Anelli di tenuta per alberi rotanti - Sezione tecnica

Componenti fondamentali

Labbro di tenuta

Materiali costituenti il labbro di tenuta

Il materiale di cui è costituito il labbro di tenuta è una mescolanza tra uno o più elastomeri di base e una serie di vari ingredienti, come: cariche rinforzanti, plastificanti, antiossidanti, acceleranti, ecc.. Ciò allo scopo di conferirgli determinate caratteristiche, quali:

•  stabilità al fluido con cui viene a contatto 
•  alto grado di elasticità
•  resistenza all’usura
•  basso coefficiente d’attrito

Le proprietà fisiche e chimiche di ogni singolo elastomero sono verificate e definite attraverso test di laboratorio in accordo alla specifica ASTM D 2000 che ne guida anche le relative classificazioni.

La conoscenza dei materiali è indispensabile al tecnico progettista per la scelta corretta di quello più idoneo all’applicazione di suo interesse.

Le principali qualità di mescole impiegate dalla ROLF per la produzione degli anelli di tenuta sono identificate secondo la norma ISO 1629:

Modifiche alla struttura di tali mescole o studi di nuove mescole possono essere effettuate dalla Rolf per meglio soddisfare esigenze particolari dei clienti.

L’ampia richiesta di produzione di anelli di tenuta, proveniente da ogni settore industriale, ha permesso a ROLF di sviluppare mescole specifiche per ogni tipo di applicazione. 

Tabella: principali elastomeri di uso standard

La gamma innumerevole di fluidi presenti sul mercato, prodotti con le più diversificate formulazioni, non permettono una caratterizzazione generica degli elastomeri ma richiedono verifiche costanti sulla loro compatibilità chimica in rapporto alle condizioni di utilizzo previste. Le tabelle riportate nel presente capitolo sono pertanto da considerare solo a scopo indicativo in modo da permettere un primo orientamento nella scelta delle soluzioni più adeguate.I valori indicati sono ricavati tramite una serie di test di laboratorio eseguiti su lastrine in gomma, così come previsto e descritto dalla norma ASTM D 2000.

I valori ottenuti sul prodotto finito possono invece variare rispetto ai dati mostrati sopra in quanto influenzati dalla tecnologia di produzione, dalle geometrie dei profili e dalle dimensioni dei provini.

Tabella: Elastomeri di base per industria generale

Legenda:

⚪    non sperimentata

🔴    non compatibile

🟡    limitatamente compatibile

🟢    compatibile ma generalmente non impiegato

Descrizione degli elastomeri

NBR - Gomma nitrilica

E’ l’elastomero impiegato nella maggior parte delle applicazioni correnti sia per le sue buone caratteristiche meccaniche che di resistenza ai grassi e agli olii minerali.

Caratterizzato da:

• Alto carico di rottura
• Alto carico di allungamento a rottura
• Basso rigonfiamento in lisciva (acqua calda e detergenti chimici)

In particolare è indicato a contatto con:

• olii a base paraffinica (alifatici)
• olii e grassi minerali (oli motore, oli per cambi, differenziali, ecc...)
• olii idraulici
• acqua dolce e soluzioni acquose (liscive) 
• acqua marina 

Limitazioni d’uso:

• esposizione in ambienti sporchi, alla luce e all’ozono 
• combustibili ad alto contenuto aromatico
• idrocarburi aromatici (es.: benzene, toluene)
• solventi polari (esteri, eteri, chetoni e anilini)
• idrocarburi clorurati (tricloroetilene) 
• fluidi per freni a base di glicoli

Tabella: principali elastomeri di uso standard

ACM - Gomma poliacrilica

Questo elastomero è indicato per l’impiego con: 

• olii motore anche se additivati e contenenti zolfo
• olii trasmissione
• olii idraulici
• ozono e ambiente

Limitazioni d’uso:

• acqua e soluzioni acquose
• idrocarburi aromatici
• solventi polari (esteri, eteri, chetoni e anilini)

Tabella: principali elastomeri di uso standard

MVQ - Gomma siliconica

Per la sua composizione chimica (catene ad alto peso molecolare di polisilossani opportunamente modificate), presenta una notevole resistenza agli agenti atmosferici, alla luce e all’ozono. Mostra inoltre un’eccellente resistenza alle basse ed alle alte temperature tanto che il suo campo di utilizzo ne copre una vasta fascia e, sebbene la sua resistenza alla lacerazione e all’abrasione non siano completamente soddisfacenti, il suo basso coefficiente di attrito ne compensa ampiamente l’effetto.

E’ indicato per:

• resistenza agli agenti atmosferici, ozono, ecc...
• oli minerali
• fluidi a base glicolica

Non utilizzare mai con le benzine

Il campo di temperatura varia tra -55°C e +180°C.

