Spesso il grasso con cui i cuscinetti sono lubrificati ha una durata che supera la durata dei cuscinetti stessi, tanto che non è necessario ripristinarlo per l’intero periodo di lavoro. Per tali casi la SKF ha disponibili cuscinetti e unità cuscinetto con protezioni incorporate e prelubrificati che non richiedono manutenzione.

Per stabilire se una soluzione esente da manutenzione è praticabile, si deve stimare la durata del grasso sulla base sia delle caratteristiche di questo sia del tipo, dimensioni, velocità, temperatura e ambiente di lavoro del cuscinetto.

Per stimare la durata del grasso dei cusci­netti lubrificati a vita si potrebbe utilizzare il nuovo diagramma relativo agli intervalli di rilubrificazione, pubblicato nel nuovo Catalogo generale SKF 5000, che però dà risultati prudenziali. Le regole di calcolo e le limitazioni riportate nella sezione «Lubrificazione» di tale catalogo sono infatti orientate soprattutto su applicazioni con cuscinetti che devono essere rilubrificati.

Dato che nella sezione citata non sono trattati calcoli più specifici di durata del grasso per i cuscinetti lubrificati a vita (ad esempio, per durate superiori alle 30.000 ore, con l’uso di grassi speciali e con tem­pe­rature di lavoro inusuali), la SKF ha elaborato un nuovo strumento per il calcolo.

Influenze sulla durata del grasso
Gli strumenti tradizionali di calcolo della durata del grasso si basano essenzialmente su modelli empirici.

I diagrammi correntemente disponibili mostrano parecchie incongruenze, causate da una insufficiente separazione fra i punti normali ed eccezionali quando si tracciano le curve di interpolazione. Con ulteriori analisi dei dati sul campo ed eseguendo molte prove di durata in laboratorio, gli ingegneri SKF sono riusciti a comprendere meglio i fenomeni e a migliorare i modelli esistenti.

Un importante passo avanti è stato compiuto considerando i vari meccanismi di degrado del grasso attribuibili alla temperatura di lavoro. Tali considerazioni hanno portato alla formulazione del concetto SKF di «semaforo», ora pubblicato sul Catalogo generale SKF 5000 e sintetizzato in fig. 1.

Con l’identificazione del limite di prestazione alle basse temperature LTPL (Low-Temperature Performance Limit) e di quello alle alte temperature HTPL (High-Temperature Performance Limit), si può definire un campo di temperature in cui il grasso funziona in modo affidabile e la sua durata si può determinare con precisione: è la zona «verde». In tale zona è stato possibile identificare correlazioni più accurate tra i parametri primari, in sintonia con la legge di Arrhenius, che definisce la velocità delle reazioni chimiche in funzione della temperatura.

La fig. 2 mostra schematicamente il comportamento prevedibile della durata del grasso nella zona verde. Le applicazioni che funzionano al di fuori di tale zona devono essere trattate come eccezioni, dato che i meccanismi di degrado sono più complessi, con grandi dispersioni, e molto più difficili da prevedere.

Anche per quanto riguarda il parametro della velocità A= n x d_m (in cui n è la velocità di rotazione in giri/min e d_m il diametro medio del cuscinetto in mm), i dati di durata del grasso sono stati riconsiderati. Dato che, oltre ad una data velocità, i grassi tradizionali tendono a degradarsi prematuramente, mentre quelli moderni, studiati espressamente, possono presentare i normali meccanismi di degrado a velocità molto più elevate, le limitazioni di velocità non devono essere introdotte nei modelli di carattere generale, ma vanno definite caso per caso.

Come ulteriore fattore correttivo, è stato inoltre introdotto l’effetto del carico. A bassi carichi (ossia con C/P ≥ 15) la durata del grasso è indipendente dal carico, ma a carichi elevati (C/P <15) tale fattore correttivo è indispensabile. In alcuni modelli più vecchi, i cuscinetti di grandi dimensioni venivano trattati in modo più prudenziale, dato che sono spesso montati in applicazioni con carichi relativamente elevati. Le analisi citate hanno consentito la cre­azione del nuovo diagramma degli intervalli di rilubrificazione del Catalogo generale SKF 5000, che è valido per una temperatura di lavoro di 70 °C, fatto salvo l’impiego di grassi di buona qualità al litio e con olio base minerale. I suggerimenti sul come tenere conto dell’invecchiamento accelerato del grasso con l’aumentare della temperatura e sulle relative limitazioni sono forniti a parte. Le formule alla base del diagramma sono state anche utilizzate per elaborare quello dedicato ai cuscinetti lubrificati a vita.

Lubrificazione a vita
La durata del grasso viene valutata su regole statistiche. L’intervallo di rilubrificazione è definito dalla SKF come il periodo di tempo al termine del quale il 99 % dei cuscinetti è ancora adeguatamente lubrificato e rappresenta la durata L₀₁. Per i cuscinetti lubrificati a vita, si preferisce invece considerare una durata del grasso L₁₀, in linea con le definizioni della durata a fatica dei cuscinetti. Per una normale distribuzione della durata del grasso, la correlazione tra L₀₁ e L₁₀ è L₁₀ ≈ 2,7 L₀₁.

Nel caso della rilubrificazione non sono consigliabili intervalli superiori alle 30.000 ore (~3 anni e mezzo), ma non c’è motivo per mantenere tale limite anche nelle stime di durata del grasso dei cuscinetti lubrificati a vita. Nella pratica e in applicazioni semplici, molti cuscinetti con protezioni incorporate e prelubrificati durano molto più a lungo di quanto previsto dagli strumenti tradizionali. Dato che il comportamento dei cuscinetti a sfere lubrificati a vita – che sono muniti di un grasso SKF di qualità e pulizia ben note e in quantità ottimale – è ben documentato, appare logico ricorrere ad un metodo più specifico per calcolare la durata del grasso immesso.

