Servotecnica Slip Ring Spotlights: progettare collettori rotanti per ambienti gravosi con Alessandro Bazzi

Benvenuti a un nuovo episodio di Servotecnica Slip Ring Spotlights. In questa edizione parliamo con Alessandro Bazzi, Responsabile Ricerca e Sviluppo in Servotecnica, per capire cosa significhi davvero progettare un collettore rotante capace di sopravvivere e funzionare in modo affidabile quando l’ambiente operativo diventa una delle principali sfide tecniche.

D: Alessandro, grazie per il tempo che ci dedichi. Puoi iniziare raccontandoci qualcosa del tuo percorso e di cosa fai in Servotecnica?

Certo. Il mio interesse non riguarda solo ciò che un collettore rotante può fare in un ambiente di prova, ma come si comporta realmente quando è installato all’interno di una macchina che lavora in continuo, in condizioni impegnative e in luoghi in cui l’accesso per la manutenzione è difficile o impossibile.

Nel corso degli anni ho compreso che l’ambiente operativo è spesso la variabile che più condiziona la risposta ingegneristica. Un collettore rotante può funzionare perfettamente al banco prova e poi evidenziare problemi non appena viene inserito in un sistema con temperature estreme, lavaggi aggressivi o vibrazioni persistenti. Il mio ruolo è assicurare che questo divario non esista e che ciò che progettiamo per i clienti sia realmente adeguato alle condizioni in cui devono operare.

D: Partiamo dalla temperatura, dato che è una delle dimensioni più evidenti. Fin dove arriva la vostra esperienza con gli estremi termici?

Abbastanza lontano in entrambe le direzioni. Sul lato delle alte temperature, la nostra capacità interna di qualifica supporta oggi prove fino a +180 °C, con rampe termiche controllate e la possibilità di eseguire profili combinati di temperatura e umidità, fino al 98% di umidità relativa, che riproducono condizioni operative reali invece di scenari di laboratorio semplificati.

Alle basse temperature, il quadro è altrettanto impegnativo. Abbiamo progettato soluzioni per turbine eoliche destinate a operare in un intervallo da −40 °C a +80 °C, installate tra la torre e la navicella, dove l’ambiente termico varia con le stagioni e l’altitudine. All’estremo opposto, abbiamo realizzato collettori rotanti per la ricerca criogenica, incluso un gruppo frameless personalizzato per l’esperimento SHREK presso il Commissariato francese per le energie alternative e l’energia atomica, dove il collettore doveva funzionare in elio liquido a temperature fino a −269 °C.

Quel progetto ha richiesto un approccio completamente diverso rispetto al design standard. Il grasso dei cuscinetti non può funzionare a quelle temperature, quindi il cuscinetto è stato eliminato del tutto e sostituito con una soluzione alternativa. I cavi sono stati isolati in Teflon per la compatibilità criogenica. Il risultato è stato un assieme frameless composto solo da anelli, albero e portaspazzole: una configurazione volutamente minimale, integrabile facilmente nell’apparato, consegnata in tempi brevi e in grado di funzionare in modo affidabile in condizioni per le quali pochissimi componenti sono progettati.

D: L’esempio criogenico è molto interessante. Ma che effetto ha la temperatura sulle prestazioni di un collettore rotante in scenari industriali più comuni?

Il problema più comune legato alla temperatura è l’effetto dei cicli termici sui materiali. I diversi componenti all’interno di un collettore rotante — metalli, polimeri, guarnizioni, isolanti — si espandono e si contraggono a velocità diverse al variare della temperatura. Se questi movimenti differenziali non sono considerati nella progettazione meccanica, nel tempo si accumulano sollecitazioni su giunti e interfacce. Alla fine ciò può manifestarsi come degrado delle guarnizioni, variazioni della pressione di contatto o fatica strutturale che sembra un problema elettrico ma ha in realtà origine meccanica.

Per il funzionamento continuativo ad alta temperatura, la scelta dei materiali in tutto l’assieme diventa fondamentale. I lubrificanti si degradano più rapidamente, i componenti polimerici possono ammorbidirsi o diventare fragili a seconda della loro chimica, e la resistenza di contatto può variare con l’espansione dei metalli. Non sono considerazioni teoriche: incidono sul comportamento in servizio del collettore in qualsiasi sistema che operi in continuo vicino a fonti di calore.

Il comportamento all’avviamento a freddo è un altro aspetto che spesso sorprende i clienti. A temperature molto basse, i lubrificanti possono addensarsi notevolmente, aumentando l’attrito e la coppia necessaria per iniziare la rotazione. Se si prevede che la macchina debba avviarsi in modo affidabile in condizioni fredde, come nelle installazioni all’aperto in climi rigidi, il collettore deve essere specificato tenendo conto di questo comportamento, non solo delle prestazioni a regime una volta caldo.

È proprio per questo che abbiamo investito nel portare internamente le prove di qualifica per temperature estreme e umidità. La possibilità di testare internamente da −50 °C a +180 °C, con piena supervisione ingegneristica durante tutto il processo, ci consente di validare i progetti per specifici intervalli termici molto più rapidamente rispetto a quando dipendevamo da laboratori esterni.

D: La tenuta è un tema che emerge in quasi tutte le applicazioni con rischio di umidità o contaminazione. Come la affrontate nello specifico per i collettori rotanti?

La tenuta di un collettore rotante è meccanicamente più complessa rispetto a quella di un componente statico, ed è un punto che merita di essere spiegato chiaramente perché a volte gli ingegneri lo sottovalutano.

La sfida è che qualsiasi guarnizione a contatto con la parte rotante introduce attrito. Una guarnizione perfettamente efficace il primo giorno può degradarsi nel tempo se non è progettata considerando l’interfaccia rotante e la vita operativa prevista. La tenuta, quindi, non è solo una questione di scelta di un grado di protezione: riguarda il modo in cui quella protezione viene mantenuta per milioni di rotazioni, in presenza di tutto ciò che l’ambiente contiene.

