Quando le Guarnizioni Standard Non Sono Più Sufficienti

Nella prima parte abbiamo analizzato un caso reale riguardante cilindri oleodinamici installati su uno stampo a iniezione che lavora a circa 150°C.

Sebbene lo stampo operi ad alta temperatura, il Vega Technical Department ha concluso che l’utilizzo di una piastra isolante è in grado di ridurre di circa 25–30°C la temperatura trasmessa al corpo del cilindro, rendendo normalmente adeguato l’impiego delle guarnizioni standard. Allo stesso tempo, Vega ha proposto come alternativa un sistema di tenuta per alte temperature, capace di lavorare fino a 250°C, qualora la temperatura effettiva di esercizio non potesse essere determinata con sufficiente certezza.

Questa conclusione porta a una domanda molto interessante.

Se le guarnizioni standard possono già lavorare fino a circa 180–200°C, perché un progettista dovrebbe scegliere guarnizioni speciali?

La risposta non dipende tanto dalla temperatura massima dichiarata, quanto dagli effetti che il calore produce sull’affidabilità nel lungo periodo.

La Temperatura Non Aumenta Solo il Calore

Quando si parla di alte temperature, molti immaginano immediatamente guarnizioni che si sciolgono o si deteriorano improvvisamente.

Nella realtà, i cedimenti sono quasi sempre molto più graduali.

Con l’aumentare della temperatura, il materiale elastomerico modifica lentamente le proprie caratteristiche meccaniche.

Tra gli effetti più comuni si possono osservare:

• diminuzione dell’elasticità;
• aumento della deformazione permanente per compressione (compression set);
• variazioni della durezza;
• incremento dell’attrito;
• accelerazione dell’invecchiamento del materiale.

In una prima fase il cilindro può continuare a funzionare apparentemente senza problemi.

Con il passare del tempo, però, la guarnizione perde progressivamente la capacità di esercitare la corretta pressione di contatto sullo stelo.

Il primo sintomo è spesso una lieve trafilatura d’olio.

Successivamente può rendersi necessaria la sostituzione completa del sistema di tenuta.

Per questo motivo la scelta delle guarnizioni dovrebbe sempre basarsi sulla temperatura continua di esercizio, e non semplicemente sul valore massimo raggiungibile per brevi periodi.

Perché il Margine di Sicurezza è Fondamentale

Uno degli aspetti più interessanti della risposta fornita dal Vega Technical Department è che la scelta non si basa esclusivamente sui limiti teorici del materiale.

Viene presa in considerazione anche l’incertezza delle reali condizioni di funzionamento.

Se la temperatura effettiva dello stelo non può essere misurata con precisione, oppure se le condizioni produttive possono variare nel tempo, Vega suggerisce l’impiego di guarnizioni con una resistenza termica superiore rispetto a quella strettamente necessaria.

Questo rappresenta un importante principio progettuale.

Il margine di sicurezza non viene introdotto perché la guarnizione standard sia insufficiente.

Viene introdotto perché gli impianti industriali raramente lavorano in condizioni perfettamente costanti.

Piccole variazioni di:

• temperatura dello stampo;
• tempo ciclo;
• efficienza del raffreddamento;
• temperatura ambiente;
• parametri della pressa;

possono aumentare progressivamente la temperatura raggiunta dal sistema di tenuta.

L’utilizzo di una guarnizione per alte temperature riduce il rischio che queste variazioni compromettano la durata del cilindro.

Lo Stelo è Spesso il Componente Più Critico

Questo caso mette in evidenza anche un altro aspetto progettuale molto importante.

Molti progettisti concentrano tutta l’attenzione sulla protezione del corpo cilindro mediante piastre isolanti.

Si tratta certamente di una scelta corretta.

Tuttavia, lo stelo rimane costantemente collegato al carrello dello stampo.

A differenza del corpo del cilindro, non può essere completamente isolato dal punto di vista termico.

Per questo motivo lo stelo rappresenta spesso il principale percorso attraverso il quale il calore raggiunge il sistema di tenuta.

Ciò spiega perché conoscere soltanto la temperatura dello stampo non sia sufficiente.

