Alle basse temperature, i lubrificanti devono essere scelti tenendo presenti i valori massimi e minimi entro i quali si prevede che il macchinario dovrà funzionare.Ormai è possibile vivere e lavorare in quasi ogni parte del globo, indipendentemente dal clima. In posti come la Scandinavia, Alaska e Russia settentrionale le temperature spesso rimangono parecchio sotto lo zero per settimane e mesi, e si pretende che automobili, autobus e treni funzionino lo stesso, nonostante l’ambiente inospitale.

   Spesso molti progettisti di macchinario non si rendono neanche conto dei problemi che possono insorgere quando le temperature scendono. Dal punto di vista dell’affidabilità, i cuscinetti volventi sono tra i componenti meccanici più difficili da gestire quando il campo delle temperature di lavoro si trova ad essere molto ampio.

   Una scelta appropriata dei lubrificanti può invece assicurare alle macchine un funzionamento affidabile anche nei paesi nordici in cui si hanno inverni freddissimi, ma anche estati piacevolmente calde.

Lavorare nei climi freddi

A Luleå, nel nord della Svezia, l’azienda mineraria LKAB possiede un grande complesso portuale presso il quale carica il minerale di ferro. D’inverno la temperatura ambiente è spesso inferiore ai
–20°C e talvolta scende anche a –30 e –40°C. Nel 1988, la LKAB lamentava problemi sui dispositivi di carico e sui veicoli, caratterizzati da elevate perdite per attrito nei riduttori e difficoltà di avviamento, oltre che a fragilità dei materiali. Gli inconvenienti venivano spesso attribuiti ai cuscinetti volventi. A quel tempo non esistevano rimedi affidabili e quando faceva molto freddo si preferiva addirittura fermare le attività del porto.

   Gli stessi problemi li sperimentava anche la MTAB, la quale, con pesanti treni merci in attività giorno e notte, anche d’inverno, si occupa di trasportare il minerale dalle miniere di Kiruna, nel nord della Svezia, verso i porti norvegesi e le acciaierie svedesi. Alle basse temperature, si verificavano bloccaggi dei cuscinetti delle ruote, con conseguente slittamento di queste sulle rotaie.

   Nei mesi invernali degli anni dal 1990 al 1995, ci furono addirittura molti deragliamenti, con costi elevati per ripristinare il traffico. Essendo i cuscinetti danneggiati molto seriamente, non si riusciva a risalire con precisione alle cause degli inconvenienti. Per trovare una soluzione la MTAB si mise allora in contatto con la SKF e con l’Università di Luleå. Dopo varie indagini, si stabilì che la causa era da ricercare nel lubrificante impiegato.

   Grazie al lavoro di équipe dei propri organismi di vendita, assistenza tecnica, sviluppo prodotti, ricerca e sviluppo, la SKF poté offrire un tipo di aiuto che la MTAB difficilmente avrebbe potuto trovare altrove e fornì boccole speciali, munite di nuovi cuscinetti orientabili a rulli, sulle quali era possibile cambiare rapidamente il grasso. Le boccole vennero installate su cinque carri attrezzati, in servizio tra Kiruna e Narvik. Dopo intense prove di laboratorio e sul campo e varie analisi dei lubrificanti esistenti e dei possibili tipi alternativi disponibili in commercio, si decise di modificare il tipo di grasso. Da questo lavoro la SKF ha acquisito una notevole esperienza, che oggi sta sfruttando in applicazioni analoghe nelle zone più fredde della terra.

