Riduzione della forza di attrito con lubrificanti sintetici

Come si manifestano l’attrito e l'usura meccanica in superfici a contatto e in reciproco movimento ?

Quali sono i sistemi per ridurre usura e attrito e aumentare l’affidabilità di un dispositivo meccanico ?

Quali sono le caratteristiche di un fluido lubrificante a basso coefficiente d'attrito e ad elevata capacità di resistenza al carico?

Attrito e Usura meccanica

L’usura per attrito rappresenta la perdita progressiva e continuativa di materiale da superfici solide, in reciproco movimento e contatto, per cause di natura meccanica. Qualsiasi dispositivo meccanico semplice o complesso se non opportunamente equipaggiato di film lubrificante uniforme va incontro a perdita di materiale: usura meccanica per attrito.

 

attrito_usura_meccanica_ingranaggio

 

Esistono diverse modalità attraverso le quali l’usura meccanica si compie ed alcune possono essere tra di loro combinate, e determinare azioni sinergiche distruttive:

 

  • ABRASIONE : formazione di solchi superficiali per effetto della differenza di durezza dei partner in attrito.

  • ADESIONE : rimozione di materiale superficiale per effetto della tendenza all'incollamento di due materiali, si distingue in superficiale e profonda, a seconda dell'entità del processo, nel caso della superficiale sono coinvolti gli primi strati molecolari (ossidi), nell'adesione profonda  si genera un processo di fusione per attrito, strappo e rottura dei materiali base.

  • FATICA SUPERFICIALE: perdita di materiale e deformazione delle superfici a causa di stress meccanici ripetuti (p.e. corpi volventi in cuscinetti a rotolamento) 

  • EROSIONE: formazione di solchi superficiali provocati dall'urto di particelle solide contenute in fluidi in collisione ad elevata velocità.

  • SFREGAMENTO: usura localizzata sulle superfici a contatto, per effetto di reciproco scorrimento provocato da vibrazioni.

  • CORROSIONE : rimozione di materiale ossidato dalle superfici in attrito

  • ELETTRO-CORROSIONE: asportazione dei materiali attraverso dissoluzione in un liquido corrosivo con l'ausilio della corrente elettrica

  • SCARICA ELETTRICA: perdita di materiale provocata da rimozione di parti metalliche fuse e alterate da scariche elettriche.

L’usura meccanica è inevitabile, se  prevista, tenuta sotto controllo ed eventualmente minimizzata può impedire prematuri malfunzionamenti dei cinematismi meccanici coinvolti.  Solamente in un caso l’usura ha una funzione di assestamento, ed è quella che si compie nei primi cicli di funzionamento di un dispositivo, prima cioè che il FILM LUBRIFICANTE sia completamente attivo e capace di resistere al carico, grazie all’azione combinata degli additivi: l'usura da rodaggio, generalmente contenuta e di rapida estinzione (p.e. motori autoveicoli). 

 

superfici_in_attrito_3d

 

Che cos'è un tribosistema

Il tribosistema, è l'insieme delle condizioni e variabili che incidono nell'immediato intorno di un processo di attrito. Il risultato finale di due superfici in reciproco movimento e contatto è sempre e comunque ATTRITO e conseguente USURA MECCANICA.  

L’usura meccanica è strettamente correlata alle condizioni di attrito che si vengono a creare in un tribosistema, di seguito  rappresentato in tutte le sue variabili in gioco:

tribosistema_analisi_parametri

 

La definizione di tribosistema parte da quattro importanti concetti:

  1. LA STRUTTURA DEL TRIBOSISTEMA: la tipologia di materiali in attrito, metalli, plastiche, elastomeri, la loro rugosità superficiale

  2. I PARAMETRI OPERATIVI: carico di lavoro, pressioni specifiche, velocità di scorrimento, temperatura di esercizio 

  3. I PARAMETRI DI INTERAZIONE tipo di attrito volvente o radente, la condizione di attrito (limite, mista, fluida), presenza fluidi di processo (p.e. polveri, acidi, basi) e fluidi lubrificanti.

  4. I PARAMETRI TRIBOTECNICI: attrito e usura

Nell'ambito dei parametri di INTERAZIONE, la scelta del fluido lubrificante può condizionare in maniera determinante la durata e efficienza di un dispositivo meccanico, è pertanto importante approfondire e misurare le effettive condizioni in cui il tribosistema si trova ad operare per poter sviluppare il fluido lubrificante in perfetta sintonia con lo stesso TRIBOSISTEMA.

