{"id":22859,"date":"2023-11-17T03:44:29","date_gmt":"2023-11-17T02:44:29","guid":{"rendered":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2023\/11\/17\/le-guarnizioni\/"},"modified":"2023-11-17T03:44:29","modified_gmt":"2023-11-17T02:44:29","slug":"le-guarnizioni","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2023\/11\/17\/le-guarnizioni\/","title":{"rendered":"Le guarnizioni"},"content":{"rendered":"
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\"quaderni<\/div>\n
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Le tenute sono organi meccanici fondamentali per il corretto funzionamento di tutti i sistemi che prevedono fluidi di lavoro o lubrificazione. Esistono tenute statiche e dinamiche. Le prime si deformano al montaggio garantendo la connessione di due superfici ed evitando il passaggio di fluidi e particolato. Le tenute dinamiche, invece, connettono organi meccanici in moto relativo. Ci\u00f2 complica molto il problema a causa dell\u2019attrito che porta ad usura ed aumento delle temperature in esercizio<\/strong><\/p>\n

di Franco Concli\u00a0<\/em><\/p>\n

Sebbene negli anni siano state sviluppate soluzioni sempre pi\u00f9 all\u2019avanguardia, al fine di ottenere i risultati sperati \u00e8 necessario sapere scegliere la tenuta pi\u00f9 adatta al sistema ed alle condizioni di esercizio. In tal senso, nel seguito di vuole dare una panoramica generale sugli elementi da considerare per una selezione ottimale della tenuta.<\/p>\n

Vista la relativa semplicit\u00e0 della scelta delle tenute statiche, nel seguito verranno trattate solo quelle dinamiche.<\/p>\n

TIPI DI GUARNIZIONI (DINAMICHE) <\/strong><\/h4>\n

Come accennato, si parla di tenute \u201cdinamiche\u201d qualora tra i due componenti vi sia un movimento relativo. Le prestazioni delle tenute dinamiche possono essere influenzate da una serie di fattori ambientali, tra cui rigonfiamento delle tenute per assorbimento di liquido, la finitura superficiale delle parti (metalliche) in moto relativo, la lubrificazione, la differenza di pressione, la temperatura ed i cicli termici, la precompressione, l\u2019attrito ecc.<\/p>\n

Tenute alternate<\/em><\/strong><\/h6>\n

Le cosiddette \u201ctenute alternate\u201d, sono utilizzate nei sistemi in cui \u00e8 presente un movimento, e.g. attuatore idraulico con pistone e cilindro. Per ottenere prestazioni ottimali dalle tenute alternate \u00e8 necessario considerare con attenzione i seguenti fattori:<\/p>\n

1) Selezione del materiale<\/em>. \u00c8 importante la corretta selezione del materiale della tenuta in grado di sopportare il ciclo termico. Grandi sbalzi di temperatura, infatti, possono le tenute a deformarci eccessivamente a temperature elevate e troppo poco a temperature ridotte portando a trafilamenti. Tali perdite sono particolarmente frequenti in applicazioni a bassa pressione e in applicazioni con moto alternato. Quando si prevedono cicli termici \u201cestremi\u201d, si raccomanda di specificare una di tenuta che superi, e non solo soddisfi, l\u2019intervallo di temperatura di esercizio.<\/p>\n

2) Controllo dei picchi di pressione<\/em>. Con l\u2019arresto del moto ed il mantenimento del sistema sotto carico, si possono creare picchi dinamici di pressione di gran lunga superiori a quelli nominali. Per evitare la rottura della tenuta possono essere intraprese delle azioni che limitino i picchi di pressione, ad esempio mediante valvole di scarico. In questo modo non si incorre nel rischio di uno spostamento incontrollato della tenuta dal suo alloggiamento.<\/p>\n

3) Precompressione<\/em>. Nella scelta della tenuta, inoltre, va considerato che un precarico inferiore permetter\u00e0 di ridurre l\u2019attrito in esercizio, a fronte per\u00f2 di possibili perdite in condizioni di bassa pressione. Viceversa, una precompressione maggiore aumenter\u00e0 l\u2019attrito e la capacit\u00e0 di tenuta, a costo di un assemblaggio pi\u00f9 complesso, di un\u2019usura pi\u00f9 rapida delle guarnizioni, e di un maggiore probabilit\u00e0 di cedimento.<\/p>\n

