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Cuscinetti - 2015-05-21

BNEQARTET

Ridurre l’attrito e prolungare la vita operativa sono due obiettivi prioritari dello sviluppo di cuscinetti. NSK risponde a entrambe le esigenze con la nuova tecnologia BNEQARTET. Sviluppata originariamente per i cuscinetti destinati a impieghi gravosi nelle lavatrici, questa tecnologia si presta anche a svariate applicazioni industriali.

Lo sviluppo di cuscinetti persegue diversi obiettivi, alcuni dei quali contrastanti. Gli utenti chiedono ad esempio cuscinetti compatti con una resistenza elevata e una lunghissima durata. I cuscinetti devono essere insensibili alla presenza di sporcizia (o impedirne l’infiltrazione), mentre la riduzione dell’attrito è una voce sempre più ricorrente nella “lista dei desideri” dei progettisti di macchine e impianti.

Requisiti specifici per ogni settore
L’equilibrio fra i vari obiettivi varia a seconda del campo di applicazione del cuscinetto. La durata è in cima alla lista di priorità del settore eolico, dove gli operatori chiedono e si aspettano di avere 180.000 ore di servizio senza alcuna manutenzione. I cuscinetti a basso attrito sono sempre più diffusi nei motori elettrici e nell’industria automobilistica. Nell’industria siderurgica i cuscinetti devono sopportare carichi meccanici elevati, mentre nelle macchine alimentari è richiesta una lunga durata anche in presenza di frequenti lavaggi e, quindi, di un ambiente molto umido.
NSK ha sviluppato materiali, tecnologie, progetti e serie di cuscinetti dedicati per ciascuno dei settori sopracitati. Spesso vi sono importanti sinergie fra i vari campi di applicazione. Per questo motivo è utile che gli utilizzatori seguano gli sviluppi in altri settori, ad esempio nel campo degli elettrodomestici e, precisamente, delle lavatrici.

La sfida: carico elevato su un solo lato
Una delle tendenze in questo settore è l’aumento della capacità di lavaggio e, quindi, del diametro del cestello. Si possono lavare fino a 9 kg di tessuti (asciutti), con un incremento dei carichi che gravano sui cuscinetti di supporto dell’albero.
Una sfida impegnativa per gli sviluppatori di cuscinetti, soprattutto per le lavatrici a carica frontale molto diffuse in Europa. In questi modelli, infatti, il peso del cestello grava interamente su un lato, pertanto i cuscinetti sono soggetti a carichi elevati. La situazione viene aggravata dallo sbilanciamento della massa rotante, che sottopone il cuscinetto a pesanti sollecitazioni.
I progettisti non possono risolvere il problema di carichi più gravosi semplicemente installando cuscinetti più grandi, per ovvi limiti di costi e ingombri. Inoltre, cuscinetti più grandi genererebbero un attrito più elevato, aumentando di conseguenza i consumi energetici. Questa condizione è però inaccettabile, perché gli elettrodomestici vengono classificati in base all’efficienza energetica e i consumi ridotti sono uno dei criteri fondamentali per gli apparecchi di alta qualità.

Premessa: sviluppare un materiale ottimizzato
In linea teorica esistono diversi approcci per ottimizzare questo tipo di cuscinetti. I progettisti possono sviluppare un nuovo materiale, ottimizzare la geometria interna del cuscinetto o modificarne le prestazioni scegliendo un lubrificante specifico.
Avendo già lavorato alla geometria interna e alla lubrificazione, i tecnici di NSK si sono dedicati al miglioramento del materiale. L’obiettivo primario era migliorare la lega di un acciaio speciale già sviluppato da NSK, allo scopo di prevenire la comparsa, e soprattutto la propagazione, di cricche e indentature nel materiale. Particolare attenzione è stata prestata alla resistenza a fatica per carichi da rotolamento, con riferimento a difetti profondi nella microstruttura che potrebbero causare uno sfaldamento della superficie.
Questo studio ha portato allo sviluppo dei cuscinetti BNEQARTET. Confrontando la durata dei cuscinetti standard e quella dei nuovi cuscinetti, si può apprezzare l’efficacia del lavoro di sviluppo degli ingegneri di NSK: la durata utile (L10) è stata più che raddoppiata.

Lunga durata anche in condizioni di esercizio avverse
Anche in condizioni operative avverse, i cuscinetti BNEQARTET assicurano una durata molto più lunga. Miglioramenti significativi sono stati ottenuti nei test in ambienti sporchi, con prove mirate a provocare lo sfaldamento della superficie delle piste di rotolamento dei cuscinetti.
I nuovi cuscinetti si sono dimostrati più resistenti alla contaminazione. Questo aspetto è importante perché l’infiltrazione di sostanze contaminanti non può essere evitata completamente, per quanta cura gli operatori possano prestare alla pulizia in produzione.
Considerazioni analoghe valgono per l’utilizzo dei cuscinetti in ambienti con temperature elevate. In prove effettuate a 150°C, i cuscinetti BNEQARTET hanno dimostrato di avere una durata di 1,5 volte superiore ai cuscinetti standard.

Obiettivo dello sviluppo: resistenza all’idrogeno
Un altro fattore importante per lo sviluppo di cuscinetti a lunga durata è la resistenza o insensibilità dell'acciaio all'idrogeno: anche a temperatura ambiente, infatti, le molecole di idrogeno possono penetrare a fondo nel materiale e aumentarne la fragilità. Di conseguenza si possono verificare danni ai cuscinetti, come lo sfaldamento strutturale (un problema ricorrente nel settore eolico) e cedimenti prematuri. Questo problemi si verifica spesso, ma non solo, quando il cuscinetto viene impiegato in ambienti umidi.
L’insensibilità del cuscinetto all’idrogeno può essere verificata con un test di carico all’idrogeno, nel quale un campione di materiale viene caricato di idrogeno e sottoposto a un carico di spinta assiale. Questa prova mostra come i cuscinetti BNEQARTET abbiano una durata quasi doppia rispetto ai cuscinetti standard nelle stesse condizioni operative.

Lega ottimizzata, materiale ad alta purezza
I miglioramenti illustrati sono stati ottenuti principalmente con una lega ottimizzata che consente, fra l’altro, di inibire la propagazione delle cricche. La composizione chimica dell’acciaio è stata selezionata in modo da prevenire la comparsa e soprattutto la propagazione delle cricche.
È stato inoltre utilizzato un acciaio particolarmente puro per ridurre al minimo la presenza di irregolarità nella microstruttura profonda.

Cuscinetti compatti, basso attrito
Le migliorie progettuali mirate al prolungamento della durata hanno effetti positivi anche in termini di attrito e, quindi, di efficienza energetica. L’utente non è costretto a installare un cuscinetto più grande (accettando quindi una minore efficienza energetica) per raddoppiare la durata del cuscinetto. Oppure può utilizzare un cuscinetto più piccolo, e quindi più efficiente, qualora l'applicazione non richieda di raddoppiare la durata del cuscinetto.

Applicazioni ad ampio spettro
Grazie a queste proprietà, i cuscinetti BNEQARTET, disponibili nella configurazione di cuscinetti radiali rigidi a sfere, sono ideali per il supporto del cestello della lavatrice. Inoltre, laddove il progettista di una macchina o un impianto voglia evitare la fatica da carico di rotolamento e/o danni di superficie dovuti a contaminazione, prolungando in tal modo la durata del cuscinetto, la tecnologia BNEQARTET assicura miglioramenti significativi.

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