Durata dei cuscinetti in presenza di temperature elevate

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1 TECHNICAL INSIGHT UNA PUBBLICAZIONE DI NSK EUROPE Durata dei cuscinetti in presenza di temperature elevate Una delle domande più frequenti che il personale addetto alla manutenzione rivolge alle aziende che producono cuscinetti quando la temperatura è elevata o in aumento è: qual è la temperatura massima che il vostro cuscinetto può sostenere? Bisognerebbe tuttavia domandare Qual è la temperatura massima che il sistema di cuscinetti può sopportare? Grafico A: AISI Durezza vs. Temperatura e Tempo Tabella B: AISI Temperatura, Colore e Durezza Colore Acciaio Temperatura Durezza HRC lucido < 120 > 60 lucido 150 > 60 Lucido/giallo > 60 giallo azzurro blu nero 540 morbido rosso > 815 liquido Quando si parla di temperature è importante considerare l intero sistema dei cuscinetti. Un sistema completo è composto da un cuscinetto volvente, dal lubrificante e, nella maggior parte dei casi, da un sistema di lubrificazione. La lubrificazione dei cuscinetti a sfere e a rulli viene garantita attraverso l utilizzo di oli, grassi o pellicole di lubrificante solido [grafite, bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ), politetrafluoroetilene (PTFE), resine impregnate di olio, ecc. ]. I cuscinetti volventi sopportano il carico del sistema rotante, ma non possono funzionare a lungo senza il lubrificante. Se il lubrificante non svolge adeguatamente la propria azione, il cuscinetto cede prematuramente. I lubrificanti rappresentano spesso la causa principale del cedimento nel momento in cui la temperatura del sistema di movimentazione aumenta. La reazione dell acciaio per cuscinetti AISI al calore L acciaio utilizzato nei cuscinetti volventi, sia l acciaio a tutta tempra che l acciaio cementato, viene lavorato a una durezza minima di 60 HRC. Secondo l associazione americana dei costruttori di cuscinetti (American Bearing Manufacturers Association -ABMA) la temperatura massima di esercizio dell acciaio a tutta tempra AISI è C; per l acciaio inox 440-C è 180 C e per l acciaio aereonautico M50 è 320 C. In generale per tutti gli acciai, nel momento in cui la temperatura supera i 200 C la durezza inizia a diminuire. Perciò, la durata di esercizio del cuscinetto diminuisce nel momento in cui la temperatura supera i 200 C. Per le proprietà relative all acciaio AISI a diverse temperature consultare i grafici A e B.

2 Tabella C Nomenclatura Temperatura con stabilità dimensionale JIS SUJ 120 AISI Grafico D Stabilità Dimensionale vs Temperatura Quando un metallo si surriscalda, si verifica un cambiamento di fase del materiale e le dimensioni diventano instabili. In altre parole, le parti del cuscinetto cominciano a dilatarsi. Per le temperature massime che garantiscono la stabilità dimensionale dei metalli usati nei cuscinetti volventi consultare le tabelle C e D. Dato che il metodo più comune per misurare la temperatura di un cuscinetto consiste nel rilevarla all esterno dell alloggiamento, è importante ricordare che la temperatura sulla superficie dell alloggiamento è inferiore di 12 9 rispetto alla temperatura del cuscinetto. HTF & STF 150 Con trattamento termico (HT) X HT EA - HPS 200 S HT X HT TL 200 HT X HT Lubrificazione in un sistema cuscinetto I cuscinetti volventi non possono funzionare a lungo senza lubrificante. Un sistema completo è composto da un cuscinetto volvente, da un buon lubrificante e da un sistema di lubrificazione. La lubrificazione dei cuscinetti a sfere e a rulli viene garantita attraverso l utilizzo di oli, grassi o pellicole di lubrificante solido. Quando la temperatura di una macchina aumenta, la principale preoccupazione del personale addetto alla manutenzione non dovrebbe essere la temperatura massima che il cuscinetto può sostenere. Bisognerebbe piuttosto concentrarsi sulla temperatura massima che l intero sistema cuscinetto può sopportare. Meglio prestare attenzione alla temperatura massima che il lubrificante e il sistema di lubrificazione sono in grado di gestire dato che un funzionamento problematico di tali elementi causerebbe il cedimento del cuscinetto. E difficile individuare l inefficacia del lubrificante dovuta a temperature elevate. Di conseguenza, è importante monitorare la temperatura del lubrificante. Senza un apporto adeguato di olio, un cuscinetto a rulli è destinato a cedere prima della durata prevista (durata L-10) a causa dell attrito e dell usura tra il corpo volvente e le piste di rotolamento. L olio che lubrifica l elemento volvente (sfera, rulli) e la pista di rotolamento riduce l attrito e l