Fattori che influenzano la durata utile delle boccole in bronzo: materiale, carico e lubrificazione

Una boccola in bronzo che si rompe dopo sei settimane e una dello stesso lotto di produzione che continua a funzionare per sei anni possono essere identiche in lega e dimensioni. Ciò che differisce è tutto ciò che riguarda il cuscinetto: il carico che trasporta, la velocità a cui scorre, le condizioni dell'albero, la qualità della lubrificazione, la temperatura, il livello di contaminazione e l'adattamento ottenuto durante l'installazione. La durata utile della bocca in bronzo non è un numero di catalogo fisso; è il risultato di questi fattori interagenti.

La conclusione pratica per ingegneri e professionisti degli approvvigionamenti è che l'usura prematura delle boccole è in gran parte prevenibile quando i vengono fattori esaminati in fase di specifica. Questo articolo spiega ogni fattore chiave, il meccanismo che lo collega all'usura e i parametri specifici che vale la pena verificare prima di ordinare.

Grado della lega e struttura del materiale Impostare il punto iniziale

La famiglia delle leghe determina la durezza, la robustezza e la resistenza all'usura della bocca. Tre famiglie di leghe di rame coprono la maggior parte dei compiti industriali delle boccole in bronzo e ciascuna si comporta in modo diverso in servizio.

Il bronzo allo stagno è la scelta convenzionale perché combina una buona incorporabilità, il che significa che può assorbire piccole particelle di contaminazione senza rigare l'albero, con un'affidabile resistenza alla fatica sotto carico ciclico. Il bronzo-alluminio offre durezza e capacità di carico più elevate, adatto alle attrezzature soggette a carichi d'urto, ma richiede un albero di accoppiamento più duro e con una migliore finitura. L'ottone è economico e facile da lavorare; i suoi limiti appaiono sotto carichi pesanti continui, dove il suo minore carico di snervamento consente al foro di deformarsi e perdere il supporto per l'albero.

Il percorso di lancio conta tanto quanto il grado nominale. La colata centrifuga e continua producono strutture dense e prive di pori, mentre la normale colata in sabbia può lasciare porosità interna che riduce la durata della fatica. Poiché la stessa legge nominale può comportarsi in modo molto diverso a seconda di come è stata fusa, la verifica della struttura della fusione è un requisito ragionevole per l'approvazione. Per le applicazioni pesanti, la microstruttura più densa di una bottiglia centrifugata fornisce una maggiore resistenza alla fatica e una migliore resistenza ai carichi sui bordi. Quando l'applicazione rende difficile anche la rilubrificazione, a Cuscinetto in bronzo fuso JDB600 , che incorpora il lubrificante solido in una matrice di bronzo fuso, fornisce sia capacità di carico che un margine di sicurezza contro la perdita di lubrificazione.

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Carico operativo, velocità di superficie e limite PV

La verifica progettuale più utile per una boccola in bronzo è il valore PV, il prodotto della pressione del cuscinetto (P) in N/mm² e della velocità di scorrimento superficiale (V) in m/s. Ogni materiale della bocca ha un PV massimo nominale per il funzionamento continuo. Al di sotto di tale limite, l'usura è lieve e prevedibile. Al di sopra di esso, la temperatura dell'interfaccia aumenta notevolmente, il film lubrificante si rompe e il tasso di usura diventa non lineare: un piccolo aumento del carico può causare una notevole riduzione della durata.

Perché il limite PV è importante

Il limite PV è un limite termico, non un livello di pulizia. Il calore di attrito in un contatto strisciante è proporzionale a P moltiplicato per V, quindi un'applicazione a carico elevato e a bassa velocità e un'applicazione a basso carico e ad alta velocità con lo stesso PV generano lo stesso calore. Il superamento del limite ossidativo il lubrificante solido, ammorbidisce la matrice di bronzo e avvia un ciclo di usura accelerato.

