Qual è la causa numero uno di guasto dei cuscinetti?

La causa numero uno di Cuscinetto Il guasto è legato alla lubrificazione

Se vuoi una risposta diretta: una lubrificazione inadeguata o impropria è la principale causa di cedimento dei cuscinetti, responsabile, secondo le stime, di una percentuale compresa tra il 36% e il 54% di tutti i cedimenti prematuri dei cuscinetti , a seconda del settore e dell'applicazione. Alcuni studi condotti dai principali produttori di cuscinetti, tra cui SKF e NSK, collocano la cifra ancora più alta se si considerano i casi di contaminazione che sono essi stessi radicati in errori di gestione della lubrificazione.

I cuscinetti sono componenti progettati con precisione. Gli elementi volventi, le piste e le gabbie operano sotto enormi sollecitazioni, spesso a velocità e temperature elevate. Senza il corretto film lubrificante che separa le superfici metalliche, si verifica un contatto diretto, che porta a rapida usura, generazione di calore, affaticamento superficiale e, in definitiva, guasti catastrofici. La fisica è semplice: il metallo su metallo ad alta velocità genera calore, il calore degrada il materiale e il materiale degradato si rompe.

Detto questo, i cedimenti dei cuscinetti sono raramente causati da un singolo fattore isolato. I problemi di lubrificazione spesso innescano o accelerano altre modalità di guasto. Comprendere l’intero spettro delle cause – e il modo in cui interagiscono – è essenziale per chiunque gestisca apparecchiature rotanti, sia in uno stabilimento di produzione, in una turbina eolica, in una trasmissione automobilistica o in una linea di lavorazione alimentare.

Perché la mancata lubrificazione domina le statistiche sui danni ai cuscinetti

La mancata lubrificazione non è semplicemente una questione di esaurimento del grasso o dell’olio. Comprende una vasta gamma di condizioni che impediscono al lubrificante di svolgere il proprio lavoro. Ognuna di queste condizioni produce modelli di danno distinti sulle superfici dei cuscinetti.

Volume di lubrificazione insufficiente

Quando un cuscinetto non riceve abbastanza lubrificante, la pellicola elastoidrodinamica che separa gli elementi volventi dalle piste diventa troppo sottile per impedire il contatto metallo-metallo. Ciò si traduce in usura adesiva, sbavature e picchi di calore localizzati. Nei motori elettrici che funzionano a 1.500 giri/min o oltre, le superfici metalliche possono raggiungere temperature distruttive in pochi minuti di carenza di lubrificante.

Tipo di lubrificante o viscosità errati

Utilizzare un lubrificante con un grado di viscosità errato per la velocità e la temperatura di applicazione è uno degli errori di manutenzione più comuni. Un lubrificante troppo fluido non può mantenere un film adeguato sotto carico; uno troppo spesso genera calore eccessivo agitando e trascinando. Per i cuscinetti dei mandrini ad alta velocità, ad esempio, l'utilizzo di un grasso standard NLGI 2 invece di un olio a bassa viscosità o di un grasso NLGI 1 aumenta notevolmente la temperatura operativa e riduce la durata dei cuscinetti.

Ingrassaggio eccessivo

Controintuitivamente, anche troppo lubrificante è un problema significativo. I cuscinetti eccessivamente lubrificati sono soggetti a temperature interne elevate a causa dello sbattimento, che distrugge l'olio base del grasso e l'addensante, causando perdite e indurimento. L’eccessivo ingrassaggio è responsabile di una quota sostanziale dei guasti ai cuscinetti nei motori elettrici , dove i tecnici spesso applicano il grasso senza eliminare il vecchio materiale, aggravando il problema nel tempo.

Degradazione del lubrificante

Grasso e olio hanno una durata limitata. I cicli termici, l'ossidazione, l'ingresso di acqua e i tagli meccanici degradano le prestazioni del lubrificante nel tempo. Un grasso testato perfettamente al momento della messa in servizio potrebbe aver perso gran parte della sua capacità protettiva dopo 4.000-8.000 ore di servizio, a seconda delle condizioni operative. Molti intervalli di manutenzione sono impostati in base al calendario piuttosto che alle condizioni effettive, portando i cuscinetti a funzionare con il lubrificante esaurito ben oltre la loro durata effettiva.