usura, diminuendo i fenomeni di surriscaldamento. La fornitura dell olio nel cuscinetto può avvenire direttamente o attraverso l utilizzo di grasso. Gli oli usati per lubrificare i cuscinetti volventi comprendono olio di base e, talvolta, additivi. I grassi sono composti da olio di base (65-95%), addensante (3-30%), e additivi (0-15%). A volte viene aggiunto al grasso fino al 5% di lubrificante solido. E l olio di base del grasso a svolgere il ruolo centrale nel sistema cuscinetto, non l addensante e nemmeno gli additivi. L addensante trattiene l olio mentre gli additivi migliorano le proprietà dell addensante. L olio agisce sul cuscinetto volvente, l addensante mantiene l olio in posizione, mentre l additivo migliora le prestazioni dell olio e/o dell addensante. Sia nel caso di lubrificazione ad olio che a grasso, entrambi gli elementi possono sopportare un livello elevato di calore prima di perdere la loro efficacia nel sistema cuscinetto. Consultare la tabella E per le temperature massime dei diversi oli. Informazioni sul trattamento termico di stabilizzazione dell acciaio NSK 1) L acciaio NSK standard (JIS SUJ) si stabilizza termicamente a 120 C. 2) L acciaio cementato standard di NSK si stabilizza a 120 C. Le parti che vengono cementate vengono classificate con il suffisso g. 3) L acciaio S11 si stabilizza termicamente a 200 C (anelli interni ed esterni). I rulli non si stabilizzano termicamente. 4) L acciaio X28 si stabilizza termicamente a 200 C (anelli interni ed esterni). I rulli non si stabilizzano termicamente. 5) L acciaio X29 si stabilizza a 250 C ma non è disponibile in tutte le dimensioni. 6) L acciaio TL viene stabilizzato a 200 C nell anello interno a meno che sia previsto il suffisso g per indicare altre parti che necessitano del trattamento di stabilizzazione termica. Nota: Con il suffisso TL nel codice di prodotto, l anello interno rimane comunque TL anche se viene usato il suffisso g. 7) L acciaio HTF si stabilizza termicamente a 150 C. Le parti che vengono cementate vengono classificate con il suffisso g.

3 Tabella E Tipo di olio Olio Minerale (PAO) Polialfaolefina (insolubile in acqua) Poliglicerolo Estere Olio Siliconico Olio alcossi fluoro Temp. Max. per la lubrificazione a bagno d olio Temp. Max. per la lubrificazione a circolazione d olio Viscosità a 40ºC (cst, mm 2 /s) Resistenza alle temperature elevate (=150ºC, 302ºF) Da 100 a Da 150 a 200 Da 150 a Da 150 a Da 2 a 4500 Da 15 a 1500 Da 20 a 2000 moderata Buona Sufficiente-Buona* Buona* Molto buona Molto buona * Dipende dal tipo di olio. La tipologia e la quantità di agente addensante utilizzato (organico, inorganico, sapone metallico), il tipo di olio di base (olio minerale o sintetico) e la viscosità determinano le temperature massime e minime dei grassi di lubrificazione. Le tabelle F, G e H mostrano le temperature massime dei grassi in base all addensante, olio di base e sapone, includendo un raffronto degli addensanti. Tabella F: Tabella comparativa dei grassi Tipo di addensante Olio di base olio minerale Sapone alluminio sodio Temperatura max Tabella G: Raffronto tra addensanti Normale PAO 150 Addensante Temperatura dell applicazione Con trattamento termico (HT) Litio Da 120 a 140 Da 175 a 205 Calcio up to 80 Da 90 a 110 Alluminio Da 70 a 80 Da 110 a 120 Sodio 120 Da a 180 Alluminio Complesso up to Bentonite Poliurea 180 Da 220 a 270 Complesso estere olio minerale PAO estere alluminio bario sodio alluminio bario bario Tabella H: Gamma di temperature dei lubrificanti solidi olio silicone 180 Lubrificante solido In Aria Vuoto min. max min. max Bentonite olio minerale 150 PAO 180 Grafite n/a n/a olio minerale Disolfuro di Molibdeno Disolfuro di Tungsteno Poliurea PAO 200 olio silicone 200 Oro Argento Piombo Fluororesina PTFE olio fluorosilicone 200 olio alkoxyfluoro 250 olio fluorosilicone 200

4 Grafico I: Tasso di variazione della viscosità dell olio rispetto alla temperatura L indice di viscosità è la misura del tasso di variazione della viscosità rispetto alla temperatura. Viscosità dell olio e Temperatura Un altro aspetto da considerare nei sistemi caratterizzati da temperature elevate è la viscosità dell olio. La viscosità è la misura della resistenza di flusso esercitata da un fluido ad una determinata temperatura. Maggiore è la viscosità, maggiore sarà la resistenza di flusso. Il valore della viscosità è espresso in centi-stoke (cst) o in SUS (Saybolt Universal Seconds). Per quanto riguarda i grassi, il valore della viscosità corrisponde a quella dell olio di base, non dell addensante. Grafico J La viscosità di un lubrificante deve essere sufficiente per