Lubrificazione delle cuscinetti a rotolamento: grasso consistente contro l'olio, intervalli di rimpiazzo e sistemi automatici

1. Introduzione

La ricerca sugli indicatori di affidabilità delle apparecchiature industriali presso le imprese ucraine del settore minerario e della costruzione di macchinari mostra che fino al 36% dei guasti prematuri dei cuscinetti volventi sono causati da problemi di lubrificazione. Una quantità insufficiente di lubrificante, il suo degrado, la contaminazione da parte di particelle estranee o l'uso di una classe di viscosità inappropriata portano ad attrito secco, microsaldature delle superfici volventi e inceppamenti termici. Le condizioni operative nelle acciaierie o nei cementifici richiedono che gli ingegneri meccanici abbiano una conoscenza approfondita della tribologia per raggiungere un obiettivo di affidabilità MTBF (Mean Time Between Failures) di oltre 50.000 ore.

Gli specialisti di UNITEC-D GmbH devono affrontare ogni giorno il compito di selezionare componenti e sviluppare norme di manutenzione per condizioni di produzione complesse. In questo articolo tecnico considereremo le basi fisiche della scelta tra lubrificanti solidi e olio liquido, forniremo formule di calcolo per determinare gli intervalli di rifornimento secondo le normative vigenti e analizzeremo l'efficacia dei sistemi di lubrificazione automatica (Sistemi di Lubrificazione Centralizzata).

2. Principi fondamentali della tribologia dei cuscinetti

Lo scopo principale della lubrificazione nei cuscinetti volventi è creare un film d'olio separatore tra i corpi volventi (sfere o rulli), le piste degli anelli e il separatore. Lo spessore di questo film è determinato dal parametro specifico dello spessore del film $\\lambda$:

\\lambda = \frac{h_{min}}{\\sqrt{R_{q1}^2 + R_{q2}^2}}

Dove $h_{min}$ è lo spessore minimo del film d'olio (μm), e $R_{q1}, R_{q2}$ è la rugosità rms delle superfici di contatto (μm). Il valore di $\\lambda$ determina la modalità di attrito nel nodo:

• $\\lambda > 3$: pellicola completamente idrodinamica o elastoidrodinamica (EHD). Non c'è contatto diretto con il metallo, l'usura è praticamente nulla.
• $1 < \\lambda \\le 3$: Attrito misto. Si osserva un microcontatto parziale delle rugosità. Richiede pacchetti di additivi EP (Estrema Pressione) e AW (Antiusura).
• $\\lambda \\le 1$: Attrito al confine. Elevato rischio di bave, deformazioni plastiche e cedimento per fatica della superficie (micropitting).

La viscosità di base del lubrificante ($\u_1$) alla temperatura di esercizio è un parametro critico per ottenere $\\lambda > 2$. Secondo ISO 15312 si calcola in base al diametro medio del cuscinetto $d_m = (d+D)/2$ e alla frequenza di rotazione $n$. Se la temperatura operativa del cuscinetto è +70 °C e la viscosità cinematica calcolata è 30 mm²/s, l'uso del lubrificante NLGI classe 2 a base di olio minerale ISO VG 100 garantirà un funzionamento stabile fino a $n \\cdot d_m = 300.000$ mm·rpm.

3. Specifiche tecniche e norme

La progettazione e la manutenzione delle unità di attrito è regolata da una serie di standard internazionali e nazionali. Il rispetto di questi standard garantisce la sicurezza operativa e la compatibilità dei pezzi di ricambio forniti da UNITEC-D GmbH:

• ISO 281: Cuscinetti volventi. Calcolo della capacità di carico dinamico e della risorsa nominale (tenendo conto del fattore di resistenza alla fatica modificato $a_{ISO}$ per le condizioni di lubrificazione).
• DIN 51825: Grassi di consistenza tipo K. Classificazione dei grassi per scopo (ad esempio KP2K-30 per carichi elevati).
• ISO 6743-9: Lubrificanti, oli industriali e prodotti correlati (Classe L). Classificazione dei sistemi e dei lubrificanti (gruppo X per lubrificanti coerenti).
• DSTU GOST 21150:2009: Lubrificanti per uso generale (requisiti tecnici armonizzati con gli standard europei).
• IEC 60034-9 / DIN 51818: Classificazione dei lubrificanti coerenti in base al grado di penetrazione NLGI (National Lubricating Grease Institute) da 000 a 6.

4. Selezione e calcolo: lubrificante o olio consistente

La scelta tra lubrificante e olio dipende dalla velocità di rotazione ($n$), dal carico ($P$), dalla temperatura di esercizio e dalle caratteristiche strutturali dell'alloggiamento. Di seguito è riportata una matrice di confronto per prendere decisioni ingegneristiche.

Calcolo dell'intervallo di riempimento del grasso di consistenza ($t_{f}$):
Per i cuscinetti radiali a sfere standard, la formula empirica della SKF per determinare l'intervallo di riempimento (in ore) è la seguente:

\\log t_f = 6,54 - 2,6 \\cdot \frac{n}{N_{F}} - 0,03 \\cdot d

Dove:
- $n$ è la velocità operativa (rpm)
- $N_{F}$ è la velocità limite per il lubrificante (rpm)
- $d$ è il diametro interno del cuscinetto (mm)

Esempio: per un cuscinetto 6312 ($d = 60$ mm, $D = 130$ mm) con una velocità operativa di 2000 giri/min e una velocità limite di lubrificazione di 6300 giri/min, l'intervallo di riempimento stimato sarà di circa 3800 ore in condizioni normali (temperatura fino a +70 °C, assenza di vibrazioni).

