CAPITOLO 11

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CAPITOLO 11

IMPIANTI DI LUBRIFICAZIONE

In questo capitolo sono illustrati gli impianti di lubrificazione di cui si doterà la macchina a dischi, basati sui sistemi di lubrificazione presenti presso il laboratorio del CTRM.

Si forniranno due impianti di lubrificazione indipendenti alla macchina di prova, uno è relativo alla lubrificazione dei provini mentre l'altro è impiegato per la lubrificazione dei cuscinetti; ciò consente di testare diversi tipi di olio a varie temperature rispetto al fenomeno del grippaggio e di impiegare olio differente per i dischi e per i cuscinetti.

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11.1 IMPIANTO DI LUBRIFICAZIONE DEI CUSCINETTI

11.1.1 SCHEMA GENERALE

Il funzionamento ad elevate velocità, come nella macchina di prova a dischi, comporta un aumento della temperatura di esercizio dei cuscinetti e un invecchiamento accelerato dell'olio.

Per evitare sostituzioni frequenti dell'olio a causa dell'azione meccanica, dell'invecchiamento e dell'accumulo d'impurità, e per assicurare che nel cuscinetto entri una quantità di olio sufficiente ad asportare il calore ma non eccessiva (al fine di fornire una lubrificazione adeguata senza aumentare la temperatura di esercizio più del necessario), si utilizza un impianto di lubrificazione a getto di olio in cui un getto ad alta pressione viene diretto verso il cuscinetto. L'olio utilizzato è un ISO VG 680, differente da quello che lubrifica i dischi.

Occorre far sì che il lubrificante, fluendo dai cuscinetti, possa essere raccolto e, attraverso dei condotti, uscire dalla macchina per essere filtrato e raffreddato prima di ritornare dentro i cuscinetti.

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P T5 HW HW HW HW HW HW HW HW HW H W HW HW HW HW HW HW HW H W H W HW H W HW HW H W H W HW H W H W HW H W H W HW HW HW HW HW H W H W HW HW HW HW HW HW HW HW HW HW HW HW HW HW HW HW H W Filtro Scambiatore calore Pompa alimentazione HW H W H W HW H W H W HW H W HW

Figura 11-1. Impianto di lubrificazione dei cuscinetti

L'impianto è dotato di una pompa di alimentazione in grado di portare il lubrificante ai cuscinetti con una portata massima di 120 l/min (120000 cm3/min) ad una pressione massima di 16 bar.

Nel circuito è previsto l'uso di un refrigeratore, costituito da uno scambiatore di calore ad acqua, che raffreddando il lubrificante abbassa la temperatura di esercizio dei cuscinetti.

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Durante il percorso del circuito il lubrificante viene filtrato, da un filtro con capacità filtrante iniziale di 7 µm, per abbattere le impurità presenti e migliorare così la lubrificazione.

Il lubrificante è iniettato ad alta pressione al fine di assicurare che almeno una sua parte riesca a vincere l'ostacolo rappresentato dalla turbolenza esistente attorno al cuscinetto.

Inoltre, a valle del filtro, è presente una termocoppia (T5) e un trasduttore di pressione (P) con il compito di rilevare rispettivamente la temperatura e la pressione del lubrificante in ingresso sui cuscinetti. Sia la termocoppia, con capacità di misura pari a - 200 ÷ 1000 °C , che il trasduttore di pressione, con capacità di misura pari a 0 ÷ 10 KPa , sono collegati al sistema di impostazione e controllo dei parametri.

11.1.2 CALCOLO

DELLA

TEMPERATURA

DEI

CUSCINETTI, DELLA PORTATA DI LUBRIFICANTE

NECESSARIO

E

DELLA

POTENZA

TERMICA

ASPORTATA DAL REFRIGERATORE

Come temperatura di riferimento del cuscinetto t sarà presa quella dell'anello non ruotante (anello esterno).

Quella dell'anello interno risulterà di pochi gradi superiore, non essendo presenti bordini o tenute laterali striscianti che potrebbero innalzare la temperatura, né forti raffreddamenti dato che il laboratorio è supposto in aria calma a temperatura ambiente ta .