Limitazioni d’uso:

• solventi polari (esteri, eteri, chetoni e anilini)

Tabella: principali elastomeri di uso standard

FPM - Gomma fluorurata

Questo elastomero possiede un’eccezionale resistenza al calore ed agli agenti chimici. Le sue proprietà rimangono inalterate indefinitamente fino a 200°C circa. Offre ottime prestazioni a contatto con:

• idrocarburi alifatici
• idrocarburi aromatici (toluolo, benzolo, xilolo)
• oli e grassi vegetali e minerali anche additivati
• solventi clorurati
• ozono
• luce ed agenti atmosferici

Il campo di temperatura varia tra -30°C e + 200°C.

Limitazioni d’uso:

• solventi polari (esteri, eteri, chetoni e anilini)
• basse temperature; scarsa flessibilità approssimativamente tra -20°C e +15°C
• alto “compression set” in acqua calda
• limitata resistenza alla lacerazione a temperature > 100°C

Tabella: principali elastomeri di uso standard

HNBR - Gomma nitrilica idrogenata

La struttura chimica di questo elastomero (ottenuta idrogenando un tipo opportuno di gomma nitrilica NBR) consente, specialmente se vulcanizzato con un sistema perossidico, una resistenza alla temperatura mediamente di 30°C superiore alla gomma nitrilica e un’ottima resistenza all’abrasione.

La resistenza agli olii e solventi risulta in media di poco superiore alla gomma nitrilica, salvo casi particolari. Risulta quindi indicato per:

• resistenza al calore
• resistenza all’ozono
• resistenza all’abrasione

Il campo di temperatura varia tra -40°C e +150°C.

Limitazioni d’uso:

• solventi polari (esteri, eteri, chetoni e anilini)
• idrocarburi aromatici (es.: benzene, toluene)
• idrocarburi clorurati (tricloroetilene) 

Tabella: principali elastomeri di uso standard

EPDM - Gomma etilene-propilene

E’ una gomma a base etilene propilene più un terzo monomero (diene) che consente la reticolazione a zolfo.

Per la sua struttura chimica ha una peculiare resistenza a fluidi come acqua e vapore e ad ambienti come ozono che la rendono indicata per:

• acqua fino all’ebollizione
• vapore
• sistemi idraulici particolari come impianti frenanti
• ozono 
• agenti atmosferici
• basi
• solventi polari a temperatura ambiente

Il campo di temperatura varia da -50°C a + 150°C.

Limitazioni d’uso:

• lubrificanti minerali in generale
• carburanti

Tabella: principali elastomeri di uso standard

FDA – Gomma per contatto con alimenti

Set di elastomeri sviluppati per anelli di tenuta e guarnizioni speciali destinati a macchinari quali miscelatori, riduttori o altri equipaggiamenti ove è necessaria la separazione tra lubrificanti, alimenti e bevande.

Questi elastomeri sono in accordo e prodotti nel rispetto delle regolamentazioni previste dalla specifica FDA (Federal ………)

La tabella xx mostra alcune delle mescole ROLF standard disponibili e più utilizzate nell’industria generale

Elastomeri per applicazioni specifiche 

Oltre agli elastomeri di base indicati, ROLF ha reso disponibili una ampia gamma di materiali sviluppati per applicazioni specifiche nei più importanti settori dell’industria. 

Tabella: selezione dei principali materiali

*** SECONDA COLONNA DA COMPLETARE

Tabella: elastomeri standard di base per l'industria in generale

*** TABELLA DA COMPLETARE

Tabella: limiti di temperatura (°C) di alcuni tipi di elastomeri

Dilatazioni termiche degli elastomeri

I coefficienti di dilatazione termica degli elastomeri sono decisamente superiori a quelli dei metalli (vedi Tab. 3).

Non bisogna perciò tenere in considerazione solo la forma geometrica di un anello di tenuta ed il suo carico radiale a temperatura ambiente, poichè le condizioni di funzionamento e la durata della guarnizione possono mutare sensibilmente in funzione della variazione del modulo d’elasticità causata da una variazione di temperatura.

Tabella: coefficiente di dilatazione termica elastomeri di uso standard

Armatura metallica

Ha la funzione di conferire all’anello la rigidità necessaria per uno stabile accoppiamento con la relativa sede di alloggiamento. 

Può essere, con riferimento all’elastomero, 

• interna (vedi par. 3.2.1), 
• esterna (vedi par. 3.2.2) 
• semi-ricoperta (vedi par. 3.2.3)

Armatura metallica interna

Completamente rivestita in gomma, ROLF tipo ST, fig. x. Questa soluzione comporta i seguenti vantaggi: 

• elimina il pericolo di corrosione 
• non danneggia la sede, anche se questa è in lega leggera, assicurando maggior possibilità di ricambi senza danni.
  

