WTC

Il mondo gira grazie alla tribologia

Il quinto World Tribology Congress (WTC), tenutosi a Torino e sponsorizzato dalla SKF, riflette l’importanza della tribologia nei riguardi dei cuscinetti e dei sistemi, per i quali valgono i fondamenti dell’attrito, della lubrificazione e dell’usura. Il congresso del 2013 evidenzia l’intenso lavoro svolto dalla SKF in collaborazione con clienti e università, teso a perfezionare le conoscenze dei cuscinetti stessi al fine di ottenere migliori prestazioni nelle applicazioni pratiche.

  Autori: Elaine McClarence e Walter Verhaert, Technology Editors

Lubrificanti Macchine e attrezzature Manutenzione Affidabilità Ricerca e teoria Cuscinetti volventi

Sintesi

Il World Tribology Congress è un luogo d’incontro in cui si pianificano i progressi della scienza e l’ingegneria delle interazioni tra superfici in moto relativo. Oggetto di discussione della quinta edizione di questo importante consesso di ricercatori sponsorizzato dalla SKF, sono state le problematiche che quotidianamente hanno un forte impatto su di noi, in quanto condizionano le auto che guidiamo, i trasporti che usiamo e il macchinario e le strutture che rendono possibile la vita moderna. Dato che i cuscinetti sono utilizzati dappertutto, le crescenti esigenze imposte dall’industria sulle loro prestazioni richiedono costanti attenzioni. Velocità e temperature più elevate, densità di potenza crescenti, lubrificanti meno densi, cuscinetti di maggiori dimensioni, condizioni ambientali o additivi più aggressivi ed elevati livelli di vibrazione costringono gli ingegneri a conoscere meglio la tribologia dei cuscinetti stessi per fare in modo che soddisfino sempre le attese, oggi e domani.

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SKF Beast

INSA LYON

Imperial College London

Nella scienza dei cuscinetti e delle relative applicazioni la tribologia è una scienza di vitale importanza, la profonda conoscenza della quale può dare un decisivo contributo alla riduzione dell’attrito e dell’usura, consentendo di risparmiare energia e di salvaguardare l’ambiente, prolungando la durata degli impianti e abbattendone i costi operativi.

Le conoscenze acquisite con le ricerche tribologiche si applicano nella progettazione di cuscinetti di ogni tipo, sia volventi sia radenti. Per quanto riguarda i primi tali conoscenze si utilizzano nella scelta dei lubrificanti (oli e grassi), nella progettazione dei cuscinetti stessi e dei relativi materiali e superfici, nella valutazione delle perdite per attrito e degli aumenti di temperatura e infine nel calcolo della durata dei cuscinetti, dei lubrificanti e delle guarnizioni di tenuta.

Le relazioni presentate al World Tribology Congress riflettono la vasta gamma di ricerche pratiche ed empiriche in cui la SKF è impegnata, che vanno dalla soluzione di particolari esigenze dei clienti tramite l’impiego di strumenti avanzati di modellazione, alla ricerca congiunta con le università per elaborare tecniche atte a comprendere i meccanismi che governano i comportamenti del lubrificante e l’evoluzione dei danneggiamenti, e infine alle ricerche scientifiche condotte dalla SKF stessa per consolidare la propria posizione di knowledge engineering company.

Orientamento alle esigenze dei clienti
Una ricerca orientata al cliente è esemplificata nella memoria Simulation analysis of the factors influencing the lubrication conditions in a rolling element bearing set for a gas turbine starter motor (1). I ricercatori SKF hanno elaborato un metodo di simulazione per analizzare gli effetti della geometria superficiale sullo spessore del film negli elementi interessati al rotolamento. Tramite il modello BEAST (BEAring Simulation Tool, ved. pagina 21), sono stati simulate e circoscritte le influenze sui parametri tribologici dei cuscinetti della micro e macro-geometria delle superfici – quali l’ondulosità, l’ovalità, la rotondità e la topografia. Per determinare gli effetti causati dalla variazione delle caratteristiche dei cuscinetti entro limiti ben definiti, sono stati creati particolareggiati modelli di simulazione multi-body. L’influenza della topografia superficiale reale è stata computata come modifica delle condizioni locali di contatto, attribuendo le misurazioni superficiali interferometriche al corpo corrispondente nel modello virtuale. Grazie ai risultati di tale ricerca, nel dare vita ai nuovi progetti, gli ingegneri hanno ora la possibilità di prendere in considerazione le proprietà delle superfici. Secondo gli autori, “le proprietà delle superfici possono essere considerate fattori chiave già nelle prime fasi di un progetto, mentre l’ottimizzazione dei parametri analizzati influisce positivamente sulle prestazioni di un sistema ingegneristico”.

