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Considerazioni sulla progettazione di cuscinetti e tenute per le perforatrici di tunnel

  • Caso

    2019 Gennaio 01, 09:00 CET

    Per garantire un funzionamento sicuro e affidabile delle attrezzature per la perforazione dei tunnel è necessario assicurare l'integrità di cuscinetti e tenute

    Una volta iniziati i lavori, non si può tornare indietro. Le perforatrici per tunnel (TBM) non sono dotate di retromarcia, quindi la macchina deve assolutamente completare il lavoro senza che si verifichino guasti meccanici importanti lungo il percorso. In caso di problemi, accedere alla macchina per eseguire le necessarie riparazioni può rivelarsi un'impresa complessa e dispendiosa in termini di costi e tempi, soprattutto perché la ralla di orientamento principale è montata all'interno del cambio delle perforatrici. La ralla di orientamento principale è il cuore della macchina e non è semplice da sostituire, quindi un eventuale guasto può determinare mesi di ritardo e il superamento dei costi a budget, che potrebbero facilmente raggiungere somme pari a milioni di dollari. 

    L'obiettivo dei progettisti è assicurare elevati livelli di affidabilità e tempo di disponibilità, una sfida ulteriormente complicata dalle condizioni di lavoro estreme tipiche delle attività di perforazione. La combinazione di condizioni di esercizio altamente indesiderate in cui operano i componenti delle TMB comprende basse velocità di rotazione, carichi statici e per urto pesanti e ambiente umido e sporco. Una tale combinazione di condizioni causa usura e danneggiamento dei componenti.

    SKF collabora da decenni con i maggiori produttori di TMB, per sviluppare robuste soluzioni di cuscinetti, tenuta e lubrificazione, in grado di soddisfare i requisiti della maggior parte delle applicazioni di perforazione tunnel più gravose al mondo. Questo articolo tratta alcune delle sfide principali associate alla progettazione, gestione e manutenzione di questi componenti e le soluzioni disponibili per superare tali sfide.

    Cuscinetti per dischi di taglio
    Le TBM di grandi dimensioni utilizzano un gran numero di dischi di taglio, che ruotano ciascuno su una coppia di cuscinetti a rulli conici (TRB). Durante il funzionamento, questi cuscinetti sono esposti a pesanti carichi transitori, che aumentano sensibilmente quando il disco viene forzato nella roccia e cessano improvvisamente quando il materiale si frantuma. La velocità di rotazione del disco dipende dalla sua posizione sulla testa di taglio, ma, di norma, è compresa tra 10 e 20 giri/min. L'impiego di TBM di dimensioni sempre maggiori ha determinato un aumento direttamente proporzionale del diametro dei dischi di taglio, che è passato dai 33 cm di alcuni anni fa a 43 cm, o persino 48 cm, nel caso delle moderne macchine di grandi dimensioni.

    Data la posizione dei TRB nei dischi di taglio, è molto probabile che le superfici dei cuscinetti possano essere contaminate durante il funzionamento. Ciò, combinato con la presenza di carichi per urto estremi, costringe i produttori a progettare cuscinetti in grado di sopportare carichi irregolari e forze altamente localizzate sui rulli e le superfici della pista. Al tempo stesso, è necessario considerare la natura del cedimento prematuro del cuscinetto, se dovesse verificarsi. La priorità, in questo caso, è evitare la frattura completa della pista, che causerebbe il blocco di un disco e, di conseguenza, il danneggiamento di più dischi.

    Per costruire un cuscinetto in grado di operare in questo ambiente è necessario adottare un approccio rigoroso per valutare la geometria, il tipo di materiale e di trattamento superficiale. I progettisti devono utilizzare strumenti proprietari di analisi per ottimizzare il design dei cuscinetti critici e i parametri di produzione, al fine di ottenere la migliore combinazione di caratteristiche. Piccole modifiche alla geometria della pista, ad esempio, possono avere un grande impatto sulla capacità dei cuscinetti di sopportare carichi irregolari, mentre il ricorso alla cementazione controllata di precisione delle piste consente di ottenere superfici di rotolamento di durezza adeguata, pur mantenendo un nucleo duro per evitare lo scoppio in caso di guasto.

