Tenute per cuscinetti: consigli per l’uso

L’utilizzo di tenute non corrette può portare a fermi macchina indesiderati e onerosi o alla riduzione della vita operativa di componenti critici. Vengono qui forniti suggerimenti utili per la composizione e la configurazione delle tenute in base all’applicazione e i fattori da prendere in considerazione per la preparazione del sistema di tenuta nel suo complesso.

di Richard Borowski

I tempi di fermo delle apparecchiature e la durata ridotta dei componenti sono alcune delle conseguenze, e dei potenziali costi, derivanti dall’utilizzo di tenute non corrette su diversi tipi di apparecchiature industriali, tra cui i telai dei cuscinetti delle pompe, i motori elettrici, i ventilatori, i supporti ritti, i riduttori a ingranaggi e altro. Se correttamente selezionate e installate, le tenute possono fornire barriere efficaci che mantengono il lubrificante in posizione e offrono protezione contro acqua, corrosione, detriti e altri contaminanti.

Le tenute sono utilizzate sugli alberi rotanti per creare una barriera con due funzioni di base: conservare i lubrificanti e isolare dai contaminanti. In un’applicazione tipica, un paraolio per grasso è generalmente posizionato accanto al cuscinetto per preservarlo dall’ingresso di liquidi o sporcizia. Per conservare il lubrificante ed evitarne le perdite, i paraoli sono studiati per sigillare gli spazi tra i componenti meccanici stazionari e quelli in movimento, come l’alloggiamento e l’albero, che si trovano in quasi ogni tipo di impianto, macchinario e veicolo in funzione.

Scegliere il giusto composto elastomerico per le tenute

Affinché le tenute funzionino in modo adeguato e impediscano l’ingresso di abrasivi, umidità corrosiva e altri contaminanti dannosi in apparecchiature sensibili, la scelta del composto elastomerico è fondamentale. I parametri dell’applicazione e l’ambiente esterno in cui la tenuta opererà devono essere attentamente considerati prima di scegliere un composto. Per gli ambienti industriali generici, l’elastomero più ampiamente utilizzato è il nitrile, grazie alle sue eccellenti proprietà di resistenza all’abrasione. Il secondo elastomero più comune è il fluoroelastomero, preferito per la sua resistenza chimica e al calore.

Sebbene due dei più importanti parametri dell’applicazione siano la temperatura e il tipo di lubrificante, è anche importante determinare se i contaminanti ambientali avranno un effetto chimico indesiderato sul composto elastomerico della tenuta. Le tabelle di compatibilità chimica sono disponibili per la maggior parte dei fornitori di tenute, ma offrono solo linee guida generiche. Per un’analisi approfondita della compatibilità dell’elastomero, è quindi consigliabile consultare un tecnico specializzato in tenute.

Altri parametri dell’applicazione da considerare sono l’errore di eccentricità dell’albero o alloggiamento, il possibile disallineamento albero-tenuta, la velocità dell’albero e la pressione. Si tenga presente che questi parametri potrebbero variare notevolmente da un’applicazione all’altra. L’utilizzo di una tenuta con un solo parametro “al limite” potrebbe avere effetti di piccola entità sulle prestazioni, mentre il funzionamento in diverse circostanze estreme in un sistema potrebbe avere un impatto maggiore.

I limiti di temperatura e la compatibilità generale del fluido/lubrificante per i composti elastomerici delle tenute più comuni e di qualità superiore sono mostrati nelle Figure A e B. È importante notare che, poiché i produttori di tenute dispongono di formulazioni brevettate degli elastomeri, le informazioni contenute nelle due tabelle potrebbero variare da un produttore a un altro.

Le prestazioni del sistema di tenuta dipendono dalle caratteristiche dell’albero

Una volta scelto il corretto composto elastomerico della tenuta, è essenziale determinare se i componenti dell’apparecchiatura sono correttamente specificati al fine di garantire le buone prestazioni della tenuta stessa. Più precisamente, la tenuta è solo una parte del sistema e le sue prestazioni corrette dipendono anche dalle caratteristiche dell’albero e dell’alloggiamento.

