Speciali cuscinetti a rulli cilindrici permettono all’albero due tipi di movimento: rotatorio e di oscillazione assiale.Gli alberi che ruotano e nello stesso tempo oscillano in senso assiale pongono ai progettisti speciali problemi per quanto riguarda i cuscinetti. Tali alberi li troviamo in molte applicazioni industriali, per esempio nei rulli inchiostratori delle macchine da stampa, nelle carde, nelle smerigliatrici a nastro, nelle macchine per la lavorazione del cuoio, ecc.
Nell’articolo ci limitiamo ai cuscinetti destinati ai rulli inchiostatori delle macchine da stampa, di cui trattiamo progettazione, scelta, calcolo, sistemazione e lubrificazione.
I rulli inchiostratori, utilizzati per distribuire l’inchiostro sui cilindri di stampa e per tradizione quasi sempre montati su bronzine, attualmente sono sempre più frequentemente muniti di cuscinetti volventi, in particolare dei tipi a rulli cilindrici aventi l’anello interno molto largo, che sono la soluzione migliore, dato che il movimento assiale può avvenire al loro interno.
Per i movimenti combinati lineari e rotatori sono comunque utilizzati anche altri tipi di cuscinetti, ad esempio:

• a rullini con anello interno largo,
• combinati, con cuscinetto radiale a sfere e manicotto a sfere,
• orientabili a rullini con anello interno largo,
• combinati, con cuscinetto a rullini e snodo sferico,
• a più corone di sfere per rulli raschiatori dei cilindri essiccatori
• ad una corona di sfere con guida speciale della gabbia.

Il movimento lineare di tipo oscillatorio può essere impresso con camme scanalate, ingranaggi a vite senza fine o attuatori meccanici o pneumatici. Con i primi due tipi di azionamento si ha un rapporto velocità/oscillazione costante, mentre con gli ultimi due l’oscillazione è indipendente dalla velocità.

Cuscinetti per i rulli inchiostratori
I cuscinetti a rulli cilindrici dei rulli inchiostratori sono tipi ad una corona di esecuzione NU, ma possiedono un anello interno speciale molto largo per consentire i movimenti lineari; la larghezza di tale anello viene adattata alle singole esigenze applicative. Il gruppo rulli-gabbia è guidato dagli orletti dell’anello esterno.
La gamma raccomandata è riportata in Tabella 1. Tipi con altre dimensioni sono disponibili a richiesta. Il gioco radiale interno è quello C3, ossia maggiore del Normale, per evitare possibili bloccaggi derivanti dal fatto che in funzionamento l’anello interno si riscalda molto di più di quello esterno.
In Tabella 1, s rappresenta l’entità di cui l’anello esterno si può spostare in senso assiale rispetto a quello interno, a partire dalla posizione centrata e ne definisce quindi la corsa.

Condizioni di lavoro
Nell’applicazione considerata, l’albero su cui sono montati i cuscinetti fa parte integrante del rullo inchiostratore. In altri tipi di rulli, albero e rullo sono supportati separatamente e si ha una sistemazione con quattro cuscinetti, che non viene qui trattata.
Nel nostro caso, i rulli dei cuscinetti rotolano in senso circonferenziale e nello stesso tempo scorrono sull’anello interno perpendicolarmente al movimento di rotolamento. Lo strisciamento relativo S lo si definisce come rapporto fra lo spostamento assiale a e lo spostamento di rotolamento r.

        (1)

Se lo spostamento assiale sull’anello interno è costante, lo strisciamento relativo a velocità costante viene determinato dalla

        (2)

e, analogamente, per lo spostamento assiale dell’anello esterno

        (3)

in cui

a	= ampiezza dell’oscillazione assiale, corrispondente a metà corsa [mm]
dm	= diametro medio del cuscinetto = 0,5 (d + D) [mm]
Dw	= diametro dei rulli del cuscinetto [mm]
F	= diametro della pista dell’anello interno [mm]
E	= diametro della pista dell’anello esterno [mm]
na	= frequenza di oscillazione assiale [min-¹]
ne	= velocità di rotazione dell’anello esterno [min-¹]
ni	= velocità di rotazione dell’anello interno [min-¹]