separare le parti durante la fase di esercizio, ma non deve essere troppo elevata da generare resistenza. Con l aumentare della temperatura, la viscosità dell olio diminuisce. Maggiore è la temperatura, maggiore sarà la viscosità dell olio richiesta dal sistema cuscinetto. L indice di viscosità è la misura del tasso di variazione della viscosità rispetto alla temperatura. Maggiore è l indice di viscosità, più graduale è il tasso di variazione. Consultare il grafico I. Grafico K Grafico L Generalmente, nelle applicazioni caratterizzate da temperature elevate, se l olio o il grasso hanno una viscosità inferiore, il sistema cuscinetto è destinato a cedere prematuramente. Come previsto, in applicazioni con temperature elevate bisognerebbe utilizzare olio o grassi con una viscosità più elevata. Consultare il grafico J per i dati relativi alla viscosità dell olio vs. temperatura. Impatto della Temperatura sulla Durata dell Olio La più importante proprietà dell olio, da un punto di vista qualitativo, è la sua stabilità chimica e all ossidazione. Il calore è un acceleratore primario dell ossidazione dell olio. Il livello di ogni reazione chimica, inclusa l ossidazione di idrocarburi, raddoppia ogni volta che si registra un aumento di temperatura pari a 10º C. E stato calcolato che la durata dell olio diminuisce del 50% ogni volta che la temperatura aumenta di 10 C al di sopra dei 60 C. In caso di temperature superiori a 120º C, l ossidazione compromette notevolmente la durata dell olio. In questo caso si applica la seguente formula: Lt = _ * L dove: Lt = durata dell olio a temperature superiori a 60 C _ = Fattore di durata L = Durata prevista dell olio a temperature pari o inferiori a 60 C

5 Tabella M: Intervalli di lubrificazione a grasso (Settimane) per cuscinetti a sfere Foro cuscinetto Velocità di esercizio (giri/min) (mm) * * * * * Tabella N: Intervalli di lubrificazione a grasso (Settimane) per motori con cuscinetti a sfere Rendimento motore 24 ore/giorno, 7 giorni/settimana, Pulito, Temp. Max amb. = 40ºC. 24 ore/giorno, 7 giorni/settimana, condizioni severe: caldo, secco o umido 16 ore/giorno, 5 giorni/settimana, Pulito, Temp. Max amb. = 40ºC. 16 ore/giorno, 5 giorni/settimana, condizioni severe: caldo, secco o umido Tabella P: Intervalli di Lubrificazione a Grasso (Settimane) Cuscinetti Radiali Orientabili a Rulli, Temperature e Condizioni Condizioni d esercizio Pulito Sporco Temperature cuscinetto ºC Da 0 a 50 Da 50 a 65 Da 65 a 95 Da 0 a 65 Da 65 a 95 kw Da 0.4 a 6.0 Da 7.5 a 30 Da 35 a Tabella O: Intervalli di Lubrificazione a Grasso (Settimane) per Guscinetti Radiali Orientabili a Rulli Ore di funzionamento al giorno Velocità cuscinetto (giri/min) Intervalli di lubrificazione Da 24 a 40 Da 4 a 12 Da 1 a 4 Da 1 a 4 < 1 Umidità Da 0 a 95 < 1 Considerazioni sul Sistema di Lubrificazione Indipendentemente dalla soluzione che si sceglie per lubrificare un cuscinetto in un ambiente applicativo caratterizzato da temperature elevate, il sistema di lubrificazione può estendere o accorciare la durata di un cuscinetto volvente. Un sistema efficiente deve essere progettato per consentire al cuscinetto di raggiungere la durata di esercizio potenziale. Attenzione, il sistema di lubrificazione non deve mai essere trascurato o ignorato. Diversi sistemi a base di olio possono essere usati per eliminare calore dal sistema cuscinetto. Il grasso e le pellicole di lubrificante solido non agevolano la riduzione del calore del cuscinetto. Gli aspetti primari da considerare con i grassi sono il metodo e gli intervalli di rilubrificazione. Nelle operazioni caratterizzate da velocità elevate, una quantità eccessiva di grasso provocherebbe fenomeni di surriscaldamento. La quantità di grasso indicata per un applicazione specifica ad alta velocità può essere determinata solo attraverso l esperienza. In generale, dal 30 al 50% delle aree scoperte del cuscinetto devono essere lubrificate con grasso nella fase di avvio. Se il grasso in eccesso provoca surriscaldamento, sarà necessario rimuoverne una parte dal cuscinetto. Una leggera fuoriuscita di grasso dalle tenute del cuscinetto è normale e contribuisce a tenere gli agenti contaminanti fuori dal cuscinetto. Il grasso in eccesso può essere tollerato e, generalmente, è indicato nelle applicazioni caratterizzate da velocità ridotte. Quando si definisce un programma di rilubrificazione, è preferibile aggiungere una piccola quantità di grasso a intervalli frequenti piuttosto che grandi quantità ad interventi sporadici. Le tabelle M, N, O e P possono essere utilizzate per determinare gli intervalli di lubrificazione.

