora esistenti nello Yorkshire ai riduttori delle navicelle dei parchi eolici offshore, i giunti a ingranaggi collegano gli alberi di uscita delle turbine a vapore o a gas agli ingressi dei generatori. Queste applicazioni richiedono un'eccezionale qualità di bilanciamento (ISO G1.0 o superiore) e una trasmissione di coppia senza gioco, oltre alla capacità intrinseca del giunto di compensare la dilatazione termica differenziale tra l'involucro caldo della turbina e il telaio più freddo del generatore. Le coppie nominali di esercizio nelle grandi turbine industriali superano regolarmente i 500.000 N·m, dove i giunti a ingranaggi rappresentano l'unica tecnologia praticabile.
I produttori di acciaio di Sheffield e del circostante corridoio industriale del South Yorkshire continuano a gestire laminatoi e linee di colata continua in cui i giunti a ingranaggi azionano i rulli di lavoro con coppie da 50.000 a 400.000 N·m. La capacità del giunto di gestire i forti carichi d'urto dovuti all'ingresso delle billette nei rulli, combinata con il gioco assiale richiesto durante la regolazione idraulica dei rulli, rende i giunti a ingranaggi l'unica opzione praticabile per le applicazioni di laminazione continua a caldo. I design con manicotti a cambio rapido consentono di effettuare la sostituzione dei rulli entro le finestre di manutenzione senza compromettere gli accoppiamenti interferenti tra mozzo e albero.
Le attività minerarie nel Regno Unito, tra cui l'estrazione di inerti nelle cave del Lake District e dei Pennini, nonché l'estrazione di potassio nel North Yorkshire, si affidano a grandi giunti a ingranaggi nei sistemi di azionamento dei nastri trasportatori, che movimentano centinaia di tonnellate di materiale all'ora. Il design con lubrificazione a grasso sigillato del giunto garantisce prestazioni affidabili negli ambienti polverosi e umidi tipici delle cave britanniche, dove l'integrità della tenuta è più critica che negli ambienti industriali puliti. I requisiti di arresto controllato di emergenza impongono che questi giunti debbano sopportare coppie frenanti da due a tre volte superiori al normale carico di esercizio senza subire danni.
I cantieri navali e i centri di manutenzione di Glasgow, Newcastle e Southampton spesso richiedono giunti a ingranaggi per gli alberi intermedi del sistema di propulsione, tra i motori diesel o a turbina a gas principali e i riduttori. Le applicazioni marine impongono esigenze specifiche: l'allineamento degli alberi in uno scafo galleggiante varia in base alle condizioni di carico, allo stato del mare e ai gradienti termici, rendendo la capacità di adattamento al disallineamento del giunto a ingranaggi un prerequisito operativo piuttosto che una semplice preferenza di progettazione. I giunti per applicazioni marine sono generalmente forniti con una maggiore protezione dalla corrosione e conformi ai requisiti di certificazione Lloyd's Register o DNV-GL.
Prodotti in evidenza della nostra gamma di raccordi
Scopri la nostra linea di prodotti per giunti
La serie JSA utilizza un elemento a molla serpentina interposto tra due flange in acciaio, garantendo un eccellente assorbimento degli urti e smorzamento delle vibrazioni nei sistemi di azionamento in cui i picchi di carico dinamico superano significativamente la coppia a regime, risultando ideale per azionamenti di compressori, pompe e macchinari industriali leggeri dove l'avviamento graduale è una priorità.
La serie SWC è un giunto cardanico universale in grado di operare con deflessioni angolari fino a 35°, superando di gran lunga la capacità di disallineamento dei giunti a ingranaggi standard. Progettato per alberi intermedi di laminatoi, impianti di colata continua e sistemi di azionamento industriali pesanti, dove ampi angoli di intersezione tra albero motore e albero condotto sono una necessità geometrica.
Ever Power: Produzione di giunti di precisione e progettazione personalizzata
Azienda di fiducia per imprese di scavo di gallerie, operatori offshore e produttori di apparecchiature originali (OEM) dell'industria pesante nel Regno Unito, con sedi a Birmingham, Sheffield, Newcastle e dintorni.
Ogni giunto a ingranaggi prodotto da Ever Power è realizzato secondo le specifiche esatte dell'albero del cliente. Diametri del foro da 20 mm a 500 mm, qualsiasi profilo della chiavetta, accoppiamento con interferenza o gioco, con report dimensionale completo fornito di serie. Il nostro team di ingegneri collabora direttamente con i team di approvvigionamento del Regno Unito per confermare la selezione idonea allo scopo e fornire la tracciabilità certificata dei materiali.
I denti degli accoppiamenti a ingranaggi di Ever Power vengono prodotti su macchine fresatrici a controllo numerico (CNC) seguite da una rettifica del profilo per ottenere una precisione del dente pari o superiore al grado ISO 5. I profili dei denti bombati vengono generati mediante modifiche di precisione CNC anziché con i metodi di ravvivatura manuale utilizzati dai produttori di livello inferiore, garantendo prestazioni di disallineamento costanti su tutte le unità di un lotto di produzione.