Per la maggior parte delle applicazioni industriali soggette a lavaggio e per quelle outdoor, il grado IP65 rappresenta il punto di partenza. I nostri team di ingegneria utilizzano una combinazione di geometrie a labirinto e guarnizioni a contatto: la struttura a labirinto gestisce gran parte del rischio di ingresso senza generare attrito, mentre la guarnizione a contatto fornisce la barriera finale. I materiali devono essere scelti in base all’esposizione specifica: un composto di tenuta efficace contro l’acqua potrebbe non essere adatto in presenza di detergenti alcalini, oli o solventi.

Per situazioni impegnative come linee alimentari con lavaggi ad alta pressione e acqua calda, installazioni outdoor con lunghi intervalli di manutenzione o sistemi con esposizione diretta a sostanze chimiche, passiamo a corpi in acciaio inox e sistemi di tenuta validati per ambienti chimici specifici, anziché per una protezione generica dall’umidità. La differenza tra un’unità con grado IP generico e una progettata per un profilo di esposizione chimica definito può essere significativa in termini di durata in servizio.

D: Hai citato il settore alimentare e delle bevande. Si potrebbe dire che sia uno degli ambienti più impegnativi su più dimensioni contemporaneamente.

È vero, ed è un settore che illustra bene la natura cumulativa della sfida. Un impianto di lavorazione alimentare prevede in genere acqua calda ad alta pressione durante i cicli di pulizia, detergenti e disinfettanti aggressivi, elevata umidità ambientale e il requisito normativo che le apparecchiature siano completamente sanificabili senza compromettere l’igiene. Inoltre, le macchine spesso funzionano ad alta velocità per periodi prolungati e sono progettate con tempi di fermo programmati minimi.

Il collettore rotante si trova al centro di tutto questo. Deve soddisfare i requisiti elettrici dell’applicazione, resistere al regime di pulizia e garantire una durata che eviti manutenzioni impreviste su una linea produttiva difficile da fermare.

L’altra dimensione specifica delle moderne apparecchiature per lavorazione alimentare e pallettizzazione è la crescente adozione di protocolli di comunicazione ad alta frequenza. EtherCAT, ProfiNet, Ethernet/IP e altri richiedono che il collettore trasmetta segnali nella gamma delle alte frequenze senza interferenze. Qui il materiale di contatto diventa importante: la tecnologia di contatto oro-su-oro, in cui sia le spazzole sia gli anelli hanno rivestimenti in oro, riduce al minimo disturbi e accoppiamenti.

D: Che ruolo gioca la vibrazione nel quadro degli ambienti gravosi?

È un fattore sottovalutato e quello che più spesso sorprende i clienti che si sono concentrati principalmente sulla specifica elettrica.

Il punto centrale è che un collettore rotante dipende da un contatto stabile e costante tra spazzola e anello. La vibrazione interrompe questo contatto. A basse ampiezze, l’effetto è un contatto intermittente, che si manifesta come rumore sulle linee di segnale o brevi interruzioni nella trasmissione di potenza, molto difficili da diagnosticare perché il sintomo sembra elettrico mentre la causa è meccanica. A livelli più elevati, la vibrazione provoca fatica nelle strutture di supporto delle spazzole e nella ferramenta di montaggio.

La nostra tecnologia a spazzole multifilamento risponde efficacemente a questo problema. Poiché il contatto è distribuito su molti filamenti sottili invece che su un singolo punto, ciascun filamento può flettersi indipendentemente sotto vibrazione senza trasferire direttamente il carico dinamico alla superficie di contatto. Questo mantiene stabili le prestazioni elettriche in condizioni in cui un sistema a contatto singolo mostrerebbe degrado.

Anche la struttura meccanica del corpo è importante. Per applicazioni in cui il profilo vibratorio è noto, come macchinari industriali pesanti, gru o mezzi mobili, possiamo ottimizzare il design per evitare risonanze alle frequenze generate dalla macchina e validarlo rispetto alla specifica di vibrazione del cliente invece che a uno standard generico.

D: Puoi descrivere un progetto che abbia riunito diversi di questi fattori?

Le installazioni su turbine eoliche sono un esempio chiaro di sfida combinata. Il collettore rotante in una turbina eolica si trova tra la torre e la navicella, esposto all’ambiente esterno, installato a un’altezza che rende l’accesso per la manutenzione realmente difficile, e deve funzionare senza presidio attraverso variazioni stagionali di temperatura, umidità e vibrazioni strutturali generate dal gruppo rotante sovrastante.

La specifica sviluppata per una di queste installazioni comprendeva 27 circuiti, inclusi CANopen, canali di potenza e di segnale, con un intervallo operativo da −40 °C a +80 °C e grado di protezione IP54. Le dimensioni compatte e la facilità di installazione erano vincoli importanti, perché lo spazio tra torre e navicella è limitato e l’integrazione doveva essere pulita e affidabile senza richiedere accessi per regolazioni o riallineamenti dopo l’installazione.

Quel progetto dimostra l’importanza di trattare l’ambiente operativo come un requisito progettuale primario e non secondario. L’intervallo termico di 120 gradi tra la condizione più fredda e quella più calda guida la scelta dei materiali in tutto l’assieme. L’ambiente vibratorio della struttura rotante sovrastante guida il design del contatto e del montaggio. La difficoltà di accesso determina l’obiettivo di affidabilità. Nessuno di questi fattori può essere affrontato isolatamente: tutti influenzano simultaneamente il progetto, e il risultato dipende dall’affrontarli insieme fin dall’inizio.