Giunti nei sistemi di azionamento dei mulini per cemento: principi ingegneristici, applicazioni nel Regno Unito e guida alla selezione

I corpi e le boccole dei giunti per ingranaggi industriali sono forgiati in acciai legati al cromo-molibdeno a medio tenore di carbonio, come il 42CrMo4, trattati termicamente per raggiungere una resistenza alla trazione di 900-1.100 MPa. Ciò garantisce la tenacità necessaria per resistere agli urti di avviamento dei mulini per cemento senza frattura fragile, anche alle basse temperature ambientali tipiche dei locali macchine esterni nel nord dell'Inghilterra durante i mesi invernali. Il trattamento di tempra e rinvenimento, combinato con l'indurimento a induzione dei fianchi dei denti, offre una durata di vita misurata in decenni anziché in anni.

Per i denti degli ingranaggi nei giunti a ingranaggi, l'acciaio 20CrMnTi cementato con una profondità di cementazione di 0,8-1,6 mm e una durezza superficiale di HRC 58-64 offre la combinazione ottimale di resistenza all'usura superficiale e tenacità del nucleo. La tempra superficiale resiste all'azione abrasiva di qualsiasi contaminazione da polvere che penetri nell'ingranaggio, mentre il nucleo tenace assorbe le sollecitazioni da fatica flessionale derivanti dal disallineamento angolare. Questa scelta di materiale è standard nelle applicazioni di giunti più esigenti dell'industria del cemento a livello globale e garantisce i lunghi intervalli di servizio richiesti dai moderni operatori degli impianti di cemento del Regno Unito.

I giunti a molla a serpentina derivano la loro esclusiva flessibilità torsionale da elementi elastici a serpentina realizzati in acciaio per molle ad alto contenuto di silicio e manganese, tipicamente 60Si2Mn o gradi EN equivalenti. Il trattamento termico per raggiungere una durezza di HRC 42-48 è seguito da una pallinatura della superficie della molla per introdurre tensioni residue di compressione che prolungano notevolmente la durata a fatica sotto i carichi pulsanti del funzionamento del mulino a sfere. Queste molle sono profilate con precisione su centri di rettifica CNC per ottenere curve carico-deformazione uniformi su tutto il lotto di produzione, garantendo prestazioni omogenee all'interno di ogni gruppo di giunti.

Le flange di accoppiamento, gli anelli di protezione e i distanziali intermedi in posizioni di carico medio sono spesso realizzati in ghisa sferoidale EN-GJS-500-7 (ghisa duttile), che offre un'eccellente combinazione di formabilità per fusioni complesse, buona lavorabilità e sufficiente resistenza alla trazione di almeno 500 MPa. Laddove la riduzione del peso è importante, ad esempio negli elementi distanziali flottanti degli accoppiamenti a lunga campata che collegano riduttori di grandi dimensioni, le fusioni in ghisa duttile a parete sottile rappresentano un'alternativa economica all'acciaio forgiato, senza compromettere le prestazioni a fatica richieste dal funzionamento continuo degli impianti di macinazione del cemento.

Nel settore della produzione di cemento, i mulini per materie prime e i mulini di finitura rappresentano le principali attrezzature di macinazione. Queste macchine si presentano in tre configurazioni principali negli impianti di cemento del Regno Unito: il classico mulino a sfere, il mulino a rulli verticali (VRM) e la pressa a rulli (RP), e ognuna impone un carico distinto al proprio giunto di trasmissione. Il mulino a sfere, che rimane la tecnologia di macinazione dominante negli impianti di cemento dal Derbyshire alla contea di Durham, trae la potenza del suo motore principale attraverso un giunto-riduttore-catena a ingranaggi aperti. Le potenze nominali dei motori principali negli impianti moderni del Regno Unito variano da 1,5 MW negli impianti più piccoli a 7,5 MW nelle posizioni dei mulini di finitura più grandi. Il giunto deve gestire non solo questa coppia nominale continua, ma anche la coppia di picco notevolmente più elevata che si verifica ad ogni avvio del mulino.

