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Scelta di cuscinetti per ventilatore centrifugo

Tesi per Ingegneria I, dell'università degli Studi del Politecnico di Torino - Polito elaborata dall’autore nell’ambito del corso di Elementi costruttivi delle macchine tenuto dal professore Roccati dal titolo Scelta di cuscinetti per ventilatore centrifugo. Scarica il file in formato PDF!

Materia di Elementi costruttivi delle macchine relatore Prof. G. Roccati

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27

5.5 Montaggio dei cuscinetti con foro conico

I cuscinetti orientabili a rulli con foro conico possono essere montati su

alberi con o senza gradino utilizzando una bussola di trazione (vedi fig 9)

Le bussole facilitano montaggio e smontaggio e spesso semplificano la

disposizione dei cuscinetti. Le dimensioni delle bussole di trazione SKF

sono conformi alla ISO 2982-1:1995.

I cuscinetti con foro conico si montano sempre con interferenza. Si

utilizza come misura del grado di interferenza la riduzione del gioco

radiale interno o, l’avanzamento assiale dell’anello interno sulla sede

conica. I metodi adatti al montaggio dei cuscinetti orientabili a rulli con

foro conico sono:

· Misurazione della riduzione del gioco

· Misurazione dell’angolo di serraggio della ghiera

· Misurazione dell’avanzamento assiale

· Misurazione della dilatazione dell’anello interno

I cuscinetti di dimensioni ridotte con diametro foro fino a 100 mm

possono essere montati correttamente misurando l’angolo di serraggio

della ghiera.

Per i cuscinetti di dimensioni maggiori esiste un metodo più preciso e che

richiede meno tempo rispetto alle procedure basate sulla riduzione del

gioco o sull’angolo di serraggio della ghiera. La misurazione della

dilatazione dell’anello interno consente di montare in modo semplice,

rapido e preciso i cuscinetti di grandi dimensioni, grazie ad un sensore

inserito nell’anello interno del cuscinetto. 28

5.5.1 Capacità di carico assiale dei cuscinetti montati su bussole

di trazione

Se i cuscinetti orientabili a rulli con bussole di trazione sono montati su

alberi senza gradino, l’entità del carico assiale che possono reggere è

determinata dall’attrito fra albero e bussola.

Se i cuscinetti sono montati correttamente, il carico assiale consentito può

essere calcolato con la formula

= × ×

F 0

, 003 B d

ap

In cui

F = carico assiale massimo consentito, kN

ap

B = larghezza cuscinetto, mm

d = diametro foro del cuscinetto, mm

per cui risulta = × × =

F 0

,

003 33 80 7 ,

92 kN

ap

Essendo il carico statico/dinamico assiale di 980 N, la capacità di carico

assiale del cuscinetto 22216 EK è verificata.

5.5.2 Misurazione della riduzione del gioco

Il metodo che utilizza degli spessimetri (Lo spessimetro a lamine è un

calibro fisso costituito da una lamina di metallo realizzata con

accuratezza ad un preciso spessore. Normalmente vengono realizzati

lamine con spessore nominale compreso tra 0.05 e 1 mm) per misurare il

gioco interno prima e dopo il montaggio dei cuscinetti, è adatto ai

cuscinetti di medie e grandi dimensioni. Il gioco deve sempre essere

misurato fra l’anello esterno e un rullo non caricato (fig 14). Prima di

eseguire la misurazione è necessario ruotare alcune volte l’anello interno

o quello esterno. E’ necessario controllare accuratamente che entrambi gli

anelli dei cuscinetti ed il gruppo rulli siano allineati tra loro. Per la prima

misurazione, si seleziona una lama leggermente più sottile del valore

minimo del gioco. Durante la misurazione la lama deve essere mossa

avanti e indietro finché non è inserita nel centro del rullo. Si deve ripetere

la procedura utilizzando ogni volta lame leggermente più spesse finché

non si avverte una certa resistenza, muovendole fra 29

· Anello esterno e rullo superiore (a) prima del montaggio.

· Anello esterno e rullo inferiore (b) dopo il montaggio.

Per i cuscinetti di grandi dimensioni, soprattutto nel caso di cuscinetti con

anello esterno a parete piuttosto sottile, la misurazione può essere

influenzata dalla deformazione elastica dell’anello, causata dal peso del

cuscinetto o dalla forza per estrarre la lama dello spessimetro attraverso

l’apertura tra la pista e l’elemento volvente scarico. In questi casi, per

determinare il gioco “reale” prima e dopo il montaggio, si deve adottare

la seguente procedura (c)

· Misurare il gioco “c” a “ore 12” in caso di cuscinetto in posizione

verticale oppure a “ore 6” in caso di cuscinetto appeso in zona

albero supportata.

· Misurare il gioco “a” a “ore 9” ed il gioco “b” a “ore 3” senza

muovere il cuscinetto.

· Ricavare il gioco radiale interno “reale” in maniera relativamente

accurata mediante la formula 0.5(a+b+c).

I valori consigliati per ridurre il gioco interno sono indicati nella tabella 6

a pag 711 del nuovo catalogo generale SKF. 30

31

5.5.3 Misurazione dell’angolo di serraggio della ghiera

Il montaggio dei cuscinetti di dimensioni ridotte o medie su sedi coniche,

a

è semplice se si utilizza l’angolo di serraggio della ghiera e il metodo

a

descritto di seguito. I valori indicativi dell’angolo di serraggio sono

riportati nella precedente tabella.

Prima del serraggio finale, occorre sempre spingere il cuscinetto sulla

sede conica finché l’intera circonferenza del foro del cuscinetto entra in

contatto con la sede dell’albero o con la bussola. Ruotando la ghiera

dell’angolo indicato, il cuscinetto viene spinto sulla sede conica. Se

possibile, controllare il gioco residuo del cuscinetto.

Se si utilizza una ghiera KM, si deve svitare la ghiera e posizionare la

rondella di sicurezza. Avvitare nuovamente la ghiera a fondo e bloccarla

piegando una delle alette di bloccaggio della rondella di sicurezza in

modo che entri nella scanalatura della ghiera stessa (fig 1).

Se si utilizza una ghiera KMFE, bloccare la ghiera serrando la vite di

fermo secondo la coppia indicata dalla tabella dei prodotti (catalogo

generale SKF). 32

5.5.4 Misurazione dell’avanzamento assiale

Il montaggio dei cuscinetti con foro conico può essere effettuato

misurando l’avanzamento assiale dell’anello interno sulla sua sede. I

valori indicativi dell’avanzamento assiale “s” richiesto per applicazioni

generiche sono riportati nella precedente tabella 6.

Questo metodo di montaggio, consente di determinare in modo facile e

affidabile la posizione iniziale del cuscinetto dalla quale misurare lo

spostamento assiale. A tale scopo. Il cuscinetto viene spinto in sede in

una posizione definita posizione iniziale (fig 17) applicando una data

pressione dell’olio (corrispondente ad una determinata forza di

avanzamento) alla ghiera idraulica.

In questo modo, si ottiene una parte della riduzione del gioco radiale

interno richiesto. La pressione dell’olio viene controllata con il

manometro. Successivamente si fa avanzare il cuscinetto di una certa

distanza dalla posizione iniziale a quella finale. L’avanzamento assiale

” si determina utilizzando un comparatore montato sulla ghiera

“s

s

idraulica. Sono stati determinati i valori per la pressione dell’olio e per

l’avanzamento assiale di ogni cuscinetto. Questi valori sono validi per

cuscinetti con

· Una superficie di scorrimento (a) e (b) oppure

· Due superfici di scorrimento (c) 33

5.5.5 Misurazione della dilatazione dell’anello interno

La misurazione della dilatazione dell’anello interno consente di montare

in modo semplice, rapido e preciso i cuscinetti orientabili a rulli di grandi

dimensioni con foro conico, senza dover misurare il gioco radiale interno

prima e dopo il montaggio. Questo metodo utilizza un sensore integrato

nell’anello interno ed un indicatore portatile dedicato (fig 19).

