Il fenomeno dell'usura nei mescolatori planetari: uno studio sperimentale

Al fine di garantire il mantenimento delle prestazioni nel tempo, nonché la qualità del prodotto, è fondamentale tenere conto dell'usura degli organi di mescolazione, sia nella fase di progettazione della macchina sia nell'uso.
Inoltre, in un mercato sempre più orientato alla contrazione dei prezzi, diviene essenziale tenere sotto controllo i costi di produzione, sui quali incidono in misura non trascurabile le voci "manutenzione" e "parti di usura".
In questo scenario si colloca lo studio effettuato dal gruppo O.M.G. S.r.l. - Si.Co.Ma., azienda produttrice di mescolatori per calcestruzzo, in collaborazione con l'Università degli Studi di Perugia, riguardante la correlazione tra forma, posizione, velocità degli organi di mescolazione ("pale mescolatrici") e la relativa usura. Lo studio ha implicato una modellazione teorica, una fase di simulazione ed una fase sperimentale.

LO STUDIO
Lo studio ha richiesto la sinergia, da un lato, delle competenze scientifiche dell'Università di Perugia in materia di tribologia (la disciplina che studia i fenomeni di attrito, usura e lubrificazione) e le vaste ed approfondite esperienze applicative di O.M.G. dall'altro.
L'usura incide sia sulle prestazioni delle macchine, provocandone un graduale decadimento, sia sulla qualità del prodotto; per questo è necessario contrastare il fenomeno, al fine di contenere i costi di produzione.
In pratica, l'usura sulle pale di mescolazione ne provoca un progressivo cambiamento di forma, compromettendone l'efficacia, sia nella fase di mescolazione, sia nella fase di scarico. Una pala usurata genera minor turbolenza nella fase di mescolazione e sposta una minor quantità di materiale nella fase di scarico, incrementandone i tempi. In particolare, l'usura sul lato inferiore della pala provoca un distanziamento progressivo tra la pala ed il fondo, con la conseguenza che uno strato di materiale non viene scaricato dal mixer. Questo costringe l'utilizzatore ad un frequente aggiustamento della posizione delle pale verso il fondo.
L'usura delle pale, inoltre, è un fenomeno degenerativo; infatti, non appena, per effetto dell'usura, aumenta la distanza tra le pale e le pareti interne, aumenta la dimensione dei granuli di inerte che riescono a incunearsi tra pala e rivestimenti; si verifica quindi una macinazione degli stessi, con effetto di amplificazione esponenziale dell'usura. Questo fenomeno in linea teorica può peggiorare anche la qualità del prodotto, perché si verifica un'alterazione della curva granulometrica.
In base a queste premesse, esistono metodi scientifici di stima teorica dei costi relativi al fenomeno dell'usura [1]. Tuttavia nel seguito ci occuperemo di affrontare il problema prevalentemente da un punto di vista pratico.
L'idea alla base del lavoro condotto da O.M.G. - Si.Co.Ma. e dall'Università di Perugia è che, nonostante non sia possibile eliminare completamente il problema dell'usura, se ne possa contenere l'evoluzione nel tempo definendo i materiali, e, soprattutto, le forme geometriche, in funzione di un appropriato modello cinematico e di interazione del complesso pale + calcestruzzo.
Si parte dalla teoria di Reye [2-4], in base alla quale: "il lavoro compiuto dalle forze di attrito è proporzionale al volume asportato per usura".
La pala di mescolazione può essere modellata come una superficie tridimensionale costituita da punti, in ognuno dei quali in linea di principio agisce una forza di attrito diversa. Ne consegue che è possibile applicare a ciascuno di questi punti la teoria di Reye ed implementare un modello di usura della pala.
La messa a punto del modello implica: la conoscenza della traiettoria e della velocità nello spazio di ogni singolo punto della pala; la conoscenza delle forze di interazione tra la pala ed il calcestruzzo in funzione della posizione e della velocità relativa; il calcolo dei lavori delle suddette forze; la correlazione parametrica tra i lavori delle forze e i volumi di materiale asportato per usura, ovvero la determinazione dei coefficienti di proporzionalità da applicare alla legge di Reye [2-4].
Nel seguito dell'articolo, sarà illustrato dapprima il percorso che ha portato alla configurazione del modello sperimentale, successivamente saranno approfondite le relazioni fisico-matematiche che stanno alla base del modello e che, grazie ad una accurata analisi cinematica della pala, hanno permesso di ipotizzare una forma differente con maggior vita utile in termini di resistenza all'usura.