Che cos'è l'attrito

L’attrito è la forza che si oppone al movimento di due corpi in reciproco contatto. Se interponiamo tra le due superfici un fluido lubrificante, si possono distinguere due tipologie di attrito:

  • ESTERNO : radente o volvente,  è il mezzo attraverso il quale l’usura si compie e rappresenta la forza che impedisce (attrito statico) o ostacola (attrito dinamico)  il movimento di due superfici a contatto. L’attrito esterno deriva principalmente dai microscopici contatti che si creano tra le superfici a contatto che tendono ad aderire una sull’altra provocando deformazione dei materiali e scanalature. L’energia che si genera dal contatto viene trasformata in attrito, quindi calore e/o vibrazioni meccaniche, la funzione di un fluido lubrificante è proprio quelle di ridurre l’attrito esterno.

     

  • INTERNO : attrito esistente tra le molecole nel film lubrificante interposto tra i materiali in attrito, viene anche definito viscosità ed è una delle variabili di maggior rilevanza per un’adeguata formulazione dei fluidi lubrificanti in relazione alle variabili presenti nel tribosistema.  

 

tribosistema

La risultante di tutte le variabili di un tribosistema può essere sintetizzata nel coefficiente d’attrito, distinto in statico e dinamico, ha un valore adimensionale poichè è  il rapporto tra due Forze, la prima (Fa) tendente a favorire il moto e la seconda (N) ostacolante il  movimento. La forza  Fr, rappresenta la risultante forza di attrito. Nel caso in cui Fa>/= Fr si ha attrito dinamico se Fa<Fr si parla di attrito statico. (velocità=0).

 

analisi_coefficiente_attrito



A seconda della morfologia delle superfici a contatto, l'attrito può essere ulteriormente distinto in:

  • Radente: è l’attrito che si genera durante puro strisciamento di due superfici, in assenza di rotolamento e/o rotazione

attrito_radente

  • Volvente: è l’attrito che si genera durante il rotolamento, come  nei cuscinetti a sfera tra le piste e i corpi volventi.

attrito_volvente

 

  • Da perforazione : si crea al contatto tra due corpi per effetto della rotazione di uno dei due intorno al proprio asse.

 

attrito_foratura_utensile_2

Più tipologie di  attrito possono coesistere in un tribosistema, conoscerne la tipologia è fondamentale se si vuole adottare correttamente il fluido lubrificante da equipaggiare nel dispositivo meccanico. La tabella di seguito riporta alcuni esempi.

 

tabella_attrito_dominante

 

All'interno della stessa famiglia di accoppiamento meccanici, a seconda del design scelto in fase di progettazione, come negli ingranamenti, è possibile individuare condizioni diverse di attrito dominate:

 

confronto_attrito_dominante

 

La lubrificazione per ridurre l’usura meccanica da attrito

La riduzione dell’attrito tra due corpi a contatto e in mutuo strisciamento può essere ottenuta interponendo tra le due superfici una sostanza in grado di ridurre lo sforzo di taglio necessario per permettere lo strisciamento. Questa sostanza, che può essere solida, liquida o gassosa, è chiamata lubrificante.

In ogni sistema tribologico, equipaggiato di un film lubrificante, è possibile identificare delle condizioni di attrito variabili a seconda delle velocità di scorrimento dei partner in attrito. Un metodo per individuare come le condizioni di attrito variano in rapporto alle velocità di reciproco scorrimento è l'utilizzo della curva di Stribeck, nella quale il coefficiente di attrito viene  messo in relazione alle condizioni dinamiche delle superfici a contatto:

 


Schermata_2014-10-22_alle_11.37.03

 

 

Dalla figura si possono identificare tre differenti zone di funzionamento con relativo decorso del coefficiente d'attrito:

  

  1. AREA ROSSA ATTRITO LIMITE o Boundary Lubrication : al di sotto o all'interno dell'area della lubrificazione limite il film lubrificante non è sufficientemente portante da separare le superfici in reciproco scorrimento, e il contatto tra le superfici e avviene con regolarità, producendo un'inevitabile accelerazione dei processi di erosione e consumo meccanico e conseguente prematura perdita di funzionalità del dispositivo meccanico. Per prevenire i processi di usura le formulazioni dei fluidi lubrificanti operanti in queste condizioni sono equipaggiati di additivi per ridurre il coefficiente d'attrito.

