Anello Glyd e sigillo a gradino nei cilindri idraulici per perforatrici: funzionamento e scelta di un ricambio

Dietro ogni sistema di alimentazione, braccio e altri attuatori idraulici di una perforatrice per roccia si trovano due tipi di tenute che, a prima vista, appaiono quasi identiche ma svolgono funzioni diverse in posizioni diverse e per motivi diversi: la tenuta Glyd Ring e la tenuta Step Seal. Entrambe combinano un anello in PTFE resistente all’usura con un elemento in gomma O-ring sottostante e, insieme, rappresentano alcune delle tenute per pistoni e steli più diffuse nei moderni cilindri idraulici. Questo articolo spiega come funzionano effettivamente queste tenute compatte, in quali parti di una perforatrice per roccia vengono utilizzate, come riconoscere un guasto e cosa verificare prima di ordinare un ricambio.

Che cosa sono le tenute Glyd Ring e Step Seal?

Un anello Glyd e una guarnizione a gradino sono entrambi esempi di ciò che il settore delle guarnizioni definisce sigillo compatto o sigillo in PTFE energizzato da O-ring: un anello rigido in PTFE a basso attrito, rinforzato da un O-ring in gomma che lo pre-carica contro la superficie abbinata. L’anello in PTFE è quello che entra effettivamente in contatto con l’alesaggio del cilindro o con la stelo del pistone e svolge la funzione di tenuta; l’O-ring sottostante fornisce la compressione elastica che il PTFE, da solo, non è in grado di garantire, poiché il PTFE non recupera la forma come la gomma una volta compresso.

Il nome «Glyd Ring» e «Step Seal» ebbe origine come marchio registrato dei produttori, ma oggi è utilizzato su scala industriale, nello stesso modo in cui il termine «O-ring» è diventato generico. Nei cataloghi ricambi in lingua cinese, entrambi vengono spesso raggruppati sotto il termine generico ge Lai Quan (Glyd ring), mentre si Te Feng (Step Seal) viene impiegato specificamente per la variante di tenuta sullo stelo.

Qual è la differenza tra un Glyd Ring e una Step Seal?

I due disegni sono progettati per compiti opposti sullo stesso cilindro. Un anello Glyd ha un profilo simmetrico e rettangolare, che gli consente di sigillare in egual misura indipendentemente dal lato da cui proviene la pressione — esattamente ciò di cui ha bisogno un sigillo del pistone poiché la pressione idraulica alterna tra i due lati del pistone mentre il cilindro si estende e si ritrae. Un anello Step Seal ha un profilo asimmetrico a gradini, progettato per sigillare in una sola direzione, adatto al compito effettivo di un sigillo stelo che consiste nel mantenere l’olio sotto pressione all’interno del cilindro mentre la barra entra ed esce.

Un modo semplice per ricordare la differenza: l’anello Glyd va montato sul pistone (sigillo di alesaggio, sigillatura bidirezionale), mentre l’anello Step Seal va montato sulla barra (sigillo di barra, sigillatura monodirezionale). Entrambi utilizzano la stessa struttura di base costituita da PTFE più O-ring, motivo per cui vengono spesso discussi insieme nonostante svolgano funzioni diverse nello stesso cilindro.

Foto 1: Confronto dei profili dell’anello Glyd e dell’anello Step Seal

Come fa l’O-ring energizzatore a far sì che un sigillo in PTFE svolga effettivamente la sua funzione di tenuta?

Il PTFE è apprezzato per le applicazioni di tenuta grazie al suo attrito estremamente basso e alla sua eccellente resistenza chimica e all’usura, ma da solo possiede praticamente nessuna memoria elastica: una volta compresso, rimane compresso anziché riprendere la forma originale per mantenere la pressione di contatto. Un anello O in gomma posizionato dietro l’anello in PTFE risolve questo problema fungendo da molla: spinge continuamente l’anello in PTFE verso l’esterno (per un Glyd Ring montato nella scanalatura del corpo) o verso l’interno (per una configurazione di tenuta su asta), mantenendo l’anello antiusura in contatto saldo con la superficie mobile anche mentre il PTFE stesso si consuma progressivamente nel tempo.