11.1.2.1 POTENZA

TERMICA

SVILUPPATA

NEI

CUSCINETTI

La perdita di potenza causata dall'attrito in un cuscinetto è Nr = K0 nf M [W]

dove:

M = momento d'attrito totale del cuscinetto [Nmm]; nf = velocità di funzionamento [rpm];

K0 = 1.05 * 10 -4

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M può essere stimato con la relazione M = M0 + M1

dove M0 è il momento d'attrito indipendente dal carico agente sul cuscinetto

(predomina nei cuscinetti poco caricati ed in elevata rotazione poiché risulta condizionato dalla velocità di rotolamento, dalla viscosità e dalla quantità di lubrificante) mentre M1 è il momento d'attrito dipendente dal carico (predomina nei

cuscinetti fortemente caricati e in lenta rotazione poiché risulta condizionato dalle deformazioni elastiche e dagli strisciamenti che si verificano nei contatti):

M0 = 10 -7 * f0 * (νn) 2/3 * (dm) 3 [Nmm] M1 = f1 * (P1)a * (dm)b [Nmm] con

f0 = coefficiente dipendente dal tipo di cuscinetto e di lubrificazione;

f1 = coefficiente dipendente dal tipo di cuscinetto e di carico;

ν = viscosità cinematica del lubrificante alla temperatura di esercizio del cuscinetto [mm2/s];

n = velocità di rotazione del cuscinetto [rpm]; P1 = carico che determina il momento di attrito [N];

a,b = esponenti dipendenti dal tipo di cuscinetto;

dm = diametro medio del cuscinetto = 0.5 (d + D) [mm].

Per il cuscinetto anteriore vale:

f0 = 24 (tabella 2 a pagina 55, SKF [36])

f1 = 0.002 (tabella 3 a pagina 56, SKF [36])

P1 = 7400 N (tabella 3 a pagina 56, SKF [36])

a,b = 1 (tabella 4 a pagina 57, SKF [36]) dm = 36.5 mm

e dunque

M0 = 530 Nmm

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da cui si ricava M = 1070 Nmm .

Per il cuscinetto posteriore vale:

P1 = 2100 N (tabella 3 a pagina 56, SKF [36])

a,b = 1 (tabella 4 a pagina 57, SKF [36]) dm = 28.5 mm e dunque M0 = 31 Nmm M1 = 21 Nmm da cui si ricava M = 52 Nmm.

Il dimensionamento dell'impianto di lubrificazione è fatto sul cuscinetto anteriore perché è quello più caricato (come visto nel capitolo 9) ed il suo momento d'attrito è maggiore (1070 Nmm contro 52 Nmm).

Con tali considerazioni si trova, dunque, che la potenza sviluppata dal cuscinetto anteriore per ogni 1000 giri al minuto è pari a:

Nr = 112 W .

11.1.2.2 POTENZA

TERMICA

DISSIPATA

DALL'ALLOGGIAMENTO

Una valutazione accurata del calore trasmesso dal supporto senza l'ausilio di dati sperimentali è molto difficile, a causa dei complessi fenomeni termo-fluidodinamici in gioco.

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A questo livello si fa soltanto una valutazione approssimativa fortemente semplificata della potenza trasmessa dal supporto pari a

Qu = K Fk (t - ta) [W]

dove:

K = coefficiente di convezione per unità di superficie in aria stagnante ≅ 5 * 10-4 [W/(cm2 °C)];

Fk = superficie disperdente interessata dallo scambio termico [cm 2

]; t = temperatura del cuscinetto [°C];

ta = temperatura ambiente [°C].

Supponendo che la convezione abbia luogo attraverso una superficie pari a tre volte la superficie dell'anello esterno San-ext del cuscinetto si ha:

San-ext = π B D = 42.3 cm2

Fk = 3 San-ext = 127 cm 2

e dunque la potenza trasmessa dal supporto si può scrivere come Qu = 0.0635 * (t - ta) W.

11.1.2.3 POTENZA TERMICA DISSIPATA DALL'ALBERO

L'albero ha un'inerzia termica molto maggiore dell'anello interno dei cuscinetti, ed è dunque supposto a temperatura costante.