5. Consigli pratici per l'installazione e la messa in servizio

Un riempimento iniziale errato del cuscinetto con grasso è spesso causa di guasti nelle prime settimane di funzionamento. Seguire questi standard tecnici:

1. Volume di riempimento dell'alloggiamento: il cuscinetto volvente deve essere riempito di grasso per 30-50 volte lo spazio libero nell'alloggiamento. Il riempimento eccessivo (oltre il 70%) porta a una miscelazione intensiva del lubrificante, a un forte aumento delle perdite idrauliche, al riscaldamento e all'emissione di lubrificante dovuta alla tenuta.
2. Compatibilità degli addensanti: è severamente vietato mescolare lubrificanti su diversi tipi di addensanti. Ad esempio, la miscelazione del complesso di litio con solfonato di calcio o bentonite può portare alla distruzione della struttura del lubrificante (liquefazione e perdite) a causa dell'incompatibilità delle basi di sapone. Consultare le schede tecniche dei produttori prima di effettuare il rifornimento.
3. Pulizia durante il montaggio: conservare i lubrificanti in cartucce sigillate o confezioni a secchiello. Utilizzare siringhe e iniettori progettati esclusivamente per il tipo specifico di lubrificante per evitare la contaminazione incrociata con particelle abrasive.

6. Tipi tipici di guasti e analisi delle cause principali (RCA)

L’analisi dei guasti effettuata nei laboratori UNITEC-D permette di distinguere tre principali scenari di degrado dei cuscinetti dovuti a problemi di lubrificazione:

• Invecchiamento termico (carbonizzazione): l'olio perde il suo olio base, trasformandosi in un solido denso, malleabile o nero. Il motivo è il superamento del limite della temperatura operativa (ad esempio, oltre +120 °C per i grassi al litio standard) o il funzionamento a lungo termine con carichi elevati senza raffreddamento.
• Brinelling e False Brinelling (False Brinell): comparsa di cavità sulle piste sotto forma di segni di sfere o rulli dovuti alla vibrazione di apparecchiature non funzionanti (ad esempio, pompe di riserva). La pellicola lubrificante viene espulsa dalle vibrazioni, causando microusura. La soluzione è l'uso di additivi antiusura EP e la rotazione periodica dell'albero.
• Usura per abrasione (usura da contaminazione): ingresso di polvere, incrostazioni o fanghi di processo attraverso guarnizioni usurate. Il grasso agisce come una pasta abrasiva che usura gli elementi volventi e aumenta il gioco radiale del cuscinetto.

7. Manutenzione predittiva e monitoraggio delle condizioni

Per prevenire arresti di emergenza nei nodi critici (ventilatori principali, frantoi, estrusori), l'industria moderna utilizza una serie di metodi di monitoraggio:

• Analisi delle vibrazioni (accelerazione ad alta frequenza / SPM - metodo Shock Pulse): il metodo degli impulsi d'urto consente di rilevare danni al film d'olio e l'inizio di microfessure superficiali anche prima della comparsa di un aumento del livello generale di vibrazione. Un aumento dell'indicatore dBm indica attrito a secco.
• Emissioni acustiche e termografia: la misurazione senza contatto della temperatura dell'alloggiamento dei cuscinetti utilizzando pirometri a infrarossi e termocamere rileva picchi di riscaldamento localizzati che indicano una lubrificazione insufficiente o eccessiva.
• Analisi tribologica dell'olio (Oil Condition Monitoring): viene eseguita l'analisi spettrometrica dell'usura per i sistemi di lubrificazione liquida (determinazione della concentrazione di Fe, Cu, Cr in ppm) e determinazione della caduta di viscosità di oltre il 10% rispetto al valore iniziale secondo ISO 3104.

8. Matrice comparativa dei moderni sistemi di lubrificazione

Per ottimizzare i costi di manutenzione delle grandi imprese, è consigliabile passare dall'iniezione manuale a sistemi automatici. Di seguito viene riportato un confronto tra le principali opzioni:

9. Conclusione

La scelta corretta del lubrificante e il rispetto delle norme sul riempimento sono la chiave per il funzionamento ininterrotto delle apparecchiature industriali. Gli ingegneri di UNITEC-D GmbH sono pronti a fornire supporto esperto nella scelta di cuscinetti, lubrificanti per alte temperature e componenti di sistemi di lubrificazione automatica che soddisfano i rigorosi standard di qualità europei.

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10. Collegamenti

• ISO 281: Cuscinetti volventi: coefficienti di carico dinamico e durata nominale. Organizzazione internazionale per la standardizzazione.
• DIN 51825: Lubrificanti — Grassi K — Specifiche dei grassi per cuscinetti volventi e radenti.
• Catalogo Generale SKF: Linee guida per la lubrificazione e la manutenzione dei cuscinetti, Pubblicazione 10000 EN.
• ISO 15312: Cuscinetti volventi — Velocità termica nominale — Calcolo e coefficienti.
• IEV (vocabolario elettrotecnico internazionale) - IEC 60050: tribologia industriale e terminologia della manutenzione.