Questa suddivisione delle funzioni è ciò che conferisce alle tenute compatte il loro comportamento caratteristico: la superficie scorrevole in PTFE a basso attrito e a basso stick-slip, abbinata alla capacità dell’anello O di regolare continuamente la forza di contatto della tenuta al variare dei giochi e al progressivo consumo dell’anello antiusura. La perdita della funzione dell’anello O — dovuta al suo degrado — provoca il guasto della tenuta anche quando l’anello in PTFE potrebbe apparire ancora integro.

Il test fondamentale che ogni simile tenuta deve superare, a qualsiasi pressione di esercizio, è che la pressione di contatto tra l’anello in PTFE e la superficie mobile deve rimanere superiore alla pressione del fluido che la tenuta deve trattenere. Studi con elementi finiti sulle tenute Glyd Ring confermano direttamente questo principio: la pressione di contatto massima aumenta parallelamente alla pressione del fluido e rimane costantemente superiore a essa nell’intero intervallo testato, condizione essenziale per evitare perdite. Gli stessi studi evidenziano anche quanto le prestazioni della tenuta siano sensibili al suo profilo esatto: in uno studio sistematico, le migliori prestazioni di tenuta ad alta pressione sono state riscontrate soltanto all’interno di finestre geometriche piuttosto ristrette, dell’ordine di pochi decimi di millimetro per il raggio del labbro e di pochi gradi per l’angolo laterale della tenuta; questa estrema sensibilità spiega in gran parte perché i profili Glyd Ring e Step Seal non possono essere approssimati partendo da un componente simile nell’aspetto.

Va inoltre compreso che una guarnizione alternata non costituisce una barriera perfetta a tenuta zero, neppure quando funziona esattamente come progettata; questo aspetto è rilevante nel valutare se una piccola fuoriuscita di fluido lungo lo stelo rappresenti effettivamente un problema. La teoria della lubrificazione basata sull’equazione di Reynolds, utilizzata per modellare il sottile film di fluido tra il labbro della guarnizione e la superficie mobile, dimostra che una guarnizione alternata trasporta un film di fluido verso l’esterno durante una corsa e un film di fluido verso l’interno durante la corsa di ritorno; la perdita netta per ciclo è proporzionale alla differenza tra questi due spessori di film, la quale a sua volta dipende dal gradiente di pressione sul lato del fluido rispetto a quello dell’aria alle due estremità della corsa. Un profilo di guarnizione progettato per rendere più ripido il gradiente di pressione sul lato del fluido e più piatto su quello dell’aria restituirà più fluido di quanto ne lasci uscire, avvicinandosi a una perdita netta pari a zero su un intero ciclo; un profilo mal abbinato produce l’effetto opposto. Questo costituisce parte del fondamento teorico per cui piccole variazioni del profilo, misurate in decimi di millimetro e discusse in precedenza, possono avere un impatto sproporzionato sulla perdita misurata.

Dove vengono utilizzati i tenute Glyd Ring e Step Seal sulle perforatrici per roccia?

Su una perforatrice per roccia, le tenute di tipo Glyd Ring e Step Seal si trovano più comunemente nei cilindri idraulici degli attuatori che muovono l’equipaggiamento intorno alla punta di perforazione, piuttosto che all’interno del meccanismo a percussione dell’unità perforatrice: cilindri di alimentazione che avanzano e ritraggono la punta lungo il suo binario guida, cilindri del braccio e di rotazione che posizionano la punta sopra il foro, e cilindri attuatori simili ubicati altrove sul veicolo portante. Questi cilindri operano in condizioni di doppio effetto con pressione alternata, esattamente come previsto nella progettazione delle tenute Glyd Ring e Step Seal.

Poiché i cilindri di alimentazione, in particolare, compiono cicli continui durante un turno di perforazione e operano in un ambiente polveroso e ricco di detriti, le loro tenute per pistone e stelo sono tra gli elementi soggetti a usura più frequentemente sostituiti sul lato ‘attrezzatura’ di un’operazione di perforazione per roccia, distinte invece dalle parti soggette a usura sul lato ‘percussione’, come la membrana dell’accumulatore o la tenuta a coppa trattate altrove.

Cosa accade quando un anello Glyd o una guarnizione a gradino si rompono?

Quando l’anello antiusura in PTFE si consuma completamente oppure l’O-ring elastico perde la propria elasticità, la guarnizione non riesce più a mantenere una pressione di contatto sufficiente contro il cilindro o lo stelo per trattenere la pressione idraulica. Il risultato pratico è una perdita interna oltre il pistone (che si manifesta con la perdita di forza di ritenuta del cilindro o con un suo spostamento sotto carico) oppure una perdita esterna oltre la guarnizione dello stelo (con fuoriuscita visibile di olio dallo stelo, specialmente dopo che il cilindro è rimasto fermo e sotto pressione per un certo periodo).

