Il ruolo della protezione per cuscinetti nell’affidabilità delle pompe

Scegli tra le tenute a contatto e senza contatto per una maggiore vita utile dei macchinari

Di Neil Boucher

I contachilometri delle auto negli anni ’70 arrivavano fino a 100.000 miglia. Il motivo era semplice: 100.000 miglia erano un traguardo importante alla fine degli anni ’70, e non vi era il bisogno di registrare il chilometraggio oltre quel punto. La probabilità che un’auto potesse viaggiare per più di 100.000 miglia era molto bassa, rispetto ad oggi. Per un’auto nuova, una tipica garanzia si estendeva a un massimo di 12 mesi o 12.000 miglia. Oggi 100.000 miglia non rappresentano un traguardo, ma un’aspettativa, e le garanzie di molte auto arrivano a coprire tale chilometraggio. Le apparecchiature rotanti industriali, in particolare le pompe industriali, hanno subito una trasformazione simile, anche se molto più significativa. Sebbene un tempo le garanzie di 90 giorni e le ricostruzioni annuali delle pompe fossero le soluzioni più comuni, oggi gli utilizzatori hanno un’aspettativa di cinque anni o più in relazione al tempo medio tra le riparazioni (MTBR, Mean Time Between Repair). Ciò è stato reso possibile dall’applicazione pratica delle tecniche volte a incrementare l’affidabilità, nonché dall’attenzione al supporto della vita utile dei macchinari, in particolare, che ha contribuito in modo determinante a creare questa nuova realtà.

Dato che il guasto dei cuscinetti equivale a un guasto delle apparecchiature, la protezione dei cuscinetti è un argomento essenziale per qualsiasi questione relativa all’affidabilità delle apparecchiature rotanti industriali. Le tenute dell’alloggiamento per cuscinetti forniscono principalmente protezione da due principali cause di guasto: l’ingresso di agenti contaminanti e la perdita di lubrificante. La corretta selezione e progettazione delle tenute dell’alloggiamento per cuscinetti ha un impatto significativo sull’affidabilità della pompa. La conoscenza di base e la comprensione delle tenute per cuscinetti sono quindi argomenti essenziali per ogni professionista in tema di affidabilità delle apparecchiature rotanti.

A contatto o senza contatto?

Essenzialmente esistono due grandi categorie di tenute per cuscinetti: a contatto e senza contatto. Le tenute a contatto si basano esclusivamente sul contatto per svolgere le loro funzioni di tenuta. Senza contatto, non c’è tenuta. Le guarnizioni senza contatto, al contrario, non si basano sul contatto per svolgere le loro funzioni di tenuta. Nella progettazione di tenute senza contatto, ciò non significa che i componenti non si toccano nella maniera più assoluta (ad esempio, durante l’installazione o la rettifica), ma piuttosto che il contatto non è un requisito fondamentale per il corretto funzionamento. Per una tenuta senza contatto, il contatto non è il meccanismo tramite cui la tenuta svolge le proprie funzioni.

Tenute a contatto

Le tenute a contatto sono comunemente e ulteriormente suddivise in tenute a labbro e tenute magnetiche. Le tenute a labbro si riferiscono in generale a qualsiasi progettazione che utilizzi un elemento di contatto elastomerico, solitamente circonferenziale. Questo elemento di contatto statico viene premuto contro l’albero, spesso con l’aiuto di una molla, per garantire un contatto positivo. L’elemento di contatto elastomerico è spesso trattenuto da un alloggiamento metallico, tramite pressione, nell’alloggiamento del cuscinetto intorno all’albero. Il vantaggio principale delle tenute a labbro è il basso costo. Sono anche facilmente disponibili in quasi tutte le dimensioni richieste. Gli svantaggi principali sono la breve durata causata dal logorio e il contatto dinamico con l’albero, che può determinare usura e danni all’albero.

Le tenute magnetiche sono otticamente piatte ed essenzialmente semplici tenute meccaniche sbilanciate che usano l’attrazione magnetica per caricare le superfici in opposizione alle molle meccaniche. Le superfici sono solitamente costituite da diversi materiali, come il carbonio e l’acciaio inossidabile, o altri metalli. Il vantaggio principale delle tenute magnetiche rispetto a quelle a labbro è che non danneggiano l’albero, poiché tutti i contatti dinamici avvengono all’interno della tenuta e tra le due superfici. Le tenute magnetiche sono considerevolmente più costose rispetto alle tenute a labbro.

Entrambi i tipi di tenute a contatto hanno il vantaggio di poter sigillare le pressioni positive o i livelli statici (ossia le teste) del lubrificante. Il comune svantaggio è rappresentato dal fatto che le tenute a contatto sono dispositivi di attrito soggetti a guasti e all’usura dopo un determinato periodo di tempo. Non è possibile prevedere quando si verificherà il cedimento della tenuta a contatto, né la durata utile di una particolare installazione di tenuta. Sebbene si ritenga che le tenute del tipo a superficie magnetica offrano una maggiore aspettativa di vita rispetto alle tenute a labbro, l’aspettativa di vita reale di entrambi i tipi di tenute a contatto è, per lo più, ancora sconosciuta.