Due errori di specifica che accorciano la vita

1. Utilizzando un carico medio invece del carico di punta. Il funzionamento reale comprende urti, coppie di spunto e forze di picco; quei picchi, non la media, generano il caso peggiore del PV e dovrebbero essere sempre l'input di progettazione.
2. Ignorare il disallineamento. Il disallineamento concentra la pressione su un piccolo arco della bocca e aumenta il PV locale molto al di sopra del valore calcolato, producendo l'usura dei bordi prima che il resto della bocca ne mostri l'uso.

Una selezione conservativa mantiene il valore PV operativo pari o inferiore al 60% del valore nominale di catalogo, in particolare per le boccole autolubrificanti, dove non è disponibile una pellicola d'olio esterna per tamponare brevi sovraccarichi. Maggiori dettagli sul comportamento del tasso di usura e sui valori limite sono trattati in la nostra analisi dei limiti PV e dei tassi di usura delle boccole in bronzo senza olio .

Condizioni di lubrificazione e pellicola di trasferimento

Lo stato di lubrificazione è il singolo fattore che influenza maggiormente la durata del servizio. Nella lubrificazione ad olio o grasso, una pellicola idrodinamica separa le superfici dei cuscinetti e l'usura è quasi trascurabile; i rischi pratici sono la contaminazione dell'olio, l'interruzione della fornitura e la ripartenza dopo un lungo periodo di inattività. Con le boccole in bronzo autolubrificanti il ​​meccanismo è diverso.

Come funziona la pellicola di trasferimento

Il lubrificante solido incorporato nella superficie del cuscinetto viene gradualmente trasferito sull'albero, dove forma una sottile pellicola protettiva. Questa pellicola sostiene il carico e impedisce il contatto metallo-metallo. L'usura inizia quando il film è incompleto e non semplicemente quando il lubrificante solido si consuma.

Quando il film fallisce

Una pellicola di trasferimento si forma maschio in diverse situazioni comuni: alberi molto lisci o molto morbidi, funzionamento intermittente con lunghi periodi di inattività, contatto con fluidi di lavaggio e forte ingresso di polvere. Una volta che il metallo nudo tocca il metallo nudo, il tasso di usura si moltiplica rapidamente. La costruzione avvolta di un Cuscinetto avvolto in bronzo FB090 fornisce un'alimentazione uniforme di lubrificante solido ed è una scelta pratica quando l'accesso all'albero per la rilubrificazione è limitato.

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Durezza dell'albero e finitura superficiale

Affinché una bocca in bronzo raggiunga la durata prevista, l'albero di accoppiamento deve essere sufficientemente duro e sufficientemente liscio. La maggior parte dei produttori consiglia una durezza dell'albero compresa tra 45 e 55 HRC per applicazioni con carichi pesanti e una finitura superficiale compresa tra Ra 0,4 e 0,8 µm.

Un albero più morbido si indurisce, diventa ruvido e si comporta come carta abrasiva sul foro della bocca. Una finitura più ruvida taglia la pellicola di trasferimento e accelera l'abrasione a due corpi. D'altra parte, una lucidatura inferiore a Ra 0,2 µm può impedire l'adesione della pellicola di trasferimento, pertanto l'intervallo di finitura consigliato dovrebbe essere rispettato anziché superato.

L'allineamento appartiene alla stessa discussione. Il disallineamento angolare provoca un carico sui bordi su un'estremità della bocca, che concentra la pressione, impedisce una pellicola di trasferimento uniforme e produce un modello di usura rastremato nel foro. La misurazione dell'eccentricità dell'albero e dell'allineamento dell'alloggiamento durante l'installazione costa poco se paragonata al costo di una sostituzione ripetuta della boccola.

Temperatura operativa e fattori ambientali

Effetti della temperatura

La temperatura riduce la durata del servizio attraverso diversi meccanismi. Il calore prolungato dell'interfaccia ammorbidisce il bronzo allo stagno, ne riduce la resistenza allo snervamento e accelera l'ossidazione del lubrificante. Per i sistemi lubrificanti solidi incorporati, temperatura superiore a circa 150°C inizia a degradare i leganti polimerici utilizzati nel composto lubrificante. Anche la dilatazione termica della bocca rispetto al suo alloggiamento modifica l'effettivo accoppiamento con interferenza.

