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Un approccio scrupoloso: determinare la vera causa dei cedimenti prematuri dei cuscinetti

  • Caso

    2019 Maggio 02, 09:00 CEST

    Il cedimento prematuro dei cuscinetti, spesso, viene attribuito al fenomeno delle ‘white etching cracks’, le cricche note come WEC. Tuttavia, un'analisi più approfondita per identificare la vera causa originaria consente di definire soluzioni più efficaci, secondo Erik Vegter, Ricercatore Senior, Fatigue Modelling and Testing SKF.

    Göteborg, Svezia, 2 maggio, 2019: Le moderne tecniche di produzione e approcci come la manutenzione predittiva hanno contribuito a ridurre al minimo i cedimenti prematuri dei cuscinetti. Talvolta, però, si verificano comunque, con conseguenze potenzialmente disastrose. L'aspetto più preoccupante è che alcuni cuscinetti interessati dal cedimento non sono affatto prossimi al fine vita stimato, anzi potrebbero aver operato solo per una minima parte della durata teorica di base. Ciò determina ingenti spese e l'insoddisfazione dei clienti, che si aspettano che i loro cuscinetti operino per la durata di esercizio calcolata e oltre.

    Alcune applicazioni, come i moltiplicatori delle turbine eoliche, si sono rivelate più sensibili al cedimento prematuro dei cuscinetti, rispetto ad altre. Ciò che conta per i clienti è diagnosticare eventuali cedimenti e implementare le misure correttive adeguate. Le cause esatte del cedimento prematuro dei cuscinetti, però, sono state da sempre oggetto di discussioni controverse.

    Una caratteristica di molti cedimenti prematuri è rappresentata dalla presenza di reti di cricche estese sotto la superficie del cuscinetto, comunemente note come ‘white etching cracks’ (WEC), o piccole cricche assiali visibili sulla superficie della pista (fig. 1). A prima vista, si potrebbe supporre che siano la causa del problema, dato che si riscontrano nella maggior parte dei cedimenti prematuri dei cuscinetti.

    Tuttavia, un progetto di ricerca intensivo condotto da SKF e durato quattro anni ha dimostrato che queste cricche, in realtà, si verificano alla fine di una sequenza di cedimento e sono una naturale conseguenza delle reti di cricche nei cuscinetti danneggiati prematuramente. Gli specialisti SKF sono giunti alla conclusione che le WEC sono semplicemente un sintomo visibile del cedimento, anziché parte della causa principale.

    Finora, SKF ha identificato sette meccanismi che causano il cedimento prematuro dei cuscinetti e sono accomunati dallo stesso epilogo: riduzione della durata del cuscinetto e comparsa di WEC. SKF ha quindi sviluppato uno schema per classificare i cedimenti prematuri dei cuscinetti (fig. 2), al fine di aiutare gli ingegneri dell'applicazione a identificare, insieme ai clienti, la vera causa originaria dei cedimenti e, quindi, la soluzione più appropriata da adottare.

    Nonostante questa nuova prospettiva, alcuni cedimenti prematuri vengono ancora attribuiti alle WEC e risolti ricorrendo alla pratica più diffusa, ovvero sostituire il cuscinetto danneggiato con un altro cuscinetto identico. Anziché reiterare inutilmente questo approccio, è di importanza vitale analizzare a fondo il problema e individuare la causa alla base del cedimento. Le ricerche di SKF hanno identificato una serie di cause effettive, che consentono di sviluppare soluzioni più mirate per ciascun caso.

    Dettagli del progetto
    Per realizzare il progetto, sono state riprodotte le esatte condizioni osservate nei cuscinetti interessati dal cedimento, che sono stati quindi sottoposti a test di laboratorio, comprese analisi al microscopio ottico ed elettronico a scansione e metodi a ultrasuoni. Il cedimento del cuscinetto indotto in condizioni controllate ha aiutato SKF a identificare gli esatti meccanismi di cedimento, consentendo di trovare soluzioni più precise e mirate per ciascun problema.

    SKF ha sistematicamente riprodotto le condizioni di esercizio critiche su un banco di prova per ogni specifica causa di danneggiamento. In questo modo, è stato possibile determinare, senza margine di errore, quali condizioni specifiche avevano causato le WEC e dimostrare il legame tra le cricche e, ad esempio, le sollecitazioni strutturali. Il progetto ha permesso a SKF di chiarire il ruolo delle WEC in relazione alla fatica da contatto di rotolamento standard dei cuscinetti e la fatica accelerata (sfaldatura accelerata dei cuscinetti).

    Nel caso della fatica da contatto di rotolamento, e in assenza di cedimenti prematuri, le WEC sono causate tipicamente da sollecitazioni e carichi ciclici. Tuttavia, le WEC si riscontrano più diffusamente in caso di fatica accelerata, che può essere attribuita a varie cause, come sollecitazioni più elevate, minore resistenza del materiale e/o una combinazione degli effetti di attrito e lubrificazione (Fig. 3

    Le WEC sono cricche nella microstruttura dell'acciaio dei cuscinetti. Sono dette bianche per la colorazione della microstruttura alterata di campioni di acciaio lucidati interessati dal fenomeno. Le aree interessate incorporano ferrite ultra fine, priva di carburi, cristallina a livello nanometrico, o ferrite con una distribuzione molto fine di particelle di carburi. Le aree di white etching (WEA) si sviluppano per amorfizzazione dovuta all'attrito sulle facciate delle cricche durante il rotolamento. Queste aree appaiono bianche al microscopio ottico, a causa della bassa risposta del materiale all’attacco. Le aree di white etching attorno alle cricche sono dal 10% al 50% più dure, rispetto alla microstruttura circostante e non interessata.

