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Lo scopo di una guarnizione per cilindri idraulici è quello di prevenire le fuoriuscite di un fluido attraverso due superfici in movimento relativo tra loro e di mantenere un elevato livello di tenuta durante la propria vita d’esercizio sotto le condizioni operative per le quali è stata progettata.

Durante il movimento si sviluppa un flusso aderente attraverso le superfici in moto fra di loro e, come conseguenza dell’aumento di pressione idrodinamica, la guarnizione tende ad alzarsi dalla superficie mobile e un piccolo film di fluido si forma tra l’elemento di tenuta e tale superficie. Lo spessore di tale film di fluido è regolato dalla seguente formula:

s = K ∙ √(µVL/P)

dove

• s = spessore del film di fluido
• K = coefficiente (≈ 2,3)
• µ = viscosità del fluido
• V = velocità
• L = lunghezza delle superfici in movimento relativo
• P = pressione

Dato che lo spessore di tale film è la quantità di fluido che fuoriesce dall’elemento di tenuta durante il movimento, può essere considerato entro certi limiti come qualcosa di equivalente ad una perdita.

Le pressioni che agiscono sulle guarnizioni sono quelle generate dalla pompa idraulica del circuito (P_p) e quelle prodotte dal movimento del cilindro, chiamate “pressioni di trascinamento” (P_t):

P_tot = P_p + P_t = P_p + K ∙ µVL/s²

dove

• P_tot = pressione totale
• P_p = pressione della pompa idraulica
• P_t = pressione di trascinamento
• K = coefficiente costante (» 5)
• µ  = viscosità del fluido
• V = velocità
• L = lunghezza delle superfici in movimento
• s = distanza tra le superfici

La pressione di trascinamento, soprattutto in caso di accoppiamenti ristretti, a volte può essere superiore a quella generata dalla pompa del circuito causando un rapido e prematuro danneggiamento della guarnizione.

Durante l’esercizio l’elemento di tenuta può essere soggetto a continue variazioni di pressione che, anche se per brevi periodi, spesso raggiungono valori molto elevati.

Questi carichi aggiuntivi, che devono esser presi in considerazione prima della corretta scelta del sistema di tenuta, espongono la guarnizione ad un elevato stress operativo e richiedono una notevole capacità e rapidità di risposta della stessa. 

Bassa pressione  (minore di  50 bar)

La bassa pressione è una delle situazioni più critiche per un buon funzionamento del sistema di tenuta ed è la fase in cui si hanno i maggiori problemi di perdite. In questa condizione, infatti, i labbri di tenuta non sono sufficientemente energizzati dal fluido ed il film d’olio che s’interpone tra il labbro della guarnizione e la superficie dinmica raggiunge uno spessore elevato.

La scelta del giusto profilo e materiale della tenuta può ridurre notevolmente i rischi di perdite in questa situazione.

Pressione Media (50-150 bar)

 Il campo di pressioni tra i 50 e i 150 bar è uno fra i più favorevoli e, in queste condizioni, quasi tutti i tipi di guarnizioni garantiscono tenute efficaci, anche se con durata variabile in funzione del materiale con le quali sono state fabbricate.

Alta pressione (oltre 150 bar)

 In condizioni di alta pressione o in presenza di elevati picchi, le guarnizioni normalmente garantiscono tenute efficaci: è la pressione del fluido, infatti, che energizza i labbri di tenuta garantendo una buona tenuta. Per contro però, l’alta pressione riduce la vita in esercizio del sistema di tenuta. In queste condizioni di lavoro si riscontrano fenomeni di usura e di estrusione che causano danni prematuri alla guarnizione. Per questo motivo la scelta dei materiali diventa di fondamentale importanza per limitare i danni da usura e da estrusione.

