Perché la maggior parte dei macchinari minerari preferisce i cuscinetti volventi ai cuscinetti a strisciamento?

Essendo un componente indispensabile e importante nei prodotti meccanici, i cuscinetti svolgono un ruolo fondamentale nel supportare gli alberi rotanti. In base alle diverse proprietà di attrito, i cuscinetti si dividono in cuscinetti a rotolamento (o cuscinetti volventi) e cuscinetti a strisciamento (o cuscinetti a strisciamento). I due tipi di cuscinetti presentano caratteristiche strutturali proprie e ciascuno ha i propri vantaggi e svantaggi in termini di prestazioni.

Confronto tra cuscinetti volventi e cuscinetti a strisciamento

1. Confronto tra struttura e modalità di movimento

La differenza più ovvia tra cuscinetti volventi ecuscinetti a strisciamentosi tratta della presenza o assenza di elementi volventi.

I cuscinetti volventi sono costituiti da elementi volventi (sfere, rulli cilindrici, rulli conici, rullini) che, grazie alla loro rotazione, supportano l'albero rotante; pertanto, la parte di contatto è un punto e, maggiore è il numero di elementi volventi, maggiore è il numero di punti di contatto.

Cuscinetti lisciNon presentano elementi volventi e si affidano a superfici lisce per supportare l'albero rotante, quindi la parte di contatto è una superficie.

 

La differenza nella struttura dei due determina che la modalità di movimento del cuscinetto volvente è di rotolamento, mentre la modalità di movimento del cuscinetto a strisciamento è di scorrimento, quindi la situazione di attrito è completamente diversa.

 

2. Confronto della capacità di carico

In generale, grazie all'ampia superficie di appoggio, la capacità portante dei cuscinetti a strisciamento è generalmente superiore a quella dei cuscinetti a rotolamento. I cuscinetti a rotolamento, invece, non hanno un'elevata capacità di sopportare carichi d'urto, mentre i cuscinetti completamente lubrificati a liquido possono sopportare carichi d'urto elevati grazie all'azione ammortizzante e di assorbimento delle vibrazioni del film di olio lubrificante. Quando la velocità di rotazione è elevata, la forza centrifuga degli elementi volventi nei cuscinetti a rotolamento aumenta, riducendone la capacità portante (con conseguente maggiore probabilità di rumorosità ad alte velocità). Nel caso dei cuscinetti a strisciamento dinamici, la capacità portante aumenta con l'aumentare della velocità.

 

3. Confronto tra coefficiente di attrito e resistenza all'attrito iniziale

In condizioni operative normali, il coefficiente di attrito dei cuscinetti volventi è inferiore a quello dei cuscinetti a strisciamento e il suo valore è più stabile. La lubrificazione dei cuscinetti a strisciamento è facilmente influenzata da fattori esterni come velocità e vibrazioni, e il coefficiente di attrito varia notevolmente.

 

All'avvio, la resistenza è maggiore rispetto a quella del cuscinetto volvente perché il cuscinetto a strisciamento non ha ancora formato un film d'olio stabile, ma la resistenza all'attrito iniziale e il coefficiente di attrito di lavoro del cuscinetto a strisciamento idrostatico sono molto bassi.

 

4. Confronto delle velocità di lavoro applicabili

A causa della limitazione della forza centrifuga degli elementi volventi e dell'aumento di temperatura del cuscinetto, la velocità di rotazione dei cuscinetti volventi non può essere troppo elevata ed è generalmente adatta a condizioni di lavoro a velocità medio-basse. Nei cuscinetti con lubrificazione a liquido incompleta, a causa del riscaldamento e dell'usura, la velocità di lavoro non dovrebbe essere troppo elevata. Le prestazioni ad alta velocità dei cuscinetti con lubrificazione a liquido completa sono molto buone, soprattutto quando i cuscinetti a strisciamento idrostatici sono lubrificati ad aria, e le loro velocità di rotazione possono raggiungere i 100.000 giri/min.

 

5. Confronto della perdita di potenza

Grazie al basso coefficiente di attrito dei cuscinetti volventi, la loro perdita di potenza non è generalmente elevata, risultando inferiore a quella dei cuscinetti con lubrificazione a liquido incompleta, ma aumenta drasticamente se lubrificati e installati correttamente. La perdita di potenza per attrito dei cuscinetti completamente lubrificati a liquido è bassa, ma per i cuscinetti a strisciamento idrostatici, la perdita di potenza totale può essere superiore a quella dei cuscinetti a strisciamento idrostatici a causa della perdita di potenza della pompa dell'olio.

 

6. Confronto della durata di servizio

A causa dell'influenza della corrosione puntiforme e della fatica del materiale, i cuscinetti volventi sono generalmente progettati per una durata di 5-10 anni o vengono sostituiti durante la revisione. Le superfici di appoggio dei cuscinetti con lubrificazione a liquido incompleta sono soggette a forte usura e devono essere sostituite regolarmente. La durata dei cuscinetti con lubrificazione a liquido completa è teoricamente illimitata, ma in pratica possono verificarsi cedimenti per fatica del materiale del cuscinetto a causa dei cicli di sollecitazione, soprattutto per i cuscinetti a strisciamento dinamici.