Il cuscinetto viene spostato sulla sede conica con i normali attrezzi di

montaggio, le informazioni provenienti dal sensore vengono elaborate

dall’indicatore. La dilatazione dell’anello interno viene mostrata come la

relazione fra la riduzione del gioco (mm) e il diametro foro cuscinetto

(m). Non occorre prendere in considerazione aspetti quali dimensioni de

cuscinetto, levigatezza, materiale o esecuzione dell’albero, pieno o cavo.

34

5.5.6 Prove di funzionamento

Dopo aver montato il cuscinetto, si applica il lubrificante indicato e si fa

una prova di funzionamento per verificare la silenziosità e la temperatura

del cuscinetto.

La prova va effettuata con solo parte del carico e, quando la gamma delle

velocità è ampia, a velocità bassa o moderata. Per nessun motivo si deve

avviare un cuscinetto volvente in assenza di carico e accelerarlo ad alta

velocità, dato che c’è il pericolo che i corpi volventi slittino sulle piste e

le danneggino o che la gabbia sia soggetta a sollecitazioni inammissibili.

Vibrazioni e rumorosità si possono controllare mediante uno stetoscopio

elettronico. Normalmente, i cuscinetti producono un rumore sommesso e

uniforme. Fischi o stridii denunciano una lubrificazione inadeguata Un

rumore non uniforme o un martellamento è in molti casi dovuto alla

presenza di sostanze contaminanti nel cuscinetto o al danneggiamento del

cuscinetto stesso avvenuto durante il montaggio.

Un aumento di temperatura del cuscinetto subito dopo l’avviamento è

normale. Per esempio nel caso di una lubrificazione a grasso, la

temperatura non diminuisce fino a che il grasso non si è uniformemente

distribuito nel sistema di cuscinetti, dopo di che si stabilisce una

temperatura di equilibrio. Temperature insolitamente alte o picchi

costantemente presenti indicano che nel sistema c’è troppo lubrificante o

che il cuscinetto è deformato in senso radiale o assiale. Altre cause sono

dovute al fatto che i componenti associati non sono stati costruiti o

montati correttamente o che le guarnizioni presentano un attrito

eccessivo.

Durante la prova di funzionamento o immediatamente dopo, è necessario

controllare sia le guarnizioni, per accertarsi della loro efficienza, sia i

dispositivi di lubrificazione e il livello del bagno d’olio (dove utilizzato).

Può anche essere necessario prelevare un campione del lubrificante per

verificare che il sistema di cuscinetti non sia stato contaminato o i

componenti associati non si siano usurati. 35

5.5.7 Tolleranze di montaggio

I cuscinetti orientabili a rulli SKF sono costruiti di serie con tolleranza

Normale.

I cuscinetti orientabili a rulli SKF Explorer, con diametro foro fino a 300

mm incluso, sono tuttavia prodotti con una precisione maggiore rispetto

alla tolleranza ISO Normale. Ad esempio

· la tolleranza della larghezza è molto più rigida della tolleranza

Normale ISO (vedi tabella 2)

· la precisione di rotazione è di serie conforme alla classe di

tolleranza P5 (pag 196 nuovo catalogo SKF).

I cuscinetti orientabili a rulli sono prodotti di serie con un gioco radiale

,

interno Normale, molti di essi sono disponibili con gioco maggiorato C 3

C o C oppure con gioco ridotto C . I limiti del gioco radiale interno

4 5 2

sono indicati per i cuscinetti con foro conico nella tabella 4 pag 706

nuovo Catalogo generale SKF.

Per gioco interno del cuscinetto (fig 5) s’intende lo spostamento totale

possibile di un anello rispetto all’altro in senso radiale (gioco interno

radiale) o assiale (gioco interno assiale). 36

E’ bene distinguere tra il gioco interno di un cuscinetto non ancora

montato e quello di un cuscinetto montato e che abbia raggiunto la sua

temperatura di esercizio (gioco in funzionamento). Il gioco interno

iniziale (prima del montaggio) è maggiore di quello in funzionamento,

poiché i diversi gradi di interferenza negli accoppiamenti degli anelli e le

differenze di dilatazione termica degli stessi e dei componenti associati,

provocano la dilatazione o compressione degli anelli.

Per ottenere un funzionamento soddisfacente il gioco interno radiale dei

cuscinetti è di notevole importanza. Come regola generale, i cuscinetti a

sfere devono sempre avere in funzionamento un gioco praticamente

uguale a zero o un leggero precarico (in molte applicazioni è necessario

un precarico per aumentare la rigidità della disposizione dei cuscinetti o

la precisione di rotazione). I cuscinetti a rulli orientabili devono invece

sempre avere un certo gioco residuo in esercizio, anche se piccolo. Il

gioco interno che si definisce Normale è stato scelto in modo che si

ottenga un idoneo gioco in funzionamento quando i cuscinetti vengono

montati con gli accoppiamenti di solito consigliati e le condizioni di

esercizio sono quelle normali. Quando le condizioni di montaggio e di

esercizio non sono normali, ad esempio quando entrambi gli anelli sono

montati con interferenza, sono presenti temperature non usuali, ecc., è

necessario prevedere cuscinetti con gioco interno maggiore o minore del

normale. In questi casi si consiglia di verificare il gioco residuo nel

cuscinetto dopo che è stato montato. I cuscinetti aventi un gioco interno

a C (tab 16).

diverso dal Normale sono contraddistinti dai suffissi da C 1 5

Per l’applicazione in oggetto si determinano ora il gioco radiale residuo

dopo il montaggio, e la tolleranza di cilindricità sulla sede albero.

Per il cuscinetto 22216 EK con foro conico di 80 mm si legge a pag 706

del nuovo catalogo generale SKF

· ¸ 0.95

un gioco radiale interno = 0.07 mm (pag 706)

· ¸ 0.05

riduzione del gioco radiale interno = 0.04 mm (pag 711)

· gioco radiale residuo minimo ammissibile = 0.025 mm (pag 711 37

Il gioco residuo va verificato nei casi in cui il gioco radiale iniziale sia

nella metà inferiore del campo di tolleranza e quando, in funzionamento,

si verificano grandi differenze di temperature fra gli anelli del cuscinetto.

Il gioco residuo non deve essere inferiore ai valori riportati in tabella 6.

Dai dati della specifica si ha che la tolleranza dimensionale sulla sede

albero viene realizzata con valore = h9. A pag 196 (nuovo Catalogo

generale SKF) per un cuscinetto della classe di tolleranza Normale

corrisponde un valore di cilindricità della sede albero di IT5/2 38

a cui corrisponde (tab 9 pag 195) un valore di cilindricità t = 0.0065 mm

1 39

6. LUBRIFICAZIONE

6.1 Generalità

Per operare in modo affidabile i cuscinetti devono essere adeguatamente

lubrificati, al fine di evitare i contatti diretti metallo su metallo fra i corpi

volventi, le piste e la gabbia. Il lubrificante ha anche lo scopo di

contrastare l’usura e proteggere le superfici dei cuscinetti dalla

corrosione. La scelta di un lubrificante e di un metodo di lubrificazione

idonei e specifici per una data applicazione sono pertanto importanti, così

come lo è una manutenzione corretta.

Per la lubrificazione dei cuscinetti volventi è disponibile un’ampia scelta

di grassi ed oli, oltre a lubrificanti solidi, ad esempio in condizioni di

temperature estreme. La scelta di un lubrificante dipende in primo luogo

dalle condizioni di lavoro, ossia dalla temperatura, dalla velocità e

dall’influenza dell’ambiente circostante.