La quota di potenza termica asportata dall'albero è considerata nulla (calcolo cautelativo).

11.1.2.4 POTENZA TERMICA TRASPORTATA DAL

LUBRIFICANTE

Il lubrificante è immesso nei cuscinetti alla temperatura te [°C] e si suppone esca alla

temperatura t [°C].

Trascurano le variazioni di temperatura subite dal lubrificante nei condotti di ricircolo, la potenza trasportata è pari a

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Qoil = (1/60) m ρ c (t - te) [W]

dove:

m = portata lubrificante [cm3/min]; ρ = densità lubrificante [kg/dm3];

c = calore specifico lubrificante [kJ/(kg °C)].

I valori di ρ e c variano con la temperatura del lubrificante che varia a sua volta durante lo scambio termico. Per semplicità, come suggerito da Juvinall e Marshek [28], si prende un valore approssimato costante di ρc = 1.36 MPa/°C ottenendo per la potenza termica trasportata dal lubrificante la scrittura:

Qoil = 0.0227 * m * (t - te) [W].

11.1.2.5 TEMPERATURA,

PORTATA

E

REFRIGERAZIONE

Tenendo conto di quanto detto nei paragrafi precedenti si arriva alla conclusione che il bilancio termico nell'unità di tempo per il cuscinetto anteriore è pari a:

Nr = Qu + Qoil [W]

ossia

112 = 0.0635 * (t - ta) + 0.0227 * m * (t - te) .

Supponendo di avere una temperatura ambiente nel laboratorio di ta = 22 °C e una

temperatura d'ingresso del lubrificante nel cuscinetto di te = 50 °C , si può riprodurre

graficamente la temperatura t dell'anello esterno non ruotante in funzione della portata di lubrificante m così come mostrato in figura 11-2.

500 0 1000 5000 10000 50 55 60 75 95 105

Portata lubrificante [cm³/min]

T em p er at u ra cu sc in et to [ °C ]

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Dal diagramma si nota come all'aumentare di m la temperatura t tende al valore limite di 50 °C. Se si sceglie m = 7000 cm3/min in modo da avere t = 50.685 °C si ricava che il refrigeratore, per verificare le scelte fatte, deve necessariamente asportare una quantità di potenza termica pari a Qoil = 109 W .

11.1.3 DIMENSIONAMENTO

Il serbatoio dell'impianto di lubrificazione dei cuscinetti deve essere in grado di fornire la quantità di lubrificante necessaria per i quattro cuscinetti presenti nella macchina di prove a dischi.

La portata circolante è dunque: mc = 4 * m = 28000 cm

3

/min .

Allo stesso modo il refrigeratore dell'impianto di lubrificazione deve essere in grado di dissipare la quantità di potenza termica necessaria al corretto funzionamento dei quattro cuscinetti.

La potenza termica complessivamente dissipata è dunque: Qc = 4 * Qoil = 436 W .

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11.2 IMPIANTO DI LUBRIFICAZIONE DEI PROVINI

11.2.1 SCHEMA GENERALE

In figura 11-3 è rappresentato lo schema dell'impianto.

T6 P T7 HW HW HW HW HW HW H W HW HW H W H W HW H W H W H W HW H W H W HW HW HW HW H W H W HW H W H W HW HW H W H W HW HW H W H W HW H W H W HW HW HW H W H W HW HW HW HW HW HW HW HW HW HW H W HW HW H W HW HW = UGELLI

Flussometro alte portate

Flussometro basse portate

Serbatoio olio Filtro Pompa aspirazione Serbatoio raccolta olio con livellostato Pompa alimentazione Filtro Q Q HW HW HW HW HW HW HW Circuito termoregolazione HW HW HW

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L'impianto è dotato di una pompa di alimentazione sulla linea di mandata in grado di portare il lubrificante ai provini con una portata massima di 35 l/min (35000 cm3/min) ad una pressione massima di 16 bar; vi è anche una pompa di aspirazione sulla linea di recupero del lubrificante con una portata massima di 60 l/min (60000 cm3/min) ad una pressione massima di 3 bar.