Ever Power mantiene a magazzino, presso i punti di distribuzione regionali, giunti standard compatibili con gli standard del Regno Unito, con possibilità di spedizione aerea rapida per guasti urgenti alla trasmissione delle TBM. I tempi di consegna standard per i giunti personalizzati sono di 15-25 giorni lavorativi franco fabbrica, con servizi di produzione prioritari disponibili per applicazioni critiche per il progetto. Tutta la documentazione è fornita in inglese con marcature di unità standard del Regno Unito.
Tutti i giunti a ingranaggi Ever Power sono prodotti secondo i sistemi di gestione della qualità ISO 9001:2015. I certificati di prova dei materiali (EN 10204 3.1 o 3.2) sono disponibili su richiesta. L'equilibratura dinamica secondo ISO 1940 Grado G2.5 è standard per tutti i giunti che operano a velocità superiori a 1.000 giri/min. Ogni spedizione è accompagnata da rapporti di controllo dimensionale e certificati di durezza.
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Progetto di infrastrutture fognarie di Birmingham: superare i guasti alla trasmissione con giunti a ingranaggi personalizzati
Nel 2023, una delle principali imprese di scavo operanti nell'area metropolitana di Birmingham si è aggiudicata l'appalto per la realizzazione di una galleria fognaria di 4,2 chilometri sotto la periferia settentrionale della città. Il progetto ha utilizzato una TBM EPB da 3,8 metri, dotata di otto motori di azionamento individuali, ciascuno da 220 kW, accoppiati tramite riduttori epicicloidali alla corona dentata principale. Le specifiche iniziali dell'attrezzatura prevedevano un giunto a dischi di provenienza europea per ogni interfaccia motore-riduttore, una scelta dettata da ragioni di prezzo durante la fase di gara. Entro i primi 800 metri di scavo, quattro degli otto giunti hanno subito cedimenti per fatica dei dischi, attribuibili a una combinazione di pulsazioni di coppia del motore superiori al previsto, generate dai controllori VFD, e alla dilatazione termica dei telai dei motori nella cavità di azionamento sigillata, che ha superato la capacità angolare del giunto a dischi.
Il team di ingegneri dell'appaltatore ha contattato Ever Power per una soluzione di sostituzione d'emergenza. Gli ingegneri applicativi di Ever Power hanno esaminato le dimensioni dell'albero motore, banca Le specifiche di ingresso, la coppia nominale, la crescita termica prevista e le caratteristiche di ondulazione della coppia del variatore di frequenza sono state fornite entro 48 ore dalla richiesta. La specifica di sostituzione prevedeva un giunto a ingranaggi di tipo C in acciaio 42CrMo4 con denti cementati, con una coppia nominale continua di 35.000 N·m e un fattore di servizio Ks = 2,5, una capacità angolare di 1,0° e sigillato con grasso al litio complesso EP per la durata di funzionamento prevista di 8.000 ore. Otto unità sono state prodotte e spedite a Birmingham entro 18 giorni lavorativi. Dopo l'installazione e la rimessa in servizio, la TBM ha completato i restanti 3,4 chilometri di scavo senza un singolo arresto dovuto al giunto, consentendo all'appaltatore un risparmio stimato di 340.000 sterline in ulteriori ritardi e costi di sostituzione rispetto al proseguimento con la specifica originale.
Cosa dicono i nostri clienti nel Regno Unito
"Dopo che i guasti ai pacchi di dischi hanno quasi mandato a monte il nostro programma, il team di Ever Power ha sviluppato una soluzione perfettamente compatibile in meno di tre settimane. La geometria bombata dei denti gestisce la dilatazione termica nella nostra camera di trasmissione sigillata, cosa che i giunti originali semplicemente non erano in grado di fare. Abbiamo completato quattro successivi contratti con TBM utilizzando i giunti a ingranaggi Ever Power come specifica standard."
"Abbiamo scelto i giunti a ingranaggi per impieghi gravosi di Ever Power per l'ammodernamento dell'albero intermedio del laminatoio presso il nostro stabilimento di Sheffield. La certificazione di durezza, i report dimensionali e i certificati di prova dei materiali EN 10204 3.1 erano tutti in regola, il che è di fondamentale importanza per il nostro sistema di qualità. La precisione della geometria dei denti è stata verificata internamente e corrispondeva perfettamente alla documentazione fornita. I tempi di consegna sono stati migliori rispetto a qualsiasi altro fornitore contattato."
"Le unità di accoppiamento universale SWC che abbiamo ordinato per il rifacimento del nostro albero di trasmissione marino sono arrivate correttamente bilanciate e con tutta la documentazione DNV-GL necessaria per la presentazione alla società di classificazione. Il preventivo di Ever Power era competitivo, la comunicazione durante tutto l'ordine è stata chiara e la consegna al nostro stabilimento di Newcastle è avvenuta nei tempi previsti. Il rapporto di bilanciamento dinamico ha mostrato una qualità G1.6, superiore alle specifiche da noi richieste."
Domande frequenti
Pronti a progettare la soluzione di accoppiamento a ingranaggi ideale per le vostre esigenze?
Che si tratti di specificare un giunto di trasmissione per una TBM a Birmingham, di sostituire gli alberi di un laminatoio a Sheffield o di aver bisogno di unità certificate per uso nautico per un ammodernamento a Newcastle, il team di ingegneri di Ever Power ha la soluzione.
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