Anelli di tenuta per alberi rotanti - Sezione tecnica

Tecnica della tenuta

L’anello di tenuta a prima vista potrebbe sembrare un prodotto della massima semplicità. Esso nasconde invece una tecnologia complessa e comprende una serie di parametri funzionali estremamente delicati. Ora si tratta di capire come questi elementi operino separatamente e congiuntamente per fornire alla tenuta la massima affidabilità.

Principio di funzionamento della tenuta statica

Si riferisce alla capacità di un anello di tenuta di impedire qualsiasi infiltrazione di fluido tra la superficie cilindrica della sede e il diametro esterno dell’anello.

Per questa ragione, gli anelli di tenuta sono costruiti con il diametro esterno maggiorato rispetto a quello della sede. Questa maggiorazione è chiamata” Interferenza esterna” di tenuta. 

La combinazione tra l’interferenza dell’anello (tab. xx) e le caratteristiche costruttive della sede (vedi capitolo 9), genera una forza assiale di piantaggio fondamentale per assicurare al sistema:

• perfetta tenuta ai fluidi
• stabilità costante nel tempo
• funzionalità in qualsiasi condizione di esercizio. 
• facilità di montaggio.

La sicurezza di un buon montaggio è garantita quando la forza assiale sviluppata dall’attrito “Fr” è maggiore delle forze assiali opposte “Fax” che vengono ad agire sull’anello di tenuta (per esempio, la forza risultante dalle differenze di pressioni interne). 

La forza di attrito “Fr” è il prodotto del coefficiente di attrito statico “u0” e della forza radiale “Fn”.

La forza “Fn” è uguale alla forza radiale “Fa” sulla superficie esterna dell’anello. 

In base al tipo di superficie esterna dell’anello, occorre prevedere differenti tolleranze di accoppiamento con la sede (vedi tab. interferenze).

Tabella: grado di interferenza secondo DIN 3760/61

La norma DIN 3760 definisce sia le caratteristiche costruttive dell’anello che della sede.

La scelta della migliore combinazione tra tipo di anello e sede è funzione dell’applicazione e delle condizioni di esercizio.

Principio di funzionamento della tenuta dinamica

Si riferisce alla capacità di un anello di tenuta di impedire qualsiasi infiltrazione di fluido tra la superficie cilindrica dell’albero e il diametro interno dell’anello.

Come per il diametro esterno, anche il labbro di tenuta viene costruito con un diametro interno minorato rispetto al diametro dell’albero. Questa minorazione è detta “interferenza interna” del labbro di tenuta. 

La combinazione tra l’interferenza del labbro e le caratteristiche costruttive dell’albero (vedi cap. 7 e 8), generano delle reazioni che sono determinanti ai fini della garanzia di tenuta. 

Interferenza del labbro

E’ la differenza aritmetica tra il Ø dell’albero ed il Ø interno del labbro di tenuta libero. La sua funzione è quella di mantenere il labbro costantemente a contatto con l’albero, esercitando su di esso una tensione tale da garantire non solo la tenuta al fluido ma anche una usura ridotta dello spigolo di tenuta, una minor corrosione della superficie dell’albero, con il minor dispendio d’energia.

Forza radiale

Si definisce forza radiale la forza che il labbro di tenuta esercita sull’albero. E’ normalmente rappresentata dall’unione delle forze generate dalla molla e dall’interferenza. La misura di questo parametro definisce con precisione la capacità di tenuta di un anello. Durante il funzionamento, infatti, la forza radiale diminuisce in funzione dei parametri operativi:

• velocità, 
• temperatura, 
• pressione, 
• qualità del fluido da ritenere

che provocano usura del labbro e cambiamenti fisico-chimici della mescola. 

Il diagramma sottostante ne visualizza la funzione nel tempo.

L’espressione matematica è data dalla formula: 

Forma del labbro

Un altro parametro determinante ai fini della tenuta è costituito dalla forma del labbro di tenuta. Gli elementi principali da prendere qui in considerazione sono: - la posizione del fulcro - gli angoli del labbro (lato olio e lato aria) - la lunghezza della membrana

Posizione del fulcro

Il fulcro è il punto attorno al quale il labbro può compiere un movimento di flessione. Variando la forma del labbro possiamo variare la posizione del suo fulcro e, di conseguenza modificarne la flessibilità così come il raggio di azione. Queste variazioni sono fissate in fase di progettazione ed in funzione delle esigenze d’impiego.

Angoli del labbro

Gli angoli lato olio e lato aria sono notevolmente diversi perchè le loro funzioni sono praticamente opposte:

- angolo lato olio da 40° a 60° 

- angolo lato aria da 12° a 30°. 

Solo in fase di progettazione e conoscendo l’applicazione, possono essere determinati con precisione. 

L’angolo lato olio ha due funzioni: 

A) Tagliare il flusso dell’olio facilitandone la centrifugazione 

B) Facilitare il montaggio dell’albero avente smusso d’imbocco secondo norma DIN 3760. 

L’angolo lato aria ha la funzione di trattenere per effetto capillare l’olio del meato che a fermo macchina tenderebbe a colare. Questo accorgimento aiuta ad avere una buona tenuta anche durante il funzionamento.

Lunghezza del labbro

La capacità di assorbimento delle oscillazioni di un albero rotante dipende, oltre che da tutti i parametri già esaminati, anche e soprattutto dalla lunghezza del labbro. Entro certi limiti, per determinate velocità e in assenza di pressione, la capacità di assorbimento delle oscillazioni radiali è direttamente proporzionale alla sua lunghezza. Al contrario, in presenza di pressione viene ridotto al valore minimo in modo da offrire meno superficie possibile all’azione della pressione stessa (vedi anche par. 5.3.2).

Posizione della molla

Per gli impieghi standard la distanza tra lo spigolo di tenuta e l’asse orizzontale della molla può variare da un minimo di 0,1 mm ad un massimo di 1,2 mm nella direzione della parete di fondo (vedi Fig. 2). La posizione esatta viene definita in fase di progettazione, in funzione delle esigenze tecniche, del materiale impiegato, delle dimensioni della tenuta e del suo profilo.

la figura visualizza le dimensioni del profilo del labbro di tenuta