Cuscinetto (meccanico)

Molti cuscinetti richiedono una manutenzione periodica per prevenire guasti prematuri, ma molti altri richiedono poca manutenzione. Questi ultimi includono vari tipi di cuscinetti polimerici, fluidi e magnetici, così come i cuscinetti a elementi rotanti che sono descritti con termini come cuscinetto sigillato e sigillato a vita. Questi contengono guarnizioni per tenere fuori lo sporco e dentro il grasso. Funzionano con successo in molte applicazioni, fornendo un funzionamento senza manutenzione. Alcune applicazioni non possono usarli efficacemente.

I cuscinetti non sigillati hanno spesso un raccordo per il grasso, per la lubrificazione periodica con un ingrassatore, o una coppa per il riempimento periodico con olio. Prima degli anni ’70, i cuscinetti sigillati non si incontravano nella maggior parte dei macchinari, e l’oliatura e l’ingrassaggio erano un’attività più comune di oggi. Per esempio, i telai delle automobili richiedevano “lavori di lubrificazione” quasi con la stessa frequenza dei cambi d’olio del motore, ma i telai delle automobili di oggi sono per lo più sigillati a vita. Dalla fine del 1700 fino alla metà del 1900, l’industria si affidava a molti lavoratori chiamati oliatori per lubrificare frequentemente i macchinari con taniche d’olio.

Le macchine di fabbrica oggi hanno di solito sistemi di lubrificazione, in cui una pompa centrale serve cariche periodiche di olio o grasso da un serbatoio attraverso linee di lubrificazione ai vari punti di lubrificazione nelle superfici dei cuscinetti della macchina, cuscinetti a sfera, blocchi di cuscini, e così via. La tempistica e il numero di questi cicli di lubrificazione sono controllati dal controllo computerizzato della macchina, come il PLC o il CNC, così come da funzioni di override manuale quando occasionalmente necessario. Questo processo automatizzato è il modo in cui vengono lubrificate tutte le moderne macchine utensili CNC e molte altre macchine industriali moderne. Sistemi di lubrificazione simili sono usati anche su macchine non automatizzate, nel qual caso c’è una pompa manuale che un operatore della macchina deve pompare una volta al giorno (per macchine in uso costante) o una volta alla settimana. Questi sono chiamati sistemi one-shot dal loro principale punto di vendita: un solo tiro su una maniglia per lubrificare l’intera macchina, invece di una dozzina di pompe di una pistola ad alemite o di una lattina di olio in una dozzina di posizioni diverse intorno alla macchina.

Il sistema di lubrificazione all’interno di un moderno motore automobilistico o di un camion è simile nel concetto ai sistemi di lubrificazione menzionati sopra, tranne che l’olio viene pompato continuamente. Gran parte di questo olio scorre attraverso passaggi forati o fusi nel blocco motore e nelle teste dei cilindri, sfuggendo attraverso porte direttamente sui cuscinetti, e spruzzando altrove per fornire un bagno d’olio. La pompa dell’olio semplicemente pompa costantemente, e qualsiasi eccesso di olio pompato fuoriesce continuamente attraverso una valvola di scarico nella coppa.

Molti cuscinetti in operazioni industriali ad alto ciclo hanno bisogno di lubrificazione e pulizia periodiche, e molti richiedono una regolazione occasionale, come la regolazione del precarico, per minimizzare gli effetti dell’usura.

La vita dei cuscinetti è spesso molto migliore quando il cuscinetto è tenuto pulito e ben lubrificato. Tuttavia, molte applicazioni rendono difficile una buona manutenzione. Un esempio sono i cuscinetti nel trasportatore di un frantoio di roccia che sono esposti continuamente a particelle abrasive dure. La pulizia è poco utile perché è costosa e il cuscinetto è di nuovo contaminato non appena il trasportatore riprende a funzionare. Quindi, un buon programma di manutenzione potrebbe lubrificare frequentemente i cuscinetti ma non includere alcuno smontaggio per la pulizia. La lubrificazione frequente, per sua natura, fornisce un tipo limitato di azione di pulizia, spostando l’olio o il grasso più vecchio (pieno di sabbia) con una carica fresca, che a sua volta raccoglie la sabbia prima di essere spostata dal ciclo successivo. Un altro esempio sono i cuscinetti nelle turbine eoliche, che rendono difficile la manutenzione poiché la navicella è posta in alto nell’aria in zone di forte vento. Inoltre, la turbina non funziona sempre ed è soggetta a diversi comportamenti operativi in diverse condizioni atmosferiche, il che rende la corretta lubrificazione una sfida.

Rilevamento dei difetti della corsa esterna dei cuscinetti a rotolamentoModifica

I cuscinetti a rotolamento sono ampiamente utilizzati nelle industrie di oggi, e quindi la manutenzione di questi cuscinetti diventa un compito importante per i professionisti della manutenzione. I cuscinetti a elementi volventi si consumano facilmente a causa del contatto metallo-metallo, che crea difetti nella pista esterna, nella pista interna e nella sfera. È anche il componente più vulnerabile di una macchina, perché è spesso in condizioni di carico elevato e di alta velocità di funzionamento. La diagnostica regolare dei difetti dei cuscinetti volventi è fondamentale per la sicurezza industriale e il funzionamento delle macchine, oltre a ridurre i costi di manutenzione o evitare i tempi di arresto. Tra la pista esterna, la pista interna e la sfera, la pista esterna tende ad essere più vulnerabile ai guasti e ai difetti.