Tenute senza contatto

Le tenute senza contatto possono essere divise in tre categorie distinte: con gioco, a labirinto tradizionale o a labirinto composito, a cui si fa spesso riferimento come a isolatori per cuscinetti. Le tenute con gioco, o a distanza, forniscono una protezione minima nella migliore delle ipotesi, poiché si basano esclusivamente su un gioco o uno spazio stretto come meccanismo di tenuta per bloccare qualsiasi elemento più grande della fessura. I labirinti tradizionali aggiungono un percorso tortuoso nel design della tenuta con gioco, per ostacolare ulteriormente qualsiasi oggetto che passi attraverso la tenuta. Le tenute a labirinto tradizionali sono di solito monodirezionali e rappresentano quindi opzioni poco pratiche per le tenute degli alloggiamenti per cuscinetti, in cui sono richieste l’espulsione di agenti contaminanti e la ritenzione di lubrificante. Le tenute con gioco e a labirinto sono economiche.

Isolatori per cuscinetti

Verso la fine degli anni ’70, è stato introdotto nel settore il design a labirinto composito. Le tenute a labirinto composito utilizzano componenti statici e dinamici per trattenere il lubrificante ed espellere gli agenti contaminanti. Il creatore delle tenute a labirinto composite ha coniato l’espressione “isolatori di cuscinetti” per differenziarle dalle più tradizionali tenute a labirinto. Da allora, il termine è diventato di uso comune. Gli isolatori per cuscinetti sono tenute senza contatto, e quindi hanno un’aspettativa di vita illimitata. Dato che non sono soggette a guasti in circostanze normali, raramente sono causa di fermi macchina. In quanto tenuta senza contatto, gli isolatori per cuscinetti non rappresentano la scelta corretta nel caso in cui sia necessario sigillare una determinata pressione, come un livello statico di lubrificante, o quando l’alloggiamento di un cuscinetto è soggetto ad allagamento. Tuttavia, sono quasi sempre la scelta preferita contro gli spruzzi di lubrificante e la contaminazione. Gli isolatori per cuscinetti sono più costosi delle tenute a contatto del tipo a labbro, con gioco o a labirinto semplice, ma hanno un prezzo uguale o inferiore alle tenute a contatto magnetico.

Sarebbe un eufemismo affermare che la comune applicazione degli isolatori per cuscinetti agli alloggiamenti dei cuscinetti per pompe ha rappresentato un fattore determinante. Le pompe operano all’interno di sistemi di componenti correlati, e il guasto di un esiguo numero di elementi critici può far crollare un intero sistema. I guasti delle tenute degli alloggiamenti per cuscinetti possono causare l’interruzione dei sistemi di pompaggio. Poiché la richiesta di una maggiore affidabilità e durata utile è aumentata negli ultimi decenni, le tenute a labbro, semplicemente, non sono riuscite a tenere il passo con le aspettative dei clienti. L’uso di isolatori per cuscinetti senza contatto e non soggetti a usura è stato fondamentale per conseguire un ottimo tempo medio tra le riparazioni (MTBR, Mean Time Between Repair) richiesto oggi nel settore.

La selezione delle tenute, come la maggior parte delle decisioni di ingegneria, rappresenta un compromesso. Mentre le tenute a contatto, come implica il loro nome, forniscono un contatto positivo e quindi una tenuta efficace contro le teste statiche e la pressione, sono afflitte da una vita utile limitata. Ad un certo punto, e non è possibile sapere quando, si guasteranno: vi è un numero incalcolabile di fattori che contribuiscono a ridurre l’aspettativa di vita utile della tenuta a contatto. Quando si guastano, è necessario riparare l’apparecchiatura al più presto. Gli isolatori di cuscinetti senza contatto, al contrario, non si guastano e raramente riducono l’affidabilità complessiva dell’apparecchiatura. Infatti, essi aumentano l’affidabilità eliminando uno dei maggiori punti deboli: la tenuta dell’alloggiamento per cuscinetto. Per questo motivo, gli isolatori per cuscinetti sono una scelta comune e predefinita per le apparecchiature rotanti industriali, in particolare per le pompe industriali. Sono passati decenni da quando 100.000 miglia rappresentavano un importante traguardo per le automobili e, ad oggi, la disponibilità e l’applicazione diffusa degli isolatori per cuscinetti ha avuto un grande impatto sull’affidabilità delle apparecchiature rotanti. È possibile affermare che, senza la tecnologia degli isolatori per cuscinetti, l’attuale aspettativa di cinque anni o più tra una riparazione e l’altra non risulterebbe verosimile.