La ripartizione completa: principali cause di cedimento dei cuscinetti in percentuale

Diverse fonti classificano le cause dei cedimenti dei cuscinetti in modi leggermente diversi, ma i principali fattori che contribuiscono sono coerenti in tutti gli studi di settore. La tabella seguente riflette i dati raccolti dalla ricerca pubblicata dai produttori di cuscinetti e dalle organizzazioni di ingegneria dell'affidabilità.

Queste cifre variano a seconda del settore. Nelle acciaierie e nelle miniere, la contaminazione gioca un ruolo più importante a causa della dura esposizione ambientale. Nella lavorazione farmaceutica e alimentare, l'ingresso di acqua e i processi di pulizia aggressivi sono più importanti. Nelle turbine eoliche, il passaggio di corrente elettrica attraverso i cuscinetti – una modalità di guasto unica per gli azionamenti a velocità variabile – è sempre più significativo. Comprendere i fattori di errore specifici della tua applicazione è più importante che seguire ciecamente le indicazioni della media del settore.

Contaminazione: la seconda forza più distruttiva che agisce sui cuscinetti

La contaminazione è la presenza di qualsiasi materiale estraneo (particelle solide, acqua, prodotti chimici di processo) all'interno del cuscinetto. Anche le particelle invisibili ad occhio nudo possono causare danni significativi. Una particella di acciaio di soli 10 micron di dimensione (più piccola di un capello umano a circa 70 micron) è abbastanza grande da creare un aumento di sollecitazione sulla superficie di una pista quando viene fatta rotolare da una sfera o da un rullo del cuscinetto.

Contaminazione da particelle solide

Sporco, detriti metallici e particelle di lavorazione che penetrano nell'alloggiamento del cuscinetto causano usura abrasiva e vaiolatura della superficie. Nei sistemi idraulici, il mantenimento della pulizia dell'olio secondo ISO 4406 Codice 16/14/11 o superiore può prolungare la durata dei cuscinetti e dei componenti di diverse volte rispetto al funzionamento con Codice 20/18/15. La differenza tra un sistema di lubrificazione pulito e uno contaminato è spesso la differenza tra una durata dei cuscinetti di 20.000 ore e una di 5.000 ore.

Contaminazione dell'acqua

L'acqua è particolarmente distruttiva. Secondo una ricerca pubblicata nella letteratura tribologica, anche solo lo 0,1% di acqua in un lubrificante per cuscinetti può ridurre la durata a fatica del cuscinetto fino al 48%. L'acqua provoca l'infragilimento da idrogeno dell'acciaio dei cuscinetti, favorisce la corrosione delle piste e degli elementi volventi e degrada la capacità di filmazione del lubrificante. La condensa durante il ciclo termico (apparecchiatura che si riscalda durante il funzionamento e si raffredda durante la notte) è un percorso frequente di ingresso di umidità nei cuscinetti sigillati.

Contaminazione chimica

Negli impianti chimici e di trasformazione alimentare, i detergenti aggressivi e i fluidi di processo possono oltrepassare le guarnizioni e attaccare direttamente l'acciaio dei cuscinetti. Anche gli acidi deboli o i composti alcalini alterano la chimica della superficie delle piste, creando micro-vaiolature che progrediscono fino alla scheggiatura. In questi ambienti è fondamentale selezionare cuscinetti con design delle tenute adeguati e lubrificanti chimicamente compatibili.

Installazione non corretta: una causa di guasto dei cuscinetti completamente prevenibile

Gli errori di montaggio rappresentano una percentuale significativa dei cedimenti prematuri dei cuscinetti: le stime lo collocano tra il 16% e il 21% di tutti i casi. Ciò che rende tutto ciò particolarmente frustrante è che i danni di installazione si verificano prima che il cuscinetto abbia compiuto un singolo giro di servizio. Un cuscinetto installato correttamente con il giusto lubrificante, funzionante in un sistema ben allineato, raggiungerà o supererà la sua durata nominale L10. Un cuscinetto che è stato piantato con un martello su un albero non lo farà.

