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Il “mostro” di Lione amplia i confini della tribologia

All’Institut National des Sciences Appliquées di Lione, l’enorme Tribogyr apre nuove porte alla ricerca tribologica.

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Fatti

INSA Lyon
Fondato nel 1957, l’Institut National des Sciences Appliquées, INSA, di Lione è uno dei principali atenei francesi. Vanta un’impareggiabile reputazione nell’ambito della formazione ingegneristica, grazie a un approccio completamente integrato e all’attenzione alla ricerca e all’innovazione. All’INSA, situato nel campus LyonTech, ogni anno si laureano e si specializzano oltre 1.400 studenti. L’Istituto di Lione, che fa parte del gruppo INSA (formato da cinque Istituti in Francia) pone tra i propri obiettivi anche la collaborazione con importanti università e imprese industriali in tutto il mondo.

Il Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures, LaMCoS, è un laboratorio di ricerca multidisciplinare, con uno staff composto da 240 persone, fondato dall’INSA di Lione e dal Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS. Offre un ampio campo di competenze nell’ambito della tribologia, della dinamica, delle trasmissioni meccaniche e dei processi di formatura. Una delle aree di specializzazione è l’analisi multiscala dei contatti lubrificati. La ricerca è mirata alla progettazione delle apparecchiature per studiare i contatti lubrificati e allo sviluppo di modelli teorici avvalorati da risultati pratici.

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Guillermo Morales, Guillermo.Morales@skf.com

In una stanza con ambiente controllato, adagiato su pattini idrostatici che misurano due metri di diametro e provvedono a isolarlo dalle vibrazioni esterne, si trova un congegno complesso, fatto di parti metalliche, sensori e computer, che pesa complessivamente sei tonnellate. È il Tribogyr, il più grande e sofisticato banco di prova mai costruito, che ha il compito di misurare l’attrito e lo spessore del film lubrificante nei contatti rotanti sottoposti a carichi gravosi.

L’apparecchiatura è stata progettata dal Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (LaMCoS) dell’Institut National des Sciences Appliquées di Lione (INSA), Francia. In funzione dal 2005, Tribogyr è il risultato di un lungo processo di sviluppo, che ha visto la collaborazione della SKF. Il suo impiego amplia la conoscenza sull’attrito dei corpi volventi e permette di soddisfare le esigenze di maggiore densità di potenza e minore attrito n ei cuscinetti.

Il LaMCoS gode di una meritata reputazione nell’ambito dello sviluppo di macchine sperimentali e modelli numerici finalizzati allo studio dell’attrito nei contatti lubrificati, sottoposti a forti carichi.  Prima di intraprendere lo sviluppo di questa gigantesca macchina, il laboratorio si era già occupato di costruire analoghe apparecchiature, ma più semplici.

Philippe Vergne, direttore della ricerca del LaMCoS, che partecipa a questo progetto dal 2002, afferma che una maggiore conoscenza dell’attrito “permette di migliorare l’efficienza dei cuscinetti di grandi dimensioni”. Tribogyr simula il comportamento a dimensioni reali, essendo in grado di reggere sforzi fino a 3.000 N e velocità fino a 22.000 giri/min. Vergne sottolinea che si tratta di un banco prova unico nel suo genere per dimensioni e complessità. Poiché la macchina è stata progettata per consentire l’impostazione e la misurazione di un’ampia varietà di parametri, per la configurazione sono necessarie due persone, come spiega l’ing. Nicolas Devaux, che si occupa del funzionamento del Tribogyr. Dato che per ciascuna delle numerose impostazioni del dispositivo ci vuole un attrezzo diverso, per eseguire una prova della durata di circa un’ora, s’impiega quasi un giorno e mezzo.