Un altro progetto di ricerca “customer-oriented” è trattato nella memoria Grease lubrication in super-precision bearings operating at high speed (2), nella quale gli autori descrivono gli studi in corso per migliorare le conoscenze della lubrificazione a grasso nei cuscinetti che ruotano ad alta velocità, nell’intento di prolungare la durata del grasso stesso in tali condizioni di lavoro. La lubrificazione a grasso è quella più comunemente impiegata nei cuscinetti super precision delle machine utensili veloci, ma il suo impiego è limitato dalla breve durata del lubrificante quando il valore n x dm si avvicina a 2 milioni. Se si potesse estendere la lubrificazione a grasso a tali valori elevati di velocità, si potrebbe semplificare il disegno dei mandrini ed evitare i costi della lubrificazione olio-aria.

Collaborazione con le università
Al World Tribology Congress, sono stati evidenziati i vantaggi della collaborazione della SKF con le università in termini di progressi nello studio della tribologia. L’Imperial College London e l’INSA de Lyon in Francia hanno un lungo percorso di collaborazione con la SKF e tre memorie, ved. (3), (4) e (5), mettono in rilevo i frutti di tale collaborazione.

Nella memoria Smearing damage in rolling element bearings (3), il ricercatore indaga sul fenomeno dello smearing, che è un tipo di danneggiamento che si può verificare nei cuscinetti quando la velocità dei corpi volventi differisce da quella teorica a seguito di determinate condizioni di lavoro. L’insorgere del fenomeno è molto difficile da prevedere, dato che il suo meccanismo non è del tutto compreso. Nella memoria si cerca quindi di fare maggiore luce sui meccanismi fondamentali in gioco, combinando i risultati ottenuti su uno speciale banco prova sperimentale – capace di riprodurre in condizioni controllate il danneggiamento da smearing – con i risultati numerici ottenuti con un modello di dinamica transitoria dello stesso contatto. Un modello di tale tipo del banco prova completo è stato realizzato con BEAST (ved. pagina 21). Gli autori affermano che la combinazione dei dati sperimentali con le relative previsioni numeriche consente analisi accurate delle condizioni di lavoro che provocano l’insorgere dello smearing e rende possibile esprimersi sulle sue possibili cause.

Nella memoria Multi-scale modelling of lubricated contacts: a study on the velocity boundary condition at the wall-fluid interface (4) i ricercatori descrivono l’approccio multi-scala elaborato per integrare i fenomeni a scala nanometrica nei modelli macroscopici della lubrificazione. In particolare, mediante simulazioni della dinamica molecolare, si può determinare la condizione limite del film in presenza di lubrificazione molto scarsa. La sua evoluzione in funzione delle condizioni di lavoro e del materiale delle superfici può essere descritta mediante leggi semi-analitiche, integrate in un’equazione modificata di Reynolds, con l’inclusione degli effetti dello strisciamento delle pareti. Il modello Nano-EHL mostra che nel centro lo spessore del film diminuisce sensibilmente per compensare un’accelerazione della portata del lubrificante provocata dall’esistenza dello strisciamento delle pareti su scala molecolare.

La memoria Modelling the propagation of rolling contact fatigue (RCF) cracks in the presence of lubricant (5) tratta un fenomeno che ha implicazioni in campo industriale. La fatica da contatto volvente (rolling contact fatigue, RCF) condiziona la durata di vari componenti, quali ingranaggi, cuscinetti volventi, rulli delle acciaierie, ruote ferroviarie e rotaie. Può verificarsi nei contatti lubrificati e in quelli a secco, quando il fluido è presente solo in modo intermittente.

Mentre si ritiene che le cricche da RCF si propaghino secondo un meccanismo di affaticamento generato da sollecitazioni cicliche per opera di carichi di contatto ripetuti di rotolamento e strisciamento, l’esatto meccanismo indotto da tali carichi non è ancora ben noto.

