Sperimentazione di un sistema di tenuta a basso attrito

Viene qui descritta la sperimentazione su un sistema di tenuta per ridurre l’attrito nei cilindri pneumatici.

I sistemi di tenuta nei cilindri pneumatici utilizzano comunemente giunzioni a labbro. La particolare forma di tali guarnizioni e il loro materiale le rende capaci di deformarsi sotto la spinta della pressione, ponendosi ben a contatto della canna o dello stelo e realizzando così un’eccellente tenuta. Di contro le forze di attrito statica e dinamica sono piuttosto elevate in confronto alla forza utile di lavoro del cilindro. Per ridurre l’attrito vengono comunemente impiegati grassi e lubrificanti sintetici, con buoni risultati. Questa soluzione comporta non solo un effettivo risparmio energetico, ma anche un regolare funzionamento, una lunga durata dei componenti e quindi minori costi di manutenzione. Tuttavia, in applicazioni delicate, come in campo medicale, alimentare o nella produzione dei microchip per l’industria elettronica, l’utilizzo dei grassi o altri lubrificanti deve essere evitato per motivi sanitari o per garantire la pulizia richiesta dal processo. Anche per rispondere a una sempre maggiore presa di coscienza di sostenibilità ambientale, diventa importante trovare soluzioni alternative ecocompatibili per ridurre l’attrito nei cilindri pneumatici. A questo scopo è possibile realizzare pistoni di particolare profilo e montati con piccolo gioco all’interno della canna in assenza di guarnizioni striscianti ammettendo una piccola portata d’aria di fuga nel sottile meato tra pistone e canna [1]. Sebbene tale metodo riduca quasi totalmente le forze di attrito le necessarie strette tolleranze di lavorazione non lo rendono economicamente vantaggioso e di fatto viene adottato solo in sistemi con elevata precisione di posizionamento. In genere per superare il problema vengono proposti opportuni materiali e forme delle guarnizioni striscianti grease free [2-3]; per specifiche impieghi sono proposte speciali tenute testurizzate [4-5]. Comunque non esistono soluzioni low cost o facilmente adattabili ai diversi campi di utilizzo. Presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino è in studio la possibilità di una soluzione di facile realizzazione. L’idea è quella di modificare gli attuali pistoni dei cilindri pneumatici con una comune lavorazione meccanica e di utilizzare le guarnizioni a labbro commerciali montandole sul pistone in modo non convenzionale [6-7]. La semplicità realizzativa e la reperibilità dei componenti commerciali rendono l’idea interessante per la possibilità di sviluppare sistemi dal costo contenuto, anche se l’effettiva industrializzazione richiede una scelta ragionata delle geometrie disponibili, della rigidezza delle guarnizioni, dei sistemi di montaggio. Presso il Dipartimento di Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino è pertanto in corso una ricerca sperimentale al fine di verificare l’adottabilità della soluzione proposta. È stato realizzato un prototipo di cilindro pneumatico per testare diverse tipologie di guarnizioni commerciali montate in maniera non convenzionale. In [8] sono riassunti i risultati ottenuti con una tipologia di guarnizione, realizzata con materiali differenti. In questo articolo sono evidenziati alcuni aspetti delle modalità delle prove e sono confrontati i risultati ottenuti con differenti tipologie di guarnizione.

Banco prova

La Figura 1 mostra la sezione e la foto del prototipo di pistone realizzato. Il pistone è montato in un cilindro pneumatico a doppio effetto e a stelo passante; il pistone è forato radialmente, un altro foro è realizzato lungo l’asse dello stelo in modo da porre a pressione ambiente la camera tra le due guarnizioni. La soluzione prevede di montare le guarnizioni sul pistone in senso contrario a quello normalmente adottato. Per effetto della pressione di alimentazione nelle camere, le guarnizioni si piegano leggermente riducendo il contatto con la canna e lasciando trafilare a scarico una piccola portata d’aria. In questo modo si ottiene una diminuzione controllata delle forze di attrito. Per evitare eccessive deformazioni dei labbri sono state scelte guarnizioni dotate di elementi elastici energizzanti, tipicamente impiegate in sistemi idraulici. Il comportamento è influenzato dalla rigidezza delle molle, dal materiale delle guarnizioni e dal precarico al montaggio, che dipende dalle dimensioni del sistema guarnizioni-canna-sedi e dalle tolleranze di fabbricazione. In Figura 2 sono visualizzate le tipologie di guarnizioni commerciali testate, tutte prodotte in PTFE: A, B, C. Le tipologie differiscono per la geometria del labbro e della molla energizzante, in modo da ottenere campioni di differente rigidezza. La tipologia A è realizzata in teflon caricato grafite, mentre la molla è costituita da un filo elastico avvolto a spirale; la tipologia B è realizzata in teflon vergine con la molla ottenuta da un sottile lamierino circolare opportunamente sagomato; La tipologia C è simile per geometria alla B, il materiale è teflon caricato grafite ed è stata tolta la molla energizzante. Le sedi delle guarnizioni sono realizzate in appositi anelli montabili sul pistone (Figura 1). Scelto il diametro nominale del cilindro, pari a D=50 mm, si definiscono il diametro nominale “d” e la profondità “a” della sede della guarnizione dal catalogo del produttore. Per le tre tipologie esaminate il diametro nominale “d” risulta pari rispettivamente a 41,6 mm, 40,6 mm e 40 mm. Per simulare differenti interferenze al montaggio sono state utilizzate canne in acciaio con differente diametro “d” calibrato (50-50,1-50,2 mm), realizzate in acciaio inox con rugosità della superficie di contatto pari a Ra = 0.6 μm. Per la tipologia A sono anche stati adoperati anelli intercambiabili con sedi di differente diametro “d” (41,6-41,8-42 mm). La tabella di Figura 3 riassume la geometria delle configurazioni testate.