Forza applicata attraverso l'anello sbagliato

Uno degli errori di installazione più comuni è l'applicazione della forza di inserimento attraverso l'anello del cuscinetto sbagliato. Quando si preme un cuscinetto a sfere a gola profonda su un albero, la forza deve essere applicata solo all'anello interno, ovvero all'anello montato a pressione. La forza motrice attraverso le sfere e l'anello esterno provoca la brinellatura: rientranze permanenti nelle piste in ciascuna posizione delle sfere. Il cuscinetto può apparire integro esternamente, ma le sue superfici delle piste sono già contrassegnate e genererà rumore e si guasterà prematuramente fin dalla prima rotazione.

Adattamenti errati di albero e alloggiamento

I cuscinetti sono progettati per essere montati con specifici accoppiamenti con interferenza su alberi e alloggiamenti. Un albero sottodimensionato consente all'anello interno del cuscinetto di spostarsi o ruotare: l'anello ruota rispetto all'albero, generando un intenso calore da attrito e infine saldandosi o grippandosi. Un foro dell'alloggiamento troppo stretto può distorcere l'anello esterno, riducendo il gioco interno e provocando il surriscaldamento e il precarico del cuscinetto anche a temperatura ambiente.

Disallineamento durante il montaggio

Il disallineamento angolare tra la linea centrale dell'albero e il foro del cuscinetto, anche pochi decimi di grado oltre la tolleranza di disallineamento progettata del cuscinetto, crea una distribuzione non uniforme del carico sugli elementi volventi. I cuscinetti a rulli cilindrici e conici sono particolarmente sensibili al disallineamento. Far funzionare un cuscinetto a rulli cilindrici con un disallineamento di soli 0,05° oltre la sua tolleranza può ridurne la durata calcolata del 50% o più.

Fatica da contatto volvente: la fine naturale della vita dei cuscinetti

La fatica da contatto volvente è l'unica modalità di guasto del cuscinetto che non è causata da errori di manutenzione o di progettazione: è il meccanismo di fine vita previsto per un cuscinetto che è stato installato correttamente, adeguatamente lubrificato e utilizzato entro i parametri di carico e velocità nominali. La misura standard della durata dei cuscinetti, la durata L10, è definita come il numero di giri (o ore di funzionamento a una determinata velocità) che il 90% di un gruppo di cuscinetti identici completerà prima di sviluppare scheggiature per fatica.

Il danno da fatica inizia come crepe nel sottosuolo innescate da sollecitazioni di taglio cicliche al di sotto della zona di contatto. Nel corso di milioni di cicli di sollecitazione, queste crepe si propagano verso la superficie e alla fine causano la rottura del materiale, un processo chiamato scheggiatura. Le piste scheggiate hanno un caratteristico aspetto ruvido e scaglioso con bordi chiaramente definiti. Un cuscinetto adeguatamente mantenuto che raggiunge la fatica da scheggiatura è in realtà un successo di manutenzione — significa che il cuscinetto ha raggiunto la sua durata prevista anziché cedere prematuramente per cause evitabili.

In pratica, la percentuale di cuscinetti che raggiungono la reale durata a fatica è relativamente piccola. La maggior parte viene sostituita a causa del rumore, delle vibrazioni, dell'aumento della temperatura o degli intervalli di manutenzione pianificati prima dell'inizio della scheggiatura. Quando il cedimento per fatica si verifica prematuramente, prima della durata L10 calcolata, è spesso un segno di sovraccarico, difetti dei materiali o dell'effetto cumulativo delle condizioni marginali di lubrificazione nel tempo.

