Per un’azienda di cuscinetti conoscere la lubrificazione a grasso è di vitale importanza. La SKF mette in campo le proprie conoscenze creando nuovi prodotti e servizi in grado di contribuire alla sostenibilità, all’efficienza energetica e all’incremento della durata dei cuscinetti.

Alla SKF le attività di R&D sono indirizzate allo sviluppo di cuscinetti e tenute per i quali è vitale la conoscenza della lubrificazione, in particolare quella a grasso, dato che spesso i guasti hanno origine proprio dai casi in cui quest’ultima non viene eseguita in modo adeguato.

Tramite un vasto assortimento di sofisticate attrezzature per analisi chimiche, misurazioni ed esperimenti, la SKF possiede le competenze necessarie per analizzare i lubrificanti e comprendere l’influenza della lubrificazione sulle prestazioni dei cuscinetti.

Spesso le applicazioni di cuscinetti sono integrate da un sistema di lubrificazione, per il quale occorre scegliere i grassi adatti; per questo la SKF, pur non producendo da sé grassi lubrificanti, ne ha sviluppato un ampio assortimento, operando in collaborazione con fornitori selezionati e destinandolo al mercato del primo montaggio e a quello del ricambio.

Le competenze SKF si estendono anche ai lubrificatori automatici single e multi-point, ai sistemi di lubrificazione centralizzata, a quelli a perdita e a quelli centralizzati a circolazione.

La SKF organizza anche corsi di formazione su scelta, manutenzione, ispezione e smaltimento dei lubrificanti e sulla manutenzione dell’affidabilità. L’Engineering and Consultancy Services, un’unità separata della SKF, assiste nello sviluppo di prodotti per gli organi rotanti, per i quali naturalmente è molto importante la lubrificazione (specialmente quella a grasso). Ingegneria dell’applicazione, servizi di consulenza, addestramento, gestione della lubrificazione, monitoraggio delle condizioni, manutenzione dell’affidabilità, assistenza tecnica, prodotti e sistemi sono alla base delle soluzioni che la SKF propone per la lubrificazione.

LUBRIFICAZIONE A GRASSO PER I SISTEMI DI CUSCINETTI
Teoricamente i cuscinetti potrebbero funzionare senza lubrificante, ma questo è necessario per tenere separati i corpi volventi e le piste e impedire i danneggiamenti da micro-slittamenti. Il mezzo ideale per separare tali elementi è un liquido capace sia di resistere alle sollecitazioni di taglio con minime perdite per attrito sia di ridistribuirsi continuamente sulle superfici (con un’azione di self-healing).

Il grasso lubrificante non è difficile da applicare ed è ampiamente usato per la sua consistenza, la scarsa tendenza a colare e per una certa azione di protezione contro l’ingresso di sostanze estranee. Esso protegge dalla corrosione e riduce l’attrito, purché sia di buona qualità e sia applicato con il giusto grado di riempimento.

Il grasso ha una durata limitata [2,3], che è generalmente inferiore a quella a fatica del cuscinetto. Tuttavia, mentre dei cuscinetti esistono modelli avanzati di durata, per il grasso un modello analogo è solo altamente desiderabile. Sfortunatamente, per la complessità della lubrificazione a grasso [2], oggi non si hanno modelli fisici che consentano una previsione della sua durata. Tuttavia la SKF ha elaborato un modello empirico con il quale si può calcolare la durata (o l’intervallo di lubrificazione) di un “grasso di buona qualità”.

Per quanto riguarda i cuscinetti radiali a sfere, la SKF ha elaborato un fattore correlato alle prestazioni (il Grease Performance Factor, GPF) [3] (fig.1), che serve a prevedere la durata di grassi di marca di cui si abbiano dati disponibili. Un GPF=1 corrisponde alle prestazioni di un “grasso di buona qualità”. Per i grassi che superano tale standard si attribuisce un GPF>1. La fig. 1 mostra la durata del grasso in funzione di temperatura, velocità (n d_m) e qualità del grasso stesso [3].

