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Centro di pressione

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    2018 Marzo 05, 09:00 CEST

    Per sviluppare tenute per pistoni idraulici leader di settore gli ingegneri di SKF hanno creato materiali su misura e applicato tecniche di analisi avanzate

    Göteborg, Svezia, 5 marzo 2018: Le tenute per pistone si trovano proprio nel cuore dei cilindri idraulici e contribuiscono in maniera determinante alle loro prestazioni. Collocate in una scanalatura nel diametro esterno del pistone, queste tenute devono realizzare la ritenzione del fluido idraulico ad alta pressione, senza ostacolare il movimento del pistone sulla lunghezza del cilindro. I cilindri idraulici sono a doppio effetto, quindi le tenute devono sopportare la pressione da ambo i lati. Il design delle tenute per pistone impone agli ingegneri di trovare un compromesso fra attrito e prestazioni di tenuta. Se la tenuta consente a una quantità eccessiva di fluido di passare dal lato ad alta pressione a quello a bassa pressione del cilindro, le prestazioni risultano compromesse. D'altro canto, un attrito eccessivo sulla parete del cilindro determina l'usura prematura e la riduzione della durata di esercizio. Il cedimento di una di queste tenute, noto come trafilamento, può avere conseguenze importanti sul funzionamento e la sicurezza e potenzialmente causare, ad esempio, la perdita di controllo del carico nelle attrezzature edili o per la movimentazione di materiali.

    Se i requisiti operativi di base non fossero di per sé già così impegnativi, le tenute per pistone pongono anche sfide complesse in termini di sviluppo dei materiali, a causa dei fluidi idraulici ad alta temperatura e le pressioni che impegnano severamene i materiali delle tenute e possono causare la dilatazione e la contrazione di altri componenti in funzionamento.

    Il materiale a cui si ricorre spesso per soddisfare tali requisiti è il PTFE, che è dotato di molte caratteristiche che lo rendono adatto all'utilizzo, comprese eccellenti proprietà di basso attrito statico e di scorrimento e buona resistenza chimica. Le tenute in PTFE, però, pongono limiti importanti. In particolare, le tenute in PTFE possono risultare difficili da montare senza danni, a causa della scarsa elasticità del materiale. Inoltre richiedono bussole speciali per il tensionamento prima dell'installazione e dopo devono essere ricalibrate al diametro giusto, una procedura che determina tempi più lunghi e maggiori costi sia per i produttori di attrezzature, sia per i team di manutenzione. Inoltre, data la plasticità del PTFE, il materiale può rivelarsi "riluttante" a tornare alla forma originale in presenza di carichi a direzione variabile, il che ne limita le prestazioni di tenuta.

    Per eliminare gli svantaggi delle tenute in PTFE, gli ingegneri SKF hanno condotto numerose ricerche per riuscire a sviluppare una tecnologia di tenuta alternativa, basata sul ben collaudato materiale poliuretanico ECOPUR.

    Realizzare una tenuta in poliuretano che potesse eguagliare le prestazioni delle migliori tenute in PTFE era tutt'altro che semplice, spiega Wolfgang Swete, Responsabile della ricerca & sviluppo per la Fluid Seals Strategic Product Line in SKF. “La grande luce di estrusione tra pistone e parete del cilindro richiede un materiale sufficientemente resistente all'estrusione da mantenere la propria forma in tutte le condizioni di esercizio”.

    Dai test condotti da SKF sulle tenute prototipo prodotte con il suo poliuretano Ecopur più robusto è emerso che non erano all'altezza del compito. Per nulla scoraggiata, l'azienda si è avvalsa delle proprie competenze interne in ambito di sviluppo e produzione di materiali e ha realizzato un Ecopur di grado speciale, specificamente concepito per le applicazioni delle tenute per pistoni. Il nuovo materiale, l'X-Ecopur PS, è il poliuretano più robusto attualmente prodotto da SKF.

    Per verificare la durevolezza del nuovo materiale, SKF ha eseguito una serie di test di estrusione statici, installando campioni del materiale in un sistema che applicava olio a 500 bar per provare a spingere il materiale attraverso luci di estrusione di varie dimensioni da 0,15 a 0,7mm. I campioni di prova sono rimasti nel sistema per due settimane a temperature da 60 a 100º C e, al termine del test, è stata misurata la deformazione permanente dei campioni. “Le prestazioni dell'X-Ecopur PS si sono rivelate considerevolmente superiori rispetto alle alternative disponibili sul mercato in tutti i test”, spiega Swete.

