O-rings "possono" realizzare sigillature rotanti, ma di norma non dovrebbero essere la prima scelta per sigillature rotanti continue su alberi

Cominciamo innanzitutto con un chiarimento fondamentale: se la O-ring è installata su un coperchio di chiusura, una flangia, un corpo, un tappo o posizioni simili, e non vi è alcun movimento relativo tra le superfici da sigillare, si tratta comunque di una sigillatura statica; questo tipo di applicazione è del tutto corretta per le guarnizioni ad anello O. Ciò che richiede invece particolare attenzione è:

Il diametro interno della guarnizione ad anello O che avvolge direttamente l’albero rotante, oppure il diametro esterno che scorre relativamente rispetto al foro rotante: in entrambi i casi la guarnizione ad anello O viene utilizzata come sigillatura dinamica rotante.

L'essenza di una guarnizione ad anello O è un componente di tenuta che genera pressione di contatto tramite "deformazione per compressione"; il principio fondamentale delle guarnizioni per alberi rotanti è "mantenere un film d'olio sotto pressione di contatto controllata, ridurre il calore generato dall'attrito e compensare l'usura e la deviazione dell'albero". Queste due logiche progettuali non sono pienamente compatibili.

1. Il problema più grave è il calore generato dall'attrito

Quando un anello O viene utilizzato per la tenuta di un albero rotante, l'albero attraversa il diametro interno dell'anello O e la superficie interna dell'anello O rimane in contatto prolungato con l'albero in rotazione. Le istruzioni per la progettazione degli anelli O di Apple Rubber affermano chiaramente che, in condizioni operative rotanti, il diametro interno dell'anello O è soggetto a calore continuo causato dall'attrito, poiché l'elastomero in gomma possiede intrinsecamente una scarsa resistenza al calore; se la velocità di generazione del calore supera quella di dissipazione, l'anello O può fallire.

Questo spiega perché limitarsi a chiedere al cliente "qual è la velocità di rotazione" non è sufficiente: occorre esaminare sia il diametro dell'albero sia la velocità di rotazione.

Ad esempio, quando un albero da 30 mm ruota a 1000 giri/min, la velocità superficiale è di circa 1,57 m/s; quando un albero da 50 mm ruota a 1500 giri/min, la velocità superficiale è di circa 3,93 m/s. Maggiore è il diametro dell’albero, maggiore è il calore generato dall’attrito alla stessa velocità di rotazione.

Parker la spiegazione di 's sull’usura delle guarnizioni dinamiche a O-ring evidenzia inoltre che le guarnizioni dinamiche a O-ring sono facilmente soggette a usura e attrito, e l’attrito dipende dalla pressione sulla superficie di contatto e dall’aumento di temperatura nella zona di contatto della tenuta.

2. Le guarnizioni a O-ring non sono progettate per controllare un film d’olio come una "labbro rotante"

Le tenute per lubrificanti con struttura portante, le tenute radiali per alberi, le tenute a labbro in PTFE e altri componenti di tenuta rotanti hanno come valore fondamentale non soltanto "trattenere l’olio", ma anche formare continuamente una zona di contatto controllabile grazie alla geometria del labbro, alla forza di contatto e alla struttura a molla o a pre-tensione.

I dati tecnici sulla tecnologia delle guarnizioni rotanti di Freudenberg spiegano: dopo che l'angolo di apertura del labbro è stato accuratamente progettato, il film d'olio formato dall'angolo assiale e dalla distribuzione della forza radiale della molla genera una distribuzione asimmetrica della pressione di contatto; inoltre, grazie alla micro-deformazione post-rodaggio del bordo del labbro, si ottiene un effetto di ritorno dell'olio o «micro-pompaggio», estremamente critico per la funzione di tenuta.

Le guarnizioni ad anello O semplicemente comprimono la propria sezione circolare sull'albero. Non presentano alcun angolo di inclinazione specifico per l'olio, né per l'aria, né alcuna geometria del bordo del labbro caricato elasticamente finalizzata al ritorno dell'olio. Il risultato è: il film lubrificante è più difficile da stabilizzare, l'attrito è meno controllabile e la pressione di contatto fluttua facilmente in funzione di pressione, temperatura, ovalità e salti dell'albero.

Questo è anche il motivo per cui le guarnizioni oleodinamiche, le guarnizioni a labbro, gli anelli V e le guarnizioni meccaniche di tenuta frontale verranno designate in modo indipendente come soluzioni per la tenuta rotante. La definizione di Trelleborg di guarnizioni rotanti per alberi è: componenti utilizzati per sigillare fluidi su parti rotanti o oscillanti, impedendo nel contempo l’ingresso di polvere, acqua e altri contaminanti esterni; la sua linea di prodotti comprende guarnizioni oleodinamiche radiali, guarnizioni oleodinamiche radiali/per alberi, guarnizioni rotanti in PTFE attivate da O-ring, anelli V e guarnizioni meccaniche di tenuta frontale, ecc.