    attrito_limite_lubrificanti_sintetici

  2. AREA ARANCIONE : ATTRITO MISTO o Mixed lubrication: l'incremento della velocità porta ad una condizione intermedia nella quale si ha una separazione parziale delle superfici in mutuo contatto, combinata con zone di totale assenza del film lubrificante. Si verifica in questa zona di funzionamento un'abbassamento progressivo del coefficiente d'attrito dinamico con l'incremento della velocità, per effetto del progressivo instaurarsi del film portante di lubrificazione. 

    attrito_misto_lubrificanti_sintetici

  3. AREA GIALLA: ATTRITO FLUIDO o Hydrodynamic lubrication: totale separazione delle superfici a contatto, il fenomeno può essere assimilato all'effetto di pattinamento degli pneumatici rotolanti sull'asfalto bagnato. Il coefficiente d'attrito si stabilizza ad un valore più elevato, ma i risultati tribometrici di Attrito e usura sono notevolmente ridotti. La condizione di attrito idrodinamico rappresenta la situazione ottimale per il mantenimento in  piena efficienza  del tribosistema. Questa condizione  non è semplice da raggiungere in un tribosistema: condizioni diverse di velocità e carico nello stesso dispositivo possono determianre il passaggio da  attrito limite a una condizione di attrito fluido.

 

attrito_fluido_lubrificanti_sintetici 

La lubrificazione rappresenta una variabile fondamentale all'interno di un sistema tribologico, la costituzione di un film lubrificante persistente in tutte le condizioni di attrito rappresenta il risultato a cui ogni formulazione lubrificante dovrebbe tendere. L'area dell'attrito fluido può modificarsi di spessore se le altre variabili subiscono variazioni: pressioni di contatto, temperatura, presenza di fluidi aggressivi. 

Come verificare la capacità di carico dei fluidi lubrificanti

Per misurare indirettamente le caratteristiche di capacità di resistenza al carico di un fluido lubrificante  si fa ricorso a test predittivi e prove comparative. Tali prove possono indirizzare il formulatore nel disegnare la ricetta più appropriata e adatta  al sistema tribologico in questione. Tra i test più utilizzati:

ASTM D-4172 -  Test di usura 4 sfere: viene valutata la capacità di resistenza al carico di un fluido lubrificante attraverso la dimensione dell’impronta di usura che si viene a creare in seguito a contatto per attrito a condizioni di carico, temperatura e velocità definite, di 4 sfere in acciaio immerse nel lubrificante in prova.  

 

Schermata 2014-07-22 alle 15.55.48.png
  • Impronta di usura: una maggiore capacità resitenza al carico ed efficacia degli additivi antiusura presenti nel fluido lubrificante corrispondono ad un’inferiore diametro dell’impronta di usura.

  • Carico saldante: valore della forza in N causante la saldature delle sfere metalliche, maggiore il valore e maggiore è la capacità di resistenza alle estreme pressioni del fluido lubrificante.

 



ASTM D-5707: test di riferimento per valutare il decorso nel tempo dell’attrito dinamico e l’usura sulle superfici di prova di un fluido lubrificante in condizioni di elevata frequenza ed oscillazione lineare (SRV test). E’ possibile valutare diverse condizioni di attrito da contatto: punto, linea e superficie, simulando le condizioni reali che si vengono a generare nel tribosistema. Le immagini di seguito mettono in evidenza alcune tra le possibili combinazioni tribologiche.



stift_platte_oszillierend_skizze_ani.gif kugel_prisma_rotierend_skizze_ani.gifstift_scheibe_rechtsrotierend_skizze_ani.gifzyl_platte_waelz_skizze_ani_170x128.gifzyl-zyl_gekreuzt_osz_170x.gifkugel_pyramide_rotierend_skizze_ani.gif

(immagini di proprietà werner-stehr-tribologie)

 

Una formulazione lubrificante deve quindi:

  • migliorare la capacità di resistenza alle sollecitazioni meccaniche

  • ridurre del coefficiente d'attrito dinamico

Nella guida di seguito si riportano le  5 caratteristiche fondamentali che un lubrificante deve possedere per migliorare l’efficienza di un dispositivo meccanico in condizioni di carico elevato.

 

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