Niente funziona senza lubrificazione: ogni cuscinetto funziona con lubrificazione a grasso o olio; ed è il prerequisito fondamentale per evitare il contatto metallico dei componenti del cuscinetto (corpi volventi, anelli del cuscinetto e gabbia). In casi particolari i cuscinetti possono essere lubrificati anche con un lubrificante solido. Insieme all’attrito e all’usura, la lubrificazione appartiene al campo della tribologia. La funzione più importante della lubrificazione è probabilmente quella di mantenere l’attrito e l’usura più bassi possibile. Inoltre, la lubrificazione apporta anche altri vantaggi, consultabili nel seguente elenco.
Funzioni della lubrificazione:
• Riduzione di attrito e usura
• Dissipazione del calore da attrito
• Prolungamento della durata operativa dei cuscinetti
• Prevenzione della ruggine
• Protezione contro l’ingresso di contaminanti
Una lubrificazione ottimale è il presupposto fondamentale per una lunga durata operativa dei cuscinetti.
La scelta del lubrificante
A seconda del cuscinetto, il metodo di lubrificazione varia tra grasso e olio. È anche importante assicurarsi che non ci sia troppo o troppo poco lubrificante nel cuscinetto. Sapevate che, statisticamente, i problemi di lubrificazione sono la principale causa di cedimento dei cuscinetti volventi?
Il metodo di lubrificazione scelto deve essere adattato e soddisfare le condizioni operative (in particolare la velocità e la temperatura d’esercizio del cuscinetto) per garantire la massima efficienza della lubrificazione. È anche importante che il lubrificante utilizzato sia di qualità e che venga utilizzata la corretta quantità di lubrificante. Un altro requisito fondamentale è che il design del cuscinetto sia studiato appositamente per resistere all’ingresso di contaminanti, evitando al contempo la fuoriuscita di lubrificante. A questo scopo i produttori di cuscinetti volventi come NTN offrono versioni con tenute stagne a contatto per alcune serie. Un’altra configurazione prevede che i cuscinetti siano ermetici esternamente, con vari tipi di guarnizioni disponibili. Nella scelta del tipo di guarnizione è necessario tenere conto della conseguente variazione della velocità limite (calore da attrito della guarnizione).
| Lubrificazione a grasso | Lubrificazione a olio | |
| Manipolazione | Ottima | Accettabile |
| Affidabilità | Buona | Ottima |
| Effetto raffreddante | Inadeguato | Buono* |
| Varianti di tenuta stagna | Buone | Accettabili |
| Perdita di attrito | Buona | Buona |
| Impatto ambientale | Buono | Accettabile |
| Alta velocità | Accettabile | Buona |
La scelta del lubrificante deve sempre essere ponderata. Generalmente ciò che un metodo di lubrificazione non può fare, un altro può farlo meglio.
* È necessario il circuito di ricircolo dell’olio.
Lubrificazione a grasso
Il grasso è il lubrificante più utilizzato ed è in genere relativamente semplice ed economico da utilizzare. Le proprietà di tutti i grassi sono determinate principalmente dal tipo di olio base utilizzato e dalla combinazione di addensanti e vari additivi. Gli oli base utilizzati sono principalmente oli minerali, oli sintetici (come l’olio estere), oli idrocarburici sintetici e oli essenziali. Si distingue tra grassi con olio base a bassa viscosità, adatti a basse temperature e alte velocità, e grassi con olio base ad alta viscosità. Questi ultimi vengono utilizzati in applicazioni con alte temperature e carichi elevati. Gli addensanti aggiunti all’olio base possono essere suddivisi nei due tipi fondamentali di saponi metallici e saponi non metallici. Le diverse proprietà di un grasso, come intervallo di temperatura, stabilità meccanica, resistenza all’acqua, ecc., dipendono principalmente dal tipo di addensante utilizzato. A seconda dell’utilizzo previsto, vengono inclusi vari additivi per regolarne ulteriormente le proprietà. Gli additivi tipici sono gli antiossidanti, gli additivi ad alta pressione (additivi EP), gli inibitori della ruggine e gli inibitori della corrosione.