Un primo passo avanti verso un metodo di calcolo più specifico era stato già fatto dalla SKF per i cuscinetti Y, con il nuovo diagramma pubblicato sul numero 3/03 di Evolution. Qui di seguito presentiamo un diagramma di validità universale per un più ampio campo di velocità e con altre funzioni.

Il nuovo diagramma
Tenendo come modello il diagramma per la rilubrificazione, è stato realizzato per i cuscinetti radiali a sfere lubrificati a vita un diagramma più elaborato (diagramma 1), nel quale la durata L₁₀ del grasso si può leggere direttamente in funzione del parametro A della velocità, della tempe­ratura di lavoro e del tipo di grasso. I grassi vengono differenziati uno dall’altro per mezzo di un fattore correlato alle prestazioni (Grease Performance Factor, GPF). Per tre valori del GPF (GPF = 1, 2 o 4) c’è una scala delle temperature diversa. Nella tabella 1 sono indicati i valori del GPF per il grado di riempimento applicato dalla SKF in fabbrica, insieme ai limiti di velocità.

Le correzioni in funzione della temperatura seguono la stessa procedura spiegata nel Catalogo generale SKF per gli intervalli di rilubrificazione. Le curve presentano una parte inclinata in cui l’invecchiamento del grasso raddoppia per ogni 15 °C di aumento della temperatura e una parte orizzontale relativa ad un campo di temperature più basso. Le parti continue delle curve sono nella zona verde, delimitata dall’LTPL e dall’HTPL.

Il diagramma serve per scegliere un grasso con un GPF ottimale. Gli esempi che seguono dimostrano come un GPF elevato non sia sempre un vantaggio.

Per un cuscinetto radiale a sfere con guarnizioni striscianti che operi con un n x d_m=300.000 e a 55 °C, la soluzione migliore è un grasso con GPF=1, che ha una L₁₀=30.000 ore. Con un GPF=2 la durata stimata sarebbe la stessa, mentre un grasso con un GPF=4 non sarebbe consigliato, a causa della minore durata.

Per un cuscinetto radiale a sfere scher­mato 6302-2Z che opera a 15.000 giri/min (A = 428.000) con un C/P=8 e a 90 °C, la L₁₀ si stima sulle 1.500 ore per un grasso con GPF=1 (compreso il fattore correttivo 0,5 relativo al carico (tabella 2). Un grasso con GPF=2 avrebbe una durata L₁₀ di circa 3.000 ore. C’è tuttavia solo un vantaggio parziale con tale aumento, dato che la durata a fatica stimata per il cuscinetto in tali condizioni sarebbe di circa 2.100 ore (calcolata con il metodo SKF). L’adozione di un grasso con un GPF più elevato è spesso più costosa.

Il nuovo diagramma degli effetti della temperatura sulla durata del grasso è molto utile nel progettare le applicazioni. Nel caso la durata del grasso sia il punto debole della durata dell’intero sistema a causa di uno sviluppo interno di calore, è consigliabile, se possibile, cercare di migliorare lo smaltimento di quest’ultimo e di abbassare la temperatura di lavoro dei cuscinetti piuttosto che utilizzare un grasso con un GPF più elevato, per ragioni di costo.

Fattori correttivi
Fuori della zona verde, al di sotto dell’LTPL o al di sopra dell’HTPL (rappresentati in fig.2 e nel diagramma 1 dalle linee tratteggiate) la durata del grasso decresce in modo relativamente rapido, a causa di meccanismi anomali di degrado. In tali zone non è possibile prevedere con precisione la durata del grasso sulla base del modello generale.

Il valore stimato dal diagramma è la durata minima (L₁₀) del grasso ottenibile nei cuscinetti radiali a sfere lubrificati a vita che funzionano in condizioni ottimali, con anello interno rotante e carichi leggeri. Questo vale per i tipi con gabbia in acciaio e schermi metallici (esecuzione 2Z). Per i casi speciali è possibile ottenere maggiori durate utilizzando per esempio gabbie speciali, tenute più efficaci (esecuzioni 2RS1, 2RSL, 2RZ, ecc.), sfere di ceramica, ecc. Per altri particolari si prega di consultare l’Ingegneria dell’Applicazione SKF. Il diagramma si può anche usare come riferimento per altri tipi di cuscinetti a sfere con protezioni.

Con carichi maggiori (C/P<15) bisogna correggere la durata mediante il fattore indicato in tabella 2. Se si hanno contemporaneamente condizioni avverse, quali alberi verticali, vibrazioni, ecc., si devono adottare i fattori correttivi indicati nella sezione «Lubrificazione» del Catalogo ge­ne­rale SKF. Per i grassi particolari, quali quelli al silicone o fluorurati, non si possono usare i nuovi diagrammi, dato che il loro invecchiamento segue leggi diverse.

I calcoli della durata del grasso con lo strumento interattivo LubeSelect (ved. www.aptitudexchange.com, e anche Evolution 4/01) seguono le stesse regole dei diagrammi sopra descritti, la cui validità e quella dei valori GPF per i grassi standard elencati in tabella 1 è stata confermata da numerosi test eseguiti presso l’SKF ERC in Olanda sui banchi prova SKF R0F.