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8.4 Lubrificazione e lubrificanti - · PDF file8.4.1 Introduzione La lubrificazione è l’operazione mediante la quale, per interposizione di una sostanza con caratteristiche adat-te,

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  • 8.4.1 Introduzione

    La lubrificazione loperazione mediante la quale, perinterposizione di una sostanza con caratteristiche adat-te, vengono ridotti lattrito e lusura tra le superfici acontatto di solidi in movimento relativo.

    Attrito e usura sono, come noto, fenomeni ben distin-ti. Lattrito una forza resistente risultante dalla sommadella forza necessaria per rompere le adesioni tra lemicroasperit superficiali e della forza di deformazionerichiesta per incidere eventuali solcature quando i corpisolidi si muovono o tendono a muoversi luno sullaltro;a esso sono associati consumo di energia e produzionedi calore. Lusura, invece, un processo di perdita pro-gressiva di materiale causato dal movimento delle super-fici. Si pu sviluppare per cause di natura diversa (peresempio, adesione e strappo delle asperit, abrasione,fatica, corrosione) che determinano, in ogni caso, modi-fiche della morfologia delle superfici, delle dimensionie della massa dei corpi.

    Non sempre richiesto che attrito e usura siano ridot-ti insieme; talvolta pu essere desiderabile ridurre lu-sura e non lattrito (per esempio, frizioni a bagno do-lio) oppure lattrito e non lusura (per esempio, rodag-gio, operazioni di lucidatura e molatura), tuttavia ingenerale la loro riduzione unesigenza comune di molteapplicazioni e la lubrificazione, nelle sue varie forme,costituisce il modo per ottenerla.

    comprensibile come la lubrificazione, per i feno-meni che coinvolge, possa avere un impatto rilevantesul comportamento dinamico delle macchine e dei siste-mi meccanici. Se attuata correttamente, essa favorisceil loro buon funzionamento, migliorando il rendimen-to generale, riducendo lenergia dissipata e attenuandoil logoramento dei componenti. Per contro una lubrifi-cazione inadatta o assente pu portare in breve tempoalla messa fuori uso di una macchina, con danni ancherilevanti.

    A una lubrificazione ben orientata si accompagna-no benefici economici significativi attraverso il rispar-mio di energia, la conservazione dei materiali e la ri-duzione degli interventi di manutenzione, con riflessipositivi anche sullimpatto ambientale. Si stima che lariduzione dellattrito faccia diminuire approssimativa-mente del 4,5% il consumo totale di energia dei paesiindustrializzati.

    Anche se il processo noto, in alcune sue praticheelementari, fin dai tempi antichi, la nascita della moder-na lubrificazione si fa risalire alla seconda met del 19secolo, sotto la spinta di una crescente industrializza-zione, quando sono state definite le prime equazioni dellalubrificazione idrodinamica. Da allora una quantit enor-me di studi e applicazioni ha portato a un continuo chia-rimento dei molteplici aspetti nei quali la lubrificazionesi articola. Gli studi pi recenti rivelano diverse areeancora da investigare, con potenzialit applicative pro-mettenti, e attestano che la ricerca nel campo della lubri-ficazione tuttora viva e fiorente.

    Modi di lubrificazione Un metodo semplice per ridurre lattrito e lusura tra

    corpi contrapposti in movimento relativo quello di inter-porre tra le superfici una sostanza che scorra pi facil-mente del solido sottostante. Questo pu essere conse-guito o mediante un film fluido capace di mantenere lesuperfici completamente separate, cos da impedire ilcontatto tra le asperit, oppure mediante la formazionesulle superfici di una pellicola sottile, scorrevole e di ele-vata resistenza.

    Ci quanto si pu riscontrare nei tre modi fonda-mentali di lubrificazione che si possono presentare neisistemi reali: a film fluido, limite e mista. I tre suddet-ti modi di lubrificazione, a cui corrispondono situa-zioni di attrito e usura ben distinguibili, vengono gene-ralmente discriminati in base a un parametro guida notocome rapporto l, definito dal rapporto tra lo spessore

    751VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILIT

    8.4

    Lubrificazione e lubrificanti

  • del film o dello strato protettivo e la rugosit mediadelle superfici.

    Lubrificazione a film fluido La caratteristica principale di questo modo di lubri-

    ficazione che le superfici sono separate da un fluidoconsiderevolmente pi spesso delle irregolarit superfi-ciali e dei film protettivi che su di esse si possono for-mare per opera di reazioni chimiche. Lo spessore taleda consentire al film di comportarsi come il bulk del flui-do. La separazione delle superfici realizzata per mezzodella pressione del fluido, la quale pu essere generatainternamente al contatto (idrodinamica e varianti), oppu-re prodotta esternamente a esso (idrostatica). Lattrito delcontatto segue le leggi dellattrito viscoso.