Le temperature di lavoro più favorevoli si ottengono impiegando la

minima quantità di lubrificante compatibile con una lubrificazione

affidabile del cuscinetto. Tuttavia, quando al lubrificante sono affidati

altri compiti, quali quello di proteggere il sistema o di asportare calore,

possono essere necessarie quantità maggiori.

Nei sistemi di cuscinetti, il lubrificante perde gradualmente le sue

proprietà lubrificanti, poiché subisce gli effetti di azione meccanica,

invecchiamento e accumulo di sostanze contaminanti. E’ quindi

necessario ripristinare o rinnovare il grasso e, nel caso dell’olio, filtrarlo e

sostituirlo a intervalli regolari.

6.2 Lubrificazione a grasso

Nella maggioranza delle applicazioni che operano in condizioni normali,

per lubrificare i cuscinetti si può utilizzare il grasso.

Rispetto all’olio, il grasso ha il vantaggio di essere trattenuto nel sistema

con più facilità, specie quando l’albero è inclinato o verticale, e nello

stesso tempo quello di contribuire a proteggere il sistema dalle sostanze

contaminanti, dall’umidità o dall’acqua.

Una quantità eccessiva di grasso provoca un incremento rapido di

temperatura all’interno dei cuscinetti, specialmente quando ruotano ad

alta velocità. Come regola generale, si deve riempire completamente di

grasso solo il cuscinetto, mentre lo spazio libero nel sopporto va riempito

solo parzialmente. Prima di passare alla velocità di regime, bisogna

consentire al grasso in eccesso di assestarsi o di allontanarsi nel corso di

un periodo di rodaggio. Al termine del periodo di rodaggio la temperatura

40

di funzionamento diminuisce considerevolmente ad indicare che il grasso

si è distribuito nel sistema.

Tuttavia, quando i cuscinetti devono operare a velocità molto basse a si

richiede una buona protezione contro la contaminazione, si consiglia di

riempire completamente di grasso il supporto.

6.3 Grassi lubrificanti

I grassi lubrificanti sono costituiti da un olio minerale o sintetico,

abbinato ad un addensante. Gli addensanti sono di solito saponi metallici.

Per ottenere migliori prestazioni in certe aree applicative, come in

presenza di alte temperature, si possono comunque usare altri addensanti,

ad esempio la poliurea (è un elastomero di rivestimento ottenuto per

poliaddizione di un diisocianato alifatico o aromatico con una diammina).

Per migliorare certe proprietà dei grassi si possono anche utilizzare degli

additivi. La consistenza del grasso dipende in larga misura dal tipo e dalla

concentrazione dell’addensante usato e dalla temperatura di lavoro

dell’applicazione. I fattori più importanti da considerare nella scelta di un

grasso sono la consistenza, la gamma delle temperature di esercizio, la

viscosità dell’olio base, le proprietà antiruggine e la capacità di

sopportare i carichi.

· Viscosità dell’olio base

La viscosità dell’olio base dei grassi che si impiegano comunemente con i

2 /s a 40°C. I grassi con olio base di

cuscinetti volventi va da 15 a 500 mm

2 /s a 40°C rilasciano olio così lentamente

viscosità superiore a 1000 mm

che i cuscinetti non vengono lubrificati. Pertanto, se la presenza di basse

2 /s

velocità da calcolo impone una viscosità molto al di sopra di 1000 mm

a 40°C, è meglio usare un grasso con una viscosità massima di 1000

2 /s a 40°C e che abbia buone proprietà di rilascio olio oppure passare

mm

alla lubrificazione ad olio (se possibile). La viscosità dell’olio base

condiziona anche la massima velocità a cui un dato grasso può essere

usato per lubrificare i cuscinetti. La velocità di rotazione ammissibile per

il grasso è anche influenzata dalla sua resistenza al taglio, che è a sua

volta determinata dall’addensante. Per indicare la capacità in termini di

velocità, spesso i produttori di grassi citano un “fattore di velocità” 41

A = n d m

In cui

A = fattore di velocità, mm/min

n = velocità di rotazione, giri/min

d = diametro medio del cuscinetto = 0.5 (d + D), mm

m

Per applicazioni a velocità molto elevate, ad esempio con A > 700.000

per i cuscinetti a sfere, i grassi più idonei sono quelli che hanno un olio

base di bassa viscosità.

· Il rapporto di viscosità k

L’efficacia del lubrificante è determinata soprattutto dal grado di

separazione delle superfici delle zone di contatto interessate dal moto

volvente. Se si deve formare una pellicola di lubrificante adeguata, il

lubrificante deve avere una certa viscosità minima quando l’applicazione

ha raggiunto la normale temperatura di funzionamento. La condizione del

lubrificante è data dal rapporto di viscosità k definito come rapporto tra la

n n necessaria per un’adeguata lubrificazione;

viscosità reale e quella 1

entrambi i valori si riferiscono alla normale temperatura di

funzionamento.

)

k = (n/n

1

in cui

k = rapporto di viscosità, quantità adimensionale

n = 2

viscosità del lubrificante alla temperatura di funzionamento, mm /s

n = viscosità necessaria in funzione del diametro medio e della velocità

1 2

di rotazione, mm /s

Affinché si formi una pellicola di olio adeguata tra le superfici interessate

al rotolamento, il lubrificante deve mantenere un minimo di viscosità alla

n

temperatura di funzionamento. La viscosità , necessaria per una

1

lubrificazione adeguata, può essere determinate dal diagramma 2 (pag

160 vecchio catalogo generale SKF), usando il diametro medio del

= 0.5(d + D), mm, e la velocità di rotazione del

cuscinetto d m

cuscinetto n, giri/min.. Quando la temperatura di funzionamento è nota

dall’esperienza o può essere determinata diversamente, la corrispondente

viscosità alla temperatura di riferimento standardizzata

internazionalmente e pari a 40°C può essere ricavata dal diagramma 3

(pag 161 vecchio catalogo generale SKF). 42

· Consistenza

I grassi si suddividono in varie classi di consistenza, secondo la scala

NLGI (National Lubricating Grease Institute). La consistenza del grasso

impiegato per lubrificare i cuscinetti non deve variare drasticamente per

effetto dell’azione meccanica quando si opera entro la gamma di

temperature specificata. I grassi che si ammorbidiscono a temperature

elevate possono fuoriuscire dal sistema di cuscinetti. Quelli che si

induriscono a basse temperature possono rallentare la rotazione del

cuscinetto o non garantire un rilascio di olio sufficiente. Per i cuscinetti

volventi si usano grassi di consistenza 1, 2 o 3, con un sapone metallico

come addensante. I grassi più comuni hanno consistenza 2. Per basse

temperature di funzionamento o per favorirne la pompabilità si

preferiscono grassi di consistenza minore. Per i sistemi di cuscinetti ad

asse verticale si consigliano grassi di consistenza 3, sistemando un

diaframma al di sotto del cuscinetto per evitare che il grasso sfugga.

Nelle applicazioni soggette a vibrazioni, il grasso è fortemente sollecitato,

in quanto viene continuamente ri-immesso nel cuscinetto per effetto delle

vibrazioni stesse. In tali casi possono aiutare grassi di maggiore

consistenza, ma la rigidezza di per se non assicura necessariamente una

adeguata lubrificazione. E’ quindi meglio impiegare grassi

meccanicamente stabili. I grassi con addensante poliurea possono

ammorbidirsi o indurirsi a seconda dell’entità dei fenomeni di taglio

nell’applicazione. Nelle applicazioni ad albero verticale, in certe

condizioni di esercizio, esiste il rischio che il grasso alla poliurea

fuoriesca dal sistema.

· Gamma di temperatura

La gamma delle temperature nel quale si può impiegare un grasso

dipende in larga misura dal tipo di olio base e dall’addensante utilizzato,

oltre che dagli additivi. Le relative temperature sono illustrate

schematicamente nel diagramma 1 in forma di “doppio semaforo”. I

limiti estremi di temperatura, ossia il limite inferiore e quello superiore

sono ben definiti.