4) Strizione<\/em>. Quando il diametro della tenuta aumenta a seguito di una deformazione, la sezione trasversale si riduce. In questi casi in questi casi, bisogna accertarsi che la sezione trasversale ridotta riesca a garantire la tenuta. La strizione percentuale non dovrebbe superare il 5%.<\/p>\n

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Tenute rotanti<\/em><\/strong><\/h6>\n

Le tenute possono essere usate anche in presenza di alberi rotanti. I fattori pi\u00f9 importanti da considerare nella progettazione di tenute rotanti sono i limiti di temperatura dell\u2019applicazione, l\u2019accumulo di calore per effetti dell\u2019attrito, la deformazione, la precompressione e la lavorazione dell\u2019albero.<\/p>\n

1) Limiti di temperatura di applicazione<\/em>. Le tenute per alberi rotanti non sono raccomandate per applicazioni con temperature di esercizio inferiori a 4\u00b0C, o superiori a +120\u00b0C. Pi\u00f9 l\u2019applicazione \u00e8 vicina alla temperatura ambiente, pi\u00f9 a lungo la tenuta potr\u00e0 lavorare in modo efficace.<\/p>\n

2) Accumulo di calore per attrito<\/em>. Poich\u00e9 la generazione di calore per attrito \u00e8 inevitabile nelle applicazioni che prevedono tenute rotanti. Una buona scelta della tenuta suggerisce che la mescola sia da una parte resistente al calore e dall\u2019altra minimizzi il coefficiente di attrito.<\/p>\n

3) Deformazione<\/em>. In questo tipo di applicazioni, una variazione del diametro deve essere evitata. Per questo di utilizzano diametri dell\u2019albero non pi\u00f9 grandi di quelli del foro della tenuta allo stato libero (non caricato). Quando un elastomero viene sollecitato meccanicamente e la temperatura aumenta, questo tende ad espandersi. Ci\u00f2 porta ad un aumento della pressione di contatto e, di conseguenza, un aumentando del calore e della temperatura che pu\u00f2 portare al cedimento della tenuta.<\/p>\n

4) Precarico<\/em>. Nella maggior parte delle applicazioni con alberi in rotazione, la tenuta dovrebbe essere scelta avente un diametro esterno di circa il 5% superiore a quello della sede. Una volta installata, la compressione periferica mette il diametro interno dell\u2019o-ring a contatto con l\u2019albero in rotazione. Questo design riduce al minimo l\u2019accumulo di calore per attrito e prolunga la durata della tenuta.<\/p>\n

MATERIALI<\/strong><\/h4>\n

l termine \u201cgomma\u201d viene riferito a composti elastomerici a base polimerica che tipicamente vengono vulcanizzati a caldo. I polimeri sono lunghe catene molecolari. Il nome deriva dal greco \u201cpoly\u201d (molte) e \u201cmeros\u201d (parti). Il monomero di base spesso viene utilizzato per classificare il tipo di gomma, ad esempio: Nitrile, Silicone o Neoprene.<\/p>\n

In linea generale, la gomma \u00e8 composta da molti elementi diversi, tra cui l\u2019elastomero di base, gli agenti di vulcanizzazione, le cariche e i cosiddetti elementi plastificanti. A titolo di esempio, l\u2019aggiunta di riempitivi viene utilizzato per modificare la resistenza meccaniche, mentre l\u2019aggiunta di plastificanti porta ad una maggiore elasticit\u00e0.<\/p>\n

Un polimero, a seconda della tipologia, pu\u00f2 essere un liquido molto viscoso o un solido elastico (ad esempio la gomma). Le catene polimeriche della gomma tendono a essere molto lunghe e flessibili e possono ruotare attorno al proprio asse, dando origine a una massa aggrovigliata di catene polimeriche contorte.<\/p>\n

Quando si verifica una deformazione della gomma, tali catene polimeriche aggrovigliate si srotolano per poi riavvolgersi quando il carico viene rimosso. In altre parole, il ritorno elastico \u00e8 possibile grazie alle lunghe e flessibili catene polimeriche, che conferiscono alla gomma le sue caratteristiche.<\/p>\n

