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Cuscinetti - 2015-01-08

Cuscinetti Rotore Principale

Uno degli obbiettivi dello sviluppo di cuscinetti volventi per turbine eoliche è aumentare la resistenza a fenomeni di danneggiamento al fine di aumentare la durata del cuscinetto stesso. Sono stati raggiunti progressi notevoli a tal proposito. Inoltre, i produttori stanno ampliando la propria gamma di soluzioni.

Il settore eolico è un ambito particolarmente esigente per i cuscinetti volventi. Alcuni dei cuscinetti sono molto grandi, sono soggetti a carichi dinamici molto elevati, e le condizioni ambientali sono altamente dannose per la precisione dei componenti per tecnologie di azionamento.

In queste circostanze, dove l’accesso ai cuscinetti risulta estremamente difficoltoso, raggiungere una durata di sistema pari a 175.000 ore o vent'anni costituisce una grande sfida per i produttori di cuscinetti volventi. La situazione è resa ancor più difficile da danneggiamenti specifici, contro i quali è necessario prendere misure preventive.

Ampliamento delle attività per i cuscinetti per rotori principali
Un progetto centrale che riguarda l’attività NSK per il settore eolico è la diffusione dei cuscinetti usati sul rotore principale. Questi cuscinetti devono soddisfare requisiti estremamente elevati. Per questo motivo, è richiesto un intenso lavoro di ricerca e sviluppo. NSK può affidarsi alla propria conoscenza nello sviluppo di cuscinetti volventi per turbine eoliche e all'esperienza acquisita attraverso casi reali.

Con l’ampliamento della gamma di prodotti che coinvolge anche cuscinetti di grandi dimensioni, NSK estende la propria offerta consolidata di cuscinetti per trasmissioni e può offrire soluzioni per tutti i cuscinetti di una turbina eolica, dove vengono generalmente installati da 20 a 30 cuscinetti. Un pesante cuscinetto radiale orientabile a rulli (400 kg) per un cuscinetto di rotore principale  è stato presentato in occasione della Wind Energy Trade Fair 2014, Amburgo, Germania.

Crescita di mercato, crescita della quota di mercato
NSK è uno dei principali produttori internazionali nel campo dei cuscinetti per turbine eoliche e prevede un’ulteriore crescita dei numeri di produzione e della quota di mercato nei prossimi anni. La crescita del mercato contribuirà a questa tendenza: nel 2013, sono stati installati in tutto il mondo sistemi con una resa totale di 36 gigawatt (GW); per quanto riguarda il 2014, si hanno stime per un totale di 50 GW, con un valore di 311 GW nel 2013.
Inoltre, NSK sta anche pianificando un aumento notevole della quota di mercato nel settore eolico. La gamma di prodotti sviluppata di recente e presentata da NSK in occasione di Wind Energy Hamburg 2014 ha concretizzato tale aspettativa.

Cuscinetti integrati per ruote satellite
I cuscinetti a rulli conici a doppia corona in disposizione dorso a dorso costituiscono una nuova soluzione progettata per un design integrato e possono essere utilizzati nelle ruote satellite degli ingranaggi delle turbine eoliche. Questi cuscinetti vengono prodotti con un anello esterno e vengono integrati direttamente sulle ruote satellite degli ingranaggi. Finora, erano disponibili cuscinetti radiali a rulli cilindrici a corona multipla; adesso la serie di cuscinetti per turbine verrà estesa e comprenderà anche cuscinetti a rulli conici.