Gli autori presentano lo studio di un modello monodimensionale che abbina la deformazione superficiale e l’afflusso di lubrificante, sia nel film di superficie sia nella cricca, con la propagazione della cricca stessa in base al campo di sollecitazioni sotto la superficie. I ricercatori ritengono che per comprendere il comportamento fisico reale di una cricca da RCF sia importante coniugare il film fluido sulla superficie con quello nella cricca. Pertanto tutti i modelli usati nell’analisi delle cricche RCF nei contatti EHL devono tenere conto di questo comportamento per non introdurre errori nella previsione della risultante fatica con inizio superficiale in corrispondenza dell’estremità della cricca. Questi errori diventano ancora più significativi quando si tiene conto della propagazione, per la quale è molto importante includere gli effetti della pressione del lubrificante nel cercare di prevedere il corretto grado di propagazione delle cricche in presenza di fatica da contatto di rotolamento. Questo lavoro rappresenta uno dei primi tentativi di ottenere un modello fluido-solido pienamente combinato, che comprenda l’evoluzione conseguente della cricca.

La scienza in primo piano
Il terzo tipo di ricerca presentato dalla SKF e dai suoi collaboratori è un processo di tipo puramente scientifico indirizzato ad una migliore conoscenza dei problemi tribologici. La memoria Detailed contacts in dynamic simulations – A contradiction? (6), tratta la simulazione dinamica dei cuscinetti volventi, un potente strumento per studiare la varietà dei fenomeni correlati alle prestazioni e alla durata di esercizio dei cuscinetti stessi. Tuttavia la natura delle simulazioni dinamiche, cioè il gran numero di fasi temporali da calcolare, impedisce l’impiego di modelli fisici molto dettagliati, come quelli, per esempio, delle condizioni di contatto che possono dare indicazioni valide in situazioni critiche connesse con la durata di esercizio dei cuscinetti. La relazione spiega in modo molto chiaro come combinare le simulazioni dinamiche con le simulazioni molto dettagliate dei contatti.

La memoria Prediction of micropitting performance of oil/additive solutions in rolling and sliding contacts (7) tratta lo sviluppo di un modello capace di descrivere le correlazioni tra attrito, usura e micropitting (affaticamento superficiale, surface distress). Sulla scia del recente sviluppo di un modello di micropitting che, tenendo conto delle condizioni di lavoro, della rugosità superficiale e delle proprietà del materiale delle superfici in contatto, ha dimostrato che l’usura e il micropitting sono fenomeni in competizione tra di loro, gli autori hanno deciso di estenderne la portata. L’intento era quello di prevedere il grado di danneggiamento da micropitting dopo un certo numero di cicli con varie combinazioni olio/additivo e con valori diversi di umidità relativa dell’ambiente. Supponendo che gli effetti tribologico-chimici degli additivi e/o dell’acqua nell’olio si manifestino alla fine in modo meccanico, sono stati modellati prendendo come dati di input i coefficienti misurati dell’usura e dell’attrito limite. Dopo una serie di test di micropitting con varie combinazioni olio/additivi e diversi valori di umidità relativa nell’aria, il modello ha presentato un buon accordo con i risultati sperimentali.

Tribo-Lyon
Contemporaneamente al World Tribology Congress è stata organizzata la Tribo-Lyon 2013, il che ha reso il 2013 un anno molto importante per quanto riguarda la materia trattata.

Conclusioni
Nel 2012, la SKF ha investito 180 milioni di euro in ricerca e sviluppo, corrispondenti al 2,5 % del fatturato annuo. In tale anno le attività di sviluppo hanno dato luogo a 660 richieste di brevetto e alla creazione di 421 nuovi brevetti. Novità importanti sono state il risultato delle conoscenze SKF in tribologia: citiamo i cuscinetti SKF Energy Efficient, il rivestimento NoWear, i cuscinetti ibridi, le gabbie in ottone e in polimero, i cuscinetti super-finished per applicazioni speciali, il tipo di tessitura delle superfici, le specifiche per i grassi e i lubrificanti e le tenute di basso attrito.