Nel circuito è previsto l'uso di un sistema di termoregolazione, costituito da uno scambiatore di calore ad acqua e da uno scambiatore di calore ad olio diatermico, che raffreddando il lubrificante abbassa la temperatura di prova dei dischi.

Durante il percorso del circuito il lubrificante viene filtrato, sia sulla linea di mandata che su quella di recupero, da un filtro con capacità filtrante iniziale di 5 µm, per abbattere le impurità presenti e migliorare così la lubrificazione.

Il lubrificante è iniettato per mezzo di ugelli che hanno un diametro di 1.5 mm e una lunghezza del canale di adduzione di 3.5 mm.

Sia sulla linea di mandata che su quella di recupero, sono presenti due termocoppie (T6, T7) e un trasduttore di pressione (P) con il compito di rilevare rispettivamente la temperatura e la pressione del lubrificante in ingresso e in uscita dai provini. Sia le termocoppie, con capacità di misura pari a - 200 ÷ 1000 °C , che il trasduttore di pressione, con capacità di misura pari a 0 ÷ 16 kPa , sono collegati al sistema di impostazione e controllo dei parametri.

Sulla linea di mandata sono presenti anche due flussometri Q, uno serve per rilevare le alte portate mentre l'altro le basse portate in ingresso nei provini. Sia il flussometro per alte portate, con capacità di misura pari a 2.2 ÷ 29 l/min , che quello per basse portate, con capacità di misura pari a 0.45 ÷ 4.9 l/min , sono collegati al sistema di impostazione e controllo dei parametri.

11.2.2 CALCOLO DELLA TEMPERATURA DEI PROVINI,

DELLA PORTATA DI LUBRIFICANTE NECESSARIO E

DELLA

POTENZA

TERMICA

ASPORTATA

DAL

SISTEMA DI TERMOREGOLAZIONE

La temperatura del lubrificante in ingresso nei provini ti è già stata fissata come

parametro nelle condizioni di prova sia a fatica superficiale che a grippaggio viste nei capitoli precedenti.

Per le prove di macropitting e micropitting, siccome anche la portata di lubrificante in ingresso nei provini è già stata fissata come parametro nelle condizioni di prova, sarà di seguito calcolata la temperatura delle superfici a contatto dei dischi tm raggiunta

durante le prove. Per le prove di grippaggio, invece, sarà di seguito calcolata la portata necessaria a garantire una temperatura delle superfici a contatto dei dischi ts

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11.2.2.1 POTENZA TERMICA SVILUPPATA NEI PROVINI

PER PROVE DI GRIPPAGGIO

E' pari a

Qdisc = K Fk (tequil - ti) [W]

dove:

K = coefficiente di scambio superficie/lubrificante per unità di superficie ≅ 5 * 10-4 [W/(cm2 °C)];

Fk = superficie disperdente interessata dallo scambio termico [cm 2

]; ti = temperatura del lubrificante in ingresso nei provini [°C];

tequil = temperatura raggiunta a regime dalle superfici dei dischi a contatto in assenza

del sistema di termoregolazione [°C].

Per la stima di tequil si fa riferimento alla teoria di Block [33], la quale afferma che la

temperatura totale Tt = tequil della superficie a contatto di un provino con un altro è

data da

tequil = Tb + Tf

dove Tb è la temperatura bulk della superficie del provino subito prima del contatto

mentre Tf , detta temperatura flash, è l'incremento di temperatura rispetto alla

temperatura bulk che la superficie del provino subisce a causa dell'attrito.

La temperatura bulk Tb si può porre in prima approssimazione pari alla temperatura

del lubrificante in ingresso nel provino Tb = ti = 70 ÷ 180 °C

mentre la temperatura flash Tf è stata già calcolata in precedenza ottenendo un valore

massimo di 39 °C .

Di conseguenza, facendo un media dei valori di ti e prendendo il valore massimo di Tf

, si può approssimare: tequil = 164 °C .

In mancanza di dati sperimentali che permettano di definire con più esattezza il valore di Fk , sarà data una valutazione approssimata di tentativo di tale valore

supponendo che la superficie interessata dallo scambio termico col lubrificante sia pari a quella complessiva delle superfici dei due provini. Questa ipotesi equivale a supporre che in assenza del sistema di termoregolazione i due provini avrebbero tutta

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la superficie alla temperatura tequil = 164 °C e che la potenza termica sviluppata è

distribuita uniformemente sulle superfici.