La quantità di grasso da immettere all’interno del cuscinetto dipende anche dalla velocità. Tuttavia, la quantità di grasso da utilizzare nelle rispettive condizioni operative dipende generalmente da diversi fattori contemporaneamente, relativi alle dimensioni e alla forma dell’alloggiamento, allo spazio disponibile e al tipo di grasso utilizzato. Come regola generale per la maggior parte delle applicazioni, i cuscinetti devono essere riempiti fino al 30% – 40% dello loro spazio libero interno e l’alloggiamento fino al 30% – 60%. A velocità elevate e con aumenti minimi di temperatura, è consigliabile utilizzare una quantità ridotta di grasso. Tuttavia, una quantità troppo elevata di grasso può portare ad un incremento della temperatura, che ammorbidisce il grasso aumentando il rischio di fuoriuscita dello stesso. Inoltre, l’ossidazione e il deterioramento possono compromettere l’effetto lubrificante.
Quando si utilizza la lubrificazione a grasso, è estremamente importante rispettare il programma di rilubrificazione, poiché le prestazioni lubrificanti di un grasso diminuiscono nel tempo. Ciò significa che i cuscinetti devono essere ri-lubrificati a determinati intervalli. Gli intervalli di rilubrificazione non sono uniformi, in quanto talvolta dipendono dal tipo di grasso, dal tipo di cuscinetto, dalle temperature e dalla velocità. È anche possibile applicare il grasso solamente in fase di montaggio (ingrassaggio a vita), ad esempio, se l’intervallo di rilubrificazione è più lungo della durata operativa di un cuscinetto o se il cuscinetto è ermetico e la rilubrificazione sarebbe troppo costosa. Per quanto riguarda la miscibilità dei diversi grassi è necessario rispettare le indicazioni del produttore. Di norma, tuttavia, la miscelazione non è consigliabile a causa delle diverse sostanze base e degli additivi dei singoli grassi, poiché esiste il rischio che si verifichi una reazione chimica tra i diversi componenti.
Lubrificazione a olio
L’alternativa più comune alla lubrificazione a grasso è la lubrificazione a olio. Questa è la scelta ideale, ma più costosa ed è preferita alla lubrificazione a grasso, soprattutto per i cuscinetti volventi con contatto lineare. La lubrificazione a olio viene utilizzata principalmente in applicazioni in cui il calore generato dal cuscinetto o da altre fonti deve essere dissipato dal cuscinetto e scaricato verso l’esterno. Allo stesso tempo, sono spesso richiesti requisiti elevati in termini di tenuta stagna e filtraggio dell’olio, il che comporta un maggiore impegno di progettazione. Nell’ambito dei cuscinetti volventi, gli oli minerali come olio per macchine, olio per mandrini o olio per turbine sono utilizzati nell’intervallo di temperature compreso tra -30°C e 150°C. Ad altre temperature, i cuscinetti vengono lubrificati con oli sintetici come olio estere, olio siliconico e olio fluorurato. Anche per gli oli è generalmente vero evitare miscele di oli diversi o effettuare un’analisi dettagliata della compatibilità. Una proprietà importante degli oli lubrificanti è la viscosità cinematica v, utilizzata per misurare il potere lubrificante di un olio.
| Tipo di cuscinetto | Viscosità cinematica mm2/s |
| Cuscinetti a sfere, cuscinetti a rulli cilindrici, cuscinetti a rullini | ≥13 |
| Cuscinetti orientabili a rulli, cuscinetti a rulli conici, cuscinetti assiali a rullini | ≥20 |
| Cuscinetti assiali orientabili a rulli | ≥30 |
Generalmente, per i cuscinetti a rulli, vengono utilizzati oli a viscosità più elevata rispetto a quelli a sfere, poiché i primi funzionano a velocità inferiori e trasportano carichi più pesanti.
Se possibile, la lubrificazione dovrebbe raggiungere uno stato elastoidrodinamico (EHD), che porta ad una completa separazione delle superfici volventi. Il rotolamento degli elementi volventi sulla pista con lubrificazione EHD può essere paragonato, ad esempio, a quello di uno sciatore nautico che ha bisogno di una certa velocità per scivolare sull’acqua invece di affondare. Pertanto il potere lubrificante dell’olio non deve essere né troppo alto né troppo basso, poiché, ad esempio, se il film d’olio tra i corpi volventi e la pista di rotolamento non è sufficiente, di solito il danno è dietro l’angolo.
La formula 6 viene utilizzata per calcolare la quantità di olio necessaria.
Formula 6
Q = K x q
Q -> Quantità di olio per cuscinetto (cm3/min)
K -> Fattore di aumento della temperatura dell’olio consentito
q -> Quantità di lubrificante secondo diagramma (cm3/min)
Questa è la chiave per determinare la quantità di olio necessaria, ovvero il fattore di aumento della temperatura dell’olio consentito viene moltiplicato per la quantità di lubrificante.