Ø Il limite inferiore di temperatura (LTL), ossia la temperatura

minima a cui il grasso permette al cuscinetto di avviarsi senza

difficoltà è determinato dal tipo di olio base e dalla sua viscosità.

Ø Il limite superiore di temperatura (HTL) è determinato dal tipo di

addensante e, per i grassi a base di sapone, è dato dal punto di

43

goccia. Il punto di goccia indica la temperatura a cui il grasso perde

la sua consistenza e diventa fluido.

E’ evidente come non sia consigliabile operare al di sotto del limite

inferiore e al di sopra di quello superiore, come mostrato nel diagramma 1

dalle zone rosse. Sebbene i produttori di grassi indichino nelle loro

pubblicazioni specifici valori per i limiti di temperatura inferiore e

superiore, le temperature veramente importanti per un funzionamento

affidabile sono fornite dai valori SKF relativi al limite inferiore di

prestazione (LTPL) e al limite superiore di prestazione (HTPL).

E’ tra questi limiti, la zona verde del diagramma 1, che il grasso può

funzionare in maniera affidabile e la sua durata può essere determinata

con precisione. Dato che la definizione di limite superiore di prestazione

non è stata standardizzata internazionalmente, bisogna fare attenzione

nell’interpretare i dati forniti dai produttori.

Alle temperature oltre il limite superiore di prestazione (HTPL), il grasso

invecchia e si ossida con rapidità crescente e i sottoprodotti

dell’ossidazione hanno effetti deleteri sulla lubrificazione. Pertanto, le

temperature nella zona di colore ambrato, fra il limite superiore di

prestazione e quello superiore di temperatura (HTL), dovrebbero

verificarsi solo per periodi molto brevi.

Esiste una zona di colore ambrato anche per la basse temperature. Al

diminuire della temperatura, diminuisce la tendenza al rilascio dell’olio e

aumenta la rigidezza del grasso (la sua consistenza). Questo fatto porta ad

un’insufficiente alimentazione di lubrificante alle superfici di contatto

dei corpi volventi e delle piste. Nel diagramma 1 questo limite di

temperatura è indicato dal limite inferiore di prestazione (LTPL). I valori

dei limiti inferiori di prestazione sono diversi per i cuscinetti a rulli e per

44

quelli a sfere. Il limite inferiore di prestazione per i cuscinetti a sfere è

meno importante, poiché questi si possono lubrificare più facilmente di

quelli a rulli. Nei cuscinetti a rulli, tuttavia, si verificano danneggiamenti

seri quando funzionano in modo continuo al di sotto di tale limite. Brevi

periodi in questa zona, per esempio negli avviamenti a freddo, non sono

dannosi, dato che il calore provocato dall’attrito porta la temperatura del

cuscinetto nella zona verde.

Il concetto SKF di “semaforo” è applicabile a qualunque grasso; però le

zone di temperatura variano da un grasso all’altro a si possono solo

determinare con prove funzionali sui cuscinetti. I limiti “semaforici” per i

tipi di grassi normalmente usati per i cuscinetti volventi sono riportati nel

diagramma 2 e per i grassi SKF nel diagramma 3. 45

Le zone di temperatura indicate in questi diagrammi si basano su lunghe

prove condotte nei laboratori SKF e possono differire da quelli segnalati

dai produttori di lubrificanti. Le zone illustrate nel diagramma 2 sono

valide per i grassi NLGI 2 senza additivi EP normalmente disponibili. Le

temperature indicate nei diagrammi si riferiscono a quelle che si

producono nel cuscinetto stesso (di solito misurate sull’anello che non

ruota). Poiché i dati dei singoli tipi di grasso sono una sintesi di molti

grassi di composizione più o meno simile, il passaggio da un gruppo

all’altro non è netto, ma interessa una gamma ristretta.

Ø Protezione dalla corrosione, in presenza di acqua

Il grasso ha la funzione di proteggere il cuscinetto dalla corrosione e non

deve essere dilavato da eventuali ingressi d’acqua dalla disposizione del

cuscinetto. E’ solo il tipo di addensante che determina la resistenza

all’acqua: i grassi al litio complesso, al calcio complesso e alla poliurea

offrono generalmente una resistenza molto buona. Il tipo di additivo

antiruggine determina soprattutto la capacità dei grassi di contrastare la

ruggine. A velocità molto basse, un pieno riempimento di grasso è

vantaggioso ai fini della protezione contro la corrosione e l’ingresso di

acqua.

Ø Capacità di sopportare i carichi: additivi EP e AW

Se lo spessore dello strato lubrificante non è sufficiente a impedire i

contatti diretti metallo su metallo delle asperità sulle superfici di contatto,

la durata dei cuscinetti diminuisce. La soluzione per superare questo

inconveniente è quella di utilizzare i cosiddetti additivi EP (altissime

pressioni). Le alte temperature indotte dai contatti locali tra le asperità

attivano tali additivi favorendo una riduzione dell’usura nei punti di

contatto. Ne risulta una superficie più liscia, con minori sollecitazioni nei

contatti e una maggiore durata di esercizio.

Molti degli attuali additivi EP sono del tipo zolfo/fosforo.

Sfortunatamente tali additivi possono avere effetti negativi sulla

resistenza dell’acciaio del cuscinetto. Se si utilizzano questi additivi

l’attività chimica potrebbe non limitarsi ai contatti fra le asperità. Se la

temperatura di lavoro e le sollecitazioni sui contatti sono troppo elevate,

gli additivi possono diventare chimicamente reattivi anche senza che ci

siano contatti fra le asperità. Questo può favorire meccanismi di

corrosione/diffusione nei contatti e potrebbe accelerare il cedimento del

cuscinetto, che solitamente inizia con delle micro corrosioni. Di

conseguenza è consigliato l’uso di additivi EP meno reattivi per

temperature di esercizio superiori agli 80°C. I lubrificanti con additivi EP

46

non vanno utilizzati per temperature superiori ai 100°C. Per velocità

molto basse, additivi per lubrificanti solidi quali la grafite e il bisolfuro di

) sono talvolta inclusi nel pacchetto additivi per

molibdeno (Mos 2

accrescere l’effetto EP. Questi additivi devono avere un livello di purezza

molto elevato ed essere costituiti da particelle molto piccole altrimenti il

sovra rotolamento delle particelle può provocare delle ammaccature che

potrebbero ridurre la durata a fatica del cuscinetto.

Gli additivi AW (Anti-Wear, cioè antiusura) hanno una funzione simile

agli additivi EP, ossia di evitare forti contatti metallo su metallo. Molto

spesso quindi gli additivi EP e AW non sono molto diversi tra loro, anche

se funzionano in modo diverso. La principale differenza è che gli additivi

AW formano uno strato protettivo che aderisce alle superfici. Di

conseguenza le asperità scorrono l’una sull’altra senza contatto fra

metalli. La rugosità però, non si riduce per effetto di una moderata usura

come nel caso degli additivi EP. Anche in questo caso bisogna agire con

cautela; gli additivi AW possono contenere elementi che, analogamente

agli additivi EP, possono migrare nell’acciaio del cuscinetto e indebolirne

la struttura. Anche certi addensanti (per esempio il calcio solfonato

complesso) offrono un effetto EP/AW, senza attività chimica e quindi

senza influire sulla durata a fatica del cuscinetto. Per questi grassi non si

applicano quindi i limiti di temperatura degli additivi EP. Se lo spessore

dello strato lubrificante è sufficiente, di solito non è consigliabile l’uso

degli additivi EP o AW. Ci sono comunque circostanze nelle quali gli

additivi EP/AW possono essere utili. Se si prevedono strisciamenti

eccessivi fra rulli e piste questi additivi possono essere vantaggiosi.