La natura meccanica della coppia richiesta da un mulino a sfere è fondamentalmente diversa da quella di una pompa o di una ventola. Quando il mulino è caricato con clinker, gesso o calcare grezzo, la carica all'interno del tamburo crea un'elevata coppia di resistenza statica che deve essere superata all'avvio. La carica si sposta anche con l'accelerazione del mulino, generando un carico variabile nel tempo che eccita risonanze torsionali nella trasmissione. Gli ingegneri degli impianti di cemento del Regno Unito hanno imparato a proprie spese che i giunti installati senza un'adeguata analisi torsionale tendono a subire cedimenti per fatica a valori di coppia apparentemente conservativi, perché l'amplificazione dinamica dell'eccitazione risonante aumenta la sollecitazione di picco effettiva del giunto ben oltre il valore nominale calcolato.

L'accoppiamento tra il motore principale e il riduttore primario di un mulino a sfere per cemento è probabilmente l'accoppiamento più impegnativo dal punto di vista tecnico dell'intero settore di processo. Operando in una posizione in cui deve assorbire picchi di coppia da 4 a 8 volte superiori alla coppia nominale durante ogni avviamento del mulino, compensare le differenze di dilatazione termica tra le basi del motore e del riduttore e tollerare le vibrazioni torsionali indotte dalla carica rotante, questo accoppiamento deve essere specificato con estrema cura. Gli accoppiamenti a ingranaggi con profili dei denti bombati sono la soluzione più diffusa negli impianti di cemento del Regno Unito, con i principali produttori che specificano denti esterni bombati con un angolo di pressione compreso tra 14° e 20° e raggi di bombatura del profilo da 3.000 a 10.000 mm per compensare disallineamenti angolari fino a 1,5° per ogni ingranamento. Per gli impianti che operano nel cuore industriale dello Staffordshire, dove le fondamenta dei vecchi mulini potrebbero essersi assestate in modo irregolare nel corso dei decenni, questa capacità di adattamento angolare non è solo una riserva teorica, ma fa la differenza tra un giunto che dura dieci anni e uno che si rompe in due. I giunti a molla a serpente stanno guadagnando terreno in questa posizione negli impianti più piccoli del Regno Unito, dove la loro intrinseca morbidezza torsionale riduce i carichi dinamici sui cuscinetti del riduttore e prolunga gli intervalli di revisione del riduttore stesso.

I mulini a rulli verticali, sempre più utilizzati negli impianti del Regno Unito per la macinazione della farina cruda di cemento grazie al loro vantaggio energetico di 30-40% rispetto ai mulini a sfere, presentano una sfida ingegneristica completamente diversa per quanto riguarda gli accoppiamenti. La trasmissione del mulino a rulli verticali (VRM) prevede in genere il motore disposto verticalmente o orizzontalmente che aziona un riduttore epicicloidale o a ingranaggi conici-elicoidali, il quale trasmette la coppia direttamente al tavolo di macinazione tramite un albero di uscita verticale. In questa configurazione, l'accoppiamento tra motore e riduttore deve compensare la dilatazione termica del corpo motore sul piano verticale, fornendo al contempo un certo grado di ammortizzazione torsionale contro i carichi pulsanti generati dai rulli di macinazione. Gli accoppiamenti universali della serie SWC sono comunemente impiegati in questa applicazione nelle configurazioni con albero di trasmissione orizzontale, dove il disallineamento angolare tra i componenti motore e condotto può raggiungere i 5-10° a causa dei vincoli geometrici dell'installazione del VRM. In un moderno cementificio nelle East Midlands, dove i vincoli di spazio richiedono trasmissioni compatte, la capacità di compensazione angolare di un accoppiamento universale in posizione di ingresso del riduttore riduce significativamente i tempi di allineamento durante l'installazione e offre una finestra di tolleranza più ampia per future modifiche all'impianto. La capacità del tecnico addetto alla manutenzione di smontare e rimontare un giunto in loco, senza attrezzature di allineamento di precisione o supervisione specialistica, è un fattore che i team degli impianti nel Regno Unito specificano sempre più spesso come criterio di acquisto.