3. Lubrificazione insufficiente che amplifica rapidamente l’usura

La tenuta rotante non è una semplice questione di «gomma che aderisce al metallo». Finché esiste attrito per contatto, sono necessari lubrificazione e dissipazione del calore.

I materiali per le guarnizioni rotanti dell'albero di Freudenberg evidenziano chiaramente: l’adeguatezza della lubrificazione è fondamentale per la durata e l'affidabilità della guarnizione; maggiore è la lubrificazione, minore è l'usura. Lo stesso materiale indica inoltre che i parametri che influenzano la forza radiale e lo stato di lubrificazione incidono anche sul consumo di attrito della tenuta.

Quando si utilizzano anelli O per alberi rotanti, un errore comune è ritenere che «l’installazione con una piccola quantità di grasso sia sufficiente». In realtà, il grasso applicato in fase di montaggio risolve soltanto la fase iniziale di avviamento, ma non garantisce la stabilità a lungo termine del film oleoso. In particolare durante il funzionamento prolungato, l’anello O può facilmente entrare nella condizione di lubrificazione limite o addirittura in quella di attrito secco.

4. Torsione, rotolamento e "guasto a spirale" sono rischi tipici delle guarnizioni dinamiche ad O-ring

La sezione trasversale dell’O-ring è rotonda e, nelle guarnizioni dinamiche, è facilmente influenzata da forze di attrito non uniformi, causando rotolamento e torsione localizzati. L’analisi di Parker sulle cause del guasto a spirale dell’O-ring include: parti non perfettamente circolari, eccentricità, finitura superficiale ruvida, assenza di lubrificazione o carenza di lubrificante, materiale troppo morbido, rapporto tra sezione trasversale e diametro interno non adeguato e allungamento errato durante il montaggio; le misure preventive comprendono la riduzione di non-circolarità ed eccentricità, la riduzione della variabilità della sezione trasversale, l’assicurazione di un’adeguata qualità superficiale, l’uso di materiali più duri e di un rapporto ragionevole tra sezione trasversale e diametro interno.

Questo problema è più evidente sui perni rotanti. Lo stato ideale è: la guarnizione ad anello (O-ring) fissata nella scanalatura, con movimento relativo solo sul diametro interno dell'O-ring. Tuttavia, nella pratica, se la progettazione della scanalatura, la rugosità superficiale, l'entità della compressione o la lubrificazione non sono adeguate, l'O-ring potrebbe "trascinarsi lungo il perno", torsionarsi e arrotolarsi parzialmente nella scanalatura, manifestandosi infine come:

Apple Rubber sottolinea in particolare che, nella progettazione di O-ring rotanti, le applicazioni rotanti o oscillanti devono evitare di montare l'O-ring in tensione sull'albero; l'elastomero sottoposto a tensione e riscaldamento può subire restringimento, ossia l'effetto Joule, con conseguente aumento della temperatura di contatto e del rischio di guasto.

5. Forma non circolare, eccentricità dell'albero e disallineamento possono causare la perdita di controllo della pressione di contatto dell'O-ring

Le guarnizioni rotanti per alberi devono gestire l’eccentricità dell’albero, la coassialità, la rugosità della superficie dell’albero, la durezza e l’errore radiale dinamico di produzione. Le guarnizioni a labbro con anima metallica sono comunemente dotate di una geometria del labbro e di un’assistenza da molla, in grado di compensare entro un certo intervallo lo spostamento radiale e di mantenere l’effetto di tenuta. I dati Freudenberg indicano che la forza radiale della guarnizione deriva dalla forza di compressione in condizioni di montaggio e dalla molla; il design mira a ridurre la forza radiale per diminuire attrito e usura, ma questa deve comunque essere sufficiente a garantire la tenuta.

Gli anelli O non hanno questa struttura dedicata per caricare le molle. Se eccentrica, la compressione di un lato è troppo grande, causando generazione di calore e aumento dell'usura; l'altro lato ha una compressione insufficiente, che perde facilmente. Il disegno di protezione di Apple Rubber per gli anelli O rotanti menziona anche che il movimento relativo dovrebbe verificarsi solo tra il diametro interno dell'anello O e l'albero rotante, e questo deve essere evitato controllando la concentricità dell'albero, la finitura della superficie dell'albero e la condizione della

- Sei. Quando si possono usare gli anelli O per sigilli rotanti?