Ø Miscibilità

Se bisogna passare da un tipo di grasso ad un altro, bisogna prendere in

considerazione la miscibilità, ossia la possibilità di mescolarli senza

effetti negativi. Se si mescolano grassi incompatibili, la consistenza

risultante può variare sensibilmente tanto da recare danno ai cuscinetti,

per esempio a causa di una forte perdita di lubrificante. I grassi aventi lo

stesso addensante a olio base simili solitamente si possono mescolare tra

loro senza inconvenienti, per esempio un grasso con addensante al litio e

un olio base minerale si può in genere mescolare con un altro grasso

avente lo stesso addensante e lo stesso olio base. Inoltre, son mescolabili

tra loro alcuni grassi con addensanti differenti, per esempio al calcio

complesso e al litio complesso.

Nei sistemi di cuscinetti in cui la bassa consistenza del grasso può portare

alla sua fuoriuscita, alla successiva lubrificazione è necessario rimuovere

tutto il grasso vecchio dal sistema e dai condotti lubrificanti anziché

rabboccarlo. Il protettivo con cui i cuscinetti SKF vengono trattati è

47

compatibile con la maggior parte dei grassi per cuscinetti, ad eccezione

dei grassi alla poliurea. Si noti che i grassi sintetici con olio base al fluoro

ed addensante PTFE, ad esempio i grassi SKF LGET 2 non sono

compatibili con le sostanze compatibili standard che vanno quindi

rimosse prima di introdurre questo grasso.

6.4 Rilubrificazione

6.4.1 Vecchio metodo di calcolo

In questo paragrafo viene considerato il vecchio metodo di calcolo per gli

intervalli di rilubrificazione, che fa riferimento al vecchio catalogo

generale SKF.

Gli 48

intervalli di rilubrificazione t , per una certa tipologia di cuscinetti e per

f

condizioni di lavoro normali, si possono ricavare dal diagramma 1 in

funzione della velocità di rotazione n del cuscinetto e del diametro d del

suo foro. Il diagramma è valido per cuscinetti di alberi orizzontali in

macchine di tipo stazionario e in presenza di carichi normali; esso è

applicabile a grassi al litio di buona qualità ad una temperatura che non

superi i 70 °C.

Dal diagramma 1 (pag 155 vecchio catalogo generale SKF) si ricava un

t = 2000 ore

valore dell’intervallo di rilubrificazione f

6.4.2 Nuovo metodo di calcolo

Se la durata di esercizio del grasso è inferiore a quella prevista per il

cuscinetto, quest’ultimo va rilubrificato. Bisogna sempre eseguire la

rilubrificazione quando le condizioni del lubrificante esistente sono

ancora soddisfacenti. Il momento in cui eseguire la rilubrificazione

dipende da molti fattori intercorrelati. Tali fattori sono il tipo e le

dimensioni del cuscinetto, la sua velocità, la temperatura di esercizio, il

tipo di grasso, lo spazio che circonda il cuscinetto e l’ambiente in cui il

cuscinetto stesso lavora. In proposito si possono dare suggerimenti solo

su base statistica; l’intervallo di rilubrificazione viene definito dalla SKF

come il tempo, al termine del quale il 99% dei cuscinetti sono ancora

del

adeguatamente lubrificati. Questo periodo rappresenta la durata L

1

grasso. per i cuscinetti con anello interno

Gli intervalli di rilubrificazione t

f

rotante su alberi orizzontali, in condizioni di esercizio normali e pulite, si

possono ottenere dal diagramma 4 (pag 238 nuovo catalogo generale

SKF) in funzione del

· Fattore di velocità A, moltiplicato per il relativo fattore del

in cui

cuscinetto b f

A n d

= m

n = velocità di rotazione, giri/min

d = diametro medio del cuscinetto = 0.5(d + D), mm

m

b = fattore del cuscinetto dipendente dal tipo di cuscinetto e dalle

f condizioni di carico (tab 1 pag 239 nuovo catalogo generale SKF)

· Il rapporto di carico C/P 49

Per cui risulta · 110 = 137500

A = 1250 ·

giri mm/min

Per un cuscinetto orientabile a rulli e per un valore del rapporto di carico

F /F e

£

di (vedi paragrafo 4.1), per un diametro medio del cuscinetto

a r

d

di = 110 mm, serie diametrale 222 si legge dalla tabella 1 un valore

m b = 2

del fattore cuscinetto f

C/P = 207000/22540 = 9.18

Il valore 2 = 275000

A b = 137500

· ·

Il prodotto f 50

Dal diagramma 4 (pag 238 nuovo catalogo generale SKF) si ricava un

t = 4400

valore dell’intervallo di rilubrificazione ore

f

L’intervallo di rilubrificazione t è un valore stimato, valido per una

f

temperatura di esercizio di 70°C, quando si utilizzano grassi di buona

qualità al litio e con olio base minerale. In diverse condizioni di esercizio

del cuscinetto, è necessario adattare gli intervalli di lubrificazione ottenuti

secondo il diagramma 4, in funzione delle nuove condizioni di lavoro. 51

6.4.3 Calcolo intervallo di rilubrificazione con LubeSelect

Scegliere la lubrificazione corretta per un particolare cuscinetto è

importante se questo deve avere una durata conforme alle aspettative.

SKF ha notevoli esperienze e conoscenze sui grassi e sugli oli da

impiegare per i cuscinetti, che sono state inglobate in un programma per

computer denominato LubeSelect consultabile su Internet. Il programma

permette di scegliere una gamma di tipi di grassi e di oli in funzione delle

particolari condizioni di funzionamento dell'applicazione.

Nel programma di calcolo sono stati inseriti i dati dell’applicazione in

oggetto ed è stato ricalcolato l’intervallo di rilubrificazione.

Di seguito viene evidenziato il report di calcolo completo dei dati sul

grasso scelto per l’applicazione, le condizioni operative, le quantità di

grasso in funzione delle modalità di rilubrificazione.

Il programma di calcolo dà come intervallo di rilubrificazione un tempo

stimato di t = 4500 ore

f 52

53

54

55

6.4.4 Adattamento degli intervalli di rilubrificazione

· Temperatura di esercizio

Per far fronte al rischio di usura accelerata del grasso con l’aumentare

della temperatura, è consigliato di dimezzare gli intervalli ottenuti dal

diagramma 4 per ogni aumento di temperatura di esercizio pari a 15°C

oltre i 70°C, senza superare il limite superiore di prestazione per il grasso

(diagramma 1, HTPL). A temperature inferiori a 70°C, l’intervallo di

può essere prolungato, a patto che tali temperature non

rilubrificazione t

f

siano prossime al limite inferiore di prestazione (diagramma 1, LTPL).

di più

Non è mai consigliabile superare l’intervallo di rilubrificazione t

f

del doppio. Inoltre non è consigliabile adottare intervalli di

rilubrificazione superiori alle 30000 ore. In molte applicazioni esiste un

limite pratico di lubrificazione, in particolare quando l’anello del

cuscinetto più caldo raggiunge i 100°C. Oltre tale temperatura bisogna

usare grassi speciali. Bisogna inoltre tenere conto della stabilità del

cuscinetto alla temperatura e del possibile cedimento prematuro delle

guarnizioni di tenuta.

· Albero verticale

Per i cuscinetti di alberi verticali, bisogna dimezzare gli intervalli ottenuti

dal diagramma 4. Per evitare che il grasso sfugga dal sistema è

importante impiegare una buona tenuta o uno schermo di ritegno.

· Vibrazione

Mentre le vibrazioni moderate non hanno effetto sulla durata del grasso,

quelle elevate e i forti urti, come accade nei vagli vibranti, provocano un

56

eccessivo sbattimento del grasso. In tali casi bisogna ridurre gli intervalli

di rilubrificazione. Se il grasso diventa troppo morbido, bisogna

utilizzarne uno che sia meccanicamente più stabile o uno di maggiore

rigidezza, con una consistenza NLGI 3.

