Analisi delle cause di guasto dei cuscinetti a rotolamento: identificazione visiva del distacco, brinelling, fretting e elettroerosione

1. Introduzione

I cuscinetti volventi sono elementi critici di quasi tutte le apparecchiature industriali delle imprese ucraine dell'industria pesante, dell'ingegneria e dell'energia. Secondo l'audit tecnico di UNITEC-D GmbH, circa il 35% dei fermi imprevisti delle apparecchiature rotanti sono legati al cedimento prematuro dei gruppi di cuscinetti. La durata prevista del cuscinetto secondo lo standard ISO 281 ($L_{10h}$) viene raramente raggiunta nella pratica a causa di violazioni delle condizioni operative, di installazione o di lubrificazione. Il compito principale di un ingegnere dell'affidabilità non è solo quello di sostituire un componente guasto, ma di determinare con precisione la causa principale (Root Cause Analysis). L'analisi visiva e microscopica delle piste e degli elementi volventi consente di identificare i meccanismi di distruzione dei metalli anche prima che si verifichi un arresto catastrofico dell'unità.

2. Principi fondamentali

Il meccanismo di funzionamento del cuscinetto volvente si basa sulla trasmissione di carichi radiali e assiali attraverso la deformazione elastica delle superfici di contatto degli elementi volventi e degli anelli. Le sollecitazioni di contatto hertziane nelle zone di contatto raggiungono 1500–2500 MPa per i gradi di acciaio 100Cr6 (ШХ15 secondo GOST / EN ISO 683-17). Sotto l'azione dei carichi ciclici, si verificano sollecitazioni di taglio negli strati sotterranei del metallo. Dopo cicli di $10^6 - 10^9$ ciò porta all'accumulo di danni da fatica, alla formazione di microfessurazioni e alla successiva scheggiatura del materiale.

La violazione delle condizioni di separazione delle superfici da parte del film lubrificante (viscosità calcolata del lubrificante inferiore al minimo secondo ISO/TR 28168) provoca contatto metallico, usura per attrito, microsaldature e distruzione del reticolo cristallino dello strato superficiale. Qualsiasi deviazione dai parametri operativi calcolati modifica lo stato tenso-deformante del nodo, lasciando sul metallo specifici segni visivi.

3. Specifiche tecniche e norme

La classificazione dei guasti, i metodi di misurazione e valutazione sono regolati da standard internazionali e nazionali armonizzati in Ucraina:

• ISO 15243:2017 - Cuscinetti volventi. Glossario, terminologia e classificazione dei danni e cedimenti dei cuscinetti. Questo standard costituisce la base per definire sei principali gruppi di guasti.
• ISO 281:2007/Amd 2:2019 - Cuscinetti volventi. Capacità di carico dinamica e risorsa stimata.
• ISO 10816 / ISO 14819 — Controllo delle vibrazioni dello stato delle macchine industriali.
• DSTU GOST 520:2014 — Cuscinetti volventi. Condizioni tecniche generali.
• DIN 51825 — I lubrificanti sono di plastica. Classificazione e requisiti.

4. Selezione e selezione dei cuscinetti

La corretta scelta del cuscinetto in base alla capacità di carico statico ($C_0$) e dinamico ($C$) evita sovraccarichi. Il carico dinamico equivalente $P$ si calcola con la formula:

P = X * F_r + Y * F_a

Dove $F_r$ è il carico radiale, $F_a$ è il carico assiale e $X$ e $Y$ sono rispettivamente i coefficienti dei carichi radiali e assiali, secondo il catalogo del produttore.

5. Migliori pratiche per l'installazione e la messa in servizio

Circa il 16% dei guasti prematuri è dovuto a errori di installazione. Il rispetto delle norme di installazione è obbligatorio:

• Montaggio a tensione: È vietato trasferire forze di pressione attraverso gli elementi volventi (evitare la brinellatura). L'installazione viene eseguita esclusivamente sull'anello interno utilizzando riscaldatori a induzione (temperatura di riscaldamento non superiore a +110°C secondo le raccomandazioni SKF/FAG) o ghiere idrauliche.
• Pulizia ambientale: L'installazione deve essere eseguita in condizioni di assenza di polvere e umidità. L'uso di lubrificante contaminato porta ad usura abrasiva nelle prime ore di funzionamento.
• Controllo degli spazi: Dopo l'installazione, lo spazio radiale interno viene controllato con uno spessimetro o un micrometro secondo gli standard ISO 5753.

6. Modalità di guasto e analisi delle cause profonde (Root Cause Analysis)

Secondo ISO 15243, i difetti sono classificati in base alle caratteristiche visive. Di seguito è riportata una descrizione dettagliata dei quattro tipi critici di guasti che un ingegnere UNITEC-D riscontra più spesso nelle fabbriche ucraine.

6.1. Scheggiatura/fatica

Definizione: Esfoliazione del materiale della superficie di lavoro dell'anello o dell'elemento volvente con successiva formazione di caverne (pozzi).

Indicatori visivi: Bordi taglienti delle caverne, fondo ruvido della cavità, colore grigio opaco nella zona di distruzione. Nelle vicinanze si osservano microfessure.

