Tecnologia di tenuta e scelta dei materiali nei sistemi idraulici

La tenuta è fondamentale per garantire il corretto funzionamento di un sistema idraulico. Qualsiasi perdita d’olio dal cilindro o dal pistone, o qualsiasi infiltrazione di sporco all’interno, riduce la durata dell’intero sistema e ne compromette l’efficienza.

Per impedire la fuoriuscita d’olio e l’ingresso di sporco, il settore ha sviluppato numerosi tipi diversi di guarnizioni, tecniche e metodi, ciascuno con i propri punti di forza. In alcune applicazioni particolarmente gravose, una singola guarnizione potrebbe non essere sufficiente, pertanto gli ingegneri ricorrono a un sistema di tenuta completo.

Scelta e utilizzo dei sistemi di tenuta

Un sistema di tenuta è solitamente composto da diverse guarnizioni speciali che operano in sinergia per garantire ottime prestazioni complessive. Un sistema di tenuta per cilindro ad alta pressione comprende normalmente quattro componenti: uno spazzolino raschiatore (wiper), una guarnizione per stelo (o guarnizione principale), una guarnizione di protezione (o guarnizione secondaria) e un anello di guida.

I quattro materiali più utilizzati oggi per le guarnizioni idrauliche sono il poliuretano (PU), la gomma nitrilica (NBR), la gomma fluorurata (FKM) e il politetrafluoroetilene (PTFE).

Come scegliere il materiale giusto

La scelta del materiale dipende dalle condizioni operative. Diversi agenti chimici reagiscono

in modo diverso con ciascun materiale e alcuni possono sopportare pressioni o temperature più elevate. Il materiale deve inoltre resistere alla deformazione per estrusione. La scelta corretta dipende pertanto sempre dall’impiego specifico.

Di seguito sono elencati i materiali per tenute più comuni e le loro caratteristiche principali.

1. Poliuretano (PU)

Il poliuretano è un materiale plastico resistente che contiene numerosi gruppi uretanici nella sua struttura chimica. È un tipo di elastomero termoplastico. Si comporta in parte come una plastica rigida e in parte come una gomma, colmando il divario tra queste due categorie.

Le sue proprietà derivano da tre ingredienti principali: poliolo, diisocianato ed estensore di catena. Il tipo e la quantità di ciascuno, uniti al modo in cui reagiscono tra loro, determinano le prestazioni finali. Il poliuretano offre generalmente:

·Elevata resistenza meccanica

·Elevata resistenza alla trazione

·Ottima resistenza all’usura

·Eccellente flessibilità

·Rigidità regolabile su un ampio intervallo

·Ampia gamma di durezza pur mantenendo l’elasticità

·Buona resistenza all’ozono e all’invecchiamento

·Eccellente resistenza all’usura e allo strappo

·Buona resistenza all'olio e alla benzina

Intervallo di temperatura: da -30 a 80 °C. Tipi speciali ad alte prestazioni possono sopportare fino a 110 °C per lunghi periodi in olio minerale.

2. Gomma nitrilica (NBR)

La NBR è costituita da butadiene e acrilonitrile. La quantità di acrilonitrile (ACN) ne modifica notevolmente le proprietà:

·Elasticità

·Tenacità a basse temperature

·Permeabilità ai gas

·Rilassamento sotto compressione (compression set)

·Resistenza al rigonfiamento in olio minerale, grasso e carburante

La NBR a basso contenuto di ACN è molto flessibile a basse temperature (fino a circa -45 °C), ma offre solo una resistenza media all'olio e al carburante. La NBR ad alto contenuto di ACN presenta la migliore resistenza all'olio e al carburante, ma può soltanto

mantenere la flessibilità fino a -3 ℃. Man mano che il contenuto di acrilonitrile (ACN) aumenta, l'elasticità diminuisce e il ritorno elastico dopo compressione peggiora.

L’NBR è particolarmente adatto a:

· Resistere al rigonfiamento in idrocarburi alifatici, grassi, oli idraulici antincendio HFA/HFB/HFC, oli vegetali e animali, carburanti leggeri e gasolio

· Resistere all’acqua calda fino a 100 ℃ (ad esempio negli impianti idraulici), ad acidi e basi deboli

· Offrire una resistenza media ai carburanti altamente aromatici

Si rigonfia notevolmente in presenza di idrocarburi aromatici, idrocarburi clorurati, oli antincendio HFD, esteri, solventi polari e liquido freno a base di glicole.

Intervallo di temperatura: da -40 a 100 ℃ (per brevi periodi fino a 130 ℃). Miscele speciali possono operare a temperature fino a -55 ℃. Al di sopra del limite specificato, il materiale diventa rigido.

