Capacità di carico assiale dei cuscinetti a rulli cilindrici

Gli studi sulla capacità di carico assiale dinamico dei cuscinetti a rulli cilindrici puntano a estendere le possibilità applicative e a migliorare le prestazioni di questo tipo di cuscinetti.

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Per definire la capacitàdi carico assiale dinamico dei cuscinetti a rulli cilindrici occorre partire da criteri diversi da quelli adottati per la capacità di carico radiale. Vengono infatti spesso imposte limitazioni applicative per prevenire usura, surriscaldamento, “smearing” nel contatto con gli orletti e fratture degli stessi.

In proposito è stata sottoposta a revisione l’attuale formula del catalogo SKF relativa alla capacità di carico assiale dinamico. Nuove scoperte sul funzionamento dei cuscinetti hanno messo in evidenza il vantaggio costituito dal raffreddamento del flusso dell’olio.

 

Progettazione e applicazione dei cuscinetti a rulli cilindrici
In molte applicazioni, per consentire internamente ai cuscinetti lo spostamento assiale relativo tra l’albero e l’alloggiamento (dovuto ad es. alla dilatazione termica dell’albero stesso) si usano i cuscinetti a rulli cilindrici delle esecuzioni N e NU. Questi cuscinetti sostengono solo carichi radiali. I cuscinetti a rulli cilindrici con orletti su entrambi gli anelli sostengono invece anche carichi assiali (fig. 1).

L’eventuale carico assiale si trasmette attraverso gli orletti e le testate dei rulli (fig. 2). A causa delle condizioni cinematiche, nelle zone di contatto sugli orletti si ha sempre una certa quantità si strisciamento (fig. 3), che fa aumentare l’attrito del cuscinetto. Per ovviare a ciò, oggi gli orletti SKF sono leggermente svasati, mentre i rulli sono dotati di un profilo logaritmico particolare anche sulla testata. In tal modo l’area di contatto viene tenuta vicina allo scarico dell’orletto, affinché, anche in caso di intraversa-
mento dei rulli, si abbia la migliore formazione possibile della pellicola lubrificante. Ne risulta un minore attrito di strisciamento e una sollecitazione nella zona scaricata ridotta al minimo.

 

Limiti applicativi
Mentre la capacità di carico radiale dei cuscinetti a rulli cilindrici si basa sulla teoria “classica” della fatica sub-superficiale, per quelli caricati assialmente va tenuto conto di quanto segue:

  • il calore generato dallo strisciamento e l’usura nei contatti orletto/testate dei rulli
  • la presenza di riporti di materiale (smearing) nei contatti tra orletti e testate dei rulli (fig. 4)
  • la cinematica “disturbata” se il carico assiale è eccessivo rispetto al carico radiale
  • la frattura degli orletti dovuta a un sovraccarico statico o dinamico
  • la riduzione della durata del grasso, che richiede intervalli di rilubrificazione più ravvicinati quando viene applicato un carico assiale

 

Capacità di carico assiale dinamico
La capacità di carico assiale dinamico è il valore ammissibile del carico assiale che dà luogo a una temperatura di lavoro del cuscinetto stabile di 60 °C oltre quella ambiente. In questo caso il calore che si sviluppa per attrito all’interno del cuscinetto è pari allo smaltimento del calore stesso attraverso l’albero e l’alloggiamento a tale temperatura. Tale criterio si è dimostrato indicativo di un funzionamento affidabile, senza che si verifichino riporti di materiale nei contatti con gli orletti, purché le condizioni della lubrificazione siano adeguate (rapporto di viscosità  2). L’attuale formula del carico assiale ammissibile riportata nel catalogo SKF si basa sia su un fattore di perdita di calore specifico costante per i cuscinetti di tutte le dimensioni sia su un modello di attrito che tiene conto degli specifici profili e delle finiture superficiali SKF:

in cui:
Fap    carico assiale ammissibile [kN]
C0    coefficiente di carico statico [kN]
Fr    carico radiale effettivo sul cuscinetto [kN]
n    velocità di rotazione dell’anello interno[giri/min]
d    diametro foro del cuscinetto [mm]
D    diametro esterno del cuscinetto [mm]
B    larghezza del cuscinetto [mm]
k1, k1    fattori (=> tabella 1)

Nuovi sviluppi
La formula (1) del catalogo SKF è stata elaborata negli anni ‘80 ed è confermata dai risultati sul campo. Negli ultimi anni tuttavia, la rapida evoluzione delle nuove scatole a ingranaggi, che sono caratterizzate da grandi dimensioni ed elevata potenza specifica, specialmente quelle per le turbine eoliche, ha fatto venire a galla le limitazioni dell’attuale capacità di carico assiale dinamico dei grossi cuscinetti a rulli cilindrici.

