Durata dei Cuscinetti in Presenza di Temperature Elevate

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 52100 - Durezza vs. Temperatura e Tempo
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 (MoS2), 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.
Tabella B: AISI 52100 – Temperatura, Colore e Durezza
Colore Acciaio
Temperatura ˚C
Durezza HRC
lucido
< 120
> 60
lucido
150
> 60
Lucido/giallo
160
> 60
giallo
200
59
azzurro
300
58
blu
400
53
nero
540
rosso
> 815
morbido
liquido
La reazione dell’acciaio per cuscinetti AISI 52100 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 52100 è 160°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 52100
a diverse temperature consultare i grafici A e B.
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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.
Tabella C
Nomenclatura
Temperatura con stabilità dimensionale
Con trattamento
˚C
termico (HT)
JIS SUJ
120
AISI 52100
120
HTF & STF
150
X26
150
EA - HPS
200
HT
S11
200
HT
X28
200
HT
TL
200
HT
X29
250
HT
Grafico D
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”.
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Tabella E
Olio Minerale (PAO)
Tipo di olio
Polialfaolefina
(insolubile in acqua)
Poliglicerolo
Estere
Olio Siliconico
Olio alcossi fluoro
˚C
Temp. Max.
per la lubrificazione
a bagno d’olio
100
150
Da 100 a 150
150
Da 150 a 200
Da 150 a 220
Temp. Max.
per la lubrificazione
a circolazione d’olio
150
200
Da 150 a 200
200
250
240
Viscosità a 40ºC
(cSt, mm2/s)
Da 2 a 4500
Da 15 a 1500
Da 20 a 2000
Resistenza alle
temperature elevate
(=150ºC, 302ºF)
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.
Tipo di
addensante
Temperatura dell’applicazione
Con trattamento termico (HT)
˚C
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 160 a 180
Alluminio
Complesso
up to 180
250
Bentonite
180
250
Poliurea
180
Da 220 a 270
Complesso
Tabella H: Gamma di temperature dei lubrificanti solidi
In Aria
Lubrificante
solido
Vuoto
˚C
Olio di base
Sapone
Temperatura max.
˚C
alluminio
calcio
litio
sodio
70
50
130
100
PAO
litio
150
estere
litio
130
olio minerale
alluminio
bario
calcio
litio
sodio
160
140
140
150
130
PAO
alluminio
bario
calcio
litio
160
160
160
180
estere
bario
calcio
litio
130
130
180
olio silicone
litio
180
olio minerale
Normale
Tabella G: Raffronto tra addensanti
Addensante
Tabella F: Tabella comparativa dei grassi
olio minerale
150
PAO
180
olio minerale
160
PAO
200
olio silicone
200
olio fluorosilicone
200
olio alkoxyfluoro
250
olio fluorosilicone
200
Bentonite
˚C
min.
max
min.
max
Grafite
50
550
n/a
n/a
Disolfuro
di Molibdeno
-100
320
-100
650
Disolfuro
di Tungsteno
-100
410
-100
750
Oro
-100
200
-100
200
Argento
-100
100
-100
600
Piombo
-100
210
-100
400
Fluororesina
-250
200
-250
250
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Poliurea
PTFE
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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.
Grafico J
Grafico K
Grafico L
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.
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.
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
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Tabella M: Intervalli di lubrificazione a grasso (Settimane)
per cuscinetti a sfere
Foro
cuscinetto
(mm)
250
500
1000
2000
3000
25
*
*
130
70
40
50
*
160
70
35
20
75
*
150
65
23
9
100
*
100
40
13
4
Velocità di esercizio (giri/min)
Tabella N: Intervalli di lubrificazione a grasso (Settimane)
per motori con cuscinetti a sfere
kW
Rendimento motore
Da 0.4 a 6.0
Da 7.5 a 30
Da 35 a 110
24 ore/giorno, 7 giorni/settimana,
Pulito, Temp. Max amb. = 40ºC .
72
48
36
24 ore/giorno, 7 giorni/settimana,
condizioni severe: caldo, secco o umido
36
16
16
16 ore/giorno, 5 giorni/settimana,
Pulito, Temp. Max amb. = 40ºC .
144
96
72
16 ore/giorno, 5 giorni/settimana,
condizioni severe: caldo, secco o umido
72
52
36
Tabella O: Intervalli di Lubrificazione a Grasso (Settimane)
per Guscinetti Radiali Orientabili a Rulli
Ore di
funzionamento
al giorno
250
500
750
1000
1500
2000
3000
8
12
12
10
7
5
4
3
Velocità cuscinetto (giri/min)
16
12
7
5
4
2
2
1
24
10
5
3
2
1
1
1
Tabella P: Intervalli di Lubrificazione a Grasso (Settimane)
Cuscinetti Radiali Orientabili a Rulli, Temperature e Condizioni
Condizioni d’esercizio
Pulito
Sporco
Umidità
Temperature cuscinetto
ºC
Intervalli
di lubrificazione
Da 0 a 50
Da 24 a 40
Da 50 a 65
Da 4 a 12
Da 65 a 95
Da 1 a 4
Da 0 a 65
Da 1 a 4
Da 65 a 95
<1
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.
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Tabella Q: Lubrificazione dei Cuscinetti su Essiccatori per Industria
della Carta
Flusso dell’olio (Pinte/Minuto)
Pressione del vapore
Foro
Cuscinetto
(mm)
50-100 psi
(345-690 kPa)
101-125 psi
(600-862 kPa)
126-150 psi
(862-1034 kPa)
Over 150 psi
(Over
1034 kPa)
< 190
3
4
6
8
191-260
3-4
4-6
6-8
8-10
261-349
4-5
6-7
8-9
10-11
350-500
16
24
26
28
> 500
24-32
40
48
56
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
Pressione del Vapore Saturo
psl
kgs/sq. meter
Temperatura Corrispondente del Vapore
ºC
50
35 150
138
60
42 200
145
75
52 750
153
100
70 300
164
125
87 900
173
150
150 500
181
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 = 0.00003 (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.
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