3. Gomma fluorurata (FKM)

La gomma fluorurata (FKM) è ottenuta combinando il fluoruro di vinilidene (VF) con diverse quantità di

esafluoropropilene (HFP), tetrafluoroetilene (TFE) e altri componenti. La composizione della miscela e il contenuto di fluoro (dal 65% al 71%) determinano il grado di resistenza chimica e la prestazione a basse temperature. Può essere vulcanizzata con diammine, bisfenoli o perossidi organici.

L'FKM è noto per:

·Eccellente resistenza alle alte temperature

·Eccezionale resistenza ad olio, benzina, olio idraulico e solventi a base di idrocarburi

·Buona resistenza al fuoco

·Permeabilità ai gas molto bassa

·Alto rigonfiamento in solventi polari, chetoni, oli idraulici resistenti al fuoco di tipo Skydrol e liquido per freni

Intervallo di temperatura: circa -20 ÷ 200 ℃ (per brevi periodi fino a 230 ℃). Gradi speciali possono operare da -50 a 200 ℃.

4. Politetrafluoroetilene (PTFE)

Il PTFE è ottenuto dal tetrafluoroetilene. Questo materiale non elastomerico è particolare perché:

·La sua superficie è estremamente liscia e stabile

·È atossico fino a 200 ℃ ·Attrito estremamente basso rispetto a quasi qualsiasi altra superficie: l'attrito statico e dinamico sono quasi identici

·Eccellente isolamento elettrico (quasi indipendente da frequenza, temperatura o condizioni atmosferiche)

·Resistenza chimica superiore a quella di qualsiasi altra plastica o gomma

·Attaccato soltanto dai metalli alcalini liquidi e da alcuni composti del fluoro ad alta temperatura

Intervallo di temperatura: da -200 ℃ a 260 ℃. Anche a temperature molto basse mantiene comunque una certa flessibilità, pertanto è utilizzato in numerose applicazioni per ambienti estremamente freddi.

poiché il PTFE non è molto elastico e può subire deformazione viscosa nel tempo, la maggior parte delle guarnizioni idrauliche lo combina con una molla o un componente in gomma per mantenere il labbro ben aderente.

Principali tipologie di guarnizioni nei cilindri idraulici

Di seguito sono riportati i tipi di guarnizione più comuni impiegati nei cilindri idraulici.

1. Guarnizioni per pistone

·Guarnizione tra pistone e tubo del cilindro: fondamentale affinché il cilindro funzioni correttamente

·Il design più comune è una guarnizione a labbro, ma vengono utilizzati anche O-ring o guarnizioni a T

·Deve garantire una tenuta ermetica mantenendo al contempo l’attrito basso

·Realizzata in materiali diversi a seconda dell’applicazione

·Richiede la pressione del sistema per spingere il labbro contro la superficie di tenuta

2. Raschiatori (guarnizioni antipolvere)

·Azione raschiante efficace per impedire l’ingresso di fango, acqua, polvere e sporco

·Raschia il film d’olio riportandolo all’interno del sistema quando lo stelo si ritrae

·Proteggono le guarnizioni principali prolungandone la durata

·Realizzati generalmente in poliuretano ad alta resistenza all’usura

·Spesso utilizzati anche come guarnizioni a grasso sui perni delle connessioni

3. Guarnizioni per asta

·Impedire la fuoriuscita dell’olio dal sistema

·Devono funzionare correttamente sia a bassa che ad alta pressione

·Devono offrire un’eccellente resistenza all’estrusione e all’usura

·Devono riportare il film d’olio nel sistema

·Solitamente sopportano pressioni fino a 31,5 MPa

4. Guarnizioni di protezione

·Assorbire improvvisi picchi di alta pressione

·Proteggere la guarnizione per asta dagli sbalzi di pressione

·Possono rilasciare la pressione intrappolata tra le guarnizioni, prolungando così la vita utile della guarnizione per asta e consentendo un gioco maggiore senza rischio di estrusione. Sono inoltre molto resistenti all’usura.

5. Anelli di guida (fasce di usura)

·Impediscono il contatto tra le parti metalliche all'interno del cilindro

·Mantengono centrati lo stelo del pistone e il pistone

·Contribuiscono ad aumentare la durata delle guarnizioni

6. O-ring

·I più comuni per le guarnizioni statiche (non mobili)

·Sigillano mediante compressione radiale o assiale

·Funzionano in entrambe le direzioni

·Possono essere utilizzati come elemento di forza o come guarnizione principale

·Auto-sigillanti: non richiedono pressione o velocità aggiuntive

La tecnologia di tenuta è il cuore dell'affidabilità, della lunga durata e dell'efficienza dei sistemi idraulici. Dalla scelta del singolo materiale più adatto alla progettazione di un sistema completo composto da più parti, ogni decisione deve corrispondere esattamente alle pressioni, alle temperature e alle condizioni operative previste.