Armatura metallica esterna

Inserto metallico scoperto sul diametro di piantaggio, ROLF tipo RM, fig. x. 

Questo tipo di armatura era stata ideata per impieghi che richiedevano forze di spiantaggio elevate e movimentazioni automatizzate con sistemi magnetici. Nel tempo si è dimostrato che, per avere una tenuta affidabile, necessitava di una finitura esterna rettificata e di una sede lavorata fine, oltre all’impiego di materiali sigillanti. Il costo era notevolmente più elevato di quella ricoperta. Si decise pertanto di utilizzarla solo con le mescole pregiate dove la maggiorazione di costo veniva compensata dal risparmio di materiale elastomerico. 

La ROLF ha comunque risolto il problema producendo le sue tenute con l’esterno ricoperto solo per metà della sua altezza, come dettagliatamente riportato qui di seguito.

Armatura metallica semi-ricoperta

Inserto metallico parzialmente rivestito in gomma, ROLF tipo CRM, fig. x.

Questa soluzione prevede la ricopertura dell’armatura esterna per circa metà della sua altezza. Tale ricopertura è un prodotto della vulcanizzazione e può essere liscia od ondulata per meglio adattarsi alle esigenze di montaggio dei nostri clienti. 

I vantaggi che ne derivano sono: 

• ottimo bloccaggio in sede 
• ottima tenuta statica
• risparmio sui materiali pregiati 
• facilità di montaggio 
• sicurezza di funzionamento 

Questa tipologia di bloccaggio è consigliabile per progetti futuri che richiedono un impiego particolarmente gravoso.

Natura dei materiali costituenti l’armatura

Nella versione standard l’armatura metallica è costituita da lamiera d’acciaio da medio/profondo stampaggio, secondo norme UNI EN10130 o DIN 1624, con uno spessore adeguato alle dimensioni dell’anello. 

Nei casi in cui sia richiesta la resistenza ai fluidi corrosivi, può essere prevista in:

• acciaio inossidabile, secondo norme DIN 17440/tab. 1.4401 o AFNOR Z6CND 17.11 (ex AISI 316)
• ottone, secondo norma UNI 4894.

Molla elicoidale

Ha una funzione complementare all’azione fondamentale esercitata dal labbro di tenuta. Difatti, il calore, le deformazioni meccaniche e l’azione chimica dei fluidi modificano le caratteristiche originali della gomma. La forza radiale originale, esercitata dall’elemento di tenuta, tende quindi a diminuire. La funzione della molla è quella di contrastare questa tendenza. 

La molla è strettamente avvolta a spirale, abbraccia la circonferenza esterna dell’elemento di tenuta e possiede un pretensionamento iniziale calcolato. Nel tempo, l’effetto temperatura provoca non soltanto una variazione delle caratteristiche originali della gomma, ma anche una diminuzione delle caratteristiche meccaniche dell’acciaio costituente la molla.

Per una sua maggiore stabilità e durata nel tempo può essere aggiunto un trattamento termico di stabilizzazione eseguito a temperatura più elevata di quella di funzionamento, mediante il quale è possibile ottenere: 

- in fase di progettazione: la sicurezza di utilizzare la forza radiale più indicata al tipo di funzionamento previsto. 

- in fase di utilizzo in servizio: una garanzia della stabilità della forza radiale stessa. 

Natura dei materiali costituenti la molla 

La scelta del materiale costituente la molla dipende dal tipo di fluido con cui le molle elicoidali vengono a contatto. 

Nella versione standard sono costituite da un filo d’acciaio armonico fosfatato, ad alta resistenza, secondo norme UNI 3823 o DIN 17223. 

Le molle standard subiscono un assestamento programmato che, in fase di progetto, permette un’esatta valutazione della forza radiale. 

Per applicazioni particolari si può prevedere l’impiego di molle in altro materiale. 

Ad esempio, nei casi in cui si debba fare tenuta a fluidi corrosivi, come acqua marina, detersivi in soluzione, soluzioni acide, può essere impiegata una molla in acciaio inossidabile, rispondente a norme:

• DIN 17007 tab. 2: 1.4300 o UNI EN 10270-3 o AFNOR Z10 CN 18.09 (ex AISI 302)
• DIN 17007 tab. 2: 1.4401 o UNI EN …………… o AFNOR Z6CND 17.11 (ex AISI 316)
• DIN 17007 tab. 2: 1.4571 o UNI EN …………… o AFNOR Z8CNDT17.12

L’impiego di molle in bronzo fosforoso, pur avendo la stessa resistenza degli acciai inossidabili agli agenti chimici, è sconsigliato a causa della instabilità delle caratteristiche dimensionali e per l’incostante decadimento del carico.

Diagramma 1: cambiamento della tensione iniziale

di molle stabilizzate e non