Tribogyr misura le forze e i momenti di attrito che agiscono in direzioni diverse e sono dati da due superfici in contatto rotante (spinning contact), quali quella di un corpo volvente e quella dell’adiacente orletto di un cuscinetto volvente. Il diametro del contatto può essere dell’ordine di 5 millimetri, che sono tanti quando subentrano carichi gravosi lubrificati. “A pieno regime, il contatto può generare una dissipazione termica di oltre 10 kW rispetto a un banco prova commerciale di grandi dimensioni, che ne genera solo 0,9”, osserva Guillermo Morales-Espejel, visiting professor presso l’INSA di Lione e scienziato presso l’SKF Engineering & Research Centre, SKF ERC, in Olanda.

“I contatti rotanti di grandi dimensioni non si comportano come quelli piccoli”, osserva Morales-Espejel. “Più è grande il contatto, tanto più grande è l’asimmetria delle velocità superficiali. Lo spessore del film e l’attrito sono in larga misura determinati dalla velocità delle superfici a contatto, pertanto asimmetria delle velocità significa asimmetria nello spessore del film e nell’attrito, e questo non può essere calcolato facilmente”.

Tribogyr permette di misurare l’attrito. Thomas Doki-Thonon, studente di dottorato, è impegnato in una nuova ricerca finalizzata alla misurazione dello spessore del film. Il lavoro per immagini eseguito dalla macchina ha permesso di ricavare informazioni utili, sia di carattere qualitativo sia quantitativo, sul comportamento dei lubrificanti.

Alle misurazioni e alla ricerca per immagini si integra la modellazione digitale del contatto Tribogyr, cui fanno seguito le prove. Ogni sei mesi, Doki-Thonon presenta i risultati alla SKF. “Avendo la SKF reali esigenze industriali, sono molto motivato nel presentare i risultati delle mie ricerche e suggerire eventuali miglioramenti”. A questo si aggiungono i risultati della ricerca svolta dal LaMCoS, che
offrono un importante contributo alla comunità tribologica. I contatti rotanti di solito non sono oggetto di studio approfondito e la letteratura in materia è scarsa. Tribogyr e il lavoro svolto dall’INSA permettono di capire come ottimizzare i contatti sugli orletti dei cuscinetti volventi al fine di aumentare la capacità di carico e diminuire l’attrito.

Come visiting professor del LaMCoS, Morales-Espejel trascorre a Lione una settimana al mese. Questo permette alla SKF di seguire quotidianamente vari progetti di ricerca. “In modo più strategico, tuttavia, all’ERC abbiamo dato vita a un’intensa collaborazione con la INSA, finalizzata allo studio dell’attrito in presenza e in assenza di lubrificazione”, dichiara. “Abbiamo condotto numerosi progetti con il Tribogyr, anche in aree connesse a fenomeni multiscala come la corrosione da sfregamento (fretting ), i film ultrasottili nella lubrificazione e la modellazione macroscopica”. Dal 2005, gli studi effettuati con il Tribogyr hanno permesso il sostentamento di uno studente di dottorato e l’anno prossimo, quando Doki-Thonon terminerà la sua tesi, ci sarà l’opportunità per un altro studente di intraprendere nuove ricerche correlate al Tribogyr e alla modellazione dell’attrito dei contatti rotanti lubrificati di grandi dimensioni.

Per la SKF ci sono evidenti vantaggi nella collaborazione con il LaMCoS. Dice Morales- Espejel: “In questo campo, la SKF ha accesso al quadro generale.  Siamo in grado di modellare e misurare l’attrito e lo spessore del film, oltre a simulare con estrema precisione la distribuzione della temperatura all’interno e all’esterno dei contatti. Per i progettisti della SKF si tratta di una posizione privilegiata da cui migliorare continuamente l’esecuzione dei cuscinetti e aumentarne l’affidabilità e l’efficienza”.

Vergne sottolinea che quella tra il LaMCoS e la SKF è una collaborazione destinata a durare. Il Tribogyr è sottoposto a continui miglioramenti, che permettono di eseguire nuove prove e nuove simulazioni. Una sinergia di carattere esclusivo, che amplia la conoscenza sul comportamento dei cuscinetti di grandi dimensioni.