Competenza chiave: ingegneria dei materiali
Le competenze più importanti di NSK comprendono lo sviluppo dei materiali. I materiali sono disponibili con composizioni e proprietà che sono state ottimizzate appositamente per ambienti, condizioni di esercizio e requisiti specifici tra cui: temperature di esercizio, carichi meccanici elevati, umidità e particelle che penetrano all’interno del cuscinetto. Gli acciai speciali WTF e STF sviluppati da NSK sono due esempi. I cuscinetti volventi realizzati con questi materiali garantiscono una durata molto più estesa rispetto ai cuscinetti prodotti con acciai standard.  Questo vale anche per la tecnologia eolica che definisce requisiti estremi in termini di durata del cuscinetto, per via di condizioni complicate di manutenzione. L’obbiettivo è una durata di esercizio di venti anni. Ciò che è necessario considerare sono le condizioni ambientali estremamente rigide e gli elevati carichi dinamici a cui i cuscinetti sono esposti.

Misure contro lo sfaldamento strutturale (White Structure Flaking)
Negli ultimi anni, NSK ha dedicato molte energie per risolvere il problema dello sfaldamento strutturale (White Structure Flaking – WSF), un fenomeno molto discusso nel settore. Lo sfaldamento WSF si verifica attraverso cambiamenti strutturali al di sotto delle superfici delle piste di rotolamento, un fenomeno che indebolisce il materiale e che può provocare cricche o sfaldamenti. La caratteristica di questa situazione particolare è che può insorgere relativamente presto nel ciclo di vita di una turbina eolica.
Le cause del WSF non sono completamente note, tuttavia, in molti anni di attività nel settore automobilistico, NSK aveva già osservato danni simili ai cuscinetti degli alternatori dei veicoli per passeggeri. In questo caso NSK aveva già notato che la corrente elettrica esercitava un’influenza sul fenomeno e, per questo, era riuscita a sviluppare misure risolutive di successo. In seguito, sono state riscontrate altre cause per il settore eolico, in particolare l'introduzione dell'idrogeno attraverso il lubrificante e lo scorrimento e lo scivolamento delle superfici di contatto.
Già da molto tempo, NSK ha fornito soluzioni per cuscinetti per turbine eoliche al fine di ridurre questo tipo di danno - ad esempio pisti di rotolamento con rivestimento con brunitura (BOC) e materiali STF con superfici sottoposte a carbonitrurazione.

Nuovo materiale per il settore eolico
Gli ingegneri del reparto di Ricerca e Sviluppo di NSK in Giappone sono riusciti a sviluppare una simulazione molto precisa del fenomeno WSF. I risultati dello studio hanno contribuito allo sviluppo di nuovi materiali. Il risultato del lavoro di ricerca è un nuovo materiale con una resistenza estremamente elevata al fenomeno WSF, presentato in occasione della fiera Wind Energy utilizzando, come esempio, un cuscinetto radiale a rulli cilindrici.
Si tratta di una nuova soluzione offerta da NSK per evitare i cedimenti prematuri causati da tale fenomeno. Nei test di laboratorio è stato scoperto che la resistenza del nuovo materiale allo sfaldamento strutturale (White Structure Flaking) aumenta di un fattori pari a sette (rispetto all’acciaio per cuscinetti standard). Inoltre, in condizioni di usura normali, ad esempio con sfaldamento sulle piste dovute a cambiamenti strutturali direttamente sulla superficie, i cuscinetti garantiscono una durata notevolmente superiore. Simulando un’infiltrazione di particelle nel cuscinetto attraverso il lubrificante, la durata del cuscinetto è tre volte superiore rispetto all’acciaio standard per cuscinetti.
Grazie a queste proprietà, i cuscinetti realizzati con questo materiali non sono solo indicati per un utilizzo su turbine eoliche, ma anche su riduttori di sistemi di grandi dimensioni utilizzati nel settore siderurgico o in industrie primarie, così come su impianti edili di grossa portata.

Cuscinetti radiali a rulli cilindrici a tripla corona

Una tendenza crescente nel campo eolico è rappresentata dai cuscinetti integrati senza anelli esterni per ingranaggi epicicloidali. 
L’immagine mostra un cuscinetto radiale a rulli cilindrici a tripla corona, in configurazione integrata. 

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