L’analisi ed i test su componenti prototipali o di produzione di serie sono utilizzati nelle fasi di definizione finale di un progetto e nel periodo successivo per risolvere eventuali problematiche, identificare aree di miglioramento e validare soluzioni migliorative. L’attenzione a queste situazioni permette di mantenere ed elevare nel tempo gli standard qualitativi del prodotto sul mercato, prevenendo costose operazioni di garanzia e fornisce, allo stesso tempo, un valido supporto al mantenimento del valore del prodotto.

La corretta funzionalità dei cuscinetti è vitale per l’operatività dell’intera macchina e dunque, sempre più spesso, SKF Engineering Consultancy Services è coinvolta in questa delicata fase per supportare il cliente nelle sue decisioni.

Per analizzare le condizioni operative e di lubrificazione alle quali i cuscinetti sono stati soggetti durante fasi di testing, nella normale operatività o, addirittura, in caso di rottura della macchina, l’Engineering Consultancy Services della SKF può applicare un ampio numero di tecniche di analisi.

Di solito, i cuscinetti che necessitano di essere analizzati, sono ispezionati in primis visivamente ad occhio nudo o tramite microscopi ottici convenzionali. In molti casi, questa ispezione è sufficiente per giungere a conclusioni e raccomandazioni per i clienti.

Anche per analisi sui lubrificanti utilizzati, SKF suggerisce sempre di applicare inizialmente alcune tecniche standard quali:

• analisi FTIR per verificare lo stato di grassi utilizzati – invecchiamento, contenuto di acqua ed ossidazione,
• ICP-OES per ottenere una panoramica sugli elementi chimici e contaminati presenti nel lubrificante,
• Test standard per determinare la consistenza (e, di conseguenza, la sua variazione), la stabilità meccanica e la separazione dell’olio dei lubrificanti.

In altri casi è invece necessario l’utilizzo di tecniche di analisi più avanzate. Di seguito, in dettaglio, la descrizione di alcune di queste: la diffrazione ai raggi X, il Microscopio a Scansione Elettronica ed il WYKO.

Diffrazione ai Raggi X: il metodo scientifico per determinare la storia di carico del cuscinetto e la vita residua.
Durante il funzionamento del cuscinetto, i corpi volventi rotolano sulle piste degli anelli. Questo causa tensioni immediatamente sotto la superficie, con uno stress residuo massimo che cresce nel tempo.

La diffrazione ai Raggi X è una tecnica usata per misurare la tensione negli anelli del cuscinetto, al fine di determinare la storia di carico cui è stato sottoposto. Per effettuare questa analisi, un fascio di Raggi X è inviato contro gli atomi del campione i quali sono ordinati secondo una struttura cristallina, dopodiché viene analizzata la diffrazione del raggio.

La Figura 1 mostra le tensioni sub-superficiali (sinistra) che aumentano nel tempo, a causa del rotolamento. Nella stessa immagine, a destra, un tipico cedimento a fatica.

Nel tempo le tensioni possono aumentare anche sulla superficie, per esempio a causa di improprie condizioni di lubrificazione.

La Figura 2 mostra una curva tipica per condizioni di film di lubrificante contaminato o ridotto (sinistra) e l’aspetto tipico di una superficie sottoposta a fatica superficiale (destra). È comunque opportuno sottolineare che la diffrazione ai Raggi X dovrebbe essere applicata prima che il danno sia presente sui cuscinetti in modo visibile.

Sistemi di rilevazione delle vibrazioni sono in grado di identificare situazioni problematiche con il giusto anticipo per pianificare fermate non invasive e prima che i cuscinetti diventino inservibili per le analisi di danneggiamento. Con le rotture catastrofiche dei cuscinetti vengono perse tutte le informazioni che avrebbero dato un supporto fondamentale nella soluzione del problema originario.

Oltre che per le misurazioni delle tensioni, la diffrazione ai Raggi X può essere utilizzata anche per la stima della vita residua a fatica dei cuscinetti.

Confrontando le misure effettuate su un cuscinetto sottoposto a carico con quelle di un cuscinetto inutilizzato, possono essere determinati l’indice FDI (Fatigue Damage Index) ed, inoltre, la rimanente vita a fatica del cuscinetto. Questa stessa analisi può essere utilizzata per confrontare il livello di carico che si presenta realmente nell’operatività della macchina con quello stimato a calcolo nella fase di dimensionamento. Grandi squilibri di questi dati indicano la presenza di fattori importanti non considerati nella fase progettuale.

Microscopio elettronico a scansione: il metodo per determinare la struttura del materiale e la sua composizione.
Un Microscopio Elettronico a Scansione (Scanning Electron Microscope, SEM), è un tipo di microscopio elettronico che “illumina” le superfici non con la luce, come un microscopio convenzionale, ma utilizzando un fascio di elettroni ad alta energia. Gli elettroni interagiscono con gli atomi sulla superficie e sono in grado di creare un’immagine tridimensionale della struttura e di fornire informazioni circa la composizione del materiale. La risoluzione possibile è molto più alta di quella di un microscopio elettronico a luce convenzionale.

Se effettuata su cuscinetti testati o danneggiati, un’analisi SEM può fornire le seguenti informazioni:

• distinguere chiaramente tra usura abrasiva ed adesiva,
• determinare se gli additivi del lubrificante abbiano contribuito al danneggiamento della superficie,
• analizzare gli elementi presenti in particelle e la superficie stessa.

La Figura 3 mostra la superficie di un gabbia in lega di alluminio con una particella di ferro inglobata in essa (destra). Sulla superficie era stato anche rilevato dell’ossido di alluminio.

Le informazioni sugli elementi trovati sulle superfici, aiutano ad identificare univocamente i componenti responsabili della contaminazione e dell’eventuale danneggiamento che ne è derivato.

WYKO: Il metodo per determinare la rugosità di una superficie.
Il WYKO è uno strumento che scansiona, misura ed analizza superfici in modo tridimensionale con accuratezza pari a 0.1 nm (1 nanometro = 1 milionesimo di millimetro) sfruttando l’interferometria di luce bianca.

Oltre alla misurazione di campioni di superfici tridimensionali, può anche calcolare la forma e rugosità di superfici piatte e curve, presentare le misure con diversi formati di visualizzazione e centinaia di parametri. Tipiche applicazioni per SKF ed i suoi clienti sono:

• confronto/valutazione delle diverse finiture superficiali per comparare, ad esempio, l’efficacia di diversi lubrificanti.
• confronto tra superfici prima e dopo il testing (usura, pitting ecc.) per, ad esempio, cuscinetti e ruote dentate,
• analisi dei danneggiamenti superficiali su cuscinetti testati in ambienti contaminati, ad esempio, da particelle di usura degli ingranaggi. Un altro caso può essere il confronto tra le superfici di rotolamento di cuscinetti schermati e aperti.

Le misurazioni possono essere condotte anche su copie polimeriche delle superfici del cuscinetto, ad esempio per cuscinetti di diametro elevato (macchine per la carta, laminatoi, etc), senza necessità di smontarli o sezionarli. Queste “copie” possono essere ottenute durante le fermate programmate di manutenzione.

Conclusioni
L’Engineering Consutancy Services della SKF applica con successo le tecniche di analisi, descritte in questo articolo, con vari clienti che coprono tutto il panorama delle applicazioni industriali. In molti casi le tecniche di analisi sono combinate con simulazioni al computer, come descritto in Evolution #4-2008; una combinazione di analisi pratiche con simulazioni al computer costituisce un importante strumento per giungere a conclusioni riguardo al comportamento dei cuscinetti e alla loro storia di carico.