· Rotazione dell’anello esterno

Nella applicazioni in cui ruota l’anello esterno, il fattore A di velocità si

calcola in modo differente: in tal caso si usa il diametro esterno del

. L’impiego di un buon sistema di tenute è il

cuscinetto D invece di d

m

presupposto per evitare perdite di grasso. Quando la velocità di rotazione

dell’anello esterno è elevata (ossia > 40% della velocità di riferimento

riportata nelle tabelle dei prodotti), bisogna scegliere grassi con una

minore tendenza a rilasciare olio.

· Contaminazione

Nel caso di ingresso di sostanze contaminanti, una rilubrificazione più

frequente di quella indicata dall’intervallo di rilubrificazione riduce gli

effetti negativi delle particelle estranee presenti nel grasso nonché i

dannosi effetti causati dal rotolamento dei corpi volventi sulle particelle

stesse. Anche le sostanze contaminanti fluide (acqua, fluidi di

lavorazione) esigono intervalli ridotti. In caso di forte contaminazione, si

deve prendere in considerazione una rilubrificazione continua.

· Velocità molto basse

I cuscinetti che operano a velocità molto basse, in presenza di carichi

leggeri, esigono un grasso di bassa consistenza, mentre quelli che operano

a basse velocità, ma in presenza di carichi elevati, devono essere

lubrificati con grassi ad alta viscosità e, se possibile, con ottime

caratteristiche EP.

Con un fattore di velocità A < 20000 si possono usare additivi solidi quali

la grafite e il bisolfuro di molibdeno. Nelle applicazioni lente la scelta del

grasso e relativo grado di riempimento idonei gioca un ruolo

fondamentale.

· Alte velocità

Gli intervalli di rilubrificazione per i cuscinetti che ruotano ad alta

velocità, ossia oltre il fattore di velocità A riportato nella tabella 1 sono

validi solo se si impiegano grassi speciali o cuscinetti di particolare

esecuzione. In tali casi, in luogo della lubrificazione a grasso, è più

idonea una lubrificazione continua, quale quella a circolazione d’olio, la

lubrificazione olio-aria, ecc. 57

· Carichi molto elevati

Per i cuscinetti che operano con un fattore di velocità A > 20000 e sono

soggetti a un rapporto di carico C/P < 4, si deve ulteriormente ridurre

l’intervallo di rilubrificazione. In queste condizioni di carico molto

elevato si consiglia una rilubrificazione continua con grasso o a bagno

d’olio. In presenza di carichi elevati ed alte velocità in genere si consiglia

una lubrificazione a circolazione d’olio con circuito di raffreddamento.

· Carichi molto leggeri

In molti casi, se i carichi sono leggeri (C/P = 30 a 50), l’intervallo di

rilubrificazione può essere prolungato. Per ottenere un funzionamento

soddisfacente, i cuscinetti devono essere soggetti ad un carico minimo.

· Disallineamento

Nei cuscinetti orientabili a sfere e a rulli e nei cuscinetti toroidali a rulli,

un disallineamento costante entro i limiti ammissibili non influisce

negativamente sulla durata del grasso. 58

Da verifiche fino a qui svolte si può accertare l’idoneità del grasso scelto

per l’applicazione in oggetto (tabella 2 pag 246-247 nuovo catalogo

generale SKF). 59

7. ATTRITO NEI CUSCINETTI

7.1 Stima del momento di attrito

Nei cuscinetti volventi l’attrito è un fattore determinante per quanto

riguarda lo sviluppo interno di calore e quindi la temperatura di esercizio.

L’entità dell’attrito dipende dal carico e da diversi fattori, i più importanti

dei quali sono il tipo e le dimensioni del cuscinetto, la sua velocità di

rotazione e le proprietà e la quantità del lubrificante.

In un cuscinetto la resistenza totale alla rotazione è data dall’attrito di

rotolamento e quello di strisciamento esistenti nei contatti fra le piste e i

corpi volventi, nelle aree di contatto tra questi e la gabbia e nelle superfici

di guida dei corpi volventi o della gabbia, nonché dall’attrito nel

lubrificante e da quello di strisciamento delle guarnizioni di tenuta,

quando sono previste.

Quando si è nelle seguenti condizioni

· Carico sul cuscinetto P = 0.1 C

· Buona lubrificazione

· Condizioni di esercizio normali

Il momento d’attrito si può calcolare con sufficiente precisione, usando

m

un coefficiente d’attrito costante, con la formula seguente

M = 0.5m P d

In cui

M = momento d’attrito, N mm

m = coefficiente d’attrito costante (tabella 1)

P = carico dinamico equivalente sul cuscinetto, N

d = diametro foro cuscinetto, mm

In questa applicazione il rapporto P/C = 0.10(8), per cui il momento

d’attrito stimato risulta

M = 0.5 x 0.0018 x 22540 x 80 = 1622.88 N mm

M = 1623 N mm

Che arrotondiamo al valore di 60

7.2 Calcolo del momento di attrito in forma binomiale

Un metodo per calcolare il momento d’attrito di un cuscinetto volvente è

quello è quello di considerarlo come somma di due momenti, il cosiddetto

e il momento dipendente dal carico

momento indipendente dal carico M 0

, ossia

M 1 M = M + M

0 1

Il momento d’attrito M non è influenzato dal carico agente sul

0

cuscinetto, bensì dalle perdite idrodinamiche nel lubrificante e dipende

dalla viscosità e dalla quantità di quest’ultimo, nonché dalla viscosità di

rotolamento. Esso predomina nei cuscinetti poco caricati che ruotano ad

alta velocità e si calcola mediante le seguenti formule

nn

-7 2/3 m3

M = 10 f (nn) d 2000

³

se

0 0 nn

-7 m3

M = 160 x 10 f d 2000

se <

0 0 61

In cui

M = momento indipendente dal carico, N mm

0 = diametro medio del cuscinetto 0.5(d + D), mm

d m

f = coefficiente dipendente dal tipo di cuscinetto e di lubrificaz. (tab. 2)

0

n = velocità di rotazione del cuscinetto, giri/min

n = viscosità cinematica del lubrificante alla temperatura di

2 /s (per lubrificazione a grasso si introduce la

funzionamento, mm

viscosità dell’olio base) 62

nn

Il prodotto risulta

nn = 110 x 1250 = 137500

Per cui il momento d’attrito M risulta

0

-7 2/3 3

M = 10 x4x(137500) x110 = 1418.32 N mm

0

Il momento d’attrito M dipendente dal carico proviene dalle

1

deformazioni elastiche e dai parziali strisciamenti che si verificano nei

contatti e predomina nei cuscinetti fortemente caricati e in lenta rotazione.

Esso si può calcolare con la formula 1a mb

M = f P d

1 1

In cui

M = momento dipendente dal carico, N mm

1

d = diametro medio del cuscinetto 0.5(d + D), mm

m

f = coefficiente dipendente dal tipo di cuscinetto e di carico. (tab. 3)

1 = il carico che determina il momento d’attrito, N (tab. 3)

P

1

a,b = esponenti dipendenti dal tipo di cuscinetto (tab. 4)

