Cuscinetti ibridi nel mondo reale

Un nuovo approccio alla modellazione aiuta gli ingegneri a capire i vantaggi offerti dai cuscinetti ibridi nelle diverse applicazioni.

Gli ingegneri SKF hanno risolto uno dei grandi enigmi associati alle prestazioni dei cuscinetti. Ora stanno applicando i risultati delle loro ricerche oltre 260 volte al giorno per aiutare i clienti a progettare macchine per alcune delle applicazioni più impegnative al mondo. Qual è l’enigma? Il motivo per cui i cuscinetti ibridi funzionano così bene.

Da oltre 50 anni, i cuscinetti ibridi, che utilizzano elementi volventi ceramici in nitruro di silicio e anelli in acciaio, sono la scelta preferenziale per le attrezzature di alta precisione che operano ad alta velocità, come i mandrini delle macchine utensili. Oggi, la combinazione di peso ridotto, buone proprietà di resistenza elettrica e buone prestazioni in condizioni gravose in termini di lubrificazione e contaminazione rende i cuscinetti ibridi idonei per molte più applicazioni, dai sistemi di trasmissione dei veicoli elettrici alle pompe e i compressori industriali.

Gli ingegneri sanno per esperienza che i cuscinetti ibridi possono assicurare prestazioni eccellenti in queste applicazioni e, spesso, offrono una durata molto più lunga rispetto ai loro omologhi tradizionali con sfere in acciaio. Ciò nonostante, fino a poco tempo fa, i calcoli di progettazione utilizzati per valutare la durata di esercizio di questi cuscinetti sovente restituivano un risultato opposto.

Identificare il problema

Secondo Guillermo Morales-Espejel, principal scientist presso l’SKF Research and Technology Development, il problema è dato dalle formule standard che gli ingegneri utilizzano per calcolare la durata di base, poiché non riflettono accuratamente le sfide che i cuscinetti devono superare nelle applicazioni effettive. «Il modello per la durata dei cuscinetti tradizionale si base sulla fatica a livello sub-superficiale – spiega –. Mentre i cuscinetti ruotano, i loro componenti sono costantemente caricati e scaricati. Nel corso di milioni di cicli, la fatica accumulata dal materiale può determinare cedimenti».

Dato che il comportamento in caso di fatica è ben noto, gli ingegneri possono inserire le informazioni sui carichi e le velocità previste nelle loro applicazioni in una formula per valutare la durata di base di un determinato design. Il coefficiente di carico dinamico C, che è riportato per ciascun cuscinetto nel catalogo generale o nel catalogo prodotti online di SKF, si utilizza principalmente per valutare le prestazioni dei cuscinetti a livello sub-superficiale. Questo modello è ampiamente utilizzato e integrato negli standard internazionali, ma Morales-Espejel sostiene che non presenta i cuscinetti ibridi nella loro veste migliore. «Gli elementi volventi in ceramica sono più rigidi di quelli in acciaio, quindi subiscono minori deformazioni sotto carico. Ciò significa che i carichi sono concentrati su un’area più piccola di materiale, quindi si verifica un aumento delle sollecitazioni e viene accelerata la fatica a livello sub-superficiale».

Inoltre, considerazione ancora più importante, le applicazioni effettive non sono sempre allineate al modello tradizionale. «Sappiamo per l’esperienza acquisita sul campo che la maggior parte dei cedimenti dei cuscinetti è causata da problemi a livello di superficie, anziché nel materiale – aggiunge Morales-Espejel. La causa originaria, in genere, è una lubrificazione inadeguata o la presenza di contaminazione». Nessuno contesta tale analisi e gli standard moderni come la ISO 281 comprendono fattori di correzione per tentare di compensare questi effetti.

Un nuovo modello

I fattori di correzione introdotti nei modelli basati sulla sotto-superficie non hanno tuttavia provato a rappresentare il comportamento effettivo dei cuscinetti in esercizio, quindi nel 2012 Morales-Espejel e altri colleghi di SKF hanno deciso di mettersi all’opera per riuscire a ottenere risultati migliori. Per realizzare un nuovo modello per la durata dei cuscinetti, spiega, avevano bisogno di tre elementi. «Innanzitutto, serviva un modello della fatica a livello sub-superficiale nel materiale, di cui già disponevamo, oltre a un modello per il cedimento a livello di superficie. Infine erano necessari dati da test di durata che potessimo utilizzare per mettere a punto e validare il nostro modello».

Il team SKF ha lavorato al nuovo modello per i due anni successivi, avvalendosi di decenni di studi in ambito di scienza dei materiali e tribologia. L’approccio richiedeva un’approfondita comprensione del comportamento delle superfici dei cuscinetti, dalle caratteristiche di attrito al modo in cui le particelle contaminanti causano indentature sotto carico. Il modello concept iniziale presentato come Modello generalizzato di durata (Generalized Bearing Life Model, GBLM) alla Hannover Messe nel 2015, tuttavia, non copriva la modellazione per i cuscinetti ibridi.

