Progettazione del prodotto — Progettazione delle guarnizioni statiche

Il nucleo della progettazione delle guarnizioni consiste nell'assicurare che, grazie agli effetti combinati di struttura, tolleranze, materiali e altri fattori, il prodotto blocchi tutti i percorsi di perdita per l'intera durata del suo ciclo di vita.

Se si verifica la guarnizione esclusivamente quando è nuova di zecca e si trascurano aspetti come le tolleranze dell'anello di tenuta, le tolleranze dei componenti o il comportamento della guarnizione dopo l'invecchiamento, si rischia facilmente di incorrere in perdite in un secondo momento. Tali fattori devono essere considerati fin dalle prime fasi della progettazione.

Le informazioni pubblicamente disponibili classificano le guarnizioni in guarnizioni statiche e guarnizioni dinamiche (a seconda che vi sia o meno movimento relativo tra la guarnizione e i componenti durante il funzionamento). L’attenzione progettuale è molto diversa per ciascuna tipologia. Questo articolo tratta esclusivamente le guarnizioni statiche.

Contenuto

1. Principio di tenuta e modalità di guasto

2. Progettazione della struttura dell’anello di tenuta

1. Modalità di guasto in diversi stati

2. Pressione di contatto e lunghezza di contatto in condizioni di LMC

3. Percentuale di riempimento e sollecitazione locale in condizioni di MMC

3. Resistenza alle intemperie degli anelli di tenuta

1. Definizione di deformazione permanente per compressione

2. Come il valore di deformazione permanente è correlato alla pressione (tasso di compressione), alla temperatura e al tempo di invecchiamento

3. Metodo rapido di valutazione dopo l'invecchiamento

4. Ambito di questo articolo e argomenti futuri

1. Principio di tenuta e modalità di guasto

Un prodotto forma una tenuta perché l’elastomero (anello di tenuta) viene premuto contro la superficie di contatto, impedendo il passaggio di gas o liquidi.

Dal punto di vista del percorso di perdita, il guasto della tenuta presenta due forme principali:

• Perdita all’interfaccia: si verifica tra l’anello di tenuta e la superficie di contatto quando l’aderenza non è sufficiente. Il fluido scorre lungo l’interfaccia o attraverso il gioco.

• Permeazione del materiale: le molecole di gas o liquido attraversano il materiale in gomma o plastica a livello molecolare.

Nell’ingegneria pratica, il test a bolle sotto pressione positiva individua generalmente con maggiore facilità le perdite all’interfaccia di grandi dimensioni. L’insuccesso dell’isolamento dopo immersione è più indicativo per valutare se l’intero prodotto presenta perdite a livello di sistema.

Nota importante: i risultati dei test non indicano automaticamente il meccanismo di guasto esatto. Ad esempio, un prodotto potrebbe non presentare bolle sotto pressione positiva, ma fallire l’isolamento sotto pressione negativa. Ciò non dimostra necessariamente che si tratti di permeazione del materiale: potrebbe trattarsi invece di una perdita all’interfaccia, di difetti locali nell’anello di tenuta o di un altro percorso di fuoriuscita.

2. Progettazione della struttura dell’anello di tenuta

Tutte le linee guida pubbliche per la progettazione sottolineano che, nella progettazione di un anello di tenuta, è necessario valutare congiuntamente la quantità di compressione, il riempimento della scanalatura, lo stato di allungamento/installazione, la finitura superficiale e le tolleranze. Una compressione insufficiente comporta un contatto scadente; una compressione eccessiva può accelerare la deformazione permanente, rendere eccessiva la forza di montaggio o causare danni locali.

Nella progettazione ingegneristica è possibile utilizzare l’analisi agli elementi finiti (FEA) per simulare il comportamento dell’anello di tenuta durante l’allungamento, il montaggio, ecc., e valutarne l'affidabilità sulla base di parametri chiave. Di seguito sono elencati gli elementi da verificare con particolare attenzione.

Nota: questi valori sono indicatori ingegneristici indiretti, non misure dirette della perdita stessa.

1. Modalità di guasto in diversi stati

Durante la revisione della struttura, verificare innanzitutto se emergono modalità di guasto evidenti in corrispondenza di diverse combinazioni dimensionali e stati di assemblaggio, ad esempio:

• Collasso del labbro di tenuta

• Arricciamento o pizzicamento

• Estrusione locale

• Evidente concentrazione anomala di sollecitazione

Questo passaggio consente di stabilire se la tenuta si trova ancora in condizioni operative normali. Anche qualora il tasso nominale di compressione risulti accettabile, la affidabilità può comunque diminuire se il labbro di tenuta collassa o si piega in condizioni estreme di assemblaggio.

2. Pressione di contatto e lunghezza di contatto in condizione LMC (Least Material Condition)

Per le tenute statiche, la condizione LMC (dimensione dell’anello di tenuta al minimo della tolleranza, gioco della scanalatura al massimo della tolleranza) rappresenta spesso il punto più critico, poiché tale combinazione determina una riduzione più facile della pressione di contatto e della lunghezza di contatto.

Nel campo del connettore, l'esperienza dimostra che, per la gomma siliconica, il progetto iniziale dovrebbe prevedere una pressione positiva >500 kPa e una lunghezza di contatto >0,6 mm. Si tratta di un valore di riferimento in grado di garantire una tenuta all'aria di 28 kPa dopo 1008 h a 125 °C (equivalente approssimativamente a una profondità d'acqua di 3 m).