Dalla tabella 3 per un valore di

Fr/Fa = 19600/980 = 20>Y2 =4.6

Risulta un valore di P

1 3 3

P = F [1+0.35(Y F /F ) ] =19600[1+.035(4.6x980/19600) ] = 26698.5 N

1 r 2 a r

Per cui il momento d’attrito M risulta

1 1.35 0.3

M = 0.00015x 26698.5 110 = 581.12 N mm

1

Il momento d’attrito del cuscinetto risulta

M = M + M = 1418.32 + 581.12 = 1999.44 N mm

0 1 M = 2000 N mm

Che arrotondiamo al valore di 63

7.3 Nuove modalità di calcolo del momento di attrito

Per calcolare con ancor meglio precisione il momento di attrito di un

cuscinetto volvente, bisogna tenere conto di diverse fonti di attrito:

f f + + +

M = M M M M

ish rs rr sl seal drag

In cui

M = momento d’attrito totale, N mm

f

ish= fattore di riduzione da riscaldamento per fenomeni di taglio

f = fattore di riduzione del fenomeno di riempimento/carenza

rs

M = momento d’attrito di rotolamento, N mm

rr

M = momento d’attrito di strisciamento, N mm

sl

M = momento d’attrito delle guarnizioni striscianti, N mm

seal

M = momento d’attrito dovuto a perdite per trascinamento,

drag sbattimento, spruzzi, ecc., N mm

Questo nuovo approccio identifica e combina le fonti di attrito in tutti i

contatti che si hanno nel cuscinetto e inoltre consente di aggiungere il

contributo portato dalle guarnizioni e da altre fonti esterne per calcolare il

momento di frizione totale. Questo nuovo modello è stato ottenuto da

modelli di calcolo computerizzati ed è stato concepito per fornire valori di

riferimento approssimati, in presenza delle seguenti condizioni

applicative:

· Lubrificazione a grasso o metodi normali di lubrificazione ad olio:

bagno d’olio, olio-aria, getto d’olio.

· Per i cuscinetti appaiati, calcolo separato dei momenti d’attrito di

ciascun cuscinetto e somma dei due cuscinetti, quello assiale si

suddivide secondo la loro disposizione

· Carichi uguali o maggiori del carico minimo consigliato

· Carichi costanti in grandezza e senso di rotazione

· Gioco in funzionamento normale 64

Il nuovo metodo consente di considerare altri effetti quali:

· Riduzione per riscaldamento da fenomeni di taglio

· Effetti della velocità sui fenomeni di riafflusso/carenza con

lubrificazione ad olio-aria, a getto d’olio, a grasso e bagno d’olio

con bassi livelli di olio

· Effetti delle perdite da trascinamento nella lubrificazione a bagno

d’olio

· Lubrificazione mista con basse velocità e/o basse viscosità

7.3.1 Momento di attrito di rotolamento

Il momento d’attrito di rotolamento si calcola con la formula

0.6

M = G (nn)

rr rr

In cui

M = momento d’attrito di rotolamento, N mm

rr

G = variabile che dipende

rr

- dal tipo di cuscinetto

- dal diametro medio del cuscinetto d

m

- dal carico radiale F , N

r , N

- dal carico assiale F

a

n = velocità di rotazione del cuscinetto, giri/min

n = viscosità cinematica del lubrificante alla temperatura di

2

funzionamento, mm /s (per lubrificazione a grasso si introduce la

viscosità dell’olio base)

G si ricavano utilizzando le equazioni in tabella 2 e le

I valori di rr e F sono

costanti geometriche R nella tabella 3. Entrambi i carichi F

r a

sempre considerati positivi. 65

66

Per un cuscinetto orientabile a rulli il calcolo della variabile G rr,

implica il calcolo di G e G le costanti geometriche R , R , R ed

rr,e rr,i 1 2 3

R risultano per un cuscinetto orientabile a rulli di serie diametrale 222

4

pari a -6 -6

= 2.0 x 10 R = 5.54 R = 2.92 x 10 R = 5.5

R 1 2 3 4

Da cui risulta m1.85 0.54

= R d (F +R F )

G rr,e 1 r 2 a

1.85 0.54

-6

= 110 (19600 + 5.54 x 980) = 2.836

G 2.0 x 10 x

rr,e 67

0.31

m2.3

= R d (F +R F )

G rr,i 3 r 4 a

2.3 0.31

-6

= 110 (19600 + 5.5 x 980) = 3.341

G 2.92 x 10 x

rr,i

Essendo G < G si assume il valore G = G

rr,e rr,i rr rr,e

Quindi il momento di attrito di rotolamento risulta

0.6

M = 2.836(110 x 1250) = 3433 N mm

rr

7.3.2 Fattore correttivo del riflusso d’olio

Quando nel cuscinetto il lubrificante è abbondante, non passa tutto

attraverso i contatti; infatti solo una piccola quantità va a formare una

pellicola di adeguato spessore. Per tale effetto, una certa quantità di olio

vicino all’ingresso nella zona di contatto viene respinta e produce un

flusso di ritorno (figura 1).

Questo flusso di ritorno produce sforzi di taglio nel lubrificante,

generando calore, che abbassa la viscosità dell’olio e riduce lo spessore

della pellicola e la componente d’attrito di rotolamento. Per la reazione

descritta sopra, il fattore di riduzione si può ricavare approssimativamente

da 1

F = n

-

+ × ×

ish 9 1 .

28 0 . 64

1 1 . 84 10 ( n d )

m 68

In cui

f = fattore dovuto all’inlet shear heating

ish

n = velocità di rotazione del cuscinetto, giri/min

= diametro medio del cuscinetto 0.5(d + D), mm

d m

n = viscosità cinematica del lubrificante alla temperatura di

2

funzionamento, mm /s (per lubrificazione a grasso si introduce la

viscosità dell’olio base) f

I valori per il fattore dovuto all’inlet shear heating si possono

ish

ricavare dal diagramma 1 in funzione del parametro combinato

n

× 1 . 28 0 . 64

( n d )

m

Per questa applicazione il parametro combinato risulta come valore pari a

× = ´

1 . 28 0 . 64 9

(

1250 110 ) 110 0 . 076 10

Dal diagramma 1 risulta un valore del fattore di inlet shear heating di

f = 0.87

ish 69

7.3.3 Fattore correttivo cinematico di riempimento/carenza

Con lubrificazione olio aria, getto d’olio, a bagno d’olio con basso livello

dell’olio (ad es. con un livello dell’olio al di sotto del centro del corpo

volvente disposto più in basso) e con lubrificazione a grasso, l’azione di

rotolamento sulle piste può spingere via l’eccesso di lubrificante. A

causa della velocità del cuscinetto o alla viscosità elevata, il lubrificante

ai bordi dei contatti può non avere tempo sufficiente per alimentare le

piste; questo fenomeno prende il nome di “kinematic starviation” o

carenza cinematica e provoca una diminuzione di spessore della pellicola

e dell’attrito di rotolamento. Nelle condizioni di lubrificazione sopra

descritte il fattore di riduzione per il fenomeno di

replenishment/starviation cinematico si può ottenere in modo

approssimato dalla 1

F =

rs K

n × +

( )

K n d D z

e rs -

2

( D d )

In cui

f = fattore di riduzione cinematico per il fenomeno di

rs replenishment/starviation

e = base dei logaritmi naturali = 2.718… -8

K = costante per il fenomeno di replenishment/starviation 3x10 per

rs lubrificazione a bagno d’olio e lubrificazione a getto d’olio.

-8 per lubrificazione a grasso e olio-aria

6x10

K = costante della geometria relativa al tipo di cuscinetto (tab. 5)

z

n = velocità di rotazione del cuscinetto, giri/min

d = diametro foro del cuscinetto, mm

D = diametro esterno del cuscinetto, mm

n = viscosità cinematica del lubrificante alla temperatura di

2

funzionamento, mm /s (per lubrificazione a grasso si introduce la

viscosità dell’olio base) 70

1

F = = 0

. 760

rs 5 . 5

-

× × × +

8

6 10 110 1250 ( 80 140 )

e -

2 (

140 80 ) 71

7.3.4 Momento d’attrito di strisciamento

Il momento d’attrito di strisciamento si calcola con la formula

m

M = G

sl sl sl

In cui

M = momento d’attrito di strisciamento, N mm

sl

G = variabile che dipende

sl

- dal tipo di cuscinetto

- dal diametro medio del cuscinetto d

m

- dal carico radiale F , N

r , N

- dal carico assiale F

a

m = coefficiente d’attrito di strisciamento, che può essere impostato

sl sul valore delle applicazioni in cui la pellicola di lubrificante è

³ 2,

pienamente formata, ossia k

0.05 per una lubrificazione con oli minerali

0.04 per una lubrificazione con oli sintetici

0.1 per una lubrificazione con fluidi per trasmissioni idrauliche.