6 Tabella Q: Lubrificazione dei Cuscinetti su Essiccatori per Industria della Carta Foro Cuscinetto (mm) Pressione del Vapore Saturo psl psi ( kpa) Flusso dell olio (Pinte/Minuto) kgs/sq. meter Pressione del vapore psi ( kpa) psi ( kpa) Temperatura Corrispondente del Vapore ºC Over 150 psi (Over 1034 kpa) < > I valori del flusso dell olio sono per cuscinetto sul lato dell azionamento della macchina. Ad eccezione dei casi in cui il vapore condensato e forzato viene rimosso attraverso il perno operativo (lato operatore), il flusso per i cuscinetti frontali è pari al 60-75% di questi valori. Tabella R Le informazioni di questo articolo non sono presentate come aiuto per la scelta di un cuscinetto e/o di un lubrificante per una macchina. L articolo è stato concepito per aiutare il personale addetto alla manutenzione a considerare le temperature massime che un intero sistema cuscinetto può sostenere, piuttosto che limitarsi a valutare singolarmente i valori limite del solo cuscinetto, del lubrificante e del sistema di lubrificazione. Nel caso dell olio, esistono diversi sistemi di lubrificazione; bagno d olio (bagno), circolazione d olio, circolazione attraverso coppa dell olio con raffreddamento, getto (iniezione) nel cuscinetto, combinazione di circolazione con deviazione, raffreddamento e getto, e condensa. Un sistema a bagno d olio può essere utilizzato per lubrificare un cuscinetto, ma in generale, non contribuisce alla riduzione del calore dal sistema cuscinetto. Il livello dell olio deve essere corrispondente a metà dell elemento volvente quando questo è nella posizione più bassa. Il flusso dell olio di un sistema di ricircolazione può essere determinato solo con l esperienza. Negli impianti di colata continua delle acciaierie si può utilizzare la seguente formula: Fccm = (OD) (W) dove: Fccm = Flusso dell olio per un impianto a colata continua (cc/ore/cuscinetto) OD = Diametro esterno nominale del cuscinetto (mm) W = larghezza del cuscinetto (mm) (Nota: Se il risultato è inferiore a uno, allora è necessario usare uno). Per una sezione di essiccazione di una macchina per la produzione della carta si possono usare i valori elencati nelle tabelle Q e R. (Nota: I valori del flusso dell olio sono per cuscinetto sul lato dell azionamento della macchina. Ad eccezione dei casi in cui il vapore condensato e forzato viene rimosso attraverso il perno operativo (lato di intervento), il flusso per i cuscinetti frontali è pari al 60-75% di questi valori.) Conclusione Un sistema completo è composto da un cuscinetto volvente, dal lubrificante e, nella maggior parte dei casi, da un sistema di lubrificazione. La lubrificazione dei cuscinetti a sfere e a rulli viene garantita attraverso l utilizzo di oli, grassi o pellicole di lubrificante solido. I cuscinetti volventi sopportano il carico del sistema rotante, ma non possono funzionare a lungo senza il lubrificante. Se il lubrificante non svolge adeguatamente la propria azione, il cuscinetto cede prematuramente. I lubrificanti rappresentano spesso la causa principale del cedimento nel momento in cui la temperatura del sistema cuscinetto aumenta. Di conseguenza, se la temperatura di esercizio che registrate è alta o in aumento, esaminate l intero sistema cuscinetto, non semplicemente il cuscinetto in oggetto. Per maggiori informazioni visitate il sito