La velocità tra la guarnizione e la superficie dinamica è un fattore critico da considerare nella scelta della tenuta ed ha una notevole influenza nelle prestazioni globale del sistema. Lo spessore del film di fluido (e quindi l’entità della perdita) può essere considerato come proporzionale alla radice quadrata della velocità (vedi capitolo “Meccanica degli elementi di tenuta”), sebbene questa sia una approssimazione in quanto dipende da vari fattori tra cui una scelta idonea della tenuta in base al tipo di lavoro, il tipo di fluido, temperatura e qualità delle superfici a contatto.

Bassa velocità (minore di 0,05 m/s)

In situazioni di bassa velocità non ci sono generalmente problemi di perdite, ma si possono presentare problematiche legate a usura e a movimento irregolare (“stick-slip”). 

A basse velocità, la pressione idraulica generata dal movimento non è di norma sufficiente a creare un film di fluido continuo ed i labbri di tenuta vengono a contatto diretto con le superfici di appoggio, dando origine a una rapida usura ed a un movimento irregolare. In particolare il fenomeno dello “stick-slip” è un movimento rumoroso con vibrazioni causato dalla continua alternanza di scorrimento e presa fra la guarnizione e superficie di contatto. La corretta scelta del profilo dell’elemento di tenuta e del materiale (es.PTFE, con basso coefficiente di attrito) può ridurre i problemi e incrementare il controllo del fluido e della velocità.

Velocità media (da 0,05 a 0,3 m/s)

Questa è la situazione migliore dove non si presentano né movimenti irregolari né eccessive perdite tipiche delle alte velocità. In queste condizioni, la pressione idraulica generata dal movimento è in grado di garantire un film continuo di fluido tra i labbri di tenuta e le superfici di contatto, assicurando così un controllo accurato del fluido e la giusta lubrificazione della tenuta. Lo spessore del film di fluido, proporzionale alla radice quadrata della velocità, generalmente non raggiunge dimensioni tali da essere considerato responsabile di indesiderati trafilamenti.

Alta velocità (oltre 0,3 m/s)

Mentre la pressione idraulica generata tramite il movimento aumenta, la guarnizione si alza dal piano di scorrimento lasciando così che uno spessore eccessivo di fluido passi attraverso i labbri di tenuta e la superficie di scorrimento. La situazione diventa particolarmente critica quando le fasi di alta velocità sono associate alle fasi di bassa pressione; in questo caso la guarnizione è sottoposta esclusivamente alla deformazione di montaggio e, in tali circostanze, l’elevata qualità dei materiali mostra la loro superiorità assicurando un alto carico anche in assenza di pressione 

La temperatura del sistema è un fattore critico da considerare nella scelta dei materiali ed ha un'influenza importante per limitare le perdite. 

Per effetto dell’attrito, la temperatura sui labbri della guarnizione è generalmente superiore al quella del sistema, anche se non può essere prevista nei termini esatti perché dipende da molti fattori come il materiale, il profilo della guarnizione, il tipo di fluido e la qualità della superficie.

Poiché la viscosità del fluido è inversamente proporzionale alla temperatura, la perdita può essere considerata come proporzionale alla radice quadrata dell'inverso della temperatura (vedi il capitolo "Meccanica degli elementi di tenuta"):

perdita ∼ √(1/T)

Bassa temperatura

La viscosità del fluido aumenta, la durezza del materiale della tenuta si alza e la guarnizione perde elasticità; tutto questo permette che lo spessore del film di fluido s’ingrossi e che una quantità eccessiva di liquido passi attraverso la tenuta.

Temperatura media

Questa è la situazione migliore: il fluido possiede la viscosità adatta a impedire le perdite attraverso una giusta lubrificazione, le variazioni di forma della guarnizione dovute a espansione termica e le variazioni di durezza non influenzano in modo decisivo le prestazioni del sistema di tenuta.

Alta temperatura

Il materiale della tenuta diviene più elastico, la guarnizione aumenta il proprio volume e la viscosità del liquido diminuisce riducendo così le perdite. Tuttavia, allo stesso tempo, l’insufficiente lubrificazione aumenta l'usura ed il rischio di movimenti irregolari.