    I test sui cuscinetti per dischi di taglio pongono un'ulteriore sfida per i produttori. Non sono infatti disponibili banchi in grado di riprodurre fedelmente le condizioni estreme delle applicazioni reali, che, peraltro, possono variare sensibilmente in base all'applicazione. Di conseguenza, i progettisti di cuscinetti devono affidarsi a una combinazione di esperienza e simulazione computerizzata per valutare nuovi design.

    Le condizioni di cuscinetti smontati da dischi di taglio usurati possono anche fornire indicazioni utili sulle condizioni operative. Un'analisi professionale dell'usura e i danni subiti dalle superfici dei cuscinetti può consentire di identificare le possibilità per modificare le procedure di gestione e manutenzione con l'obiettivo di aumentare al massimo la durata dei cuscinetti. Il team SKF è riuscito ad utilizzare le informazioni acquisite dai cuscinetti danneggiati in applicazioni in cui le condizioni del suolo si sono rivelate inaspettatamente difficili, per produrre soluzioni personalizzate concepite appositamente per migliorare le prestazioni.

    Dato che le attività di sostituzione dei dischi avvengono in sotterraneo, devono essere le più semplici possibile, ovvero tempo, manodopera e strumenti specialistici devono essere ridotti al minimo. Tuttavia, per assicurare il funzionamento affidabile dei cuscinetti a rulli conici all'interno dei dischi, è necessario un livello di precarico adeguato, che deve essere conferito dal team di manutenzione al momento del montaggio dei cuscinetti.

    Nelle applicazioni effettive, gli operatori hanno possibilità limitate di valutare il precarico dei cuscinetti sul campo e devono fare affidamento sulla coppia misurata durante il montaggio. Per aiutare gli operatori in questa fase critica del montaggio, i TRB utilizzati nei dischi di taglio sono prodotti secondo tolleranze dimensionali ristrette, per assicurare la massima corrispondenza tra coppia di montaggio e precarico. Ciò nonostante, entrano in gioco altri fattori, tra cui le condizioni e la lubrificazione degli attrezzi di montaggio, quindi è necessario ispezionare accuratamente i componenti e attenersi ai protocolli standard. I fornitori di cuscinetti possono anche aiutare gli operatori a sviluppare procedure adeguate per la sostituzione dei cuscinetti dei dischi, nonché per la formazione del personale addetto alla manutenzione.

    Ralle di orientamento

    Mentre i design dei cuscinetti per dischi di taglio sono molto simili, per il design delle ralle di orientamento principali i produttori di TBM richiedono ora requisiti diversi e più complessi. Si tratta dei cuscinetti più critici delle TBM e fungono da collegamento tra sistemi di azionamento pignone e testa di taglio, oltre a sopportare i carichi estremamente elevati indotti durante le attività di perforazione. Le dimensioni dei gruppi ralla di orientamento possono variare da meno di 2 metri di diametro, per le applicazioni di micro-perforazione, a oltre 8 metri per le macchine più grandi. I produttori possono utilizzare disposizioni di cuscinetti differenti, in base alle dimensioni e all'architettura globale della macchina e alle condizioni previste per il suolo.

    Di conseguenza, le ralle di orientamento presentano sempre un design altamente personalizzato, che viene sviluppato in stretta collaborazione tra OEM e fornitore di cuscinetti. SKF ha sviluppato software di progettazione e ottimizzazione specifici per tali progetti, che consentono la modellazione e simulazione di gruppi ralla di orientamento completi, compresi elementi volventi, gabbie, piste, ingranaggi di azionamento e disposizioni di montaggio, e quindi calcoli accurati della durata di esercizio di cuscinetti e ingranaggi in determinate condizioni di carico. Le soluzioni speciali integrate nei design delle ralle per TBM possono comprendere design pista caricati a molla per ridurre i carichi per urto nelle applicazioni con rocce dure.

    Le ralle di orientamento per TBM di dimensioni più grandi pongono sfide in termini di trasporto, montaggio e manutenzione. In base ai requisiti OEM, queste ralle possono essere fornite come singoli componenti o unità completamente assemblate, compreso il sistema di tenuta. In alcuni casi, i cuscinetti si possono costruire in segmenti per semplificare trasporto, montaggio o sostituzione, in caso di guasti imprevisti della macchina.