La quantità di olio necessaria deve essere calcolata per garantire che il calore dissipato dall’olio lubrificante sia approssimativamente uguale alla quantità di calore generato dal cuscinetto e da altre fonti. In pratica, la quantità calcolata viene poi moltiplicata per un fattore di sicurezza compreso tra 1,5 e 2,0 poiché il calore irradiato dall’alloggiamento varia a seconda della progettazione.
Il diagramma mostra le linee guida per la quantità di olio: la quantità di lubrificante varia a seconda del tipo di cuscinetto. Procedura: iniziare da sinistra con il tipo di cuscinetto e poi scorrere il diagramma utilizzando i parametri dn, Pr e d (da sinistra a destra). L’intersezione con la linea verticale senza scala rappresenta sempre il nuovo punto di partenza.
È essenziale controllare regolarmente la quantità e la pulizia dell’olio. Gli intervalli per la sostituzione dell’olio lubrificante variano a seconda delle condizioni operative, della quantità e del tipo di olio. In linea di massima, l’olio dovrebbe essere cambiato una volta all’anno a temperature di esercizio fino a 50°C e ad intervalli trimestrali a temperature comprese tra 80°C e 100°C. Inoltre va tenuto presente che la durata operativa del lubrificante diminuisce di circa il 50% ogni 10°C a partire da temperature di 80°C.
Lubrificazione solida
In casi particolari, ad esempio quando non è possibile la lubrificazione a grasso o a olio, in alternativa vengono utilizzati lubrificanti solidi. Il lubrificante solido è costituito da un olio che ha la stessa viscosità di un olio convenzionale e da un polietilene ad altissimo polimero. I due componenti vengono miscelati in fase liquida. Dopo il riscaldamento e il raffreddamento, questa sostanza si solidifica cosi da assorbire una grande quantità di lubrificante nella struttura polimerica. Anche in caso di forti vibrazioni o forze centrifughe, il lubrificante non fuoriesce da un cuscinetto in rotazione. Inoltre, la lubrificazione solida viene utilizzata in applicazioni in cui lo sporco può entrare nel cuscinetto o il normale lubrificante viene semplicemente rimosso, perché in questo modo lo sporco viene bloccato dal lubrificante solido che riempie lo spazio libero disponibile all’interno del cuscinetto. La lubrificazione solida viene utilizzata anche nell’industria agroalimentare, dove altrimenti vi sarebbe il rischio che la fuoriuscita di lubrificante possa contaminare gli alimenti. Finora abbastanza vantaggioso, vero? La lubrificazione solida invece non è adatta per applicazioni con velocità elevate a causa del maggiore attrito nel cuscinetto. Pertanto, è fondamentale tenere conto della velocità quando si considera un lubrificante solido.
Il valore Kappa
Per concludere questo capitolo analizzeremo il valore Kappa, un altro parametro importante nel campo della lubrificazione. Questo valore deve essere determinato individualmente per ciascun lubrificante e per le condizioni operative ed è necessario anche per il calcolo di aISO, il fattore di modifica della durata per la durata nominale modificata di un cuscinetto volvente. Il valore Kappa rappresenta il rapporto di viscosità tra la viscosità cinematica effettiva v e la viscosità nominale v1 e descrive le condizioni di lubrificazione in un cuscinetto volvente durante il funzionamento. In questo caso svolgono un ruolo importante il tipo di cuscinetto volvente, le dimensioni, il lubrificante, la velocità e la temperatura.
Il valore Kappa può essere suddiviso in tre condizioni di lubrificazione. Un valore di κ ≤ 0,1 indica una lubrificazione limite in cui non si forma un film lubrificante EHD. Ciò porta ad un contatto solido tra i corpi e ad un aumento dell’attrito o dell’usura. Un valore Kappa di 0,1 < κ ≤ 4 è definito attrito misto. A causa dello spessore insufficiente del film lubrificante, si verifica ancora un contatto parziale tra i corpi solidi, per cui i picchi di rugosità si incastrano sporadicamente. In questo caso, però, l’attrito è già ridotto. Solo a κ > 4 si ha la cosiddetta “lubrificazione completa” e quindi è presente un film lubrificante EHD completo, che separa completamente le superfici di contatto dei corpi solidi.
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