Poiché l’anello in PTFE e l’O-ring possono rompersi indipendentemente — un O-ring indurito o screpolato può compromettere un anello in PTFE ancora funzionante, mentre un anello in PTFE consumato può esporre un O-ring altrimenti integro a usura diretta — la sostituzione avviene generalmente tramite un kit completo che include entrambi i componenti, piuttosto che considerarli ricambi separati.

Foto 2: Guarnizione in PTFE consumata e O-ring elastico

Come capire se la guarnizione del vostro cilindro si è rotta?

Un anello Glyd o una guarnizione a gradino difettosi si manifestano generalmente con uno o più dei seguenti sintomi:

• Il cilindro perde forza di ritenuta o subisce un movimento lento (creep) sotto carico quando invece dovrebbe rimanere fermo.
• Perdita visibile di olio alla guarnizione dello stelo, particolarmente evidente dopo che la macchina è rimasta ferma sotto pressione.
• Movimento del cilindro più lento o meno costante, specialmente all’inizio della corsa.
• Contaminazione o cambiamento di colore dell’olio idraulico causato da una guarnizione raschiante che non esclude più polvere e detriti.
• Un cilindro che risulta molleggiato al tatto o perde precisione nel posizionamento, coerentemente con un by-pass interno attraverso la guarnizione del pistone.

La tabella seguente collega questi sintomi alle cause probabili e a un primo controllo ragionevole.

Quali sono le cause dell'usura prematura di queste tenute?

Diverse condizioni riducono la durata operativa delle tenute Glyd Ring e Step Seal ben al di sotto del loro potenziale progettuale:

• Olio idraulico contaminato contenente particelle abrasive, che accelera l'usura della superficie di scorrimento dell'anello in PTFE.
• Un cilindro o un’asta con superficie rigata, pittingata o corrosa, che l’anello in PTFE non riesce a compensare pienamente, indipendentemente da quanto sia correttamente posizionato.
• Un materiale dell’O-ring energizzatore incompatibile con il fluido idraulico utilizzato, che ne provoca gonfiore, indurimento o perdita di elasticità più rapida del previsto.
• Installazione errata, in particolare l’inserimento di una Step Seal con orientamento scorretto, che compromette fin dall’inizio la sua progettazione di tenuta unidirezionale.
• Temperature elevate prolungate oltre il campo di temperatura nominale dell’O-ring energizzatore, poiché l’anello in PTFE sopporta bene il calore, ma il materiale elastomerico sottostante è solitamente il punto debole.

Perché l'orientamento di installazione è così importante per una guarnizione a gradino?

Il profilo simmetrico di una guarnizione Glyd Ring rende praticamente impossibile installarla al contrario; infatti, garantisce la tenuta allo stesso modo indipendentemente dall'orientamento. Il profilo a gradino, asimmetrico, di una guarnizione a gradino è esattamente l'opposto: è progettato specificamente per garantire la tenuta in un solo senso, e se viene installata al contrario, il lato a bassa pressione della guarnizione si trova ora rivolto verso l'olio in pressione che dovrebbe invece trattenere.

Una guarnizione a gradino installata con orientamento errato potrebbe sembrare funzionare per breve tempo, poiché l'anellino O-ring di alimentazione continua comunque a fornire una certa forza di tenuta; tuttavia, essa generalmente cede ben prima del suo ciclo di vita nominale e può deteriorarsi in modo tale da apparire identico all'usura ordinaria — ecco perché, ogni volta che si sostituisce una guarnizione per stelo, è opportuno verificare due volte l'orientamento di installazione seguendo le istruzioni del produttore per il montaggio, anziché basarsi semplicemente sulla forma della scanalatura.