Causa principale: Raggiungimento della durata calcolata del cuscinetto ($L_{10h}$), sovraccarico cronico, eccessiva tensione della sede o viscosità insufficiente del lubrificante (fattore lubrificante ECD $\kappa < 1$).

6.2. Brinellatura vera e falsa (Brinelling)

Vera Brinelling: si verifica sotto l'azione di carichi statici che superano la resistenza allo snervamento del materiale o da carichi d'urto durante l'arresto. Visivamente: rientranze sulla pista che seguono esattamente il passo degli elementi volventi. Tracce di deformazione plastica ed estrusione di metallo sono visibili sul fondo degli avvallamenti.

Corrosione da sfregamento/falsa brinellatura: si verifica a causa di microvibrazioni di apparecchiature non operative (ad esempio, pompe di riserva o apparecchiature durante il trasporto ferroviario). Visivamente: prodotti simili a fosse con formazione di prodotti di ossidazione (polvere rosso-marrone di ossido di ferro $ ext{Fe}_2 ext{O}_3$, "sedimento sanguigno"). La lucentezza metallica sul fondo dei fori è parzialmente conservata, a differenza della vera brinellatura.

6.3. Fretting (Fretting/Scorrimento assiale)

Definizione: Distruzione delle superfici di atterraggio a causa di minimi micromovimenti relativi delle parti sotto l'influenza delle vibrazioni.

Indicatori visivi: Sulle superfici di appoggio dell'albero o dell'alloggiamento compaiono macchie color ruggine, usura del materiale (la fessura aumenta), distruzione della pellicola di ossido.

Causa principale: Tensione insufficiente dei cuscinetti sull'albero o nell'alloggiamento, allentamento dei dadi di bloccaggio, carichi di vibrazioni allo stato di riposo.

6.4. Erosione elettrica/correnti vaganti

Definizione: Il passaggio di corrente elettrica attraverso gli elementi interni del cuscinetto, accompagnato da scariche di microarco.

Indicatori visivi: Superficie opaca delle piste, densamente ricoperta di microcrateri (diametro da 10 a 100 micrometri). Nei casi avanzati si osserva l'effetto di "scanalatura" o "scanalatura": scanalature scure parallele con un gradino che corrisponde al passaggio degli elementi volventi. Il metallo nelle zone crateriche presenta segni di ricottura (trasformazione martensitica in microvolumi).

Causa principale: Correnti vaganti derivanti da lavori di saldatura sul telaio dell'unità, asimmetria del campo magnetico del motore elettrico, funzionamento del motore da un convertitore di frequenza (inverter) senza l'uso di cuscinetti isolati (ad esempio, con rivestimento ceramico di cuscinetti ibridi) o spazzole per rimuovere il potenziale dell'albero.

7. Previsione delle condizioni tecniche e monitoraggio

Per prevenire incidenti improvvisi, le fabbriche ucraine utilizzano una serie di metodi diagnostici:

• Analisi delle vibrazioni: Misurazione dello spettro delle vibrazioni (FFT) e metodi ad alta frequenza (demodulazione, metodo shock Pulse - SPM). La comparsa di armoniche delle frequenze dei difetti dell'anello esterno ($BPFO$), dell'anello interno ($BPFI$), degli elementi volventi ($BSF$) e del separatore ($FTF$) indica lo sviluppo di difetti locali.
• Analisi dell'olio/ferrografia: Determinazione della concentrazione di prodotti di usura nell'olio (spettrometria), la presenza di particelle metalliche di dimensioni superiori a 20 micron indica la distruzione attiva dei cingoli.
• Termometria: controllo della temperatura dell'alloggiamento del cuscinetto. Il superamento della soglia di +75°C...+95°C (a seconda del tipo di lubrificante) indica problemi di lubrificazione o sovraccarico.

8. Matrice comparativa dei difetti dei cuscinetti

9. Conclusione

L’identificazione accurata dei difetti dei cuscinetti volventi è fondamentale per ridurre i costi di manutenzione delle apparecchiature industriali. Ignorare i primi segni visivi di elettroerosione, sfregamento o desquamazione da fatica porta inevitabilmente alla distruzione catastrofica dei nodi. Gli ingegneri di UNITEC-D GmbH forniscono cuscinetti certificati (secondo gli standard di qualità europei) e forniscono anche supporto esperto per la selezione dei componenti per le imprese industriali ucraine.

Per la selezione di gruppi di cuscinetti affidabili, lubrificanti industriali e strumenti di assemblaggio, fare riferimento al nostro catalogo elettronico: Catalogo elettronico UNITEC-D.

10. Collegamenti

1. ISO 15243:2017. Cuscinetti volventi: vocabolario e classificazione dei danni e dei guasti nei cuscinetti.
2. ISO 281:2007. Cuscinetti volventi: coefficienti di carico dinamico e durata nominale.
3. Catalogo Generale SKF. Linee guida per l'analisi dei danni e dei guasti dei cuscinetti. Pubblicazione 10000 IT.
4. DIN 51825: Grassi lubrificanti K — Classificazione e requisiti.
5. GOST 520-2014 / DSTU GOST 520:2014. Cuscinetti volventi. Condizioni tecniche generali.