Erosione elettrica nei cuscinetti: un problema crescente nelle apparecchiature moderne

L’erosione elettrica, chiamata anche danno da elettroerosione o elettroerosione (EDM), è cresciuta in modo significativo come causa di guasto con l’adozione diffusa di azionamenti a frequenza variabile (VFD) nei motori elettrici. I VFD introducono impulsi di tensione ad alta frequenza che possono indurre correnti d'albero. Quando queste correnti si scaricano attraverso il cuscinetto, creano microscopici crateri ad arco sulle piste e sulle superfici degli elementi volventi.

Il tipo di danno è caratteristico: le piste sviluppano un aspetto smerigliato o scanalato, con ondulazioni regolari che corrono circonferenzialmente attorno all'anello. Questo modello di scanalatura è un indicatore diagnostico affidabile dell'erosione elettrica. Nei motori azionati da VFD senza un'adeguata messa a terra dell'albero o cuscinetti isolati, l'erosione elettrica può distruggere un cuscinetto in soli 3-6 mesi , anche se lubrificazione e installazione sono perfette.

Le soluzioni includono anelli di messa a terra dell'albero, alloggiamenti dei cuscinetti isolati o anelli interni o cuscinetti ibridi in ceramica con elementi volventi in nitruro di silicio elettricamente non conduttivi. La scelta della contromisura appropriata dipende dalle dimensioni del motore, dalla configurazione del VFD e dalle disposizioni di messa a terra del sistema.

Come identificare a posteriori la causa del guasto di un cuscinetto

I cuscinetti guasti portano prove diagnostiche sulle loro superfici se esaminati attentamente prima dello smaltimento. L’analisi dei cedimenti dei cuscinetti – a volte chiamata frattografia quando si esaminano le superfici di frattura dei metalli – è un processo strutturato che abbina i modelli di danno osservati alle modalità di cedimenti note. La maggior parte dei produttori di cuscinetti offre guide sull'analisi dei guasti e servizi di laboratorio a questo scopo.

• Usura lucida e regolare su corpi volventi e piste con striature: carenza di lubrificante o viscosità errata
• Rientranze equidistanti alla spaziatura del passo delle sfere o dei rulli: brinellatura dovuta a installazione non corretta o carico d'urto
• Superficie ruvida e bucherellata con particelle incastonate: contaminazione abrasiva
• Colorazione rosso-marrone e vaiolatura da corrosione: Ingresso di acqua o contaminazione corrosiva
• Scanalatura circonferenziale sulla pista: erosione elettrica da correnti d'albero
• Scheggiatura con superficie ruvida, scagliata e bordi netti: fatica da contatto volvente (può essere normale al termine della vita utile o indotta da sovraccarico)
• Schema di carico unilaterale sulle piste: disallineamento o carico assiale in un cuscinetto solo radiale

Conservare i cuscinetti guasti in sacchetti di plastica sigillati immediatamente dopo la rimozione, prima della pulizia, preserva le condizioni del lubrificante e le tracce di detriti che possono andare perduti se il cuscinetto viene pulito o lavato. Scattare fotografie della posizione del cuscinetto installato, dei contrassegni dell'albero e delle condizioni del foro dell'alloggiamento prima della rimozione aggiunge un prezioso contesto per l'analisi.

Azioni pratiche per prevenire il cedimento prematuro dei cuscinetti

Dato che la maggior parte dei cedimenti dei cuscinetti sono prevenibili, un approccio strutturato di prevenzione mira alle modalità di cedimento più comuni in ordine di probabilità statistica.

Stabilire un programma di gestione della lubrificazione

Seleziona i lubrificanti in base al tipo di cuscinetto, al fattore di velocità (n × dm), all'intervallo di temperature di esercizio e all'esposizione ambientale, non in base a ciò che è già presente nel magazzino. Documentare il tipo, la quantità e l'intervallo di rilubrificazione corretti del lubrificante per ogni punto di lubrificazione dell'impianto. Utilizzare pistole per grasso calibrate anziché erogare al tatto; una pistola a cartuccia di grasso standard eroga circa 1,3 grammi per corsa, che è una base utile per calcolare i volumi. Ove possibile, implementare intervalli di rilubrificazione basati sulle condizioni utilizzando il monitoraggio a ultrasuoni o il campionamento del grasso per rilevare il degrado prima che si verifichi un guasto.

