Cuscinetti ceramici: isolati elettricamente e amagnetici

17/12/2020 Pubblicato in Mondo industry, Cuscinetti ceramici da Andrea Berizzi - R&D Technical Manager

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In questo articolo parleremo di cuscinetti ceramici isolati elettricamente e amagnetici, più nel dettaglio scopriremo come un cuscinetto ceramico, ancora una volta, possa rivelarsi una soluzione efficace. I cuscinetti totalmente ceramici possono essere una soluzione estremamente efficace in tutte quelle situazioni in cui sia necessario proteggere il cuscinetto da campi magnetici o da correnti elettriche parassite.

Le correnti elettriche parassite possono essere molto pericolose per un cuscinetto realizzato in acciaio a causa del cosiddetto effetto punta ossia quel fenomeno fisico per il quale, in un materiale elettricamente conducente, il campo elettrico si intensifica nelle zone a curvatura maggiore. L’aumento del campo elettrico può portare alla formazione di una scarica elettrica o, addirittura, ad una vera e propria corrente elettrica all’interno dell’area di contatto tra corpo volvente e pista. L’effetto di queste scariche sull’acciaio con cui sono realizzati i cuscinetti può essere estremamente negativo perché provoca fenomeni di erosione che, in breve tempo, possono pregiudicare la funzionalità del cuscinetto e quindi causare interventi di manutenzione straordinaria e tempi di fermo macchina costosi.

Le correnti parassite hanno, poi, un effetto negativo anche sui lubrificanti utilizzati nei cuscinetti. Causando, infatti, ossidazioni e deterioramento delle caratteristiche chimiche riducono ulteriormente la durata del cuscinetto con incremento dei costi di manutenzione.

Le situazioni più comuni in cui si possono verificare correnti elettriche parassite sono le seguenti:

  1. Motori trazione ferroviaria, motori elettrici o generatori elettrici

Negli assali e nei motori di trazione dei veicoli ferroviari, nei motori a corrente continua o alternata e nei generatori elettrici può accadere che le correnti elettriche che circolano o che vengono generate al loro interno non vengano o non possano essere efficacemente contenute e, quindi, passino anche attraverso i cuscinetti del motore stesso.

  1. Operazioni di saldatura ad arco

Nella saldatura ad arco il processo di unione di due lembi metallici si esegue mediante la creazione di un arco elettrico. Se nelle attrezzature coinvolte nell’operazione di saldatura sono presenti dei cuscinetti, potrebbe accadere che correnti elettriche causate dall’arco di saldatura passino attraverso di loro.

  1. Campi magnetici

Per un principio fisico dell’elettrodinamica, in un conduttore soggetto a campi magnetici variabili si generano correnti elettriche. Dato che l’acciaio utilizzato nei cuscinetti è un conduttore, in un cuscinetto immerso in un campo magnetico si possono creare correnti elettriche.

Le soluzioni finora adottate per ovviare agli effetti delle correnti parassite sui cuscinetti sono, fondamentalmente, di due tipologie: isolamento elettrico esterno al cuscinetto o adozione di cuscinetti elettricamente isolati. Vediamo più nel dettaglio le due soluzioni.

  • Isolamento elettrico esterno al cuscinetto

In questi casi non si lavora sul cuscinetto ma sulla struttura che lo contiene e la schermatura può essere realizzata, per esempio, isolando l’albero o l’alloggiamento o, dove, possibile, creando un collegamento elettrico altamente conduttivo tra la parte mobile e la parte fissa dell’attrezzatura o della macchina. È una soluzione caratterizzata da costi elevati e da difficoltà realizzative a volte insormontabili.

  • Cuscinetti isolati elettricamente

In questi cuscinetti le superfici esterne vengono protette mediante un doppio trattamento: ad un primo rivestimento in ossido di alluminio mediante plasma spray fa seguito una resinatura per proteggerlo dall’umidità. Il doppio trattamento è necessario perché lo strato in ossido di alluminio risultante dal plasma spray è poroso. In presenza di umidità (sia durante lo stoccaggio che durante l’utilizzo), acqua o vapore (elettricamente conducenti) potrebbero accumularsi nelle porosità creando ponti di conduzione elettrica e, quindi, rendendo inefficace il rivestimento in ossido di alluminio. La resinatura, al contrario, riempiendo le porosità con un materiale igroscopico ed elettricamente isolante, elimina questo effetto. Un aspetto potenzialmente negativo di questa tipologia di cuscinetti è legato alla natura di isolante termico dell’ossido di alluminio. Lo strato protettivo, infatti, può diventare una barriera alla dissipazione del calore generato nel contatto tra corpi volventi e piste causando un’usura più veloce del cuscinetto stesso.

L’utilizzo di cuscinetti in materiale ceramico può rappresentare una valida e più efficace alternativa ai cuscinetti sopra indicati.

Sono possibili due configurazioni:

  • Cuscinetti ibridi: anelli in acciaio per cuscinetti e corpi volventi in ceramica
  • Cuscinetti totalmente ceramici: anelli e corpi volventi realizzati in materiale ceramico

In entrambi i casi l’isolamento elettrico è determinato dall’utilizzo dei corpi volventi ceramici che non permettono il passaggio delle correnti parassite tra anello interno ed esterno del cuscinetto.

La scelta di adottare la versione ibrida o la versione totalmente ceramica è legata ad aspetti funzionali ed economici:

  • La capacità di carico di un cuscinetto ibrido è inferiore a quella dell’analogo cuscinetto in acciaio
  • La capacità di carico di un cuscinetto totalmente ceramico è almeno pari a quella dell’analogo cuscinetto in acciaio e quindi superiore a quella dell’analogo cuscinetto ibrido.
  • La velocità massima di un cuscinetto ibrido è il 20% più elevata dell’analogo cuscinetto in acciaio
  • La velocità massima di un cuscinetto totalmente ceramico può essere il 20-30% più elevata della velocità massima dell’analogo cuscinetto ibrido
  • La lubrificazione in un cuscinetto totalmente ceramico è meno importante della lubrificazione in un cuscinetto ibrido
  • La temperatura raggiunta da un cuscinetto totalmente ceramico è inferiore a quella raggiunta dall’analogo cuscinetto ibrido a parità di condizioni
  • Il cuscinetto totalmente ceramico è chimicamente inerte mentre il cuscinetto ibrido ha il suo punto debole negli anelli in acciaio (e, perciò, soggetto a fenomeni di corrosione)
  • Il cuscinetto totalmente ceramico può essere impiegato in ambienti con temperature molto più elevate rispetto a quelle sopportabili dal cuscinetto ibrido
  • Il cuscinetto totalmente ceramico è completamente amagnetico.

In ogni caso, il cuscinetto ceramico, ed in particolare il cuscinetto totalmente ceramico, può rappresentare una scelta vincente permettendo di migliorare le prestazioni della macchina in cui viene inserito e riducendo la frequenza delle operazioni di manutenzione con un conseguente vantaggio economico.

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Andrea Berizzi - R&D Technical Manager

Sono un appassionato ingegnere meccanico, sviluppo progetti di cuscinetti speciali, per materiali, dimensioni e per forma costruttiva, con l'obiettivo di valorizzare al massimo gli impianti e le macchine dei nostri clienti. Amo approfondire tutti gli aspetti tecnici e valuto tutte le possibili soluzioni per raggiungere il risultato.

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