    Oltre alle ralle di orientamento principali sono disponibili anche gamme speciali per trasportatori a coclea e sistemi di montaggio commerciali.

    Tenute
    Le ralle di orientamento richiedono un'adeguata lubrificazione e protezione dagli agenti contaminanti, per assicurare una lunga durata. Ciò significa che le tenute utilizzate per proteggere questi cuscinetti negli ambienti gravosi della perforazione di tunnel sono componenti critici di progetto.

    Come i gruppi ralla, le soluzioni di tenuta per i cuscinetti principali per TBM devono essere ottimizzate per soddisfare i requisiti delle applicazioni tipiche, ma anche di quelle speciali che operano in condizioni anche più gravose. SKF ha il controllo totale sulla progettazione e sul processo di fabbricazione delle tenute, grazie a materiali proprietari formulati internamente e l'impiego di processi di produzione interni, per assicurare il controllo di precisione della geometria di tenuta finale, indipendentemente dalla macchina di destinazione.

    Le tenute delle ralle di orientamento svolgono molteplici funzioni: ritenzione del lubrificante all'interno del cuscinetto ed esclusione di acqua, fango e detriti, oltre a compensare il notevole disallineamento che può verificarsi in esercizio. Le tenute devono assicurare queste funzioni per l'intera durata dell'applicazione, anche se esposte all'abrasione costante ad opera di particelle di roccia.

    Per ottenere il livello di prestazioni desiderato, si utilizzano comunemente più labbri di tenuta in serie, mentre la lubrificazione avviene tra i labbri. Le tenute per TBM di SKF sono progettate applicando i principi dell'analisi a elementi finiti, FEA, per considerare tutte le condizioni di carico, quali disallineamento, pressurizzazione, sbattimento del grasso e comportamento durante il montaggio.

    Per semplificare la procedura di montaggio, e la sostituzione delle tenute in loco, se ciò fosse necessario, SKF ha sviluppato una procedura di saldatura speciale che utilizza attrezzature portatili compatte per consentire ai tecnici e agli ingegneri di operare in spazi angusti. Questa procedura permette di installare le tenute principali senza rimuovere la testa di taglio e, quindi, di ridurre notevolmente i tempi di fermo.

    Altri cuscinetti e soluzioni di lubrificazione
    In aggiunta ai componenti altamente specialistici sviluppati appositamente per le applicazioni delle TBM, SKF offre una vasta gamma di altri componenti, sistemi e soluzioni per i produttori di macchine. Tra questi, i cuscinetti e le tenute standard utilizzati nei trasportatori a coclea, i cuscinetti per sistemi di montaggio e altre attrezzature ausiliarie, oltre a sofisticati sistemi di lubrificazione in grado di iniettare dosaggi precisi di olio o grasso direttamente nei cuscinetti, per assicurare una lubrificazione ottimale con minimo spreco di lubrificante e impatto ambientale.

    Ricondizionamento
    Gli operatori mirano ad aumentare al massimo la durata utile dei loro asset, quindi sono alla costante ricerca di modi per riutilizzare TBM complete e componenti critici in più progetti. Riutilizzando i componenti si possono ridurre i costi e l'impatto ambientale e razionalizzare le scorte a magazzino.

    Il ricondizionamento dei cuscinetti per TBM è una buona soluzione per aiutare i produttori a raggiungere tali obiettivi. I cuscinetti vengono puliti, smontati e ispezionati in strutture specializzate o direttamente presso i siti dei clienti in tutto il mondo. Le parti usurate vengono quindi sostituite e l'unità completa viene ispezionata e restituita al cliente corredata di report e pronta al rimontaggio.

    Per ulteriori informazioni, si prega di contattare: 
    Ufficio stampa: Giampaolo Desderi, +39 0119852510; +39 335 470411; giampaolo.desderi@skf.com

    SKF è un fornitore leader a livello mondiale nel settore di cuscinetti, guarnizioni, meccatronica, sistemi di lubrificazione e servizi tra cui l'assistenza tecnica, i servizi di manutenzione, consulenza ingegneristica e formazione. SKF è presente in oltre 130 paesi e vanta circa 17.000 punti di distribuzione in tutto il mondo. Nel 2017 le vendite del Gruppo sono state pari a 77.938 milioni di corone svedesi. I dipendenti erano 45.678. www.skf.com
     
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