Attrito e usura
Il termine “usura” si riferisce generalmente al deterioramento, ma quando si discutono i principi tribologici in relazione ai cuscinetti, si riferisce alla perdita di materiale sulle superfici dei cuscinetti. L’usura è un risultato inevitabile dell’uso, causato dal carico, dalla velocità e da altre condizioni operative che subiscono il cuscinetto. La durata di un cuscinetto lineare, sia di tipo a ricircolo che di tipo liscio , è determinata dalla quantità di usura sulle superfici del cuscinetto.
Le interferenze tra le due superfici sono una delle principali cause di usura dei cuscinetti lineari.
Credito immagine: cuscinetti e boccole GGB
La causa principale dell’usura nelle applicazioni dei cuscinetti è l’attrito. Sebbene i cuscinetti siano progettati e realizzati per avere superfici estremamente lisce, non importa quanto bene le superfici siano rifinite e lucidate, avranno inevitabilmente microstrutture (dette anche asperità), o punti “ruvidi”, dove il materiale si immerge e sporge, molto come le vette e le valli di una catena montuosa.
Quando due superfici di appoggio, ad esempio una pista e una sfera, si muovono l’una accanto all’altra, i “picchi” su ciascuna superficie entrano in collisione. Questo non solo crea attrito quando le superfici interferiscono, ma i picchi possono anche rompersi e rilasciarsi sotto forma di particolato che abrasa le superfici del cuscinetto (attraverso l’attrito), causando un cedimento prematuro per fatica .
Separando la pista del cuscinetto dall’elemento volvente o scorrevole (sfera, rullo o superficie del cuscinetto liscio), la lubrificazione riduce l’attrito tra le superfici, il che riduce l’usura e riduce la quantità di calore generato. La lubrificazione inibisce anche la corrosione delle superfici dei cuscinetti e le protegge dalla contaminazione.
Tribologia visualizzata: la curva di Stribeck
Diversi livelli di lubrificazione si sviluppano tra le superfici dei cuscinetti, in base alla viscosità del lubrificante, alla pressione tra le superfici e alla velocità del cuscinetto. Lo sviluppo della pellicola di lubrificazione e la variazione dell’attrito sono mostrati su una curva di Stribeck
Quando un cuscinetto è fermo, la lubrificazione viene essenzialmente eliminata dallo spazio (o dalla sua mancanza) tra le superfici. L’attrito è elevato in questa fase, a causa dell’interazione tra le due superfici. Questo è indicato come lubrificazione limite o attrito limite.
Quando il cuscinetto inizia a muoversi, la lubrificazione viene trascinata nello spazio tra le superfici. La pressione tra le superfici fa aumentare la viscosità della lubrificazione e uno strato sottile di lubrificazione si sviluppa tra il cuscinetto e la pista. In alcuni punti, lo strato lubrificante separa le due superfici, ma in altri punti i “picchi” delle due superfici di appoggio continuano a entrare in contatto. L’attrito è ridotto, ma non è ancora minimizzato. Questo è indicato come lubrificazione mista o attrito misto.
Quando la velocità aumenta a sufficienza, lo strato lubrificante separa completamente le superfici dei cuscinetti. In questa fase di funzionamento, l’attrito è causato dal taglio della lubrificazione piuttosto che da interferenze superficiali. Questo è indicato come elastoidrodinamica lubrificazione o attrito elastohyrdrodynamic.
Opzioni di lubrificazione per cuscinetti lineari
I cuscinetti sono generalmente lubrificati con olio o grasso . Il grasso aderisce meglio alle superfici e dura più a lungo dell’olio, rendendo il grasso la scelta più comune per i cuscinetti a rotolamento, come i cuscinetti a ricircolo di sfere ea rulli. E a causa dell’influenza della velocità sullo sviluppo del film lubrificante, le applicazioni a bassa velocità in genere richiedono grasso poiché fornisce una migliore protezione nelle condizioni di lubrificazione limite e di lubrificazione mista, prevalenti a basse velocità.
L’olio, d’altra parte, dissipa il calore meglio del grasso, rendendolo migliore per le applicazioni ad alta velocità dove la generazione di calore è particolarmente problematica. L’olio può anche circolare attraverso un sistema di lubrificazione esterno che raffredda l’olio e filtra eventuali detriti. Inoltre scorre più facilmente, migliorando la lubrificazione di strutture e superfici complesse. Ma a causa della sua bassa viscosità , potrebbe non essere una scelta adatta per le superfici verticali, a causa della sua tendenza a raggrupparsi nello spazio disponibile più basso. Una nebbia d’olio può risolvere questo problema ma aggiunge costi e complessità al sistema di cuscinetti.
I cuscinetti a strisciamento sono spesso realizzati (o impregnati con) materiali autolubrificanti, come PTFE (Teflon), Delrin o nylon. Ma il rilascio di lubrificazione da questi materiali non è coerente. E il contatto scorrevole tra le superfici dei cuscinetti lisci produce attrito e calore significativi. Pertanto, sebbene sia possibile far funzionare alcuni cuscinetti a strisciamento senza lubrificazione, l’uso della lubrificazione esterna può essere vantaggioso, anche per cuscinetti che utilizzano materiali autolubrificanti, specialmente quando l’applicazione comporta carichi elevati o velocità elevate.
Si noti che una corretta lubrificazione richiede non solo l’utilizzo del giusto tipo di lubrificazione per il cuscinetto e le sue condizioni operative, ma anche l’utilizzo della giusta quantità di lubrificante. Troppo lubrificante può effettivamente aumentare l’attrito e il calore nel cuscinetto e tende a intrappolare il particolato che può danneggiare le superfici del cuscinetto.