La SKF consiglia di operare entro limiti di temperatura ben definiti (fig. 2). Entro quelli consigliati, cioè nella zona “verde”, il grasso funziona con un buon grado di affidabilità e se ne può determinare la durata (o l’intervallo di lubrificazione) [8]. Le temperature nelle zone gialle ai lati di quella verde sono ammesse solo per periodi molto brevi. Con il tempo, la temperatura, l’azione meccanica, l’invecchiamento e l’eventuale ingresso di sostanze contaminanti, il grasso nel cuscinetto si deteriora e perde le sue proprietà. Dopo l’iniziale riempimento in occasione dell’installazione, una rilubrificazione aggiuntiva può favorire il raggiungimento della durata di esercizio desiderata. Per ottenere una rilubrificazione affidabile sono importanti tre fattori: tipo e quantità di grasso e frequenza di applicazione. Quantità e frequenza dipendono dalle condizioni di lavoro e dal metodo di applicazione, se manuale, con lubrificatore automatico o con un impianto di lubrificazione. A questo proposito ci si può avvalere dei sistemi esperti
LubeSelect, LuBase e DialSet, disponibili su Internet.

PROPRIETÀ FISICO-CHIMICHE DELLA LUBRIFICAZIONE A GRASSO
Per prevedere le prestazioni del grasso di un cuscinetto è importante conoscere le proprietà fisico-chimiche della lubrificazione. Di solito è impossibile sottoporre a prova la durata di un grasso per una data applicazione, dato che questa viene progettata per durate molto lunghe, che comporterebbero periodi di prova altrettanto lunghi. Nella pratica si scelgono condizioni di prova più severe (ad es. temperature e/o velocità maggiori che nella realtà). Inoltre si deve tenere conto che i banchi prova dei grassi sono spesso dotati di cuscinetti standard, diversi da quelli dell’applicazione.

Le prestazioni di un grasso lubrificante dipendono non solo dalle sue proprietà, ma anche dalla geometria interna del particolare tipo di cuscinetto, soprattutto dalle dimensioni interne, dalle tenute, dalla forma e dal materiale della gabbia.

Se si conoscono le proprietà fisico-chimiche dei grassi, i dati delle relative prove di durata si possono “estrapolare” alle condizioni per le quali i dati stessi non sono disponibili. Tali dati servono poi a convalidare i modelli fisici elaborati per la lubrificazione a grasso. Nell’intento di approfondire gli aspetti di quest’ultima, l’SKF Engineering & Research Centre ha recentemente acquisito conoscenze ed elaborato modelli nei settori della tribologia/lubrificazione e della fisica-chimica. Per elaborare modelli previsivi di durata dei grassi si sfruttano esperienze di reologia, dinamica dei fluidi, chimica, lubrificazione elasto-idrodinamica e statistica.

Nei primi stadi di lavoro di un cuscinetto il grasso tende al fluire disponendosi in gran parte di fianco alle piste, mentre la restante parte rimane all’interno della zona “spazzata” dai corpi volventi. Per conoscere la distribuzione del grasso all’interno del cuscinetto durante e dopo questa fase occorre conoscere la dinamica dei fluidi e le proprietà reologiche del grasso. In realtà la dinamica dei fluidi non è semplice da applicare al flusso del grasso, dopotutto questo non è propriamente un fluido. A complicare ancora di più le cose c’è il fatto che il grasso invecchia a causa delle azioni meccaniche e termiche, che in un cuscinetto sono molto severe. Per prevedere la capacità di rilasciare olio bisogna ricorrere alla dinamica/reologia dei fluidi. Per prevedere l’ossidazione dell’olio base e dell’addensante è importante conoscere la chimica della lubrificazione a grasso [4], la quale a sua volta determina le proprietà della cosiddetta lubrificazione limite.

Il grasso lubrificante forma un film che si interpone tra le superfici in contatto e che può essere un film limite o che può formarsi per effetto idrodinamico. Nei cuscinetti volventi la deformazione elastica dei corpi in contatto genera un accumulo favorevole del film, secondo un fenomeno denominato “lubrificazione elasto-idrodinamica” (EHL), ben sfruttato nella lubrificazione a olio, ma non altrettanto in quella a grasso, in cui lo spessore del film è determinato dalla disponibilità di lubrificante sulle piste (fenomeno denominato “starved EHL” [5]) e dalle “particelle” di addensante. La fig. 3 mostra una rappresentazione all’interferometro di un contatto lubrificato a grasso. Il film non è uniforme, a causa delle particelle di addensante che si introducono nel contatto.