Secondo la Rubber Manufacturers Association (RMA), nella fase di progettazione dell’apparecchiatura originale o durante i suoi upgrade, occorre considerare diversi requisiti dell’albero. Queste considerazioni includono la finitura dell’albero, gli esiti dell’operazione di rettifica, la durezza, le tolleranze del diametro, gli smussi, il materiale, il potenziale disallineamento albero-alloggiamento e l’errore di eccentricità dinamico. Di questi, i più importanti sono la finitura dell’albero, gli eventuali difetti lasciati dall’operazione di rettifica e la durezza.

La finitura dell’albero è uno dei fattori principali per il funzionamento corretto di una tenuta e dev’essere specificata come Ra 10-25 µinch (micropollici) equivalenti a Ra 0,20–0,60 µm (micrometri); spirali o scanalature di rettifica non sono tollerate. Per quanto riguarda i materiali dell’albero, le tenute funzioneranno in modo soddisfacente su alberi in acciaio dolce, ghisa o ferro malleabile. In normali condizioni operative, la sezione dell’albero a contatto con il labbro della tenuta deve essere indurito a un minimo di 30 HrC (Rockwell C). In applicazioni in cui l’albero può essere intaccato o danneggiato durante la manipolazione o l’assemblaggio, o per gli alberi che operano in ambienti particolarmente abrasivi, si raccomanda un minimo di 45 HrC (Rockwell C).

Nei casi in cui l’albero non possa soddisfare i requisiti di funzionamento ottimale della tenuta, sono disponibili bussole antiusura per fornire la superficie necessaria a garantire le buone prestazioni della tenuta stessa. Non solo la bussola antiusura fornisce la superficie con la finitura richiesta, ma offre anche una riduzione dei costi rispetto alla preparazione dell’albero nelle condizioni adatte a garantire una superficie adeguata per il buon funzionamento del labbro della tenuta.

Osservare le corrette specifiche relative all’alloggiamento è anche importante per l’integrità del sistema di tenuta. Per garantire l’accoppiamento adeguato della tenuta selezionata, è fondamentale rispettare minuziosamente le raccomandazioni dei produttori relative alle tolleranze dimensionali dell’alloggiamento, e agli accoppiamenti risultanti.

Un’altra caratteristica da prendere in considerazione è la configurazione dell’alloggiamento. La sua parte più esterna dovrà essere opportunamente smussata per facilitare l’inserimento e l’installazione della tenuta. È importante prestare attenzione agli spigoli vivi e taglienti o alle bave presenti che potrebbero danneggiare il diametro esterno (D.E.) della tenuta e causare potenziali perdite di lubrificante una volta in servizio.

Design della tenuta di base: le quattro configurazioni più diffuse

Il design della tenuta più diffuso oggi è mostrato nella Figura C, ossia una normale tenuta a doppio labbro con D.E. in gomma. Una molla garter è posizionata dietro il labbro principale della tenuta, il quale è deputato a conservare il lubrificante all’interno dell’apparecchiatura. Accanto è presente un “labbro antipolvere” secondario rivolto nella direzione opposta (lato esterno) per isolare dai contaminanti.

Le quattro configurazioni di tenute più comunemente utilizzate sono mostrate nella Figura D. La differenza principale è il D.E. della tenuta. Le tenute aventi D.E. in metallo in genere offrono una stabilità di ritenzione nell’alloggiamento leggermente migliore rispetto alle tenute con D.E. in gomma. Tuttavia, gli inserti in acciaio al carbonio potrebbero arrugginire a seconda dell’ambiente, mentre il rivestimento delle tenute con D.E. in gomma offre ulteriore protezione all’inserto in metallo. Per numerose applicazioni standard, le tenute possono essere considerate intercambiabili. I design delle tenute a doppio labbro prevedono un “labbro antipolvere” facoltativo, e devono essere sicuramente utilizzate in ambienti contaminati. Tutte queste tipologie di tenute sono disponibili in dimensioni metriche e in pollici.

La corretta installazione è indispensabile per ottenere le massime prestazioni

Una volta selezionati e verificati il composto elastomerico e il tipo di tenuta e il design dell’apparecchiatura corretti, l’affidabilità del sistema di tenuta si basa ancora profondamente sulla corretta installazione.