C’è ancora spazio per discutere se l’elemento volvente eccita le frequenze naturali del componente del cuscinetto quando passa il guasto sulla pista esterna. Quindi dobbiamo identificare la frequenza naturale della pista esterna del cuscinetto e le sue armoniche. I guasti del cuscinetto creano degli impulsi e si traducono in forti armoniche delle frequenze di guasto nello spettro dei segnali di vibrazione. Queste frequenze di guasto sono talvolta mascherate dalle frequenze adiacenti nello spettro a causa della loro poca energia. Quindi, una risoluzione spettrale molto alta è spesso necessaria per identificare queste frequenze durante un’analisi FFT. Le frequenze naturali di un cuscinetto volvente con le condizioni di contorno libero sono 3 kHz. Pertanto, per utilizzare il metodo della larghezza di banda di risonanza dei componenti del cuscinetto per individuare il guasto del cuscinetto in una fase iniziale, è necessario adottare un accelerometro ad alta gamma di frequenza e acquisire dati ottenuti per una lunga durata. Una frequenza caratteristica del guasto può essere identificata solo quando l’estensione del guasto è grave, come quella della presenza di un foro nella pista esterna. Le armoniche della frequenza del guasto sono un indicatore più sensibile di un guasto della pista esterna del cuscinetto. Per un rilevamento più serio dei guasti dei cuscinetti difettosi, le tecniche di forma d’onda, di spettro e di inviluppo aiuteranno a rivelare questi guasti. Tuttavia, se si usa una demodulazione ad alta frequenza nell’analisi dell’inviluppo per rilevare le frequenze caratteristiche dei guasti dei cuscinetti, i professionisti della manutenzione devono fare più attenzione nell’analisi a causa della risonanza, poiché può contenere o meno componenti di frequenza dei guasti.

L’uso dell’analisi spettrale come strumento per identificare i guasti nei cuscinetti affronta delle sfide a causa di problemi come la bassa energia, lo smearing del segnale, la ciclostazionarietà ecc. L’alta risoluzione è spesso desiderata per differenziare le componenti di frequenza del guasto dalle altre frequenze adiacenti ad alta ampiezza. Quindi, quando il segnale viene campionato per l’analisi FFT, la lunghezza del campione dovrebbe essere abbastanza grande da dare un’adeguata risoluzione di frequenza nello spettro. Inoltre, mantenere il tempo di calcolo e la memoria entro i limiti ed evitare aliasing indesiderati può essere impegnativo. Tuttavia, una risoluzione di frequenza minima richiesta può essere ottenuta stimando le frequenze di guasto del cuscinetto e altre componenti di frequenza della vibrazione e le sue armoniche dovute alla velocità dell’albero, al disallineamento, alla frequenza della linea, al cambio ecc.

ImballaggioModifica

Alcuni cuscinetti usano un grasso spesso per la lubrificazione, che viene spinto negli spazi tra le superfici del cuscinetto, noto anche come imballaggio. Il grasso è tenuto in posizione da una guarnizione di plastica, pelle o gomma (chiamata anche ghiandola) che copre i bordi interni ed esterni della pista del cuscinetto per evitare che il grasso fuoriesca.

I cuscinetti possono essere imballati anche con altri materiali. Storicamente, le ruote dei vagoni ferroviari usavano cuscinetti a manicotto imballati con scarti o ritagli sciolti di cotone o fibra di lana imbevuti di olio, poi più tardi usarono cuscinetti solidi di cotone.

Oliatore ad anelloModifica

I cuscinetti possono essere lubrificati da un anello metallico che scorre liberamente sull’albero centrale rotante del cuscinetto. L’anello pende verso il basso in una camera contenente olio lubrificante. Mentre il cuscinetto ruota, l’adesione viscosa attira l’olio sull’anello e sull’albero, dove l’olio migra nel cuscinetto per lubrificarlo. L’olio in eccesso viene scagliato via e si raccoglie di nuovo nella piscina.

Lubrificazione a spruzzoModifica

Una forma rudimentale di lubrificazione è la lubrificazione a spruzzo. Alcune macchine contengono una piscina di lubrificante nel fondo, con ingranaggi parzialmente immersi nel liquido, o bielle che possono oscillare giù nella piscina mentre il dispositivo funziona. Le ruote che girano lanciano l’olio nell’aria intorno a loro, mentre le bielle sbattono sulla superficie dell’olio, facendolo schizzare a caso sulle superfici interne del motore. Alcuni piccoli motori a combustione interna contengono specificamente speciali ruote di plastica che spargono casualmente l’olio all’interno del meccanismo.

Lubrificazione a pressioneModifica

Per le macchine ad alta velocità e ad alta potenza, una perdita di lubrificante può causare un rapido riscaldamento dei cuscinetti e danni dovuti all’attrito. Inoltre, in ambienti sporchi, l’olio può essere contaminato da polvere o detriti che aumentano l’attrito. In queste applicazioni, un rifornimento fresco di lubrificante può essere continuamente fornito al cuscinetto e a tutte le altre superfici di contatto, e l’eccesso può essere raccolto per il filtraggio, il raffreddamento ed eventualmente il riutilizzo. L’oliatura a pressione è comunemente usata nei grandi e complessi motori a combustione interna in parti del motore dove l’olio spruzzato direttamente non può arrivare, come nei gruppi di valvole in testa. I turbocompressori ad alta velocità in genere richiedono anche un sistema di olio pressurizzato per raffreddare i cuscinetti e impedire loro di bruciare a causa del calore della turbina.

Cuscinetti compositiModifica

I cuscinetti compositi sono progettati con un rivestimento autolubrificante in politetrafluoroetilene (PTFE) con un supporto di metallo laminato. Il liner in PTFE offre un attrito costante e controllato e una lunga durata, mentre il supporto metallico assicura che il cuscinetto composito sia robusto e in grado di sopportare carichi e sollecitazioni elevate per tutta la sua lunga durata. Il suo design lo rende anche leggero: un decimo del peso di un cuscinetto tradizionale a elementi volventi.