La tenuta contribuisce in misura determinante all’attrito nei macchinari rotanti, arrivando fino al 60% della coppia di attrito totale in alcune applicazioni. Da alcuni anni è emersa a livello globale la tendenza alla diminuzione del consumo di energia in tutti i settori e le applicazioni, e si prevede che continuerà ancora a lungo in futuro. La riduzione della coppia di attrito delle tenute è quindi una delle principali esigenze dei clienti per migliorare l’efficienza dei sistemi e ridurre il consumo energetico e le emissioni complessive di carbonio.

La sfida principale nella progettazione ottimale delle tenute consiste nell’ottenere l’attrito più basso possibile, mantenendo al contempo la capacità delle tenute di trattenere il lubrificante all’interno e di tenere i contaminanti all’esterno dal sistema. Le normative più severe in materia di CO₂ si traducono sempre più spesso in requisiti per ridurre ulteriormente il livello di attrito generato dalla soluzione di tenuta utilizzata durante l’esercizio.

Questo articolo si concentra principalmente sulle perdite per attrito del sistema di tenuta in uso, che rientra indirettamente nella categoria delle emissioni a valle dell’Ambito 3 del Protocollo sulle emissioni di gas serra (GHG, Greenhouse Gas Protocol) e più precisamente nella sottocategoria “Uso di prodotti venduti”.

Per la maggior parte delle applicazioni SKF le perdite di potenza per attrito, che rientrano nelle emissioni a valle dell’Ambito 3, sono le principali responsabili delle emissioni complessive di CO₂ dei nostri cuscinetti, come illustrato a questo link.

Combinazione intelligente di strumenti di simulazione

La previsione accurata delle prestazioni in termini di attrito e temperatura delle tenute richiede una combinazione di modelli avanzati di materiali, tribologia, lubrificazione e dissipazione del calore. Il team Global Research and Innovation di SKF Seals ha sviluppato una piattaforma di simulazione avanzata – SKF Virtual Seal (SAMBA) – che combina il solutore Abaqus FEA (analisi a elementi finiti) con le equazioni del modello analitico proprietario di SKF Seals, consentendo così di prevedere la generazione di calore per attrito delle tenute e l’evoluzione termica del sistema (fig. 1).

SKF ha sviluppato uno stimatore delle emissioni di CO₂ che, se abbinato ai risultati della coppia di attrito e della temperatura ottenuti con SKF Virtual Seal, dimostra come sia possibile realizzare virtualmente soluzioni di tenuta più sostenibili con l’ausilio di piattaforme di simulazione avanzate.

SKF Virtual Seal, un approccio multifisico complesso

L’evoluzione transitoria della temperatura in un sistema di tenuta si stabilizza quando la quantità di calore generata dalla coppia di attrito della tenuta e la quantità di calore dissipata nelle vicinanze del sistema di tenuta sono in equilibrio. Pertanto, per garantire una previsione realistica è fondamentale tenere conto sia della generazione di calore per attrito sia dei trasferimenti termici. Più di cento variabili coinvolte nella previsione della coppia di tenuta sono interdipendenti, il che rende la modellazione predittiva ancora più complessa. L’integrazione delle equazioni di modellazione della piattaforma SKF Virtual Seal in un software di analisi a elementi finiti (FEA) consente di consolidare tutte le variabili interdipendenti a ogni incremento di tempo nella simulazione.

L’implementazione dei modelli complessi richiesti e le relative interazioni con il solutore FEA utilizzano vari processi numerici non standard, che richiedono competenze avanzate. È stata sviluppata un’interfaccia utente per facilitare e accelerare l’implementazione e l’utilizzo della piattaforma SKF Virtual Seal, che consente all’utente di fornire facilmente parametri applicativi specifici.