 

7. Confronto della precisione di rotazione

I cuscinetti volventi presentano generalmente un'elevata precisione di rotazione grazie al ridotto gioco radiale. I cuscinetti a lubrificazione liquida incompleta si trovano in uno stato di lubrificazione limite o mista, con conseguente instabilità del funzionamento, usura elevata e bassa precisione. Grazie alla presenza del film d'olio, i cuscinetti a lubrificazione liquida completa ammortizzano e assorbono le vibrazioni con elevata precisione. I cuscinetti a strisciamento idrostatici offrono una precisione di rotazione superiore.

 

8. Confronto di altri aspetti

I cuscinetti volventi utilizzano olio, grasso o lubrificante solido; la quantità è molto piccola, ma aumenta notevolmente ad alte velocità. L'olio deve essere estremamente pulito, quindi è necessaria la tenuta stagna. Tuttavia, la sostituzione del cuscinetto è semplice e generalmente non richiede la riparazione del perno. Per i cuscinetti a strisciamento, oltre ai cuscinetti con lubrificazione incompleta a liquido, il lubrificante è generalmente liquido o gassoso. La quantità è molto elevata, i requisiti di pulizia dell'olio sono molto stringenti, le pastiglie dei cuscinetti devono essere sostituite frequentemente e talvolta è necessaria la riparazione del perno.

 

Selezione di cuscinetti volventi e cuscinetti a strisciamento

A causa delle complesse e diverse condizioni operative reali, non esiste uno standard unificato per la selezione dei cuscinetti volventi e dei cuscinetti a strisciamento. Grazie al basso coefficiente di attrito, alla bassa resistenza all'avviamento, alla sensibilità, all'elevata efficienza e alla standardizzazione, i cuscinetti volventi offrono un'eccellente intercambiabilità e versatilità, sono facili da usare, lubrificare e manutenere e, pertanto, vengono generalmente preferiti nella scelta, trovando ampio impiego nelle macchine generiche. I cuscinetti a strisciamento presentano alcuni vantaggi specifici, che li rendono adatti a situazioni in cui i cuscinetti volventi non possono essere utilizzati, risultano scomodi o non offrono vantaggi, come ad esempio nelle seguenti circostanze:

 

1. Lo spazio radiale è limitato oppure l'installazione deve essere divisa

A causa della struttura composta da anello interno, anello esterno, elementi volventi e gabbia, le dimensioni radiali del cuscinetto volvente sono considerevoli e le sue applicazioni risultano limitate. I cuscinetti a rullini sono adatti quando le dimensioni radiali sono vincolanti; in caso contrario, si ricorre ai cuscinetti a strisciamento. Per i componenti in cui è difficile installare cuscinetti, o che non possono essere montati in direzione assiale, o ancora quando i componenti devono essere suddivisi in più parti, si utilizzano cuscinetti a strisciamento scomponibili.

 

2. Occasioni ad alta precisione

Quando i cuscinetti richiesti hanno un'elevata precisione, si opta generalmente per i cuscinetti a strisciamento, poiché il film di olio lubrificante di questi ultimi è in grado di smorzare le vibrazioni. Quando invece la precisione richiesta è estremamente elevata, è possibile scegliere solo i cuscinetti a strisciamento idrostatici. I cuscinetti a strisciamento sono ampiamente utilizzati in rettificatrici di precisione e di alta precisione, in vari strumenti di precisione, ecc.

 

3. Occasioni di carico pesante

I cuscinetti volventi, siano essi a sfere o a rulli, sono soggetti a surriscaldamento e fatica in condizioni di carico gravose. Pertanto, quando il carico è elevato, si utilizzano principalmente cuscinetti a strisciamento, come ad esempio nei laminatoi, nelle turbine a vapore, negli accessori per motori aeronautici e nei macchinari minerari.

 

4. Altre occasioni

Ad esempio, se la velocità di lavoro è particolarmente elevata, gli urti e le vibrazioni sono straordinariamente intensi e si rende necessario operare in acqua o in ambienti corrosivi, i cuscinetti a strisciamento possono rappresentare una valida alternativa.

 

Per quanto riguarda le diverse tipologie di macchinari e attrezzature, l'utilizzo di cuscinetti volventi e cuscinetti a strisciamento presenta vantaggi e svantaggi specifici, e la scelta deve essere ponderata in base al progetto specifico. In passato, i frantumatori di grandi e medie dimensioni utilizzavano generalmente cuscinetti a strisciamento in metallo bianco, in quanto resistenti a carichi d'urto elevati, più resistenti all'usura e più stabili. I piccoli frantumatori a mascelle, invece, impiegavano prevalentemente cuscinetti volventi, che offrono un'elevata efficienza di trasmissione, maggiore sensibilità e facilità di manutenzione. Con il miglioramento delle tecnologie di produzione dei cuscinetti volventi, anche la maggior parte dei frantumatori a mascelle di grandi dimensioni utilizza ormai questo tipo di cuscinetti.