Grazie a una struttura innovativa dell'anello di tenuta e all'impiego di elastomeri autolubrificanti, con l'anello VR del tipo costruttivo SOA è possibile coprire applicazioni nel campo di pressione medio da 15 a 150 bar. Nelle pompe e nei giunti rotanti era finora quasi impossibile impiegare in sicurezza tenute radiali in elastomero con valori p·v elevati: forze radiali elevate portano all'incisione del materiale di tenuta nella superficie dell'albero, a cui si aggiungono coppie di perdita elevate e temperature d'attrito elevate.
L'eccessiva sollecitazione meccanica e fisica ad alti valori p-v è riconducibile a un'estrusione nella luce troppo grande tra l'appoggio di pressione e l'albero.
L'azione di tenuta nella zona del labbro
Il principio di funzionamento di queste tenute radiali senza molla si basa sul fatto che, tramite corpi di supporto metallici, vengono calzati corpi a membrana di forma a S con un precarico esattamente calibrato. Il labbro di tenuta smussato adiacente si oppone alla direzione di pressione del fluido ed è sostenuto sul retro dal disco di pressione integrato.
Quando il corpo a membrana viene teso sopra il corpo metallico, nella membrana e nel labbro di tenuta si genera una forza radiale e una forza tangenziale. Queste sostituiscono la forza della molla che nelle tenute standard genera la forza radiale. Grazie alla forza tangenziale la forza radiale può essere ridotta fino a un quarto di quella di un anello standard. Questo è il vantaggio costruttivo essenziale:
- nessuna traccia di rodaggio sull'albero, anche senza tempra e rettifica
- utilizzabile su alberi in acciaio inossidabile (V2A, V4A)
- ridotta perdita di potenza, possibili elevate velocità di rotazione
- elevata resistenza alla pressione con elevata azione di tenuta
- lunghe durate utili
L'estrusione nella luce
Ogni anello di tenuta radiale, sotto carico di pressione, è soggetto a un'estrusione nella zona del labbro di tenuta — il materiale di tenuta viene trascinato nella luce tra l'albero d1 e il diametro attivo Dw. La distanza di questa luce è pari a ds = (Dw − d1) / 2 ed è il fattore determinante per il valore p-v del punto di tenuta.
Il diametro attivo Dw è determinato dalla costruzione dell'anello di tenuta oppure dal componente adiacente dietro il labbro di tenuta — alloggiamento, disco e simili.
Sotto carico di pressione si presentano una forza radiale nettamente più elevata e, in aggiunta, una forza assiale in direzione del lato opposto alla pressione, perché il materiale viene trascinato nella luce anulare. Con alberi rotanti si aggiunge la torsione della geometria del labbro di tenuta. Ciò comporta elevati sforzi di taglio nel materiale, che sono funzione di pressione, velocità, coefficiente d'attrito e luce anulare.
È quindi indispensabile ottenere una quota ds costante su tutta la circonferenza. Inoltre il labbro di tenuta deve essere sostenuto da una superficie inclinata di circa 30° rispetto al diametro attivo, affinché non aderisca all'albero sotto pressione per tutta la sua lunghezza.
Se ds è troppo grande o irregolare, si verificano bruciature del materiale e il tranciamento del labbro di tenuta durante l'esercizio. La luce anulare decide quindi se una tenuta resiste alla pressione e alla velocità periferica previste oppure viene distrutta.
Nel sistema di tenuta VR la luce di tenuta è determinata dalla quota del foro del corpo di supporto. Carichi di pressione più elevati e dinamici richiedono distanze minori. Per gli anelli di tenuta per alberi VR sono stati determinati valori minimi di ds sotto carico di pressione.
Per poter sopportare pressioni elevate, ds deve essere piccolo e l'appoggio di pressione dietro la tenuta deve diventare più stabile e più preciso. Nell'anello standard questo appoggio veniva finora realizzato con un disco aggiuntivo dietro la tenuta.
Nell'esecuzione VR SOA questo disco di pressione è integrato nella struttura della tenuta. Grazie all'ulteriore centraggio metallico rispetto al foro dell'alloggiamento si possono raggiungere valori di ds estremamente ridotti — la tenuta è perfettamente centrata rispetto all'albero.
È proprio questo che serve per ottenere la stessa quota ds su tutta la circonferenza. Solo così l'andamento delle tensioni nel materiale sotto pressione è costante lungo la circonferenza e non si verifica alcuna estrusione del materiale. Condizioni di tensione disomogenee provocano un cedimento prematuro per cricche tangenziali oppure riducono notevolmente la durata utile.
Sintesi
La riduzione del gioco tra albero e anello di supporto e il miglioramento del materiale elastomerico mediante additivi lubrificanti hanno portato a una struttura radicalmente nuova dell'anello di tenuta radiale. Questa costruzione consente l'impiego nel campo delle medie pressioni, in particolare nelle pompe.
Le prescrizioni costruttive relative alla quota D3 del corpo di supporto sono riportate nelle Linee guida di progettazione.