Infine il processo di lubrificazione a grasso non è deterministico. Esiste una distribuzione statistica dei guasti che complica ulteriormente le previsioni. La SKF ha acquisito notevoli conoscenze sulla statistica di Weibull, utilizzata per interpretare i dati delle prove di durata sui cuscinetti e i grassi [6].

PROVE SUI GRASSI
Per prevedere la durata del grasso per i cuscinetti la SKF ha progettato banchi prova che sono utilizzati in tutta l’industria. Si tratta dei banchi R0F (per cuscinetti a sfere) e R2F (per cuscinetti orientabili a rulli). Dai primi sono derivati i banchi R0F+, più flessibili per quanto riguarda velocità, carico e temperatura. Nell’SKF Engineering & Research Centre è presente un gran numero di banchi R0F e R0F+, che consentono di eseguire simultaneamente fino a 140 prove (fig. 4).

Oltre alle prove di durata, sui grassi si eseguono prove funzionali riguardanti la coppia all’avviamento, la resistenza alla corrosione, le vibrazioni (sui banchi V2F), la rumorosità (sui banchi BeQuiet+), ecc. Un laboratorio chimico ben attrezzato esegue la valutazione dei risultati.

SVILUPPO DEI PRODOTTI E LUBRIFICAZIONE A GRASSO
Molti esempi dimostrano l’influenza benefica delle conoscenze nella lubrificazione a grasso sullo sviluppo di nuovi prodotti, in particolare sulla nuova generazione di cuscinetti SKF Energy Efficient. La fig. 5 mostra uno dei cuscinetti radiali a sfere SKF Energy Efficient (E2): si tratta di cuscinetti che presentano una riduzione di almeno il 30 % delle perdite per attrito rispetto ai corrispondenti tipi SKF standard. Studiati per le applicazioni lubrificate a grasso, i cuscinetti SKF E2 consentono anche un minor consumo di lubrificante.

Se confrontiamo la durata del grasso di un cuscinetto radiale a sfere standard e di uno SKF E2 (fig. 6) notiamo che quella del secondo raddoppia, il che si traduce in un raddoppio della durata di esercizio del cuscinetto stesso. La riduzione dell’attrito può essere attribuita a una migliore lubrificazione, ottenuta con un grasso eccellente e abbinata a una geometria interna migliore e a una gabbia di nuovo disegno. Questo è un buon esempio di come lo sviluppo di un grasso si possa integrare nel disegno del cuscinetto.

Nell’ambito del progetto SKF di un proprio banco prova e un metodo per studiare le false brinellature nei cuscinetti per le pale e l’imbardata delle turbine eoliche è nato un nuovo grasso con eccellenti proprietà nei confronti di tale fenomeno. Nei grafici di fig. 7 sono visibili i risultati delle prove con un grasso standard e un nuovo grasso, in cui l’attrito viene indicato in funzione del numero delle oscillazioni. Con un aumento costante dell’attrito nel tempo è probabile l’insorgere di un guasto. Le linee azzurre indicano le misurazioni con il grasso commerciale, mentre quelle verdi quelle con il grasso SKF LGBB 2, il quale forma uno strato tribologico protettivo; i valori dell’attrito si mantengono bassi per molti cicli e consentono al cuscinetto di raggiungere lunghe durate .

La fig. 8 mostra il campo di lavoro per vari grassi destinati ai cuscinetti che lavorano in modo analogo a quelli delle pale. In caso di slittamento parziale, l’oscillazione è così piccola che il centro del contatto hertziano rimane aderente e lo slittamento avviene solo ai bordi del contatto. Grandi slittamenti si hanno quando le oscillazioni sono tali che anche il centro del contatto slitta. Normalmente, quando le oscillazioni sono piccole, per cui le dure particelle di usura non vengono allontanate dal contatto per dilavamento, si ha il cosiddetto fretting, o corrosione da sfregamento. Il grasso SKF LGBB 2 ha eccellenti proprietà contro tale fenomeno, ma lo si può usare anche in caso di grandi oscillazioni. Si comporta bene alle basse temperature e ha buone proprietà anti-corrosione, il che lo rende molto adatto per i cuscinetti delle pale e dell’imbardata delle turbine eoliche.