Le presse a rulli, utilizzate per la pre-macinazione o la macinazione semifinitura in alcuni dei cementifici di maggiore capacità del Regno Unito, generano intensi carichi d'urto quando grossi noduli di clinker passano tra i rulli controrotanti. Un frammento di clinker di 150 mm può causare un picco di coppia pari a 5-8 volte il valore nominale, della durata di soli 50-200 millisecondi; tuttavia, questo breve evento è sufficiente a provocare una deformazione plastica in un giunto sottodimensionato o una cricca da fatica in un dente di ingranaggio non adeguatamente cementato. La soluzione di accoppiamento per gli azionamenti delle presse a rulli nei cementifici del Regno Unito si è evoluta verso progetti con limitatore di coppia, tipicamente caratterizzati da elementi a perno di sicurezza che sacrificano un componente sostituibile in caso di sovraccarico, oppure da sistemi a disco di attrito che slittano a un livello di coppia preimpostato e si riagganciano automaticamente una volta rimosso l'ostacolo. Questi giunti di protezione da sovraccarico richiedono che il meccanismo interno di limitazione della coppia sia calibrato su un valore compreso tra 1,5 e 2,5 volte la coppia operativa nominale, al di sotto della soglia di coppia che potrebbe danneggiare gli alloggiamenti dei cuscinetti dei rulli o i componenti interni del riduttore, e al di sopra del picco massimo di coppia operativa per evitare scatti intempestivi durante legittime variazioni di carico. Anche gli ingegneri degli impianti di cemento del Regno Unito, che operano in conformità con le normative PUWER (Provision and Use of Work Equipment Regulations), considerano i giunti di limitazione della coppia un dispositivo di sicurezza fondamentale per impedire che sovraccarichi pericolosi raggiungano il personale operativo in prossimità della macchina.

Gli ingranaggi a corona raggiungono coppie nominali fino a 3.600 kNm in dimensioni compatte, risultando l'unica scelta pratica per le posizioni motore ad alta potenza dei grandi mulini a sfere per cemento. Il carico viene distribuito su tutta la larghezza del dente, garantendo livelli di sollecitazione ben al di sotto del limite di fatica del materiale, anche alle coppie di avviamento massime.

La compensazione del disallineamento angolare di 0,5°–1,5° per ogni ingranamento (giunti a doppio innesto) e l'offset parallelo fino a 3 mm alla velocità nominale compensano gli spostamenti dell'albero derivanti dalla dilatazione termica e dall'assestamento strutturale, senza imporre carichi correttivi che ridurrebbero la durata dei cuscinetti delle macchine collegate.

La caratteristica di elasticità progressiva dei giunti a molla a serpente sposta le frequenze di risonanza torsionale al di fuori degli intervalli di velocità di esercizio, riducendo drasticamente l'amplificazione dinamica delle armoniche di carico periodiche. Gli intervalli di revisione dei cuscinetti del riduttore sono stati estesi di 40% o più negli stabilimenti del Regno Unito in seguito alla conversione da giunti rigidi a giunti a molla a serpente in applicazioni ad alta inerzia.

Le guarnizioni a doppio labbro in nitrile o elastomero fluorocarbonico, abbinate a camere di ritenzione del grasso a labirinto, impediscono l'ingresso di polvere di cemento e trattengono il grasso per ingranaggi ad alta viscosità per tutto il ciclo di manutenzione. Le prestazioni di tenuta equivalenti a IP55 mantengono l'integrità del film lubrificante anche in presenza delle elevate concentrazioni di polvere riscontrabili alle estremità di scarico dei mulini negli impianti di cemento del Regno Unito.

La rilubrificazione annuale durante gli arresti programmati dell'impianto, la cadenza di manutenzione standard negli impianti di cemento del Regno Unito, è l'unico intervento di routine richiesto per i giunti a ingranaggi correttamente selezionati e installati. Gli elementi a molla a serpente richiedono solo un'ispezione periodica dell'usura della molla, con la sostituzione effettuabile in un singolo turno, riducendo al minimo la durata degli arresti programmati e mantenendo sotto controllo i costi della manodopera per la manutenzione.

I giunti di bilanciamento di precisione raggiungono velocità nominali comprese tra 1.000 e 3.000 giri/min sul lato motore degli azionamenti dei mulini per cemento senza generare ampiezze di vibrazione superiori ai limiti di vibrazione delle macchine previsti dalla norma ISO 10816. Questo requisito di qualità di bilanciamento è specificato di serie secondo il grado G6.3 o superiore, con la possibilità di utilizzare il grado G2.5 per velocità superiori a 1.500 giri/min su azionamenti con motori a 2 poli.

Il giunto a molla serpentina serie JSA utilizza un elemento a molla serpentina in acciaio 60Si2Mn con profilo di precisione per fornire una caratteristica di rigidità torsionale progressiva che riduce i carichi dinamici su riduttori e motori collegati nelle applicazioni per cementifici. Con una capacità da 0,1 a 355 kNm, la serie JSA è ideale per azionamenti ausiliari di mulini a sfere, azionamenti di forni e pulegge di testa di trasportatori negli impianti di cemento del Regno Unito. L'elemento a molla può essere sostituito in loco senza alterare l'allineamento dell'albero, riducendo al minimo i tempi di fermo per manutenzione programmata.