Una volta specificati tutti i dati attraverso l’interfaccia, uno script Python modifica il modello FEA standard e collega tutti i parametri a una routine precompilata in cui vengono programmate le equazioni analitiche. Questo inoltre crea automaticamente, in background, l’accoppiamento bidirezionale tra il solutore FEA e le equazioni di SKF Virtual Seal. Successivamente l’ingegnere esegue una simulazione tramite il software FEA, come di consueto, con la differenza che durante la simulazione viene utilizzato in background un solutore semianalitico aggiornato di recente.

Validazione sperimentale

La validazione della piattaforma SKF Virtual Seal si basa su un disegno fattoriale completo dell’esperimento (DOE, Design of Experiment) per valutare l’effetto dei parametri variabili sulle misurazioni della coppia d’attrito e della temperatura del sistema di tenuta (fig. 2). La piattaforma virtuale si utilizza per riprodurre il disegno dell’esperimento realizzato sul nostro banco di prova. Il confronto tra i risultati sperimentali e i loro equivalenti simulati indica capacità predittive adeguate. In figura 2 è mostrato un esempio dei risultati delle prove sperimentali e delle previsioni simulate.

I grafici mostrano anche una previsione adeguata dell’evoluzione della coppia di attrito e della temperatura. Prevedere tale evoluzione in funzione del tempo è un presupposto fondamentale per alcuni clienti per conoscere la coppia di “rodaggio” nella loro applicazione o la temperatura massima raggiunta nel contatto di tenuta, che potrebbe portare a un cedimento prematuro dovuto a un eccessivo invecchiamento termico o alla carbonizzazione dell’olio. Tuttavia, questa caratteristica ha un impatto minore sul calcolo delle emissioni di CO₂ per le applicazioni con tempi di funzionamento prolungati.

Verso prestazioni sostenibili

Il livello di attrito previsto da SKF Virtual Seal può essere convertito in un livello di emissioni di CO₂ tramite lo strumento per la valutazione della sostenibilità di SKF, lo stimatore delle emissioni di CO₂, per ottenere un metodo virtuale di selezione della tenuta ottimale in base a un criterio di sostenibilità tangibile. Le emissioni dovute alle perdite per attrito si calcolano quindi in base alla quantità locale di emissioni di CO₂ per kWh di energia per la posizione geografica selezionata.

Uno strumento di questo tipo offre il vantaggio di fornire delle stime ed è un ulteriore passo verso una consapevolezza basata su un metodo concreto di misurazione dell’impatto dei nostri prodotti.

Dalla teoria all’applicazione pratica

Per sottolineare le potenzialità della previsione virtuale delle emissioni di carbonio nelle prime fasi di sviluppo, riportiamo due esempi concreti relativi al settore automobilistico e a quello ferroviario.

Terminali ruota per il settore automobilistico

In questo primo esempio un produttore del settore automobilistico richiede un nuovo progetto per la tenuta a cassetta per unità mozzo ruote di SKF con un attrito inferiore. L’obiettivo è una riduzione dell’attrito del 20% rispetto alla generazione precedente di tenute a cassetta per unità mozzo ruote.

In base ai risultati delle simulazioni eseguite con SKF Virtual Seal grazie all’ottimizzazione del grasso delle tenute si prevede una riduzione dell’attrito del 28%:

• 0,33 N.m per la soluzione con il grasso originale (grasso A);
• 0,24 N.m per la soluzione con il nuovo grasso a basso attrito (grasso B).

Questa soluzione supera l’obiettivo di riduzione dell’attrito auspicato dal cliente. Inoltre, i risultati sperimentali delle prove di validazione del prodotto confermano le previsioni della piattaforma SKF Virtual Seal, come illustrato in figura 3.