L'attrito fra una guarnizione dinamica e la superficie di tenuta dipende da un certo numero di fattori quali il disegno ed il materiale della guarnizione, il fluido, la pressione, la temperatura, la velocità e la finitura superficiale. La risultante del carico d’attrito non è generalmente significativa per la maggior parte delle applicazioni (tranne che per i cilindri pneumatici nei quali è normalmente richiesto, in condizioni ottimali, un attrito minimo), ma può essere nociva perché, generando calore, può causare il degrado del materiale della guarnizione e del film di fluido.

Le prestazioni della guarnizione a tale riguardo sono difficili da analizzare poiché sono implicati un certo numero di fattori empirici, specifici nella progettazione della guarnizione stessa. Tuttavia, di base, l'attrito è ovviamente proporzionale alla pressione, anche se il coefficiente di attrito in questione può cambiare con la velocità, con la temperatura, in base al materiale e alla finitura superficiale.

Attrito della guarnizione = K • μ • (Pe)² • V • A

dove

• K = fattore empirico che dipende dal disegno della guarnizione installata e dalle condisioni operative
• μ = coefficiente di attrito
• Pe = somma della pressione del fluido e di quella generata dall’interferenza di montaggio
• V = velocità
• A = superficie di contatto ( ≈ π • Diametro • Spessore)

I valori specifici del fattore K sono difficili da ricavare a meno che non siano valutati tramite metodi empirici o in base a dati comparativi. Questa formula può essere usata soltanto per studiare le possibili differenze nelle prestazioni e nell'attrito su guarnizioni dello stesso tipo e materiale, ma di dimensione differenti.

Coefficiente d’attrito “μ”

Il coefficiente di attrito dei materiali tipici per le guarnizioni che strisciano su superfici regolari e asciutte può essere valutato tra μ=0.4÷1.  Per le superfici lubrificate i valori sono molto più bassi, per esempio μ=0.02÷0.10. Ciò è particolarmente vero nel caso di materiali elastomerici. I materiali impregnati di tessuto mostrano, sempre in condizioni di lubrificazioni, valori simili di “μ” ma solitamente con variazioni minori, per esempio μ=0.04÷0.08 .

In linea di massima, più il materiale è duro più l'attrito è alto, più il materiale è tenero più l'attrito è basso, anche se questo discorso vale solamente per le basse pressioni. 

Il coefficiente d’attrito "μ” è inoltre funzione della pressione, anche se il rapporto reale non è stabilito chiaramente. Generalmente tende ad essere superione alle basse pressioni ed a diminuire al crescere della pressione stessa (vedi figura).

Anche la finitura superficiale e il processo di produzione degli elementi metallici influiscono notevolmente il coefficiente d’attrito "μ”. Si nota generalmente un rapido incremento d’attrito in corrispondenza di superfici grezze e di strutture deformate a freddo rispetto a quelle finemente lavorate (rettificate, ecc..).

Di solito, nel caso di cilindri idraulici, le finiture dei tubi vengono ottenute tramite il processo di rettifica che permette di ottenere un’elevata precisione con rugosità medie tra 0.25 μm e 0.625 μm.

Il problema maggiore per il progettista di guarnizioni, tuttavia, è causato dalla recente tendenza ad utilizzare, per la produzione di cilindri idraulici, direttamente tubi lucidi di trafila senza trattamento di finitura successivo.

Attrito e velocità

La variazione di attrito in funzione della velocità di scorrimento è chiaramente definita in tre diverse fasi (vedi figura):

• attrito statico (contatto diretto tra guarnizione e superficie dinamica)
• attrito misto (un attrito misto fra secco e lubrificato)
• attrito lubrificato (un film di liquido lubrificante s’interpone tra la guarnizione e la superficie dinamica)

All’inizio del moto, l’attrito è elevato perché il coefficiente di attrito statico è superiore [area 1].