Con i cuscinetti a rulli cilindrici o conici si usano i seguenti valori

0.02 con i cuscinetti a rulli cilindrici

0.002 con i cuscinetti a rulli conici

possono essere ricavati utilizzando le equazioni riportate

I valori di G

sl

nella tabella 2 e le costanti S nella tabella 3.

Per un cuscinetto orientabile a rulli il calcolo della variabile G sl,

implica il calcolo di G e G le costanti geometriche S , S , S ed S

sl,e sl,i 1 2 3 4

risultano per un cuscinetto orientabile a rulli di serie diametrale 222

pari a -3 -3

= 5.10 x 10 S = 414 S = 9.7 x 10 S = 100

S

1 2 3 4

Da cui risulta m0.25 r4 a4 1/3

= S d (F +S F )

G sl,e 1 2 72

0.25 4 4 1/3

-3

= 110 (19600 + 414 x 980 ) = 8736

G 5.10 x 10 x

sl,e 1/3

m0.94 r3 a3

= S d (F +S F )

G sl,i 3 4

0.94 3 3 1/3

-3

= 110 (19600 + 100 x 980 ) = 15839

G 9.7 x 10 x

sl,i

Essendo G < G si assume il valore G = G

sl,e sl,i sl sl,e ³

Quindi il momento di attrito di rotolamento risulta per k 2 per una

m

lubrificazione a grasso con olio base minerale e quindi per = 0.05

sl

M = 8736 x 0.05 = 437 N mm

sl

Il calcolo delle perdite generate dal momento d’attrito dovuto alle

guarnizioni e le perdite per trascinamento in caso di lubrificazione a

bagno d’olio, non vengono eseguite in quanto non sono presenti

guarnizioni e la lubrificazione avviene con grasso.

7.3.5 Momento d’attrito totale

A questo punto si è in grado di calcolare il momento d’attrito totale nel

cuscinetto in base al nuovo modello SKF

f f + + +

M = M M M M

ish rs rr sl seal drag

Per la specifica applicazione:

M = 0

seal

M = 0

drag M = 0.87 x 0.760 x 3433 + 437 = 2707 N mm

Le variazioni di gioco e/o di disallineamento modificano il momento

d’attrito dei cuscinetti. Quanto sopra esposto considera il gioco normale e

l’assenza di disallineamento nel cuscinetto. Però le temperature di

esercizio elevate e le alte velocità possono ridurre il gioco radiale interno

dei cuscinetti, con conseguente sviluppo di maggior attrito. Il

73

disallineamento produce solitamente un aumento di attrito, che però nei

cuscinetti orientabili a sfere e a rulli, è trascurabile.

7.3.6 Perdita di potenza del cuscinetto

La perdita di potenza in un cuscinetto, conseguente all’attrito all’interno

del cuscinetto stesso, si può calcolare con la formula

-4

N = 1.05 x 10 M n

R

In cui

N = perdita di potenza, W

R

M = momento d’attrito totale nel cuscinetto, N mm

n = velocità di rotazione, giri/min

la perdita di potenza nel cuscinetto 22216 EK espressa in Watt risulta

-4

N = 1.05 x 10 2707 x 1250 = 355 W

R 74

8. NUOVA TEORIA DELLA DURATA SKF

8.1 Nuova formula SKF della durata

In determinate applicazioni, la durata nominale o di base degli attuali

cuscinetti di elevata qualità può scostarsi anche significativamente dalla

reale durata di esercizio. La durata di esercizio in alcune applicazioni è

infatti influenzata da numerosi fattori, inclusi lubrificazione grado di

contaminazione, disallineamento, installazione adeguata e condizioni

ambientali.

Pertanto la norma ISO 281:1990/Amd 2:2000 contiene una formula della

durata di base. Tale formula introduce un fattore correttivo che tiene

conto delle condizioni di lubrificazione e contaminazione dei cuscinetti e

del limite di fatica del materiale. La norma ISO 281:1990/Amd 2:2000

introduce anche clausole per i costruttori di cuscinetti affinché

raccomandino un metodo adeguato per calcolare il fattore correttivo della

durata di un cuscinetto sulla base delle condizioni di funzionamento. Il

adotta il concetto di carico

fattore correttivo della durata di SKF a SKF

analogo a quello utilizzato per calcolare altri

limite di fatica P

u

componenti delle macchine. I valori del carico limite di fatica sono

utilizza

riportati nelle tabelle dei prodotti. Inoltre, il fattore correttivo a SKF h

le condizioni del lubrificante (rapporto di viscosità k) e un fattore per

c

il livello di contaminazione che riflettono le condizioni operative

dell’applicazione.

La formula della durata SKF è conforme alla ISO 281:1990/Amd 2:2000

p

æ ö

C

= ç ÷

L a a

nm SKF

1 è ø

P

Se la velocità è costante, la durata può essere espressa in ore di

funzionamento, secondo la formula

1000000

=

L L

nmh nm

60 n

In cui

L 1)

= durata SKF (affidabilità 100-n %), milioni di giri

nm

L 1)

= durata SKF (affidabilità 100-n %), ore di funzionamento

nmh

a = fattore correttivo della durata relativo all’affidabilità (vedi tabella 1)

1 75

a = fattore correttivo della durata SKF

SKF

C = coefficiente di carico dinamico, N

P = carico dinamico equivalente sul cuscinetto, N

n = velocità di rotazione, giri/min

p = esponente della formula della durata

p= 3 per cuscinetti a sfere

P= 10/3 per cuscinetti a rulli

· Fattore correttivo a

SKF

Come citato, questo fattore rappresenta la relazione tra il rapporto del

carico limite di fatica (P /P), le condizioni della lubrificazione (rapporto

u ). I valori

di viscosità k) e il livello di contaminazione del cuscinetto (h c

del fattore a possono essere ottenuti da quattro diagrammi (da pag 54 a

SKF

pag 57 nuovo catalogo generale SKF), a seconda del tipo di cuscinetto, in

h (P /P) per i cuscinetti SKF standard e SKF Explorer e per

funzione di c u

differenti valori del rapporto di viscosità k.

h

· per la contaminazione

Fattore c

Questo fattore è stato introdotto per prendere in considerazione il grado di

contaminazione del lubrificante nel calcolo della durata dei cuscinetti.

L’influenza della contaminazione sulla fatica dipende da vari parametri,

quali le dimensioni dei cuscinetti, lo spessore relativo della pellicola

lubrificante, la grandezza, la distribuzione e il tipo delle particelle solide

contaminanti, se morbide o dure ecc. Tali parametri influiscono sulla

durata in modo piuttosto complesso e molti di essi sono difficili da

h che

quantificare. E’ quindi impossibile attribuire valori precisi a c

abbiano validità universale. Si possono comunque dare alcuni valori

indicativi (pag 62 catalogo generale SKF). h

Per una lubrificazione a grasso, si può determinare il fattore anche se

c

la contaminazione può essere difficile da misurare e viene quindi definita

più semplicemente in modo qualitativo. A pag 67 catalogo generale SKF,

h per una

i diagrammi 10 e 11 forniscono valori tipici del fattore c

lubrificazione a grasso, in condizioni di lavoro di estrema pulizia e di

pulizia normale.

Con i dati dell’applicazione in possesso:

· Livello di pulizia normale

· Rapporto di viscosità k = 2.82

· = 110 mm

Diametro medio cuscinetto d m 76


PAGINE

113

PESO

24.08 MB

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria meccanica
SSD:
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher piero.santangelo di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Elementi costruttivi delle macchine e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Torino - Polito o del prof Roccati Giovanni.

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