Di conseguenza, considerando due provini a dischi con raggio di 35 mm pari alla media tra i due limiti imposti da specifica, si può approssimare:

Fk = 2π Rm b = 52.8 cm 2

.

Con le considerazioni appena fatte si trova, dunque, che la potenza sviluppata nei provini per prove di grippaggio è pari a:

Qdisc = 0.0264 * (tequil - ts) [W].

11.2.2.2 POTENZA

TERMICA

DISSIPATA

DALL'AMBIENTE E DAL CORPO DEI PROVINI PER

PROVE DI GRIPPAGGIO

Per semplicità si trascura la quota della potenza prodotta dai provini e dissipata per convezione attraverso l'ambiente circostante e per conduzione attraverso il corpo dei provini stessi (calcolo cautelativo).

11.2.2.3 POTENZA TERMICA TRASPORTATA DAL

LUBRIFICANTE PER PROVE DI GRIPPAGGIO

Il lubrificante viene immesso nei provini alla temperatura ti [°C] e si suppone esca

alla temperatura ts [°C], quest'ultima rappresenta la temperatura raggiunta a regime

dalle superfici dei dischi a contatto in presenza del sistema di termoregolazione (è quindi regolata da tale sistema). Trascurano le variazioni di temperatura subite dal lubrificante nei condotti di ricircolo, la potenza trasportata è pari a

Qoil = (1/60) m ρ c (ts - ti) [W]

dove:

m = portata lubrificante [cm3/min]; ρ = densità lubrificante [kg/dm3];

(14)

Qoil = 0.0227 * m * (ts - ti) [W].

11.2.2.4 TEMPERATURA,

PORTATA

E

TERMOREGOLAZIONE PER PROVE DI GRIPPAGGIO

Tenendo conto di quanto detto nei paragrafi precedenti si arriva conclusione che il bilancio termico nell'unità di tempo per i provini è pari a

Qdisc = Qoil [W]

ossia

0.0264 * (tequil - ts) = 0.0227 * m * (ts - ti) .

Supponendo di avere una temperatura di equilibrio di tequil = 164 °C e una

temperatura di ingresso del lubrificante nei provini di ti = 125 °C , si può

rappresentare graficamente la temperatura delle superfici dei dischi a contatto ts in

funzione della portata di lubrificante m così come mostrato in figura 11-4.

150 200 135 130 125 200 100 30 5 10 0

d

ei

p

ro

v

in

i

[°

C

]

Portata lubrificante [cm³/min]

Figura 11-4. Andamento della temperatura superficiale dei dischi a contatto ts in

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Dal diagramma si nota come all'aumentare di m la temperatura ts tende al valore

limite di 125 °C. Se si sceglie m = 35000 cm3/min in modo da garantire una ts =

125.823 °C prossima alla ti = 125 °C per un corretto funzionamento dei provini stessi

nelle prove di grippaggio, si ricava che il sistema di termoregolazione, per verificare le impostazioni fatte, deve necessariamente asportare una quantità di potenza termica pari a Qoil = 654 W .

11.2.2.5 POTENZA TERMICA SVILUPPATA NEI PROVINI

PER PROVE DI PITTING

E' pari a

Qdisc = K Fk (tm - ti) [W]

dove

K = coefficiente di scambio superficie/lubrificante per unità di superficie ≅ 5 * 10-4 [W/(cm2 °C)];

Fk = superficie disperdente interessata dallo scambio termico [cm2];

ti = temperatura del lubrificante in ingresso nei provini [°C];

tm = temperatura delle superfici a contatto dei dischi raggiunta durante le prove di

pitting.

In mancanza di dati sperimentali che consentano di definire con più esattezza il valore di Fk , verrà data una valutazione approssimata di tentativo di tale valore

supponendo che la superficie interessata dallo scambio termico col lubrificante sia pari a quella complessiva delle superfici dei due provini. Questa ipotesi equivale a supporre che i due provini hanno tutta la superficie alla temperatura tm e che la

potenza termica sviluppata è distribuita uniformemente sulle superfici.