Poi, con l’aumento della velocità, un film di fluido s’interpone tra la guarnizione e la superficie in moto riducendo l’area di contatto e, di conseguenza, l’attrito [area 2].

A seguito poi di un ulteriore aumento della velocità, il contatto fra le superfici viene a mancare completamente e l’attrito comincia ad aumentare progressivamente a causa delle sollecitazioni di taglio del fluido stesso [area 3].

A causa dell’ampia scelta dei profili e dei materiali, gli elementi di tenuta hanno modelli di comportamento differenziati a seconda delle pressioni d’esercizio a cui sono sottoposti. Quando viene utilizzato un materiale duro il pericolo di danni da compressione è minimo. D'altra parte, però, un materiale duro non ha buone caratteristiche di tenuta come un materiale tenero, specialmente alle basse pressioni di lavoro. 

Per avere il migliore sistema di tenuta, efficace alle alte e basse pressioni di funzionamento, è necessaria una guarnizione costituita da diversi tipi di materiali con differenti proprietà. L’ ideale sarebbe una guarnizione costituita da un materiale la cui durezza cresca progressivamente dal lato in cui agisce la pressione alla parte posteriore, zona in cui spesso avvengono fenomeni di rotture da estrusione.

Chiaramente non è possibile realizzare completamente tutto ciò, anche se la progettazione delle nostre guarnizioni segue il principio della costruzione a più stadi nel tentativo d'avvicinarsi alla soluzione ideale.

Le guarnizioni perdono la loro capacità di funzionamento a causa dell’usura del materiale con il quale sono costruite. Tale fenomeno è più accentuato nelle prime fasi di funzionamento, alle basse velocità ed anche attraverso l’erosione del materiale della guarnizione quando il fluido in pressione attraversa la superficie di tenuta creando una zona di deterioramento.

Una prima indicazione si nota alle basse pressioni quando, a seguito dei fenomeni di usura, la guarnizione non ha più la capacità di mantenere il contatto richiesto con la superficie di tenuta. Alle alte pressioni, a causa delle elevate deformazioni, la tenuta continua ad essere garantita fino a che le pressioni stesse vengono mantenute.

La durata di una guarnizione non può essere prevista in termini esatti perché dipende da molti fattori ad iniziare dalla giusta scelta della guarnizione stessa per il lavoro richiesto e da una corretta installazione. L'usura può aggravarsi in mancanza di lubrificazione, in presenza d’irregolarità dell'albero, a seguito di eccessiva generazione di calore d’attrito, perché un componente della guarnizione è troppo tenero, ecc. L’ aspettativa di vita normale di una guarnizione può variare considerevolmente da un'applicazione all’altra a seconda delle condizioni d’esercizio a cui è sottoposta e per le quali è raccomandata.

Se la durata di una guarnizione è significativamente inferiore alla media, allora è probabile che, in primo luogo, sia stata scelta una guarnizione inadatta per il tipo di lavoro oppure che le condizioni operative sono risultate essere più severe di quelle previste.

L'usura della guarnizione dipende fortemente dalla finitura della superficie su cui la guarnizione lavora, determinata in larga misura dal metodo di produzione.

La figura illustra quanto detto per alcuni tipici cilindri idraulici con tre gradi di finitura superficiale differenti. In questa figura l'usura della guarnizione si classifica visivamente da 0 (nessuna usura apparente) a 10 (guarnizione completamente logorata). Questi diagrammi sono stati stimati dopo 100,000 cicli di funzionamento del cilindro operante ad una pressione di esercizio di 250 bar. Un dato significativo riguardante quanto detto, è quello per cui l’usura della guarnizione per tubo brunito resta in gran parte inalterata per finiture superficiali che variano fra 0.08 μm e 0.7 μm; varia invece un po’ di più nel caso di tubi ottenuti tramite lavorazione plastica a freddo, per i quali il grado di finitura superficiale varia fra 0.4 μm e 1.25 μm.