Per le macchine da carta, la SKF ha realizzato un grasso con un addensante al polimero, che sostituisce il tradizionale addensante al sapone [7]. Il polimero non è polare, ossia non entra in competizione con la superficie metallica attirando gli additivi. Mentre il grasso tradizionale contiene un 10-20% di addensante al sapone metallico (polare) e un 80-90% di olio base, compresi gli additivi, il nuovo lubrificante contiene un 10–13 % di polipropilene (PP) – un materiale non polare – e un 87–90 % di olio, compresi gli additivi. L’esclusivo processo di fabbricazione di tale grasso si basa su operazioni di riscaldamento e raffreddamento del polimero, che si scioglie nell’olio. Ne risulta una struttura reticolare tridimensionale, che funziona come un “normale” grasso al sapone metallico. Nelle prove sui banchi R0F il grasso al polimero presenta lunghe durate anche in assenza di additivi, consente più lunghi intervalli di rilubrificazione, riduce i consumi di lubrificante ed è quindi più rispettoso dell’ambiente. Il nuovo grasso è eccellente alle basse temperature e richiede meno energia per produrlo.

Le prestazioni dei grassi per i cuscinetti dell’albero principale delle turbine eoliche sono condizionate dall’ambiente gravoso, nel quale essi devono mantenersi altamente affidabili in presenza di elevati carichi di contatto, basse velocità, oscillazioni e periodi di sosta. La situazione è anche peggiore nelle turbine situate offshore e in climi freddi. Per queste applicazioni la SKF ha sviluppato tre tipi di grassi e la tabella 1 ne illustra le proprietà. Tutti e tre trovano vasto impiego e sono approvati da vari costruttori di turbine. La scelta del grasso dipende dal tipo di tenute, dalle condizioni di lavoro e dall’ambiente.

Per le applicazioni dell’albero principale la SKF offre soluzioni complete, comprendenti grassi, lubrificanti, sopporti, tenute, ghiere, sistemi di cuscinetti e di lubrificazione e assistenza al montaggio, oltre ad analisi e monitoraggio delle condizioni.

CONCLUSIONI
La SKF opera a favore della sostenibilità e sviluppa soluzioni rispettose dell’ambiente, sfruttando le proprie conoscenze nel settore della lubrificazione a grasso per aumentare la durata di esercizio dei sistemi di cuscinetti e ridurne l’attrito riducendo i consumi di energia. Durate e intervalli di rilubrificazione maggiori comportano minore manutenzione e riducono i problemi di smaltimento. Tutto questo si realizza sfruttando le conoscenze ottenute dalle attività di R&D e dallo sviluppo di modelli e prodotti.

Bibliografia
[1] E. Ioannides, G. Bergling, and A. Gabelli. An analytical formulation for the life of rolling bearings. Acta Polytechnica Scandinavia, Mechanical Engineering Series, Finnish Academy of Technology, (137), 1999.
[2] P.M. Lugt. A review on grease lubrication in rolling bearings. Tribology Transactions, 52(4):470-480, 2009.
[3] B. Huiskamp. Durata del grasso nei cuscinetti radiali a sfere lubrificati a vita. Evolution, 2-2004, pagg. 26–28.
[4] A. van den Kommer and J. Ameye. Prediction of remaining grease life- a new approach and method by linear sweep voltammetry. Proceedings Esslingen Conference, pagg. 891–896, 2001.
[5] M.T. van Zoelen, C.H. Venner, and P.M. Lugt. Prediction of film thickness decay in starved elasto-hydrodynamically lubricated contacts using a thin-film layer model. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part J, Journal of engineering tribology, 223(3):541-552, 2009.
[6] T. Andersson. Le prove di durata nella teoria. La Rivista dei Cuscinetti, 217: pagg.14–23, 1983.
[7] D. Meijer, D. Polymer thickened lubricating
grease. European Patent Application,(EP 0 700 986 A3), 1996.
[8] Catalogo generale SKF