L'aumento della domanda per migliorare l'affidabilità in tutto il settore significa che gli ingegneri devono considerare tutti i componenti delle loro apparecchiature.I sistemi di cuscinetti sono parti critiche di una macchina e il loro guasto potrebbe avere conseguenze catastrofiche e costose.Il design del cuscinetto ha un impatto importante sull'affidabilità, specialmente in condizioni operative estreme, comprese temperature elevate o basse, vuoto e atmosfere corrosive.Questo articolo delinea le considerazioni da prendere quando si specificano i cuscinetti per ambienti difficili, in modo che gli ingegneri possano garantire un'elevata affidabilità e prestazioni eccellenti di lunga durata delle loro apparecchiature.

Un sistema di cuscinetti comprende molti elementi tra cui sfere, anelli, gabbie e lubrificazione, ad esempio.I cuscinetti standard in genere non resistono ai rigori degli ambienti difficili, quindi è necessario prestare particolare attenzione alle singole parti.Gli elementi più importanti sono la lubrificazione, i materiali e il trattamento termico oi rivestimenti speciali e, esaminando ogni fattore, è possibile configurare al meglio i cuscinetti per l'applicazione.

Funzionamento ad alta temperatura

Le applicazioni ad alta temperatura, come quelle utilizzate nei sistemi di attuazione nell'industria aerospaziale, possono presentare sfide per i cuscinetti standard.Inoltre, le temperature delle apparecchiature stanno aumentando man mano che le unità diventano sempre più piccole e hanno una maggiore densità di potenza, e questo pone un problema per il cuscinetto medio.

Lubrificazione

La lubrificazione è una considerazione importante qui.Oli e grassi hanno temperature di esercizio massime, a quel punto cominceranno a degradarsi ed evaporare rapidamente portando al cedimento del cuscinetto.I grassi standard sono spesso limitati a una temperatura massima di circa 120°C e alcuni grassi convenzionali per alte temperature sono in grado di resistere a temperature fino a 180°C.

Tuttavia, per applicazioni che richiedono temperature ancora più elevate sono disponibili speciali grassi lubrificanti fluorurati e sono raggiungibili temperature superiori a 250°C.Laddove non è possibile la lubrificazione a liquido, la lubrificazione solida è un'opzione che consente un funzionamento affidabile a bassa velocità a temperature ancora più elevate.In questo caso sono consigliati come lubrificanti solidi il bisolfuro di molibdeno (MOS2), il bisolfuro di tungsteno (WS2), la grafite o il politetrafluoroetilene (PTFE) in quanto possono tollerare temperature molto elevate per periodi di tempo più lunghi.

Materiali

Quando si tratta di temperature superiori a 300°C sono necessari speciali materiali per anelli e sfere.L'AISI M50 è un acciaio per alte temperature generalmente consigliato in quanto presenta un'elevata resistenza all'usura e alla fatica alle alte temperature.BG42 è un altro acciaio per alte temperature che ha una buona durezza a caldo a 300°C ed è comunemente specificato poiché ha alti livelli di resistenza alla corrosione ed è anche meno suscettibile alla fatica e all'usura a temperature estreme.

Sono necessarie anche gabbie per alte temperature e possono essere fornite in materiali polimerici speciali tra cui PTFE, poliimmide, poliammide-immide (PAI) e polietere-etere-chetone (PEEK).Per i sistemi lubrificati ad olio per alte temperature, le gabbie dei cuscinetti possono essere realizzate anche in bronzo, ottone o acciaio argentato.

Rivestimenti e trattamenti termici

Rivestimenti e trattamenti superficiali avanzati possono essere applicati ai cuscinetti per combattere l'attrito, prevenire la corrosione e ridurre l'usura, migliorando così le prestazioni del cuscinetto alle alte temperature.Ad esempio, le gabbie in acciaio possono essere rivestite con argento per migliorare le prestazioni e l'affidabilità.In caso di guasto/fame di lubrificante, la argentatura agisce come un lubrificante solido, consentendo al cuscinetto di continuare a funzionare per un breve periodo di tempo o in una situazione di emergenza.

Affidabilità a bassa temperatura

All'altro estremo della scala, le basse temperature possono essere problematiche per i cuscinetti standard.

Lubrificazione

Nelle applicazioni a bassa temperatura, ad esempio le applicazioni di pompaggio criogeniche con temperature nella regione di -190°C, le lubrificazioni a olio diventano cerose con conseguente cedimento del cuscinetto.Lubrificazione solida come MOS2 o WS2 sono ideali per migliorare l'affidabilità.Inoltre, in queste applicazioni, il fluido pompato può fungere da lubrificante, quindi i cuscinetti devono essere appositamente configurati per funzionare a queste basse temperature utilizzando materiali che funzionano bene con il fluido.