La causa degli inconvenienti

Quasi tutti i cuscinetti finiscono con il mettersi in moto, anche a –25 °C, a patto che il motore o l’attuatore siano sufficientemente potenti. Inizialmente, nei treni MTAB i cuscinetti erano lubrificati con un grasso destinato a operare in un campo medio di temperature (tra –20 e +100 °C). Quando la locomotiva iniziava a tirare, le ruote dei vagoni giravano in modo intermittente o con elevatissimo attrito. Prima che cominciassero a ruotare regolarmente, nei cuscinetti si sviluppava calore che si trasmetteva al grasso. Il processo di riscaldamento durava solo 60 secondi o anche meno, ma era sufficiente a provocare danneggiamenti severi e irreversibili ai cuscinetti stessi.
Tutti sanno che il comune olio d’oliva tenuto in frigorifero (ad es. a +8 °C) solidifica e deve essere portato per alcuni minuti a temperatura ambiente per poterlo versare. Lo stesso capita a qualsiasi olio per motori o riduttori, anche se generalmente a temperature inferiori. Gli oli si classificano in base al punto di scorrimento, definito da una prova standard, nella quale vengono fatti fluire attraverso un tubicino. La minima temperatura a cui l’olio riesce a uscire fuori dal tubicino entro un tempo prestabilito definisce il punto di scorrimento, il quale è in stretta relazione con la viscosità dell’olio. Quando la temperatura scende, la viscosità aumenta e il flusso diventa più difficoltoso. Sfortunatamente, il comportamento di un lubrificante in un tubicino non è molto utile per determinare quello in un cuscinetto.

   Un metodo spesso usato per definire il comportamento dell’olio alle basse temperature è quello di determinarne l’indice di viscosità VI. Qui le cattive interpretazioni sono frequenti, in quanto l’indice da solo non basta per definire le prestazioni a bassa temperatura. L’indice VI mostra come varia la viscosità con la temperatura; valori elevati indicano una scarsa variazione della viscosità con la temperatura, mentre bassi valori indicano una elevata variazione. Tra gli oli con VI elevato citiamo gli esteri, le polialfaolefine (PAO) e gli oli al silicone. Gli oli minerali hanno spesso un basso indice VI. Tuttavia l’indice non dice nulla circa l’effettiva viscosità dell’olio alle basse temperature.

   Per i grassi, un ulteriore metodo usato per stabilire il comportamento alle basse temperature è quello di misurare la coppia di attrito di un piccolo cuscinetto a sfere riempito di grasso e fatto ruotare a 1 giro al minuto ad una data (bassa) temperatura. Il metodo è standardizzato e adottato in tutto il mondo. Tuttavia, è ben noto che il grado di riempimento influisce notevolmente sulla coppia d’attrito, mentre nella pratica i cuscinetti non sono quasi mai interamente riempiti di grasso. L’attrito del cuscinetto dipende dalle sollecitazioni di taglio che si verificano nel grasso durante la rotazione e che non sono le stesse in un piccolo cuscinetto a sfere e in un grande cuscinetto orientabile a rulli. Di conseguenza questa prova non è abbastanza affidabile per stabilire la lubrificabilità alle basse temperature.

   Malauguratamente, non esiste quindi alcun metodo universalmente valido per prevedere le prestazioni alle basse temperature dei lubrificanti in un cuscinetto. Questa è la ragione per cui la situazione alla MTAB richiese prove sul campo, le quali invece fornirono informazioni assai preziose per le successive prove di laboratorio. Un «normale» utilizzatore di grassi non potrà mai avere facilmente accesso a una grande massa di dati, ma può tenere presenti alcune semplici indicazioni. In linea generale, si può dire che un grasso per cuscinetti con una viscosità dell’olio base troppo elevata non va bene; in particolare le conseguenze di una viscosità eccessiva sono:

• un aumento di attrito dovuto allo sforzo supplementare compiuto dai rulli per farsi strada attraverso l’olio denso. Questa resistenza contribuisce parecchio alla formazione dell’attrito complessivo del cuscinetto. Se è troppo elevata i rulli pattinano invece di rotolare, secondo un fenomeno noto con il nome di skidding, di solito presente nella zona non caricata oppure, nei cuscinetti caricati radialmente, all’inizio della zona sotto carico. Lo skidding può provocare sfaccettature sui rulli, che in seguito porteranno a cedimenti prematuri del cuscinetto
• un aumento di attrito complessivo, causato dal maggiore attrito tra i corpi volventi e la gabbia, fortemente dipendente dalla viscosità dell’olio. Questo attrito contribuisce a fare pattinare i rulli.
• una volta che è stato spinto lateralmente dal passaggio di un rullo, l’olio non rifluisce facilmente indietro. Pertanto il rullo successivo avrà meno olio a sua disposizione e il terzo non ne avrà a sufficienza affinché si formi la separazione delle superfici. Questa situazione è comunemente nota con il nome di starvation o lubrificazione carente. Se i rulli si spostano ad alta velocità, la starvation compare molto presto, dato che il tempo a disposizione per il ritorno dell’olio è più breve, e può portare a danneggiamenti superficiali.