    Schema di classificazione
    SKF ha sviluppato uno schema per classificare i cedimenti dei cuscinetti che si basa su questo nuovo approccio (Fig. 2 Tale schema contribuisce a indicare una soluzione specifica basata su una diagnosi più accurata. Se il cedimento è stato causato, ad esempio, da problemi di lubrificazione o effetti tribochimici, SKF potrebbe consigliare l'impiego di cuscinetti con rivestimento all'ossido nero, noto come black oxide. Altri meccanismi di cedimento possono richiedere soluzioni che spaziano dai cuscinetti in acciaio inossidabile ad alta resistenza ai cuscinetti ibridi.

    Nel complesso, il progetto di ricerca ha ottenuto ampio consenso, con discordanze minori solo su alcuni dettagli. Tutti però concordano sul nocciolo della questione, ovvero che il fenomeno noto come 'white etching cracks' sia causato da meccanismi di cedimento di altra natura. Ma c'è ancora molto lavoro da fare: SKF, per ora, non ha riprodotto le condizioni in cui il cedimento dei cuscinetti è causato, ad esempio, dalle correnti elettriche e nei laboratori dell'azienda sono in corso esperimenti in tal senso.

    Soluzioni
    L'attenzione è stata spostata dalla ricerca di nuovi meccanismi di cedimento allo sviluppo di soluzioni ottimizzate. SKF intende condurre ulteriori attività di ricerca e sviluppo per definire le migliori combinazioni di materiali e trattamento termico, in grado di contrastare più efficacemente le diverse cause primarie di cedimento.

    Oltre a creare un elenco di cause che determinano i cedimenti, SKF ha sviluppato anche una serie di consigli generali basati su due categorie di fattori di indebolimento principali, ovvero ‘sollecitazioni più elevate’ e ‘minore resistenza del materiale’. Questi consigli consentono di evidenziare l'influenza di tali fattori sull'applicazione, come la disposizione di cuscinetti o il processo di progettazione, e sulle possibilità per aumentare ulteriormente la robustezza dei cuscinetti. Per scegliere l'opzione più efficace per evitare il cedimento prematuro è necessario valutare attentamente le condizioni specifiche dell'applicazione.

    Nelle impegnative applicazioni dei moltiplicatori delle turbine eoliche, i cuscinetti black-oxide di SKF (fig. 4) si sono dimostrati una soluzione robusta. Da oltre un decennio forniamo ingenti volumi di cuscinetti con rivestimento black oxide al settore eolico, che sono utilizzati nelle posizioni cuscinetto più critiche delle applicazioni di tutti i maggiori produttori di moltiplicatori e il tasso di cedimento documentato è moto basso, < 50ppm su oltre 260.000 cuscinetti operativi. 

    La maggiore robustezza assicurata dal rivestimento black-oxide si ottiene grazie alla combinazione esclusiva di proprietà in grado di sopportare le condizioni di esercizio più estreme dei moltiplicatori. Test di laboratorio hanno dimostrato che si possono ottenere prestazioni migliori in condizioni di scarsa lubrificazione e forti strisciamenti, poiché il trattamento assicura una migliore adesione del lubrificante e una maggiore resistenza alla smerigliatura. Inoltre, si possono limitare i rischi di ruggine da contatto, micro-pitting e cricche. I cuscinetti black oxide sono anche maggiormente resistenti alla corrosione e ai prodotti chimici, quindi consentono di ridurre gli effetti negativi di umidità e ingredienti oleosi aggressivi. Contribuiscono anche a migliorare le prestazioni in presenza di attrito e a ridurre l'usura, soprattutto nelle condizioni di attrito misto tipiche dei moltiplicatori del settore eolico. Le ispezioni sui cuscinetti attualmente in funzione hanno dimostrato che, in condizioni di lubrificazione adeguata, lo strato di ossido nero è ancora pressoché intatto dopo molti anni di esercizio, anche nella sezione a bassa velocità. (fig. 5)

    I cedimenti prematuri dei cuscinetti presentano caratteristiche univoche e le potenziali cause per la sfaldatura prematura sono molteplici. Non esiste una singola causa originaria valida a livello universale e ogni caso di cedimento deve essere analizzato considerando le condizioni di esercizio specifiche. Per contribuire ad assicurare diagnosi più accurate e una soluzione più rapida del problema, è necessario comprendere questo concetto e passare ad un approccio che non si limiti a identificare il fenomeno delle 'withe etching cracks' come causa del cedimento.

    Per ulteriori informazioni, si prega di contattare:
    ® Capo ufficio stampa : Giampaolo Desderi, +39 011 9852510; giampaolo.desderi@skf.com

    La missione di SKF è consolidarsi come leader indiscusso nel mercato dei cuscinetti SKF offre soluzioni per alberi rotanti, tra cui cuscinetti, tenute, sistemi e servizi di di lubrificazione, condition monitoring e manutenzione. SKF è presente in oltre 130 paesi e vanta circa 17.000 punti di distribuzione in tutto il mondo. Le vendite del Gruppo per l'anno 2018 sono state pari a 85.713 milioni di corone svedesi. I dipendenti erano 44.428. www.skf.com

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