«Servono dati per adattare e quindi validare qualsiasi modello per la durata dei cuscinetti e per acquisire una quantità sufficiente di dati non c’è altro modo che il duro lavoro – prosegue Morales-Espejel. Dovevamo creare curve che descrivessero il comportamento dei cuscinetti in un’ampia gamma di condizioni di carico e delle superfici. Per ciascun punto su tali curve era necessario testare circa 30 cuscinetti, sapendo che molti avrebbero ceduto».

Gli uomini SKF dovevano anche confrontare cuscinetti con elementi volventi in acciaio e in ceramica e cuscinetti che operavano in condizioni di lubrificazione inadeguata e in presenza di contaminazione. Per completare il processo sono stati eseguiti centinaia di test sui cuscinetti. Il programma di test e l’adattamento del modello concept hanno richiesto altri quattro anni di lavoro di ricercatori e tecnici presso le sedi SKF nei Paesi Bassi e in Austria. Il progetto è stato infine ultimato un anno fa, consentendo a Morale-Espejel e alla sua squadra di finalizzare il nuovo GBLM per i cuscinetti ibridi.

Approfondimenti sulle applicazioni effettive

Cosa offre il nuovo modello a ingegneri e progettisti? «Sapevamo già che i cuscinetti ibridi assicuravano vantaggi in molte condizioni di esercizio comuni – sottolinea Morales-Espejel –. Se un cuscinetto è soggetto a carichi pesanti, ma opera in un ambiente pulito e ben lubrificato, la fatica a livello sub-superficiale è probabile che sia la causa originaria di cedimento e i cuscinetti con sfere in acciaio potrebbero offrire prestazioni migliori, rispetto a quelli con sfere in ceramica. Tuttavia, molti cuscinetti operano con carichi più leggeri e spesso in condizioni di lubrificazione inadeguata o in presenza di contaminazione. Il nostro modello mostra se una soluzione ibrida potrebbe offrire una maggiore durata in queste applicazioni e quantifica la differenza».

Per dimostrare l’entità della differenza, Morales-Espejel e i suoi colleghi hanno eseguito calcoli per un numero rappresentativo di applicazioni effettive. Nel caso di un cuscinetto di una pompa lubrificato a bagno d’olio e con olio diluito, che causa una lubrificazione insufficiente, la durata di base di un cuscinetto ibrido era fino a otto volte superiore, rispetto al suo omologo con sfere in acciaio. Nel caso invece di un cuscinetto in un compressore a vite che operava con lubrificante contaminato, un cuscinetto ibrido assicurava una durata di base cento volte superiore rispetto a un cuscinetto tradizionale con sfere in acciaio.

Al momento giusto

Dopo intensivi test interni eseguiti dagli ingegneri dell’applicazione di SKF, il GBLM per i cuscinetti ibridi è ora diventato un elemento standard del kit di strumenti dell’azienda a supporto del cliente. Il GBML non poteva essere introdotto in un momento più opportuno. I progressi in ambito di tecnologia di produzione hanno consentito di aumentare la disponibilità di cuscinetti ibridi e di ridurre il divario di costo tra design ibridi e tradizionali. Inoltre, la gamma di applicazioni in cui i cuscinetti ibridi possono risultare vantaggiosi è in costante e rapido ampliamento.

«L’utilizzo di lubrificanti a viscosità più bassa e la lubrificazione minimale sono una scelta sempre più diffusa nel settore – informa Morales-Espejel. Questa importante tendenza è determinata dall’esigenza di ridurre il consumo di energia e di conformarsi a normative ambientali più rigide». In applicazioni come quelle dei motori dei settori ferroviario e automobilistico e delle pompe industriali, solo i cuscinetti ibridi possono assicurare la combinazione di basso consumo di energia ed elevati livelli di affidabilità necessari in queste condizioni, sostiene Morales-Espejel.

Un’altra area di crescita enormemente importante è la e-mobility. Trasmissioni elettriche per automobili, autocarri e treni richiedono cuscinetti in grado di sopportare alte velocità, accelerazioni e temperature con regime di lubrificazione minimale. I cuscinetti devono anche essere resistenti alle correnti elettriche vaganti, che possono bruciare i film di lubrificante e danneggiare le superfici di rotolamento. Le eccellenti proprietà di isolamento elettrico, combinate con altri vantaggi, rendono i cuscinetti ibridi la soluzione ideale per queste applicazioni.

L’interesse per la tecnologia dei cuscinetti ibridi è talmente elevato che gli strumenti di calcolo del GBLM di SKF, attualmente, vengono utilizzati in media 260 volte al giorno dagli ingegneri dell’applicazione e dai clienti dell’azienda, dice Morales-Espejel. I cuscinetti ibridi non escono sempre vincitori dal confronto con i design tradizionali – precisa –, ma questo è proprio il motivo per cui il nostro nuovo approccio alla modellazione è così importante. «L’obiettivo non è sostituire tutti i cuscinetti con sfere in acciaio con cuscinetti ibridi, bensì farlo se risulta vantaggioso. Il nostro GBLM per i cuscinetti ibridi consente ai clienti di prendere decisioni basate su dati concreti e affidabili».

di Eugenio Loi

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Source: Stampi
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