TRIBOLOGIA Lo studio delle superfici interagenti in movimento

Tuttavia, l'attuale meccanismo di attrito scorrevole si verifica a livello microscopico, il che significa che le teorie tribologiche sull'attrito coinvolgono anche la topografia delle superfici. Il tribologo distingue tra l'area di contatto reale e l'area di contatto nominale (dimensioni geometriche), che tiene conto di eventuali vuoti o porzioni non a contatto di un elemento solido. I meccanismi responsabili del processo di trasformazione dell'energia nella superficie vicina includono:

Cosa indossa?

L'usura è definita come la perdita materiale irreversibile delle superfici interagenti. I processi elementari fisici e chimici nell'area di contatto di un accoppiamento scorrevole che successivamente portano a cambiamenti nel materiale e nella forma dei partner di attrito sono noti come meccanismi di usura. Questi meccanismi di usura includono:

I meccanismi di attrito e usura sono fortemente influenzati dalla struttura del sistema tribologico nonché dallo stress collettivo indotto:

µ=f (tribo-struttura (t), stress collettivo indotto (t))

w=f (tribo-struttura (t), stress collettivo indotto (t))

I meccanismi di attrito e usura non si verificano in modo isolato, ma piuttosto attraverso una sovrapposizione di meccanismi che è difficile quantificare e controllare. Questa sovrapposizione si verifica nei sistemi tribo-tecnici in proporzioni non rilevabili e in proporzioni che variano nel tempo e nel luogo, rendendo quasi impossibile calcolare i processi di attrito e usura in un tribocontatto. Questo è il motivo per cui i test tribologici sono così cruciali per la stima del comportamento tribologico. Se vogliamo interpretare e comprendere i dati misurati tribologicamente e la ricerca orientata ai meccanismi, abbiamo bisogno di una conoscenza completa dei meccanismi di azione in un tribocontatto.

I tribologi classificano le condizioni di attrito, usura e lubrificazione secondo le seguenti tabelle:

• Regime di attrito 0:Attrito solido: l'attrito viene creato tra superfici solide a contatto diretto senza alcun lubrificante.

• Regime di attrito I:Attrito limite: attrito solido, in cui le superfici dei partner di attrito sono ricoperte da un film lubrificante molecolare che non ha capacità di carico. Il lubrificante ha un'influenza sulle caratteristiche di attrito e usura.

• Regime di attrito II:Attrito misto: i regimi di attrito I e III coesistono. Il valore di attrito è una combinazione di attrito solido e idrodinamico. Un film fluido creato dal lubrificante ha una capacità di carico.

• Regime di attrito III:Attrito idrodinamico: il valore di attrito è determinato dalla cesoiatura nel fluido. La capacità di carico del film fluido impedisce il contatto diretto tra le due superfici solide.

• Indossare il regime a:Elevati tassi di usura dovuti all'attrito solido e al contatto diretto delle superfici.

• Regime di usura b:Valori di usura inferiori a causa di un film fluido molecolare.

• Regime di usura c:Lieve usura dovuta ad una parziale separazione delle superfici attraverso un film fluido più spesso.

• Regime di usura d:"Usura zero", risultante da film fluidi idrodinamici o elastoidrodinamici che impediscono il contatto diretto delle due superfici.

QUALI RISULTATI SI POSSONO OTTENERE APPLICANDO LA TRIBOLOGIA AL DESIGN DEI CUSCINETTI?

In che modo la tribologia può portare a un miglioramento misurabile del prodotto?

I test tribologici ci consentono di ottenere informazioni sulle prestazioni tribo dei materiali per guidare nuovi e migliori progetti di materiali. Possiamo quindi indirizzare le composizioni dei materiali per ottenere proprietà tribologiche specifiche e migliori.

I risultati dei test tribologici e i metodi analitici di superficie ci aiutano a stimare le prestazioni tribo, inclusi attrito e usura, meccanismi di cedimento, cinetica di film di trasferimento di materiali esistenti e nuovi prototipi basati su vari fattori e influenze. Queste informazioni ci aiutano a vedere e comprendere variabili come gli effetti di varie composizioni di materiali tra cui riempitivo, concentrazione di riempitivo, effetti sinergici di riempitivi, struttura del materiale e impatto di altri elementi della struttura del sistema.

In che modo Tribology migliora l'efficienza e prolunga la durata dei materiali dei cuscinetti?

Superfici di contatto tribologicamente ottimizzate

• Identificazione dei fattori critici che influenzano il tribosistema

• Individuazione di soluzioni per migliorare l'efficienza e ridurre l'usura, tra cui:

• Utilizzo di materiali ottimizzati per attrito e usura.

• Ottimizzazione degli accoppiamenti dei materiali, che porta a bassi livelli di attrito e usura.

• Selezione e utilizzo dei lubrificanti corretti.