E' possibile, ma le condizioni di confine devono essere severe, e confermate preferibilmente da test di vita reale. Gli scenari relativamente idonei includono:

Le raccomandazioni di Apple Rubber per la progettazione di anelli O rotativi elencano misure per ridurre il rischio di guasto, quali l’aumento della portata del fluido per dissipare il calore, la scelta di materiali autolubrificanti di alta qualità, la limitazione della pressione, l’evitare temperature estreme e il tentativo di mantenere il fluido lubrificante il più vicino possibile alla zona critica. I dati riportati indicano 180 piedi superficiali al minuto come valore soglia oltre il quale occorrono misure di progettazione specifiche per prevenire tale scenario applicativo; questo valore corrisponde approssimativamente a 0,91 m/s; tali valori vanno intesi come linee guida per progetti specifici, non come limiti universali validi per tutti i materiali e tutte le combinazioni strutturali.

7. Quando gli O-ring non dovrebbero essere la scelta prioritaria?

Le seguenti situazioni consigliano di ricorrere direttamente a tenute ad anello rigido per olio, tenute a V, tenute labbro, tenute rotanti in PTFE o tenute meccaniche:

8. Come selezionare le diverse soluzioni alternative?

Guarnizione oleodinamica con anima / guarnizione radiale per alberi

Adatta alla maggior parte degli alberi rotanti comuni: riduttori, motori, pompe, mozzi ruota, macchine agricole, macchine per lavori pubblici. Il suo vantaggio risiede nella maturità strutturale, nel costo controllabile e nell’installazione standardizzata, garantendo ritenzione dell’olio, protezione dalla polvere e un contatto relativamente stabile grazie al labbro e alla molla di mantenimento. La descrizione tecnica di Freudenberg sulle guarnizioni radiali per alberi afferma che, per ottenere una tenuta affidabile, requisiti importanti sono l’elevata affidabilità, la compatibilità con i fluidi, l’attrito ridotto e la facilità di installazione.

V-Ring

Adatto per la prevenzione della polvere, la resistenza a fango e acqua, la tenuta idraulica, la tenuta assiale sul lato estremo e la protezione contro la contaminazione esterna. I V-Ring ruotano generalmente insieme all'albero e il labbro entra in contatto assialmente con una superficie estrema fissa; non adatto per applicazioni con elevate differenze di pressione, ma molto indicato come protezione esterna ausiliaria o tenuta ausiliaria.

Tenuta a labbro / Tenuta rotante in PTFE

Adatto per applicazioni ad alta velocità, basso attrito, alte temperature, agenti chimici, basse perdite o spazi limitati. In particolare, le tenute rotanti in PTFE con anello O di alimentazione elastica: non sono essenzialmente un "anello O nudo a contatto diretto con l'albero", bensì l'anello O fornisce un precarico elastico, mentre il labbro in PTFE è responsabile della formazione dell'attrito con l'albero rotante. La gamma di prodotti per tenute rotanti di Trelleborg comprende effettivamente tenute rotanti in PTFE con anello O di alimentazione elastica.

Sigillo Meccanico

Adatto per pompe, agitatori, compressori e altre apparecchiature rotanti che richiedono requisiti più elevati in termini di tenuta, pressione, resistenza a mezzi corrosivi o funzionamento prolungato. La tenuta avviene mediante coppie di facce di attrito, non mediante anelli in gomma che strisciano direttamente sull’albero rotante. Gli O-ring possono essere utilizzati all’interno delle tenute meccaniche, ma generalmente come tenute statiche ausiliarie o tenute di compensazione, non come tenuta principale di attrito rotante.

9. Parametri da richiedere durante le richieste commerciali o le verifiche tecniche con i clienti

Prima di valutare se un O-ring possa essere utilizzato per una tenuta rotante, occorre almeno confermare le seguenti informazioni:

10. Sintesi dei punti di vista principali

Le guarnizioni O-ring non sono incapaci di garantire la tenuta rotante, ma non sono adatte a essere considerate di default come guarnizione primaria per alberi rotanti. Il rischio principale è legato a: calore generato dall’attrito, lubrificazione insufficiente, torsione/rotolamento, usura e graffi, salto dell’albero che causa contatto non uniforme, deformazione permanente per compressione e durata instabile.

Il principio ingegneristico più solido è:

Per le tenute statiche, priorità alle guarnizioni O-ring; per gli alberi rotanti continui, priorità alle guarnizioni a labbro, alle guarnizioni oleodinamiche con struttura portante, alle guarnizioni a V o alle guarnizioni meccaniche; le guarnizioni O-ring nude vengono utilizzate esclusivamente in scenari a bassa velocità, bassa pressione, con lubrificazione adeguata e rischio verificabile.