Grazie alla collaborazione della SKF con gli esperti in tribologia di importanti università, oggi l’Imperial College London ospita uno degli SKF University Technology Centres (SKF UTC), aperto a gennaio del 2010, indirizzato alla modellazione e alla simulazione dei sistemi tribologici. Capo del team UTC all’Imperial College è il prof. Hugh Spikes (Evolution #2-2013, pag. 18), affiancato da tre studenti in dottorato di ricerca e da due ricercatori laureati. Spikes ha pubblicato più di 200 documenti accademici sulla tribologia e ha ottenuto vari brevetti del ramo. All’Imperial College l’UTC esemplifica la collaborazione più che trentennale con la SKF; il precedente direttore tecnico SKF Stathis Ioannides è ancora visiting professor presso lo stesso Imperial College.

La SKF e l’INSA de Lyon hanno ulteriormente rafforzato la loro collaborazione con l’istituzione presso quest’ultimo di un corso di specializzazione SKF sulle “Lubricated interfaces for the future”. Lo scopo del corso, della durata di sei anni, è quello di portare avanti uno studio interfunzionale che tratti l’identificazione, la comprensione e la modellazione del comportamento dei lubrificanti nelle condizioni di lavoro estreme imposte dalle superfici in contatto.

Le conoscenze tribologiche permeano anche molti strumenti e software SKF di previsione (BEAST, SKF Bearing Beacon e modelli a stampa e online). Tra i modelli specifici citiamo il modello SKF dell’attrito dei cuscinetti volventi, il modello della durata SKF (specialmente riguardante i fattori di lubrificazione e della contaminazione), il modello del grasso SKF e il modello SKF sull’affaticamento superficiale, tutti importanti strumenti per lo sviluppo delle innovazioni e per la previsione delle prestazioni dei cuscinetti nelle condizioni in cui le superfici giocano un ruolo molto importante.

Bibliografia
[1] F. Mandrile, G. Moschetto, S. Vasconi and F. Caprioli, Simulation analysis of the factors influencing the lubrication conditions in a rolling element bearing set for a gas turbine starter motor.
[2] F. Greco, J. Wangand, A. van den Kommer, Grease lubrication in super-precision bearings operating at high speed.
[3] M.T. Fowell, A. Kadiric, G. Morales-Espejel, L-E. Stacke and S. Ioannides, Smearing damage in rolling element bearings.
[4] D. Savio, N. Fillot, P. Vergne, R. Pasaribuand, G. Morales-Espejel, Multi-scale modelling of lubricated contacts: a study on the velocity boundary condition at the wall-fluid interface.
[5] R. Balcombe, M.T. Fowell, A. Kadiric, D. Dini, A.V. Olver, Modelling the propagation of rolling contact fatigue (RCF) cracks in the presence of lubricant.
[6] L-E. Stacke, D. Fritzson, G. Morales-Espejel, Detailed contacts in dynamic simulations – A contradiction?
[7] V. Brizmer, H.R.Pasaribu, G. Morales-Espejel, Prediction of micropitting ­performance of oil/additive solutions in rolling and sliding contacts.

Altre memorie presentate al World Tribology Conference di interesse per la SKF e i suoi partner universitari:

  • A. Hajishafiee, D. Dini, A. Kadiric, S. Ioannides, A fully-coupled finite volume solver for elasto-hydrodynamic lubrication problems with particular application to rolling element bearings.
  • J. Guégan, A. Kadiric, T. Reddyhoff, G. Morales-Espejel, H. Spikes, Friction and lubrication of textured surfaces in elasto-hydrodynamic contacts.
  • J. T. Nyqvist, A. Kadiric, R. S. Sayles and E. Ioannides, Three-dimensional analysis of multi-layered rough surface contacts.
  • V. Brizmer, A. Rychahivskyy, B. Han, Study on anti-micropitting performance of black oxide coating.
  • J. Wang, CFD analysis of drag loss in high-speed bearings.
  • A. W. Awan, M. Hadfield, B. Thomas, C. Vieillard, R. Cundill, An experimental investigation of rolling contact failure within silicon nitride subject to micro surface defects.
  • P. Tesini and T. Adane, Computing structural fatigue damage in rolling bearing cages.
  • D. Fritzson, L-E. Stacke, Advances in Transient Rolling Bearing Simulation – BEAST

Memoria presentata alla Tribo-Lyon 2013:

  • G.E. Morales-Espejel, Surface roughness effects in elasto-hydrodynamic lubrication – A review with contributions.

 

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