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Il giunto universale serie SWC garantisce la trasmissione di coppie elevate su spostamenti angolari fino a 45°, rappresentando la soluzione ideale per i collegamenti degli alberi di trasmissione dei VRM, gli alberi di trasmissione dei rulli di alimentazione dei forni e le pendenze dei nastri trasportatori delle presse a rulli, dove i vincoli geometrici impediscono l'allineamento albero-albero. Il design del giunto a croce con cuscinetti a rullini riduce al minimo l'attrito e la perdita di potenza, offrendo al contempo una durata paragonabile a quella dei giunti a ingranaggi in applicazioni a velocità moderata. I giunti SWC con una capacità nominale di 2.000 kNm sono disponibili con diametri del foro e profili della chiavetta personalizzati per adattarsi a qualsiasi specifica del riduttore degli impianti di cemento del Regno Unito.

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Ever Power gestisce un impianto di produzione di giunti all'avanguardia, dotato di centri di lavoro CNC di ultima generazione, rettificatrici di precisione per ingranaggi e linee automatizzate per il trattamento termico. Ogni giunto che esce dallo stabilimento di produzione di Ever Power è prodotto secondo le procedure di gestione della qualità ISO 9001:2015, con completa tracciabilità dei materiali, dalla billetta di acciaio grezzo all'assemblaggio finito e testato. Per gli operatori di cementifici del Regno Unito che acquistano giunti di ricambio o di aggiornamento, questa tracciabilità fornisce la documentazione richiesta dalle normative di garanzia della qualità BS EN ISO 9001 e supporta le aspettative dell'Health and Safety Executive del Regno Unito in materia di integrità meccanica documentata negli impianti di processo pesanti.

Il punto di forza del team di ingegneri di Ever Power risiede nella personalizzazione su misura. Quando un cementificio di Birmingham o un operatore di cava nel Peak District ha bisogno di un giunto che esula dai parametri standard del catalogo (un diametro del foro non standard, un profilo della chiavetta insolito per adattarsi a un riduttore preesistente, una dimensione di ingombro specifica per adattarsi a una protezione del giunto esistente o la necessità di uno schema di bulloni della flangia specifico), gli ingegneri applicativi di Ever Power collaborano direttamente con il team meccanico del cliente per sviluppare una soluzione che si adatti perfettamente senza richiedere modifiche ai macchinari collegati. I tempi di consegna per i giunti progettati su misura sono in genere di 4-8 settimane dall'approvazione del disegno alla consegna, con produzione accelerata disponibile per ordini di sostituzione urgenti in cui i costi di fermo impianto giustificano una programmazione prioritaria.

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"L'approccio del team di Ever Power è stato completamente diverso da qualsiasi altra esperienza avuta con altri fornitori di giunti. Non si sono limitati a inviarci un catalogo, ma sono venuti in loco, hanno preso tutte le misure e ci hanno fornito una relazione tecnica prima di formulare il preventivo. I giunti sono in funzione da 26 mesi senza il minimo problema. Il costo totale di proprietà è di gran lunga inferiore a quello che spendevamo per le frequenti sostituzioni."

"Abbiamo specificato un diametro del foro personalizzato e una geometria della sede della chiavetta insolita per adattarli all'albero di uscita del nostro riduttore esistente. Il team di ingegneri di Ever Power ha elaborato i disegni approvati in meno di una settimana e ha consegnato i giunti finiti entro le sei settimane previste. La precisione dimensionale è stata eccezionale: il foro era entro 0,01 mm dal valore target e il giunto si è inserito perfettamente al primo tentativo."

“Il giunto a molla serpentina installato sul nostro azionamento ausiliario del forno ha risolto completamente il problema di vibrazioni con cui convivevamo da tre anni. La morbidezza torsionale della serie JSA assorbe il carico pulsante dovuto all'oscillazione del guscio del forno senza trasmetterlo al riduttore. La temperatura dell'olio del riduttore è diminuita di 8 °C e il livello di vibrazioni di fondo sugli alloggiamenti dei cuscinetti del motore si è ridotto di oltre 50%.”