L\u2019elastomero, il componente di base di tutte le ricette utilizzate per gli elementi elastici a base polimerica, viene selezionato in modo da ottenere le propriet\u00e0 fisiche desiderate. Lo zolfo \u00e8 uno degli agenti vulcanizzanti pi\u00f9 utilizzati per promuovere la formazione del reticolo polimerico e, usato in combinazione con acceleratori e attivatori, permette di migliorare le propriet\u00e0 fisiche del polimero. Il nerofumo, invece, \u00e8 uno dei riempitivi pi\u00f9 comuni e serve a rafforzare la struttura molecolare. Gli antidegradanti, quali antiossidanti e gli antiozonanti, ritardano il deterioramento del materiale. Ovviamente a questi elementi base possono essere aggiunti anche lubrificanti, coloranti ecc..<\/p>\n

Una volta trovata la miscela idea, questa deve essere sottoposta al processo di vulcanizzazione. Le lunghe e flessibili catene polimeriche della gomma, una volta riscaldate, reagiscono con gli agenti vulcanizzanti per formare strutture tridimensionali. Questi agenti vulcanizzanti promuovono la reticolazione delle catene polimeriche. Una volta che la gomma \u00e8 stata vulcanizzata, le propriet\u00e0 fisiche risultano migliorate e la mescola diventa pi\u00f9 resistente al deterioramento.<\/p>\n

Altro aspetto importante che deriva dalla composizione chimica \u00e8 il recupero elastico, ovvero la capacit\u00e0 dell\u2019elastomero di tornare alla sua forma originale una volta rimosso il carico. Il mancato ritorno della tenuta alla sua forma originale dopo la compressione \u00e8 definito \u201ccompression set\u201d. Questa deformazione permanente \u00e8 pressoch\u00e9 sempre presente in tutte le tenute. La determinazione dell\u2019entit\u00e0 del \u201ccompression set\u201d \u00e8 regolata dalla procedura di prova ASTM D395.<\/p>\n

Altra importante classificazione dei materiali per tenute pu\u00f2 essere fatta in base alle propriet\u00e0 fisiche a temperature elevate. I polimeri cosiddetti termoindurenti si \u201cfissano\u201d in modo permanente in presenza di calore e non si ammorbidiscono in presenza di un successivo riscaldamento. Al contrario, un materiale termoplastico si ammorbidisce quando viene riscaldato (ed eventualmente si liquefa) indurendosi quando viene raffreddato. Questo processo \u00e8 quindi reversibile e ripetibile, a differenza dei polimeri termoindurenti in cui il processo \u00e8 irreversibile. I polimeri termoindurenti possiedono propriet\u00e0 meccaniche, termiche e chimiche superiori e una migliore stabilit\u00e0 dimensionale rispetto ai termoplastici. Per questo motivo i materiali termoindurenti sono generalmente preferiti per le applicazioni di tenuta.<\/p>\n

Ogni mescola ha caratteristiche specifiche. Pertanto, \u00e8 importante considerare tutti gli aspetti della mescola prima dell\u2019uso. La figura successiva mostra una panoramica dei maggiori materiali disponibili ed il range di temperatura di esercizio.<\/p>\n

In alcuni casi, il portfolio standard di materiali \u00e8 sufficiente per i requisiti di una determinata applicazione. La scelta finale del materiale pu\u00f2 essere guidata dalle condizioni operative secondarie dei sistemi o, in caso di prestazioni \u201cuguali\u201d, da considerazioni di costo e disponibilit\u00e0.<\/p>\n

I metodi standard utilizzati per minimizzare gli effetti dell\u2019attrito delle tenute (nel caso specifico si fa riferimento ad un o-ring ma le conclusioni sono di carattere generale) includono la riduzione del precarico delle guarnizioni, l\u2019aumento della durezza della mescola, la scelta di una mescola a basso attrito, come il Teflon\"\u2122\", il trattamento della superficie a contatto con la tenuta con un rivestimento a basso attrito e la testurizzazione della superficie della gomma per ridurre l\u2019area di contatto.<\/p>\n

L\u2019uso di mescole con lubrificazione interna (nella tenuta stessa) si \u00e8 rivelato particolarmente efficace nelle applicazioni che richiedono prestazioni a basso attrito senza la necessit\u00e0 di dover ridurre il precarico. Ad oggi sono disponibili tenute in Etilene Propilene auto-lubrificate con Erucamide (acidi grassi naturali), Teflon\"\u2122\" e cere di paraffina. Tu hanno per\u00f2 esempi di auto-lubrificazione anche nel caso di tenute in Nitrile, Neoprene, Fluorocarbonio e Silicone.<\/p>\n