Migliorare le pratiche di installazione

Eliminare l'installazione del martello dei cuscinetti sugli alberi. Utilizzare strumenti di montaggio adeguati: riscaldatori a induzione per anelli interni montati con interferenza (il riscaldamento a 80°C–100°C è generalmente sufficiente e non influisce sulla metallurgia dell'acciaio dei cuscinetti), presse idrauliche con adattatori che applicano la forza solo all'anello da montare e strumenti di montaggio meccanici per cuscinetti di medie dimensioni. Verifica le dimensioni dell'albero e dell'alloggiamento con un micrometro calibrato prima dell'installazione: una fase di misurazione di 10 minuti evita mesi di indagini premature sui guasti.

Controllare la contaminazione alla fonte

Conservare i cuscinetti sostitutivi nella loro confezione originale in un'area pulita e asciutta, lontano da temperature estreme. Non aprire mai gli imballaggi dei cuscinetti fino al momento dell'installazione. Mantenere i contenitori del lubrificante sigillati e filtrati durante l'erogazione. Ispezionare e sostituire regolarmente le guarnizioni dell'alloggiamento: una guarnizione a labbro usurata che costa 2 dollari per la sostituzione può consentire una contaminazione che distrugge un cuscinetto da 500 dollari in pochi mesi. In ambienti con elevata esposizione al particolato, prendere in considerazione il passaggio dalle tenute a labbro singolo a quelle a doppio labbro o il passaggio a unità cuscinetto con tenute a labirinto per un'esclusione superiore.

Implementare il monitoraggio delle condizioni

L'analisi delle vibrazioni, il monitoraggio della temperatura, l'analisi dell'olio e il monitoraggio delle emissioni ultrasoniche forniscono ciascuno finestre diverse sulle condizioni dei cuscinetti. Un programma di vibrazione ben implementato che utilizza l'analisi dell'inviluppo o tecniche di risonanza ad alta frequenza può rilevare i difetti dei cuscinetti da 4 a 8 settimane prima che il guasto diventi critico, consentendo la sostituzione pianificata durante una finestra di manutenzione programmata anziché un arresto di emergenza. L'aumento della temperatura al di sopra dei normali livelli operativi è un segnale di allarme in fase avanzata: nel momento in cui un cuscinetto funziona da 10°C a 15°C al di sopra della sua linea di base storica, potrebbero già essere presenti danni significativi.

Verificare l'allineamento dopo l'installazione

L'allineamento dell'albero deve essere verificato con uno strumento di allineamento laser dopo ogni sostituzione dei cuscinetti su apparecchiature accoppiate. I metodi con comparatore sono accettabili per macchinari più piccoli. Tolleranze di allineamento target più strette rispetto alla capacità di disallineamento nominale del giunto: il giunto tollera il disallineamento residuo in condizioni di aumento termico operativo, non il disallineamento di routine derivante da un'installazione imprecisa. Un gruppo pompa-motore allineato con un offset parallelo di 0,05 mm e un'angolarità di 0,05 mm/100 mm durerà costantemente più di uno allineato con un margine di 0,2 mm.

Errori nella selezione dei cuscinetti che riducono la durata utile prima ancora che il cuscinetto sia installato

A volte il cedimento dei cuscinetti non è un problema di manutenzione, ma un problema di progettazione o di selezione. Specificare il tipo di cuscinetto sbagliato per le condizioni di carico o sottodimensionare il cuscinetto per i carichi applicati crea condizioni di guasto che nessuna buona pratica di manutenzione può superare.