• Arrivando a modifiche di progettazione che hanno un impatto positivo sulle prestazioni complessive del sistema tribo.

Quali sono alcuni esempi di progressi nella tecnologia dei cuscinetti che la ricerca tribologica ha prodotto?

Per una panoramica dei progressi storici nella tecnologia dei cuscinetti guidati dalla ricerca tribo, leggiquesto articolo su Eureka Magazine. Copre i rudimentali cuscinetti a rulli usati dagli antichi egizi, i cuscinetti a sfere usati dai Romani nel 40 aC, i ruoli del trattamento termico dell'acciaio temprato e della ceramica a base di ossido. Copre anche lo sviluppo del primo cuscinetto metallo-polimero semplice autolubrificante di GGB.

In quali settori e applicazioni è utile la tribologia?

La tribologia gioca un ruolo centrale nelle applicazioni in cui due superfici di contatto si muovono l'una rispetto all'altra. Alcune industrie impongono requisiti più elevati ai sistemi tribologici a causa della loro criticità di missione, requisiti di funzionamento continuo o condizioni estreme.

A COSA DEVE PENSARE UN INGEGNERE QUANDO PROGETTA PRODOTTI O ESPERIMENTI DI ATTRITO / USURA?

Questo dipende fortemente dall'applicazione. Alcune applicazioni richiedono un attrito basso (es. Materiali per cuscinetti) mentre altre richiedono un attrito elevato (es. Sistemi frenanti). Per la maggior parte delle applicazioni, l'usura minima dei materiali è un obiettivo primario. Per molte applicazioni, spesso si mira a un punto debole definito tra bassi livelli di attrito e buone prestazioni di usura.

Quando si progettano esperimenti che descrivono l'attrito e l'usura, i test tribologici possono essere inseriti in una delle sei categorie principali, dai test sul campo nella Categoria I ai più semplici test su modelli di laboratorio, Categoria VI.

Categoria I:Una prova sul campo viene condotta in condizioni operative normali, che possono includere condizioni operative estese. Ciò si traduce in una scarsa ripetibilità, ma è vicino ai requisiti del mondo reale che il sistema tribologico dovrà affrontare.

Categoria II:Gli esperimenti vengono eseguiti con un'apparecchiatura completa in un ambiente di impianto. Questi esperimenti possono ottenere risultati vicini alle normali condizioni operative e possono essere condotti per un periodo di tempo per replicare condizioni operative estese limitando al contempo l'impatto ambientale.

Categoria III:I componenti, i sottosistemi o gli assemblaggi vengono testati in un laboratorio che si avvicina alle normali condizioni operative estese, ottenendo una ripetibilità media

Categoria IV:I test di laboratorio vengono condotti su componenti standard seriali utilizzando apparecchiature di impianto di prova ridotte.

Categoria V:Gli esperimenti vengono condotti su un campione con apparecchiature di prova per fornire condizioni operative vicine alle normali con un'eccellente ripetibilità.

Categoria VI: Viene eseguita una prova al banco con semplici apparecchiature di prova di laboratorio.

È importante ricordare che nelle categorie da I a III, la struttura del sistema del tribaggregato originale rimane coerente e solo lo stress collettivo è semplificato. Le categorie II e III offrono sollecitazioni collettive più riproducibili rispetto alla categoria I. Al contrario, nelle categorie da IV a VI, la struttura del sistema è semplificata con lo svantaggio di una minore prevedibilità nella trasferibilità dei risultati dei test a sistemi tribo-tecnici pratici comparabili. Le categorie da IV a VI offrono una migliore metrologia del sub tribo-contatto, costi inferiori e tempi di prova più ristretti.1Quindi, con un ordine crescente delle categorie di test, il tempo di test e il costo del test aumentano in modo significativo, ma aumenta anche la trasferibilità del risultato del test.

Come possiamo applicare le categorie di prova al cuscinetto del sottosistema?

I test tribologici sui materiali dei cuscinetti possono essere suddivisi in quattro categorie principali:

• Descrizioni delle prestazioni del prodotto, che includerebbero le categorie IV e III per garantire la trasferibilità dei risultati.

• Monitoraggio della produzione / fabbricazione, comprese le categorie da VI a IV, con la possibilità anche di categoria III.

• I test sui cuscinetti relativi al cliente possono includere le categorie da III a V, tenendo presente che la categoria V è rilevante solo se il test può essere adattato il più vicino possibile all'applicazione.

• Tutte le categorie possono essere utilizzate per supportare i progettisti dei materiali, con categorie inferiori nelle prime fasi di sviluppo per la preselezione e categorie con numero più alto che entrano in gioco quando sono disponibili i sottocomponenti e il prodotto finale.

1Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg + Teubner Verlag, 2010

QUAL È L'APPROCCIO DI GGB ALLO SVILUPPO DI SOLUZIONI PER CUSCINETTI ATTRAVERSO L'ESPERIENZA TRIBOLOGICA?