    Nella lubrificazione idrodinamica (aerodinamicanel caso di gas) la pressione generata internamente alcontatto funzione delle caratteristiche geometriche,delle condizioni dinamiche e cinematiche del contattoe delle propriet del lubrificante. Questa forma di lubri-ficazione si pu incontrare in accoppiamenti meccani-ci caratterizzati da superfici conformi con gap decre-scenti, quando sono sottoposti a una sufficiente velo-cit di scorrimento. Esempi di accoppiamenti reali cheriproducono queste condizioni sono le coppie prisma-tiche (per esempio cuscinetti reggispinta) e le coppierotoidali (per esempio cuscinetti cilindrici). Il parame-tro l pu assumere in questi casi valori variabili entroun intervallo compreso tra un minimo di 5 e un massi-mo di circa 100.

    Nella lubrificazione elastoidrodinamica la pressioneinterna raggiunge localmente valori molto elevati, tali daprovocare la deformazione elastica delle superfici. In talicondizioni il film fluido acquista maggiore stabilit, cosda poter assicurare un basso attrito anche per spessoriinferiori al film idrodinamico. In questo regime il para-metro l pu assumere valori compresi tra 1 e 10. Condi-zioni elastoidrodinamiche si possono incontrare in accop-piamenti meccanici con superfici a geometrie tipicamentenon conformi e soggette a movimenti che comprendonouna significativa componente di rotolamento. A causadella limitatezza della zona del contatto, riconducibile,estremizzando, a un punto o a una linea, in questi con-tatti si sviluppano, sotto lazione di carichi anche mode-sti, pressioni locali molto elevate, responsabili della defor-mazione elastica delle superfici. Ingranaggi, cuscinetti arulli e a sfere e camme sono alcuni esempi di accoppia-menti reali che possono operare in questo regime.

    Una forma di lubrificazione con pressione generataesternamente al contatto si presenta, invece, nella lubri-ficazione idrostatica (aerostatica nel caso di gas). In que-sto caso il fluido lubrificante pompato nellaccoppia-mento con una pressione gi sufficiente a provocare ildistacco delle superfici, condizione che pu essere poimantenuta anche in assenza di moto relativo. questa

    una modalit di lubrificazione riservata a situazioni par-ticolari, spesso complessa e onerosa, che trova per esem-pio applicazione in sistemi lenti e pesanti, che non con-sentono di sfruttare effetti idrodinamici o che occorresalvaguardare da arresti indesiderati.

    Lubrificazione limite Costituisce la condizione opposta alla precedente per

    quanto riguarda la separazione delle superfici. In que-sto modo di lubrificazione lattrito e lusura sono deter-minati dalle propriet del solido e degli strati superfi-ciali con spessori di livello molecolare o poco pi, chesi formano per interazione del solido con il lubrificanteo latmosfera circostante. Lattrito segue in molti casileggi analoghe a quelle del contatto non lubrificato.

    Ai fini della lubrificazione sono importanti le carat-teristiche chimiche e chimico-fisiche del lubrificante,mentre le caratteristiche fisiche riferite al bulk del flui-do hanno rilievo scarso o nullo.

    un modo di lubrificazione che si pu incontrare incontatti di vario tipo, accomunati dalla prerogativa dioperare in condizioni di carico elevato in rapporto allavelocit delle superfici.

    Poich lo spessore degli strati superficiali piccoloa confronto con le rugosit delle superfici, in questomodo di lubrificazione il parametro l assume valori infe-riori allunit.

    Lubrificazione mistaComprende entrambi i modi precedenti e si presen-

    ta quando nel contatto coesistono zone di stretto avvici-namento delle superfici, in cui lattrito e lusura sono

    752 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

    AUTOTRAZIONE

    attritomisto

    attritoidrodinamico

    viscosit.velocit/carico

    coef

    fici

    ente

    di a

    ttri

    to

    attr

    ito

    lim

    ite

    fig. 1. Coefficiente di attrito di un cuscinetto in funzione di variabili operative rilevanti (curva di Stribeck).

  • determinati dalle loro interazioni e dalla lubrificazionelimite, insieme a zone in cui prevale una sostanziale azio-ne di lubrificazione a film fluido. Questultima talvoltafavorita da effetti idrodinamici originati da irregolaritlocali (lubrificazione delle asperit).

    Linfluenza del lubrificante si manifesta sia median-te le propriet fisiche di bulk, sia attraverso le interazionichimiche con i solidi.

    un modo di lubrificazione alquanto diffuso, che sipu incontrare in molti elementi di macchine come ingra-naggi, cuscinetti a rulli e a sfere, e anche in cuscinettipiani convenzionali. Le condizioni operative che lo carat-terizzano sono tali per cui lo spessore totale dei film limi-te e fluido supera le asperit superficiali di un fattore chepu variare da 2 a 5 (in dipendenza anche dal tipo di fini-tura delle superfici).

    Azione del lubrificante Uno stesso accoppiamento meccanico pu mutare

    il modo di lubrificazione in funzione delle condizionioperative. Il passaggio da un regime di lubrificazionea un altro ben evidenziato nel diagramma di Stribeck(fig. 1), nel quale il coefficiente di attrito riportato infunzione di un parametro adimensionale dato dal pro-dotto della viscosit per la velocit d

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