Contaminazione e umidità

La contaminazione è il fattore ambientale che riduce visibilmente la vita delle boccole. Le particelle abrasive provenienti dall'esterno, i detriti derivanti dall'usura del sistema stesso e l'umidità che lava attraverso la pellicola di trasferimento sono tutti fattori che ne aumentano l'usura. I siti polverosi, i macchinari all'aperto e le attrezzature vicine alle operazioni di rettifica o fusione devono utilizzare boccole schermate, mantenere puliti i sistemi di olio cooperanti e proteggere le aree esposte dell'albero. La nostra guida ai cuscinetti autolubrificanti in ambienti estremi discute queste condizioni in modo più approfondito.

Adattamento, tolleranza e qualità di installazione

Una boccola in bronzo deve essere installata con il corretto accoppiamento con interferenza. Un accoppiamento troppo lento consente alla bocca di ruotare nel suo alloggiamento, producendo usura da sfregamento sul diametro esterno e danneggiando sia la bocca che il foro dell'alloggiamento. Un accoppiamento troppo stretto rimuove il gioco necessario dopo la pressatura e il foro può chiudersi sull'albero, causando un grippaggio immediato. L'interferenza tipica di inserimento a pressione per le boccole in bronzo negli alloggiamenti in acciaio varia da 0,02 a 0,05 mm per i diametri medi, ma il valore corretto dipende dalla lega, dallo spessore della parete e dal materiale dell'alloggiamento.

La qualità dell'installazione comprende anche l'allineamento del foro. Smussare il bordo dell'alloggiamento, premere anziché martellare e controllare il foro con un tampone dopo l'installazione sono piccoli passaggi che impediscono danni che successivamente diagnosticati erroneamente come un problema materiale.

Pianificazione della manutenzione e tempistica della sostituzione

Anche una boccola scelta correttamente prima o poi si usura, perché una certa usura è inevitabile. L'obiettivo della durata utile dovrebbe quindi essere legato a un piano di ispezione. Gli indicatori pratici includono:

• Misurare il foro della bocca con intervalli regolari per monitorare l'usura rispetto al gioco massimo consentito.
• Controllo della superficie dell'albero per scanalature, rigature o scolorimento.
• Verificare la presenza di rumori o vibrazioni insolitamente elevate nel gruppo.

La sostituzione dovrebbe essere programmata in base all'usura misurata rispetto allo spazio massimo consentito, non solo al calendario. La nostra guida su quando sostituiamo i cuscinetti in bronzo autolubrificanti spiega nella pratica i limiti di usura e la procedura di ispezione.

Per le applicazioni in cui l'accesso per l'ispezione è difficile e i tempi di fermo non pianificati sono costosi, scegliere una boccola con una frazione di volume di lubrificante più elevata, come la Boccola in ottone a lubrificazione solida JDB650 , prolungare l'intervallo essenziale da manutenzione perché il serbatoio del lubrificante più grande sostiene la pellicola di trasferimento per un periodo più lungo.

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Riepilogo dei fattori chiave e delle azioni di controllo

La seguente tabella riassume ciascun fattore, la modalità di guasto che si produce quando fuori portata e l'azione di controllo che previene il guasto precoce.

La durata utile della bocca in bronzo è una proprietà del sistema, non una proprietà del materiale. La lega e il processo di fusione stabilizzano il punto di partenza, ma il carico, la velocità, la lubrificazione, le condizioni dell'albero, l'ambiente e la qualità dell'installazione determinano dove finisce quel punto di partenza. Specificare il voto corretto è solo metà del compito; la revisione dei sei fattori di cui sopra è ciò che effettivamente previene il guasto precoce e riduce il costo per l'ora di funzionamento.