Quando la velocità assiale varia sinusoidalmente (ad es. quando c’è un azionamento con albero a gomito) lo strisciamento relativo varia tra un valore massimo e lo zero. Il valore massimo è pari a 1,575 volte quello con velocità di strisciamento costante.
La Fig. 3 rappresenta graficamente le equazioni 2 e 3 ed è valido per uno strisciamento relativo medio corrispondente ad una velocità di oscillazione assiale costante. Per esperienza si è visto che per determinare le dimensioni corrette del cuscinetto si può utilizzare la relazione fra lo strisciamento relativo e il fattore di sicurezza statico s₀, cosa confermata da prove appositamente effettuate. Il fattore s₀ è il rapporto tra il coefficiente di carico statico C₀ del cuscinetto e il carico statico equivalente P₀ sul cuscinetto, ossia

        (4)

in cui P₀ , per i cuscinetti a rulli cilindrici è il carico radiale esterno F_r agente.
Per ottenere buone prestazioni l’intersezione dello strisciamento relativo S con il fattore di sicurezza statico s₀ deve stare al di sotto della curva della Fig. 4, mentre il valore di s₀ deve sempre essere maggiore di 5. Nel caso i due criteri non siano soddisfatti c’è il rischio che il cuscinetto si danneggi prematuramente.
Del cuscinetto è anche necessario calcolare la durata, servendosi della classica formula ISO 281:1990

        (5)

in cui

L10	= durata di base [milioni di giri]]
C	= coefficiente di carico dinamico [N]
P	= carico dinamico equivalente sul cuscinetto [N]
p	= esponente = 10/3 per i cuscinetti a rulli

Dato che i cuscinetti a rulli cilindrici sopportano solo un carico radiale, P = F_r = carico radiale agente dall’esterno sul cuscinetto.

Lubrificazione
La lubrificazione è essenziale ai fini dell’affidabilità del sistema e da essa dipende la possibilità o meno per il cuscinetto di raggiungere la durata teorica. L’esperienza pratica ha dimostrato che, per i cuscinetti a rulli cilindrici con anello interno più largo, il grasso è il lubrificante più idoneo. Nell’industria della stampa c’è anche una tendenza ad impiegare unità esenti da manutenzione.
Il grasso deve tuttavia essere il più appropriato, in termini di tipo e quantità. Data l’esistenza di movimenti di strisciamento, per i cuscinetti dei rulli inchiostratori è preferibile un grasso EP, quale ad es. l’SKF LGEP 2, che si è dimostrato eccellente.

Si tratta di un grasso

• con un olio base minerale e una viscosità cinematica di 200 mm2/s a 40 °C,
• con un addensante al sapone di litio,
• utilizzabile fra –20 e +110 °C di temperatura
• con una consistenza NLGI 2.
  Il grasso SKF LGEP 2 è
• molto adatto in presenza di forti urti e vibrazioni,
• idoneo per carichi elevati,
• con buone proprietà antiruggine
• resistente all’acqua.

La quantità appropriata da applicare al cuscinetto per la lubrificazione iniziale si determina con la

        (6)

in cui

Qinit	= quantità di grasso per il riempimento iniziale [cm³]
D	= diametro esterno cuscinetto
C	= larghezza dell’anello esterno del cuscinetto [mm]

La quantità di grasso da applicare nella rilubrificazione dipende dall’intervallo scelto. Valori indicativi si possono ottenere dalla

        (7)

in cui

Qrel	= quantità di grasso per la rilubrificazione [cm³]
D	= diametro esterno del cuscinetto [mm]
B	= larghezza dell’anello interno del cuscinetto [mm]
ti	= intervallo di rilubrificazione scelto dall’operatore [h]
tf	= intervallo di rilubrificazione ricavato dal catalogo generale SKF 4000 [h]

L’intervallo normale di rilubrificazione scelto dagli operatori va da 1000 a 2000 h. il massimo intervallo ricavato dal Catalogo generale (scala b) è 25.000 h.
Si deve fare attenzione a non riempire eccessivamente il cuscinetto di grasso, per non aumentarne l’attrito e provocarne il surriscaldamento. Inoltre si consiglia di effettuare un rodaggio dopo averlo ingrassato.

Conclusione
A causa delle condizioni di carico e della combinazione di rotazione e spostamenti assiali ricorrenti nei rulli inchiostratori, le esigenze imposte ai cuscinetti sono alquanto severe.
La SKF ha trovato la soluzione nell’impiego di cuscinetti a rulli cilindrici con anello interno più largo, i quali soddisfano le esigenze sotto tutti gli aspetti, consentendo lo spostamento assiale alternato al loro interno. I diagrammi e le formule qui presentate hanno avuto buona conferma pratica e si possono utilizzare nella scelta del tipo più appropriato.

Andreas Kraus
SKF GmbH, Schweinfurt, Germania