Per i cuscinetti di grandi dimensioni un fattore di perdita di calore specifico costante per i cuscinetti di tutte le dimensioni appare ora troppo ottimistico e quindi, sono stati derivati nuovi fattori, basati su dati sperimentali e sulla ISO 15312:2003, per i cuscinetti con superficie di conduzione calore
Ar > 50.000 mm² con Ar . B . (D + d), ved. fig. 5. Inseriti nella (1) si ha:

Per Ar = 50.000 mm²:

Per Ar > 50.000 mm²:

 

Raffreddamento aggiuntivo

 

Nei casi in cui il carico assiale effettivo supera il valore teorico derivato dalla (1) o dalla (2), un raffreddamento aggiuntivo può aumentare di una certa quantità il carico assiale ammissibile. Se si ha un flusso di olio costante che passa attraverso il cuscinetto con una differenza di temperatura  [°C] tra l’ingresso e l’uscita e una portata s [l/min], il carico assiale ammissibile Fap.oil [kN] diventa:

in quanto parte dell’energia d’attrito generata all’interno del cuscinetto viene asportata dal flusso d’olio.

 

Confronti
Nelle grosse scatole a ingranaggi vengono normalmente impiegati cuscinetti della serie NJ 23.. EC, i quali sono soggetti a carichi assiali relativamente elevati. La fig. 6 mette in relazione la capacità di carico assiale dinamico e le dimensioni del cuscinetto.

Per diametri di foro fino a 85 mm, l’attuale formula di catalogo rimane valida, ma con la differenza che il carico assiale ammissibile può ora essere incrementato mediante il raffreddamento dell’olio.

Per esempio: un cuscinetto NJ 2313 ECP può sostenere un carico assiale Fap.oil = 15 kN anziché Fap = 9 kN se viene raffreddato con una portata d’olio s = 0,4 l/min e la temperatura dell’olio all’ingresso è  = 20°C al di sotto della temperatura di lavoro del cuscinetto nelle condizioni di riferimento con Fr = 29 kN e n = 1600 giri/min.

Per i cuscinetti della serie NJ 23.. EC con un diametro di foro superiore a 85 mm, si può vedere che la “precedente” formula dà valori piuttosto elevati, ad es. Fap = 274 kN per un cuscinetto NJ 2360 ECMA con Fr = 400 kN e n = 285 giri/min, il che, secondo le (2) e (3) si può realizzare solo con una portata d’olio di  s = 11 l/min e  = 20°C.

 

Carichi assiali alternati
Inoltre, per “brevi periodi”, dalle (1)/(2) si possono permettere valori doppi di Fap se si ha un aumento temporaneo della temperatura di funzionamento del cuscinetto non superiore a 5°C. A seconda delle dimensioni, del carico e della velocità del cuscinetto questi “brevi periodi” possono essere di alcuni secondi o di alcuni minuti. Empiricamente possono essere considerati come il tempo durante il quale il cuscinetto caricato assialmente compie 1.000 giri.

 

Altri criteri
In particolare per le applicazioni lente, non è l’attrito negli orletti, ma la resistenza di questi che limita la capacità di carico assiale di un cuscinetto a rulli cilindrici. Nel Catalogo generale SKF sono riportate formule semplici. Tuttavia per i casi critici si consiglia un calcolo più preciso, ad es. con l’uso di programmi FEA avanzati (fig. 7). L’Ingegneria dell’applicazione SKF offre consulenza in proposito.

 

Conclusioni e prospettive
Con l’aiuto della formula rielaborata, relativa alla capacità di carico assiale dinamico dei cuscinetti a rulli cilindrici, è ora possibile stimare con sufficiente precisione il carico assiale ammissibile anche dei cuscinetti di grandi dimensioni con una superficie che conduce il calore Ar > 50.000 mm2. Vengono tenute in conto le condizioni di lavoro, quali carico radiale, velocità, lubrificazione e geometria interna, mentre si può considerare il raffreddamento dell’olio per calcolare sia la portata di olio necessaria per un dato carico assiale sia l’aumento ammissibile del carico assiale per una data portata d’olio. Nei programmi di miglioramento costante dei profili, dei materiali, ecc. la SKF elabora le formule nella previsione di arrivare in futuro a valori ancora maggiori e ottenere migliori prestazioni.