I sigilli a gradino presentano inoltre una caratteristica di perdita documentata, dipendente dalla pressione, che è utile conoscere prima di diagnosticare un guasto. La ricerca classica sul comportamento dei sigilli a gradino descrive quattro zone man mano che la pressione del sistema aumenta: una zona sub-sigillante a pressione molto bassa (circa 0–0,6 MPa), dove le perdite sono trascurabili; una zona di instabilità (circa 0,6–1,5 MPa), nella quale l’anello scorrevole può fluttuare momentaneamente e l’attrito scende a un minimo locale, determinando un aumento temporaneo delle perdite interne, pur senza alcun guasto reale; una zona di sigillatura normale (circa 3–32 MPa, a seconda della progettazione), che copre la maggior parte delle pressioni operative reali, dove le prestazioni di tenuta sono buone e stabili; e una zona di rottura del sigillo, al di sopra della pressione nominale del sigillo, dove la tenuta si deteriora definitivamente. Poiché la zona instabile si colloca ben al di sotto della pressione operativa normale nella maggior parte dei cilindri, essa raramente causa problemi nella pratica; tuttavia, nelle applicazioni in cui il passaggio attraverso tale zona è inevitabile — ad esempio durante un incremento lento della pressione — talvolta si sceglie intenzionalmente di attraversarla rapidamente, oppure si accoppia un sigillo a gradino con un secondo sigillo di tipo diverso, in modo che i rispettivi intervalli di instabilità non si sovrappongano. Questo è uno dei motivi per cui i kit di tenuta multicomponente, anziché un singolo anello, costituiscono la specifica standard per una posizione di tenuta sull’asta.

Foto 3: Orientamento di installazione della guarnizione a gradino .

Come scegliere la guarnizione Glyd Ring o la guarnizione a gradino di ricambio più adatta?

Una volta confermato il guasto, tre fattori determinano la scelta della guarnizione di ricambio più adatta:

• Corrispondenza dimensionale esatta del diametro interno del cilindro o del diametro della barra e del profilo della scanalatura, poiché le guarnizioni Glyd Ring e le guarnizioni a gradino sono dimensionate e profilate specificamente per ogni progetto di cilindro.
• Un composto in PTFE e un materiale per l’anello elastico di energizzazione adatti al carico, alla velocità e al fluido idraulico dell’applicazione, argomenti trattati in maggiore dettaglio in un articolo correlato sui materiali impiegati in queste guarnizioni.
• L’acquisto di una coppia abbinata (anello in PTFE più anello elastico di energizzazione) anziché la combinazione di componenti provenienti da fornitori diversi, poiché le due parti sono progettate per funzionare insieme con un preciso gioco e una precisa precarica.

Foto 4: Disposizione preliminare del kit di guarnizioni di ricambio prima dell’installazione

Dove è possibile reperire guarnizioni di ricambio affidabili?

Poiché le dimensioni degli anelli Glyd Ring e dei sigilli a gradino sono specifiche per ciascun diametro di cilindro o per la dimensione della stelo e per il disegno della scanalatura, l’approvvigionamento dipende dalla capacità di individuare un fornitore in grado di fornire esattamente le dimensioni richieste e di consigliare una combinazione adeguata di PTFE e O-ring per l’applicazione specifica, anziché un componente di dimensioni generiche.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, produttore cinese di guarnizioni fondato nel 2013, produce componenti di tenuta in PU, gomma e PTFE, inclusi sigilli per pistoni e per steli del tipo Glyd Ring e Step Seal impiegati nei cilindri idraulici utilizzati nell’equipaggiamento per la perforazione rocciosa, nelle costruzioni e negli escavatori; l’azienda dichiara di offrire gratuitamente supporto tecnico per verificare le dimensioni corrette e la combinazione di materiali adatta a un determinato cilindro prima della conferma dell’ordine.

Se non si è certi del tipo di tenuta necessario per il proprio cilindro, il metodo più affidabile per ottenere una tenuta che si adatti correttamente e funzioni come previsto consiste nel fornire al fornitore i diametri del cilindro (alesaggio e stelo), le dimensioni della scanalatura e le condizioni operative tipiche (pressione, velocità, tipo di fluido idraulico e temperatura), in modo che possa effettuare un confronto incrociato con progetti di cilindri noti.

Foto 5: Kit di tenute confezionato per la spedizione

1. Dai L. "Ottimizzazione e indagine sperimentale sulle prestazioni di tenuta idraulica a pistone del tipo Glyd Ring." Tesi di laurea magistrale, Jiangnan University, 2025.
2. Yao S. "Analisi delle caratteristiche di tenuta del tipo Step Seal." Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. "Metodo di calcolo della durata utile dei ring Glyd impiegati nei pistoni dei cilindri idraulici." Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. «Ottant’anni di ricerca sulle guarnizioni idrauliche a movimento alternato: revisione degli studi tribologici e degli argomenti correlati dagli anni Trenta ad oggi». Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.