La temperatura realmente presente nella zona delle guarnizioni può essere molto diversa sia da quella del corpo cilindro sia da quella della superficie dello stampo.

Comprendere questo percorso del calore è spesso molto più importante del semplice valore nominale della temperatura dello stampo.

Quando Conviene Utilizzare Guarnizioni per Alte Temperature?

Non esiste una temperatura oltre la quale le guarnizioni speciali diventino automaticamente obbligatorie.

La scelta dipende dall’insieme delle condizioni operative.

Le guarnizioni per alte temperature sono generalmente consigliabili quando:

• la temperatura dello stampo si avvicina al limite continuo di esercizio delle guarnizioni standard;
• i tempi ciclo sono particolarmente lunghi;
• lo stelo rimane costantemente esposto a componenti riscaldati;
• l’isolamento termico è limitato;
• non è possibile misurare con precisione la temperatura reale di esercizio;
• si desiderano intervalli di manutenzione molto lunghi.

In queste situazioni l’impiego di un sistema di tenuta più performante può aumentare sensibilmente l’affidabilità dell’intero impianto.

L’ingegneria non consiste soltanto nell’evitare un guasto immediato.

Consiste soprattutto nel prevenire l’usura prematura durante milioni di cicli produttivi.

La Temperatura è Solo Uno dei Parametri

Sebbene questo caso sia focalizzato sugli effetti del calore, la temperatura non dovrebbe mai essere considerata isolatamente.

La durata delle guarnizioni dipende contemporaneamente da numerosi fattori, tra cui:

• pressione idraulica;
• velocità dello stelo;
• carichi laterali;
• lubrificazione;
• qualità dell’olio;
• contaminazione del circuito;
• temperatura di esercizio.

Una guarnizione che lavora entro il proprio limite termico può comunque deteriorarsi rapidamente se il circuito oleodinamico è contaminato o se il cilindro è soggetto a carichi anomali.

Allo stesso modo, un olio perfettamente pulito non è sufficiente a compensare un sovraccarico termico continuo.

L’affidabilità del cilindro dipende quindi dall’equilibrio di tutte le condizioni di esercizio.

Le Decisioni Progettuali Devono Basarsi sulle Condizioni Reali

L’aspetto probabilmente più interessante di questo caso riguarda il metodo seguito dal Vega Technical Department.

La scelta delle guarnizioni non è stata effettuata semplicemente consultando un catalogo.

Gli ingegneri hanno prima valutato:

• la temperatura dello stampo;
• la presenza della piastra isolante;
• il trasferimento del calore attraverso lo stelo;
• la temperatura prevista nella zona delle guarnizioni;
• il livello di incertezza dell’applicazione.

Solo dopo aver analizzato l’intero sistema termico è stato possibile stabilire se fossero sufficienti le guarnizioni standard oppure se fosse opportuno utilizzare un sistema di tenuta per alte temperature.

Questo approccio rappresenta un perfetto esempio di buona progettazione.

L’obiettivo non è scegliere automaticamente il componente più costoso.

L’obiettivo è individuare la soluzione che offre il miglior equilibrio tra prestazioni, affidabilità e costi.

Conclusioni

Questo caso reale dimostra che la scelta delle guarnizioni per cilindri oleodinamici destinati a lavorare su stampi ad alta temperatura è molto più complessa del semplice confronto tra la temperatura dello stampo e i limiti riportati in un catalogo.

Il progettista deve comprendere come il calore si propaga attraverso lo stampo, quanto sia efficace l’isolamento termico e quale temperatura raggiunga realmente il sistema di tenuta.

Nel caso analizzato, la presenza della piastra isolante ha consentito di utilizzare con sicurezza le guarnizioni standard, mentre le guarnizioni per alte temperature sono state proposte come soluzione alternativa qualora le reali condizioni di esercizio non potessero essere determinate con sufficiente precisione.

Questo caso evidenzia un principio valido per qualsiasi cilindro oleodinamico installato su uno stampo a iniezione:

La scelta corretta delle guarnizioni non dipende dalla temperatura dello stampo, ma dalla temperatura effettivamente raggiunta dal sistema di tenuta.