Note aggiuntive:

① Se necessario, valutare anche la deformazione delle parti accoppiate sotto carico.

② La pressione di contatto e la lunghezza di contatto sono verifiche a livello macroscopico; a livello microscopico è comunque necessario considerare i canali di perdita generati dalla rugosità superficiale.

3. Percentuale di riempimento e tensione locale in condizioni MMC (Maximum Material Condition)

In condizioni MMC l'anello di tenuta è più soggetto a sovra-compressione. Prestare attenzione a:

• Se la percentuale di riempimento della sezione trasversale è eccessiva (deve rimanere inferiore al 100%).

• Se la tensione locale supera la resistenza del materiale (deve rimanere inferiore alla resistenza a trazione della gomma) e mostra tendenza all’imbozzamento.

• Se sussiste il rischio di estrusione.

3. Resistenza alle intemperie degli anelli di tenuta

La prima parte ha trattato le prestazioni dell'anello di tenuta quando nuovo, e l'analisi agli elementi finiti (FEA) può fornire risultati abbastanza accurati in tal senso.

Tuttavia, i materiali in gomma subiscono deformazione permanente per compressione, rilassamento della tensione, invecchiamento termico e degrado delle proprietà nel tempo, pertanto l’interfaccia di tenuta perde gradualmente la forza di contatto originale.

Superare i controlli iniziali non significa che il componente rimarrà affidabile alla fine del suo ciclo di vita. È necessario considerare fin dall’inizio della progettazione i fattori legati all’invecchiamento.

1. Definizione di deformazione permanente per compressione

La deformazione permanente per compressione (compression set) è un indice fondamentale per valutare quanto bene la gomma conservi la propria elasticità dopo una compressione prolungata.

Ciò significa che, dopo che l’anello di tenuta è stato compresso e invecchiato per un lungo periodo, una volta rimosso il carico non riesce a ritornare completamente alla sua forma originale. Maggiore è la deformazione permanente per compressione, minore è la capacità di recupero e più elevato è il rischio di perdere un contatto efficace di tenuta alla fine del ciclo di vita.

(L’articolo riporta qui un diagramma relativo alla deformazione permanente per compressione.)

(L'articolo mostra il dispositivo di prova standard del settore per la misurazione della deformazione permanente degli anelli di tenuta — un blocco di gomma di dimensioni standard posto tra due piastre.)

2. Come il valore di deformazione permanente è correlato alla pressione (tasso di compressione), alla temperatura e al tempo di invecchiamento

Qualitativamente, i tre fattori principali sono la pressione (percentuale di compressione), la temperatura e il tempo.

(L'articolo mostra un grafico della deformazione permanente della gomma al silicone VMQ in funzione della percentuale di compressione. Per il VMQ, una compressione troppo bassa o troppo elevata non è ottimale per le prestazioni a lungo termine.)

(Nota: quando la compressione è molto leggera, il valore percentuale della deformazione permanente può apparire molto alto.)

(L'articolo mostra grafici della deformazione permanente dopo invecchiamento a diverse temperature — temperature più elevate peggiorano il recupero.)

(L'articolo mostra la durata approssimativa in servizio di diversi materiali per guarnizioni a varie temperature — a solo scopo indicativo.)

(L'articolo mostra un grafico della deformazione permanente della gomma NBR in funzione del tempo di invecchiamento.)

3. Metodo rapido di valutazione dopo l'invecchiamento

Nella pratica ingegneristica, è possibile inserire il valore di deformazione residua a compressione dopo invecchiamento nel progetto iniziale per verificare rapidamente se il margine disponibile è sufficiente e valutare il rischio di guasto alla fine del ciclo di vita.

Esempio: se la percentuale iniziale di compressione progettata è del 10%, ma dopo 1008 h a 125 °C la deformazione residua a compressione raggiunge il 17%, allora dopo l’invecchiamento la tenuta è molto probabilmente destinata a fallire. È necessario aumentare la percentuale iniziale di compressione o scegliere una gomma con prestazioni migliori in termini di deformazione residua a compressione.

Nota: questo metodo è utile per controlli rapidi o per valutare tendenze, ma non per prevedere direttamente la portata finale di perdita.

4. Ambito di questo articolo e argomenti futuri

Questo articolo fornisce un quadro qualitativo per la progettazione delle tenute, ma molti argomenti non sono ancora trattati, ad esempio la relazione tra rugosità superficiale e tenuta, l’effetto delle basse temperature sulle prestazioni della tenuta, i metodi quantitativi per la valutazione della portata di perdita e la costruzione di modelli di fitting temperatura-invecchiamento.

Referenze

[1] Parker Hannifin Corporation. Parker O-Ring Handbook: ORD 5700[M]. Cleveland, OH: Parker Hannifin Corporation, 2021.

[2] QIAN Y H, XIAO H Z, NIE M H, et al. Previsione della durata del gomma nitrilica sotto sollecitazione di compressione in olio per trasformatori [C]// Atti della 5a Conferenza Internazionale 2016 sulla Misurazione, Strumentazione e Automazione (ICMIA 2016). Parigi: Atlantis Press, 2016: 189-194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.