Dalla coppia alle emissioni di CO₂

Inserendo i risultati della coppia nello stimatore delle emissioni di CO₂ di SKF, è possibile stimare l’effetto dei miglioramenti delle prestazioni della nostra nuova soluzione di tenuta per unità mozzo ruote rispetto alle emissioni a valle dell’Ambito 3. Lo strumento di sostenibilità proprietario traduce le perdite di potenza per attrito delle tenute in emissioni di CO₂ previste. Il confronto tra la soluzione con tenute a cassetta per unità mozzo ruote di nuova concezione con un grasso ottimizzato e la soluzione esistente per terminali ruota delle vetture è illustrato in figura 4.

Rispetto al progetto originale la nuova soluzione riduce le emissioni di una singola vettura di 2,6 kg di CO₂ all’anno. Ciò equivale a una riduzione totale di 0,22 g di CO₂/km per le quattro unità cuscinetto per terminali ruota, considerando solo i miglioramenti apportati alla tenuta a cassetta.

Cuscinetti ferroviari, caso di applicazione

Questo secondo esempio reale è tratto da un nuovo programma di collaborazione avviato tra SKF e un costruttore ferroviario per sviluppare un sistema di cuscinetti completamente rinnovato per la nuova generazione di treni regionali di una grande città europea. L’obiettivo per la nuova unità cuscinetto per treni è una riduzione dell’attrito del 30% rispetto alla generazione precedente.

Come nel caso del settore automobilistico illustrato in precedenza, il nuovo progetto della tenuta per unità cuscinetto per treni è stato migliorato con il supporto della piattaforma SKF Virtual Seal, con una previsione di riduzione dell’attrito del 44%:

• 0,77 N.m per la soluzione originale;
• 0,43 N.m per la soluzione migliorata.

Come illustrato in figura 5 i risultati sperimentali delle prove di validazione del prodotto corrispondono ancora una volta ai risultati predittivi della modellazione di SKF Virtual Seal.

Questo risultato riguarda solo i miglioramenti delle tenute a cassetta tramite la selezione del grasso e non l’unità nel suo complesso, perché lo sviluppo dei cuscinetti è ancora in corso. Tuttavia, il team di sviluppo dei cuscinetti adesso può contare su queste prestazioni superiori delle tenute per raggiungere l’obiettivo generale di riduzione dell’attrito del 30% per l’intero sistema.

Dalla coppia alle emissioni di CO₂

In modo analogo lo strumento proprietario per la valutazione della sostenibilità traduce le perdite di potenza per attrito delle tenute per unità cuscinetto per treni in emissioni di CO₂ previste. Il confronto tra la soluzione di tenuta per unità cuscinetto per treni di nuova concezione e la soluzione originale è illustrato in figura 6.

Rispetto alla versione originale la nuova soluzione di tenuta riduce da sola le emissioni di un singolo treno regionale di 3,56 tonnellate di CO₂ all’anno. Un miglioramento ancora maggiore è previsto se si considera il sistema completo, compresa la nuova soluzione con tenuta e cuscinetto.

Conclusione

L’innegabile urgenza di intervenire in merito al cambiamento climatico sta generando una maggiore attenzione alla sostenibilità. È quindi fondamentale favorire la discussione e la consapevolezza di tutte le parti coinvolte nell’intera catena del valore, come fornitori, produttori e clienti, sull’impatto ambientale dei nostri prodotti.

La sostenibilità ambientale ha una definizione molto ampia, come indicato nel Protocollo sui gas serra, Ambito 3. Gli esempi riportati in questo articolo illustrano una delle tante azioni necessarie intraprese da SKF per ridurre il proprio impatto sul pianeta grazie a prodotti con minori emissioni di CO₂, pur rimanendo competitiva.

Parte di questo impegno consiste nel creare strumenti di calcolo basati sul web, come lo strumento per la valutazione della sostenibilità di SKF, lo stimatore delle emissioni di CO₂ e piattaforme di modellazione avanzate, come SKF Virtual Seal, per stimare l’impatto ambientale dei prodotti sin dalle prime fasi di progettazione e di selezione, e oltre, aprendo così la strada a pratiche più rispettose dell’ambiente.