Nel caso non fosse possibile o conveniente impregnare la tenuta stessa con lubrificante, \u00e8 consigliabile il trattamento superficiale (lubrificazione esterna) in modo da proteggere la tenuta dall\u2019abrasione, dal pizzicamento o da danneggiamenti durante l\u2019installazione. La lubrificazione esterna aiuta a posizionare. Esempi di lubrificanti adatti sono rappresentati dal Parylene, dal Teflon\"\u2122\" e dall\u2019olio a base siliconica. Va notato come nei sistemi idraulici, dove i fluidi lubrificanti sono quasi sempre presenti, il trattamento superficiale delle tenute non risulta essenziale. Nelle applicazioni pneumatiche, invece, dove i fluidi del sistema sono prevalentemente assenti, la lubrificazione superficiale delle tenute \u00e8 pressoch\u00e9 obbligatoria per un funzionamento efficace e a basso attrito e per prevenire trafilamenti andando a riempire i micropori delle superfici.<\/p>\n

Un ulteriore vantaggio che deriva dalla lubrificazione delle tenute \u00e8 la protezione che questa offre ad alcuni elastomeri dagli effetti degradanti dell\u2019esposizione all\u2019ossigeno e all\u2019ozono. La lubrificazione della superficie della tenuta agisce come una barriera, aiutando a prevenire l\u2019invecchiamento prematuro della tenuta e a prolungarne la durata.<\/p>\n

In tutti i casi in cui \u00e8 consigliata la lubrificazione, assicurarsi sempre di scegliere un lubrificante che sia compatibile sia con la mescola della tenuta, sia con i prodotti chimici del sistema utilizzato. Il lubrificante, o l\u2019additivo che contiene, non deve causare un\u2019eccessiva contrazione o rigonfiamento della mescola. Inoltre, verificare l\u2019intervallo di temperatura raccomandato per il lubrificante scelto, assicurandosi di operare entro i limiti indicati.<\/p>\n

Infine, se si utilizza un sistema di filtraggio, verificare anche che il lubrificante sia in grado di passare attraverso i filtri prima.<\/p>\n

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Panoramica dei maggiori materiali disponibili ed il range di temperatura di esercizio<\/figcaption><\/figure>\n

ESERCIZIO A BASSA TEMPERATURA<\/strong><\/h4>\n

Le prestazioni alle basse temperature sono una delle propriet\u00e0 pi\u00f9 trascurate nelle prestazioni delle tenute. L\u2019esposizione alle basse temperature, per\u00f2, pu\u00f2 far contrarre i materiali elastomerici, con conseguente diminuzione della precompressione e possibili trafilamenti. Quando i materiali di tenuta sono esposti a una temperatura inferiore al limite previsto, le guarnizioni diventano meno flessibili e pi\u00f9 fragili.<\/p>\n

RESISTENZA ALL\u2019ABRASIONE<\/strong><\/h4>\n

Le applicazioni che comportano moti alternati, reciprocit\u00e0 o rotazione a causa degli attriti mostrano regioni di usura su una superficie della tenuta. Questo porta a cedimenti prematuri, alla contaminazione del sistema e, infine, al suo malfunzionamento. Quando \u00e8 possibile, l\u2019uso di lubrificanti, il miglioramento delle finiture superficiali o la filtrazione del sistema riducono l\u2019effetto dell\u2019attrito. Tuttavia, la scelta di una mescola adeguata \u00e8 essenziale per prolungare la vita della tenuta.<\/p>\n

CONCLUSIONI<\/strong><\/h4>\n

La corretta selezione della tenuta pi\u00f9 adatta ad un sistema \u00e8 una scelta complessa che richiede la valutazione di molti aspetti, tra cui il materiale, il comportamento alle varie temperature, il lubrificante pi\u00f9 adatto, l\u2019usura. Non vi \u00e8 una soluzione ottimale valida sempre. Sta all\u2019ingegnere riuscire a trovare la combinazione migliore per il caso specifico.<\/p>\n

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L’articolo Le guarnizioni<\/a> sembra essere il primo su Il Progettista Industriale<\/a>.<\/p>\n<\/div>\n

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Autore: Emanuela Bianchi<\/p>\n

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