    Avendo a disposizione un materiale idoneo, al team di SKF non restava che sviluppare la giusta geometria di tenuta. Si trattava di un ambito ben noto per gli ingegneri dell'azienda, i quali possono avvalersi di un processo di sviluppo prodotto ben consolidato, che combina simulazione computerizzata completa con tecniche a elementi finiti, sviluppo rapido dei prototipi con macchine utensili CNC e test fisici su attrezzature statiche e dinamiche personalizzate.

    Grazie a questo processo iterativo l'azienda ha messo a punto il design definitivo, che prevede una geometria della superficie esterna dell'anello di scorrimento in poliuretano a forma di “M” poco profonda e due labbri di tenuta accuratamente ottimizzati. “Un profilo con punti di tenuta pronunciati offre forze di tenuta più efficienti rispetto a una superficie piana, con conseguente miglioramento delle prestazioni e riduzione della resistenza da attrito creata dalla tenuta”, spiega Swete. “Inoltre la distribuzione delle forze su due spigoli, anziché uno, consente di evitare l'inclinazione della tenuta in funzionamento e, di conseguenza, il suo cedimento prematuro”.

    Anche la funzione dell'elemento energizzante della tenuta è stata ottimizzata. Si tratta di un componente in gomma più morbido collocato al di sotto dell'anello di scorrimento in poliuretano all'interno della scanalatura del pistone, che spinge l'anello contro la parete interna del cilindro. Nelle tenute per applicazioni leggere, l'elemento energizzante è un semplice O-ring, mentre per i design per applicazioni da medie a gravose si utilizza un elemento in gomma nitrile di forma speciale.

    Nel nuovo design di SKF, sono stati integrati sfiati laterali nelle pareti laterali radiali dell'anello di scorrimento, per assicurare l'attivazione della funzione di compressione dell'elemento energizzante. Ciò consente alla tenuta di cambiare rapidamente posizione quando cambia la direzione della pressione e di ridurre potenziali trafilamenti e perdite di funzionalità del cilindro. Grazie agli sfiati laterali si riduce anche la probabilità di "intrappolamento" della pressione, quando l'anello di scorrimento realizza la tenuta contro le pareti radiali del premistoppa, che può anche causare il funzionamento inefficiente del cilindro.

    Per validare questi design, le tenute prototipo sono state sottoposte a ulteriori test intensivi: oltre 200 km di movimento su e giù per un cilindro di prova da 400 mm a pressioni fino a 250 bar e temperature di 80 ºC. Durante il test sono stati misurati attrito e perdite e, dopo i test, le tenute sono state misurate e ispezionate per controllare estrusione e usura superficiale. “I test hanno dimostrato che la nostra nuova tenuta offre prestazioni migliori delle alternative disponibili sul mercato” precisa Swete. “Alcune delle tenute utilizzate per l'analisi comparativa con le nostre hanno ceduto addirittura prima della fine del processo di prova”.

    Il design innovativo delle tenute per pistoni sviluppato da SKF ha consentito all'azienda di creare un assortimento completo idoneo per una vasta gamma di applicazioni idrauliche. La gamma leggera, serie LPV, con O-ring come elemento energizzante, è destinata ad applicazioni interne fisse, come gli impianti di produzione. Queste tenute sono idonee per pressioni fino a 250 bar, velocità fino a 0,5 m/s e temperature da -20 a 100º C. La gamma per applicazioni medie e pesanti, serie MPV, è destinata a sistemi più complessi, come le attrezzature mobili dei settori edile e agricolo. Dimensionate per l'impiego in alloggiamenti metrici, le tenute serie MPV sono idonee per pressioni fino a 400 bar, velocità fino a 1 m/s e temperature da -20 a 110º C. Una terza gamma di tenute, serie DPV, offre le stesse specifiche operative della serie MPV per alloggiamenti in pollici.

    “Sono soddisfatto, perché siamo riusciti a creare una tenuta per pistoni che non solo supera le alternative in poliuretano disponibili, ma offre prestazioni pari a quelle delle migliori tenute in PTFE, con il vantaggio aggiunto di un montaggio rapido e semplice, a beneficio sia degli OEM, sia del personale di manutenzione” conclude Swete.

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    Ufficio stampa: Giampaolo Desderi, 011 9852510, giampaolo.desderi@skf.com; giampaolo.desderi@skf.com

    SKF è un fornitore leader a livello mondiale nel settore di cuscinetti, guarnizioni, meccatronica, sistemi di lubrificazione e servizi tra cui l'assistenza tecnica, i servizi di manutenzione, consulenza ingegneristica e formazione. SKF è presente in oltre 130 paesi e vanta circa 17.000 punti di distribuzione in tutto il mondo. Nel 2017 le vendite del Gruppo sono state pari a 77.938 milioni di corone svedesi. I dipendenti erano 45.678. www.skf.com

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