Di conseguenza, considerando due provini a dischi con raggio di 35 mm pari alla media tra i due limiti imposti da specifica, si può approssimare:

Fk = 2π Rm b = 52.8 cm 2

.

Con tali considerazioni si trova, dunque, che la potenza sviluppata nei provini per prove di pitting è pari a

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11.2.2.6 POTENZA

TERMICA

DISSIPATA

DALL'AMBIENTE E DAL CORPO DEI PROVINI PER

PROVE PITTING

Per semplicità si trascura la quota della potenza prodotta dai provini e dissipata per convezione attraverso l'ambiente circostante e per conduzione attraverso il corpo dei provini stessi (calcolo cautelativo).

11.2.2.7 POTENZA TERMICA TRASPORTATA DAL

LUBRIFICANTE PER PROVE DI PITTING

Il lubrificante viene immesso nei provini alla temperatura ti [°C] e si suppone esca

alla temperatura tm [°C]. Trascurano le variazioni di temperatura subite dal

lubrificante nei condotti di ricircolo, la potenza trasportata è pari a Qoil = (1/60) m ρ c (tm - ti) [W]

dove:

m = portata lubrificante [l/min]; ρ = densità lubrificante [kg/dm3];

Qoil = 0.0227 * m * (tm - ti) [W].

11.2.2.8 TEMPERATURA,

PORTATA

E

TERMOREGOLAZIONE PER PROVE DI PITTING

Tenendo conto di quanto detto nei paragrafi precedenti si arriva alla conclusione che il bilancio termico nell'unità di tempo per i provini è pari a

(17)

ossia

0.0264 * (tm - ti) = 0.0227 * m * (tm - ti) .

Se, come indicato nelle condizioni di prova, si suppone di avere una portata di lubrificante di m = 18000 cm3/min e una temperatura d'ingresso del lubrificante nei provini di ti = 100 °C , si ricava che la temperatura delle superfici a contatto dei

dischi raggiunta durante le prove di pitting è tm = 100°C.

Trovata tm si deduce che per verificare le impostazioni relative alle prove di pitting,

non è necessario che il sistema di termoregolazione asporti alcuna quantità di potenza termica se la portata di olio immessa è di 18000 cm3/min , dunque Qoil = 0 W .

11.2.3 DIMENSIONAMENTO

Il volume del serbatoio dell'impianto di lubrificazione dei provini deve essere in grado di fornire la quantità di lubrificante necessaria al corretto svolgimento delle prove di grippaggio e pitting.

La portata circolante è dunque pari a quella massima necessaria alla prova di grippaggio o di pitting:

mc = max(mscuffing , mpitting) = max(35000 cm 3

/min, 18000 cm3/min) = 35000 cm3/min. Allo stesso modo il sistema di termoregolazione dell'impianto di lubrificazione deve essere in grado di dissipare la quantità di potenza termica necessaria al corretto svolgimento delle prove di grippaggio e pitting.

La potenza termica dissipata è dunque pari a quella massima dispersa nella prova di scuffing o di pitting:

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11.3 LUBRIFICANTE PER I PROVINI

Nel caso di prove di pitting, per l'impianto di lubrificazione dei provini si utilizza il lubrificante liquido denominato Shell Aeroshell Turbine Oil 500 avente una viscosità dinamica media a 40 °C di µ0 = 0.022 Ns/m

2

. Di tale lubrificante moderno sono state rilasciate, dal laboratorio del CRTM in cui è impiegato, informazioni concernenti i seguenti additivi:

Additivi miglioratori dell'indice di viscosità per diminuire la variazione della viscosità con la temperatura.

Additivi antischiuma per prevenire la formazione di schiuma durante l'agitamento ad alte velocità.

Additivi anticorrosivi per prevenire la corrosione delle superfici metalliche. Additivi detergenti per rallentare la formazione di carboniosi.

Nel caso di prove di grippaggio, per l'impianto di lubrificazione dei provini il lubrificante viene scelto di volta in volta poiché generalmente tali prove si effettuano per testare le prestazioni di diversi tipi di lubrificanti rispetto a questo fenomeno.