Materiali

Un materiale che può essere utilizzato per migliorare la durata a fatica e la resistenza all'usura di un cuscinetto è l'SV30®, un acciaio martensitico a tempra profonda, ad alto contenuto di azoto e resistente alla corrosione.Si consigliano anche sfere di ceramica in quanto offrono prestazioni superiori.Le proprietà meccaniche intrinseche del materiale significano che forniscono un funzionamento eccellente in condizioni di scarsa lubrificazione ed è molto più adatto per funzionare in modo affidabile a basse temperature.

Il materiale della gabbia dovrebbe anche essere scelto per essere il più resistente possibile all'usura e le buone opzioni qui includono PEEK, policlorotrifluoroetilene (PCTFE) e plastica PAI.

Trattamento termico

Gli anelli devono essere trattati termicamente per migliorare la stabilità dimensionale alle basse temperature.

Design interno

Un'ulteriore considerazione per lavorare a basse temperature è il design interno del cuscinetto.I cuscinetti sono progettati con un livello di gioco radiale, ma quando la temperatura si riduce, i componenti del cuscinetto subiscono una contrazione termica e la quantità di gioco radiale viene quindi ridotta.Se il livello del gioco radiale si riduce a zero durante il funzionamento, ciò comporterà il guasto del cuscinetto.I cuscinetti destinati ad applicazioni a bassa temperatura devono essere progettati con un gioco radiale maggiore a temperatura ambiente per consentire un livello accettabile di gioco radiale operativo alle basse temperature.

Gestione della pressione del vuoto

In ambienti con vuoto ultra alto come quelli presenti nella produzione di elettronica, semiconduttori e LCD, la pressione può essere inferiore a 10-7 mbar.I cuscinetti per vuoto ultra-alto sono generalmente utilizzati nelle apparecchiature di attuazione nell'ambiente di produzione.Un'altra tipica applicazione per il vuoto sono le pompe turbomolecolari (TMP) che generano il vuoto per gli ambienti di produzione.In quest'ultima applicazione i cuscinetti sono spesso tenuti a lavorare ad alta velocità.

Lubrificazione

La lubrificazione in queste condizioni è fondamentale.A tali alti vuoti, i grassi lubrificanti standard evaporano e degassano anche i gas, e la mancanza di una lubrificazione efficace può causare il cedimento dei cuscinetti.Pertanto è necessario utilizzare una lubrificazione speciale.Per ambienti ad alto vuoto (fino a circa 10-7 mbar) possono essere utilizzati grassi PFPE in quanto hanno una resistenza all'evaporazione molto più elevata.Per ambienti con vuoto ultra alto (10-9 mbar e inferiori) è necessario utilizzare lubrificanti e rivestimenti solidi.

Per ambienti a medio vuoto (circa 10-2 mbar), con un'attenta progettazione e selezione di grasso speciale per vuoto, possono essere utilizzati sistemi di cuscinetti che garantiscono una lunga durata di oltre 40.000 ore (circa 5 anni) di uso continuo e che operano a velocità elevate raggiunto.

Resistenza alla corrosione

I cuscinetti destinati all'uso in un ambiente corrosivo devono essere configurati in modo speciale in quanto possono essere potenzialmente esposti ad acidi, alcali e acqua salata tra le altre sostanze chimiche corrosive.

Materiali

I materiali sono una considerazione vitale per gli ambienti corrosivi.Gli acciai per cuscinetti standard si corrodono facilmente, portando a un cedimento precoce del cuscinetto.In questo caso è da considerare il materiale dell'anello SV30 con sfere in ceramica poiché sono altamente resistenti alla corrosione.In effetti, gli studi hanno dimostrato che il materiale SV30 può durare molte volte più a lungo rispetto ad altri acciai resistenti alla corrosione in un ambiente in nebbia salina.Nei test in nebbia salina controllata l'acciaio SV30 mostra solo lievi segni di corrosione dopo 1.000 ore di test in nebbia salina (vedi grafico 1) e l'elevata resistenza alla corrosione dell'SV30 è chiaramente visibile sugli anelli di prova.Per aumentare ulteriormente la resistenza di un cuscinetto alle sostanze corrosive possono essere utilizzati anche materiali speciali per sfere in ceramica come Zirconia e Carburo di Silicio.

Ottenere di più dalla lubrificazione dei fluidi

L'ultimo ambiente difficile è rappresentato dalle applicazioni in cui il fluido funge da lubrificante, ad esempio refrigeranti, acqua o fluidi idraulici.In tutte queste applicazioni il materiale è la considerazione più importante e spesso si è scoperto che i cuscinetti ibridi in ceramica SV30 forniscono la soluzione più pratica e affidabile.

Conclusione

Gli ambienti estremi presentano molte sfide operative ai cuscinetti standard, causandone così un guasto prematuro.In queste applicazioni i cuscinetti devono essere configurati con cura in modo che siano adatti allo scopo e forniscano prestazioni eccellenti e di lunga durata.Per garantire un'elevata affidabilità dei cuscinetti, è necessario prestare particolare attenzione alla lubrificazione, ai materiali, ai rivestimenti superficiali e al trattamento termico.