• Cuscinetti a sfere a gola profonda sono ottimizzati per carichi radiali con componenti assiali moderate. Il loro utilizzo in applicazioni con carichi di spinta assiali elevati comporta un sovraccarico delle sfere e un rapido affaticamento.
• Cuscinetti a rulli cilindrici sopportano carichi radiali pesanti in modo efficiente ma non possono sopportare carichi assiali significativi senza un anello flangiato progettato per lo scopo.
• Cuscinetti a sfere a contatto obliquo sono progettati per carichi radiali e assiali combinati e devono essere montati in coppie o set abbinati per funzionare correttamente: un singolo cuscinetto a contatto angolare su un albero che vede il carico assiale in entrambe le direzioni fallirà.
• Cuscinetti a rulli conici richiedono un corretto precarico assiale per funzionare correttamente: troppo poco e i rulli slittano; troppo e il cuscinetto si surriscalda e si affatica presto.

Il processo di selezione del cuscinetto dovrebbe includere il calcolo del carico dinamico equivalente, la verifica del fattore di velocità rispetto alla velocità nominale del cuscinetto e la conferma che la durata L10 soddisfa l'intervallo di servizio richiesto dall'applicazione con un margine di sicurezza adeguato, in genere un fattore da 3 a 5 per le apparecchiature critiche.

Il costo reale dei guasti ai cuscinetti nelle operazioni industriali

Il costo di sostituzione di un cuscinetto non corrisponde quasi mai al costo reale di un guasto del cuscinetto. In un impianto a processo continuo – una cartiera, un impianto chimico, una linea di produzione alimentare – un guasto imprevisto di un cuscinetto che provoca anche un’ora di fermo può facilmente costare da 10.000 a 100.000 dollari o più in termini di perdita di produzione, a seconda del valore di produttività dell’apparecchiatura. I danni secondari ai componenti adiacenti (guarnizioni, alberi, alloggiamenti, giunti) spesso aggiungono costi che fanno impallidire il cuscinetto stesso.

Gli studi condotti dagli enti di ingegneria della manutenzione mostrano costantemente che la manutenzione reattiva costa da 3 a 9 volte di più per ogni evento di riparazione rispetto alla manutenzione pianificata basata sulle condizioni. Un cuscinetto da 200 dollari che si guasta inaspettatamente e ferma una linea di produzione per 4 ore comporta un costo totale dell’evento che nessuna ottimizzazione del prezzo dei cuscinetti può compensare. Questo caso economico è il fondamento dei movimenti di manutenzione centrata sull’affidabilità (RCM) e di manutenzione predittiva (PdM): l’obiettivo non è acquistare cuscinetti più economici, ma garantire che ogni cuscinetto raggiunga la durata prevista.

Per i responsabili della manutenzione che creano un business case per migliorare i programmi di lubrificazione, il controllo della contaminazione o le apparecchiature di monitoraggio delle vibrazioni, il calcolo del ritorno sull'investimento è in genere semplice: un guasto critico evitato spesso ripaga molte volte i costi delle apparecchiature di monitoraggio e di implementazione del programma.

Riepilogo: La risoluzione dei problemi dei cuscinetti inizia dalla lubrificazione e poi da tutto il resto

La causa numero uno dei guasti ai cuscinetti, ovvero i problemi di lubrificazione, è anche la più controllabile. La corretta selezione del lubrificante, la quantità adeguata, gli intervalli di rilubrificazione adeguati e la prevenzione della contaminazione eliminano la più grande categoria di guasti prevenibili dei cuscinetti. Dopo la lubrificazione, l'attenzione alle pratiche di installazione, l'esclusione della contaminazione, la verifica dell'allineamento e il monitoraggio delle condizioni affrontano le restanti principali modalità di guasto in ordine decrescente di impatto statistico.

I cuscinetti non sono materiali di consumo che semplicemente si usurano: sono componenti di precisione che, date le giuste condizioni operative, raggiungeranno in modo affidabile la loro durata di servizio nominale. Quando si guastano precocemente e ripetutamente, la causa è quasi sempre riconducibile a una manutenzione o a una lacuna di progettazione specifica, identificabile e correggibile. Il processo di analisi dei guasti, ovvero l'esame sistematico di ogni cuscinetto guasto prima che venga scartato, è lo strumento meno utilizzato nel kit di strumenti di manutenzione industriale e quello che, nel tempo, chiude in modo più affidabile il ciclo tra il verificarsi del guasto e l'eliminazione della causa principale.