Ecco le fasi per un’installazione corretta, una per una.

1. Ispezionare l’alesaggio dell’alloggiamento per verificare che sia pulito e privo di sbavature che possano distorcere la tenuta o graffiare il D.E. causando possibili perdite. Verificare la rotondità e controllare che la sua parte frontale sia arrotondata o smussata.
2. Ispezionare l’albero per verificare la presenza di sbavature di lavorazione, sporcizia o vernice che potrebbero danneggiare l’area del labbro di tenuta, causando perdite. Se la tenuta precedente che è stata sostituita ha usurato l’albero al punto di aver creato una scanalatura, allora l’area deve essere rilavorata ovvero ricoperta con una bussola per il ripristino della superficie di scorrimento del labbro.
3. Ispezionare l’albero, rimuovere tutte le sbavature e arrotondare gli spigoli vivi. Anche l’estremità deve essere smussata o arrotondata per garantire che il labbro della tenuta non venga danneggiato durante l’installazione. Se non è possibile, si consideri la protezione del labbro della tenuta con l’utilizzo di una bussola conica.
4. Verificare la presenza di spigoli vivi sulle scanalature e sulle sedi di chiavette; se presenti, devono essere coperti con una bussola, o con del nastro per proteggere il labbro della tenuta.
5. Ispezionare la tenuta alla ricerca di danneggiamenti che potrebbero essere insorti durante la spedizione e la manipolazione, come intaccature, graffi, tagli o deformazioni.
6. Controllare che la tenuta venga montata nel verso giusto. Il labbro principale della tenuta in genere è rivolto verso il lubrificante, per mantenere quest’ultimo dove serve. Se c’è spazio per una seconda tenuta, il labbro principale della tenuta può essere rivolto verso l’esterno per offrire ulteriore protezione in ambienti difficili e potenzialmente contaminati.
7. Pre-lubrificare i labbri della tenuta prima dell’installazione, usando lo stesso olio o grasso di lubrificazione. Non è necessario lubrificare il D.E. delle tenute metalliche, ma uno strato molto leggero di olio deve essere applicato al D.E. delle tenute rivestite in gomma per favorire il processo di installazione e ridurre l’attrito durante il loro montaggio. Questa pre-lubrificazione non deve comunque ridurre o eliminare la possibilità che la tenuta, con D.E. rivestito in gomma, rimanga in posizione senza essere espulsa dalla sede subito dopo l’installazione.
8. Selezionare l’utensile d’installazione corretto per la tenuta e l’applicazione. Lo strumento migliore avrà un diametro leggermente più piccolo rispetto a quello dell’alloggiamento del D.E. della tenuta, e si dovrà applicare la forza necessaria a vincere l’interferenza solo sull’inserto metallico della tenuta. Gli anelli del cuscinetto possono essere usati come sostitutivi degli strumenti d’installazione quando questi non sono disponibili.
9. Evitare di colpire direttamente la tenuta. Cacciaviti, punzoni o punteruoli non devono essere usati come strumenti d’installazione, così come martelli in acciaio; infatti, la percussione esercitata dal martello potrebbe rimuovere la molla garter. Quando la tenuta penetra nel suo alloggiamento, dev’essere guidata o spinta in maniera uniforme e con forza sufficiente a posizionarla in sede.

Le opzioni per gli ambienti particolarmente ostili

Per le condizioni più difficili, i paraoli sono disponibili in diversi stili, tra cui i design a labbro multiplo. Un design standard a doppio labbro in nitrile o fluoroelastomero può essere usato come elemento di tenuta primario. Tuttavia, in ambienti estremamente ostili, una tenuta a V facoltativa deve essere aggiunta fuori dal paraolio, sull’albero, affinché isoli i contaminanti o agisca come tenuta di supporto per un’ulteriore protezione, come mostrato in Figura E.

Un altro vantaggio della tenuta a V è la sua elasticità, che facilita l’installazione su una gamma più ampia di dimensioni dell’albero. Le tenute a V possono anche essere usate su alberi eccentrici o disallineati. 

(Richard Borowski è Responsabile Progettazione delle tenute, The Timken Company, North Canton, Ohio).