Circa l’80 % dei cuscinetti è lubrificato con il grasso, che è un lubrificante costituito da un olio base (circa l’80-90 %) e da un addensante, spesso integrati da additivi antiruggine e antiusura e dai cosiddetti additivi EP (Extreme Pressure). Per fornire una lubrificazione adeguata al cuscinetto, olio base e addensante devono poter fluire sulle piste in modo adeguato. Se ha una viscosità elevata, per esempio a causa della bassa temperatura, l’olio base non riesce a staccarsi dalla matrice di addensante; in questo caso si dice che il grasso ha un grado basso di separazione dell’olio. Con un basso grado di separazione la disponibilità di olio nel contatto tra rulli e pista è scarsa e il rischio di starvation è elevato. Se a loro volta gli additivi non possono essere riconvogliati sulle superfici, il pattinamento dei rulli diventa ancora più pericoloso, dato che le superfici non risultano sufficientemente protette.

   Pertanto un olio altamente viscoso, o da solo o come olio base di un grasso, genera forte attrito nei cuscinetti e ne aumenta il rischio di danneggiamenti. Questo è vero alle basse temperature, ma anche tutte le volte che si decide di scegliere una viscosità elevata. Naturalmente, l’affermazione «meno viscosità, migliore separazione delle superfici» contraddice il credo comune che sia meglio avere una viscosità elevata, ma è tuttavia valida.

   Negli anni scorsi, la SKF, studiando il fenomeno della starvation, è arrivata alla conclusione che per ciascun cuscinetto esiste una viscosità ottimale dell’olio base del grasso. Se è troppo elevata, nei contatti rulli piste c’è carenza di lubrificante e le perdite per attrito aumentano. Se è troppo bassa, il film di separazione diventa così sottile che le irregolarità superficiali vengono in contatto reciproco, aumentando l’attrito. In entrambi i casi le conseguenze sono le stesse: usura e cedimenti prematuri.

   Per concludere, nella scelta del grasso per cuscinetti destinati a funzionare a basse temperature, si devono tenere presenti alcune semplici regole. L’olio base deve avere

• un indice di viscosità (VI) elevato. (Per gli oli da motore questo significa un grado SAE 5W/40 oppure 5W/50).
• un basso punto di scorrimento
• la più bassa viscosità possibile alla temperatura prevista di funzionamento

I citati requisiti di solito implicano l’impiego di oli base sintetici quali gli esteri, le PAO o una miscela di questi. Nello stesso tempo devono però essere soddisfatti tutti gli altri requisiti, quali quelli di una consistenza appropriata e di sufficienti intervalli di rilubrificazione. Come del resto accade in altri casi della vita, nella scelta di un grasso si devono accettare compromessi.

   Nel caso dei cuscinetti delle ruote dei treni MTAB, il grasso usato in origine aveva un olio base minerale e una basso grado di separazione olio. Negli avviamenti alle basse temperature i cuscinetti presentavano quindi una forte coppia d’attrito. Successivamente, in presenza di vibrazioni, il grasso diventava morbido, rifluendo in grandi quantità durante le fermate del treno nelle stazioni. Le basse temperature lo facevano però gelare e tutte le volte che il treno ripartiva si trovava ad essere rimosso con fatica dai rulli. Ne seguiva una forte coppia di attrito all’avviamento, con danneggiamenti dei cuscinetti e forti perdite attraverso i labirinti durante la marcia. Per i cuscinetti delle boccole della MTAB si consigliò quindi un grasso con un olio base avente un elevato indice VI, una viscosità ridotta del 50 %, il massimo grado di separazione possibile e una elevata stabilità meccanica. Con il nuovo grasso non si sono più verificati deragliamenti. La SKF ha recentemente ricevuto un ordine per cartucce a rulli conici per i nuovi carri della nuova miniera di ferro Malmbanan. Queste unità verranno lubrificate con grassi appositi per i cuscinetti a rulli conici, ma mantenendo gli stessi criteri di scelta sopra citati.

Victoria Wikström  

SKF AB, Göteborg, Svezia