Lubrificazione di cuscinetti volventi: una valutazione applicativa

Per garantire un funzionamento affidabile dei cuscinetti volventi, la loro lubrificazione corretta costituisce un fattore importante, spesso sottovalutato nella prassi. Il lubrificante ha il compito di separare le superfici metalliche dei singoli componenti del cuscinetto attraverso un sottile strato al fine di evitarne l’usura, riducendo attrito e perdite. Tre esempi applicativi permettono di illustrare l’influsso della lubrificazione sulla funzione del cuscinetto.

di Daniel Stöckl

La lubrificazione rappresenta un aspetto importante dell’intero sistema cuscinetto. Quindi, va dimensionata correttamente. Circa il 43% di tutti i guasti precoci riscontrati sui cuscinetti volventi sono riconducibili a un problema di lubrificazione. Le cause sono da ricercare negli errori commessi già al momento del montaggio dei cuscinetti oppure nelle mancanze durante il funzionamento quali, ad esempio, intervalli di lubrificazione successiva non rispettati.
Vi sono anche danni le cui cause sono riconducibili alla fase di dimensionamento del cuscinetto, ovvero della lubrificazione iniziale. Infatti, a seconda del tipo di cuscinetto, risultano requisiti diversi che la lubrificazione deve soddisfare. Ulteriori criteri per la scelta della lubrificazione adeguata sono costituiti dal carico che i cuscinetti devono sopportare, dalla temperatura di funzionamento, dalla temperatura ambientale, dalla velocità del cuscinetto, da possibili contaminazioni e, infine, anche dai costi del lubrificante e dall’intero sistema di lubrificazione. Sulla base di tre esempi applicativi, si intende illustrare l’influsso della lubrificazione sulla funzione del cuscinetto.

I cuscinetti a rulli cilindrici in un riduttore con presa di forza
Nell’ambito di un’osservazione teorica dei cuscinetti all’interno di un riduttore con presa di forza è stato esaminato in dettaglio anche l’aspetto relativo alla lubrificazione. In tale contesto, è stato osservato che la viscosità dell’olio lubrificante previsto, alla luce delle condizioni di funzionamento esistenti, era troppo ridotta per poter creare uno strato lubrificante sufficientemente stabile. Di conseguenza, si è verificata una situazione di elevata usura e una riduzione del ciclo di vita. NKE ha pertanto consigliato l’impiego di un olio lubrificante a maggiore viscosità, quindi più denso. Per sicurezza è stato eseguito un tentativo pratico. Inoltre, sono stati riempiti due riduttori identici – messi in funzione per 500 ore – utilizzando gli olii di lubrificazione da confrontare. Durante la perizia eseguita successivamente sulle superfici di funzionamento dei cuscinetti lubrificati con uno strato sottile di olio sono stati riscontrati netti scolorimenti e primi segni di usura (Figura 1a). Nei cuscinetti lubrificati con un olio più denso, invece, non sono state riscontrate tracce di usura (Figura 1b). Inoltre, non è stato possibile riscontrare alcuna perdita di efficienza, diversamente da quanto temuto dal cliente. Al contrario, il riduttore lubrificato con uno strato più spesso di olio ha presentato perdite inferiori e di conseguenza anche una temperatura di funzionamento più bassa. Ciò può essere ricondotto a una migliore separazione delle superfici metalliche durante il loro funzionamento e questo compensa abbondantemente l’attrito dei liquidi lievemente maggiore.

Cuscinetti orientabili a rulli in una pompa per l’acqua
Durante il collaudo di una grande pompa dell’acqua di raffreddamento (pompa a spirale con albero verticale e un alloggiamento realizzato in calcestruzzo, Figura 2) è stata superata ripetutamente la temperatura di funzionamento ammissibile del cuscinetto assiale sul lato di trazione e ciò ne ha provocato lo spegnimento automatico. Osservando da vicino la situazione, è stato possibile individuarne la causa: per questa applicazione era stato utilizzato un olio lubrificante non adatto. In questo caso, è stato impiegato un olio idraulico puro che non soddisfaceva i requisiti del cuscinetto sia per quanto riguarda la sua composizione a livello di additivi sia in merito alla viscosità.
L’elevata temperatura di funzionamento è stata una conseguenza diretta del forte contatto metallico, soprattutto tra le superfici frontali del cuscinetto e il bordo guida del disco dell’albero (vedi cuscinetto orientabile a rulli nella Figura 3). Dopo poco tempo, ciò ha causato un danno irreversibile alle superfici di funzionamento del cuscinetto. Si è reso quindi necessario sostituire il cuscinetto sostenendone i relativi costi.
L’utilizzo di un olio alternativo che soddisfacesse i requisiti dei cuscinetti orientabili a rulli con caratteristiche di viscosità elevate ha consentito di separare in modo sicuro le superfici di contatto raggiungendo una temperatura di funzionamento ridotta. Adesso l’impianto funziona senza guasti dal 2009.

Cuscinetti radiali a sfere in una pompa a vite
Questa applicazione presenta una pompa a vite impiegata per l’alimentazione di olio pesante e leggero nei motori diesel delle navi. Per trasportare più facilmente l’olio e poterlo portare alla camera di combustione, questo viene prima riscaldato. In tal modo, anche i cuscinetti del mandrino di trasporto della pompa sono sottoposti a temperature elevate. Per poter applicare il sistema di cuscinetti in modo semplice e sicuro (si tratta di cuscinetti radiali a sfere con guarnizioni di tenuta integrate) durante il funzionamento è stata eseguita un’osservazione teorica. Tuttavia, la temperatura del cuscinetto di +150 °C inizialmente stimata dal cliente non ha consentito di raggiungere una soluzione soddisfacente. La durata di funzionamento del lubrificante calcolata sulla base della temperatura di funzionamento, e il relativo ciclo di vita del cuscinetto, sono stati decisamente inferiori ai valori necessari.
Dopo aver parlato con il cliente, è stata eseguita una misurazione della temperatura su un’unità di collaudo al fine di determinare le condizioni di funzionamento reali. Ne è risultata una temperatura massima dei cuscinetti di soli +130 °C. Attraverso la scelta di un range di temperature adatto per questo lubrificante eseguita in collaborazione con un rinomato produttore di lubrificanti, nonché attraverso la massimizzazione della quantità di grasso contenuto all’interno del cuscinetto, è stato possibile raggiungere la durata di utilizzo necessaria.

In sintesi
Come riscontrato negli esempi riportati sopra, sono sufficienti lievi adeguamenti della lubrificazione per migliorare la sicurezza di funzionamento e prolungare il ciclo di vita dei cuscinetti. Ciò comporta una riduzione dei costi, ovvero dei costi successivi nel caso di un guasto precoce dei cuscinetti. In generale, prima si affronta la questione della lubrificazione e più semplice e meno costosa risulterà la prevenzione di potenziali problemi. l

(Daniel Stöckl, tecnico applicativo presso NKE Austria)