Comprensione dei cuscinetti portanti
Definizione: Che cos'è un cuscinetto portante?
A cuscinetto portante (chiamato anche cuscinetto a strisciamento, cuscinetto a manicotto o cuscinetto a film fluido) è un tipo di cuscinetto che supporta un albero rotante tramite un sottile film di lubrificante pressurizzato anziché tramite elementi volventi. L'albero rotante (il "perno") è separato dalla superficie fissa del cuscinetto da un film d'olio idrodinamico generato dalla rotazione dell'albero che trascina l'olio in una fessura convergente a forma di cuneo. Questo cuneo d'olio pressurizzato supporta il carico dell'albero senza contatto metallo su metallo.
I cuscinetti portanti sono fondamentali per macchinari rotanti ad alta velocità e ad alto carico come turbine, generatori e grandi compressori perché forniscono un'eccellente capacità di carico, basso attrito ad alte velocità e significativa smorzamento che aiuta a controllare vibrazione e stabilizzare rotore sistemi.
Principio di funzionamento: lubrificazione idrodinamica
Come si forma la pellicola d'olio
Il cuscinetto radente funziona secondo il principio della lubrificazione idrodinamica:
- Contatto iniziale: Quando è fermo, l'albero poggia sulla superficie del cuscinetto sotto la forza di gravità
- Inizio della rotazione: Quando l'albero inizia a girare, trascina l'olio nello spazio per adesione
- Formazione a cuneo: La geometria convergente tra albero e cuscinetto crea uno spazio a forma di cuneo
- Generazione di pressione: Il petrolio trascinato nel cuneo convergente genera pressione idrodinamica
- Decollo: La forza di pressione supera il peso dell'albero, sollevandolo su un film d'olio completo
- Stato stazionario: L'albero galleggia su una pellicola d'olio pressurizzata senza contatto con il metallo
Spessore del film d'olio
- Spessore tipico: 10-100 micrometri (0,0004-0,004 pollici)
- Estremamente sottile ma sufficiente per impedire il contatto
- Lo spessore varia attorno alla circonferenza (minimo nel punto di massimo avvicinamento)
- Dipende dalla velocità, dal carico, dalla viscosità dell'olio e dal gioco del cuscinetto
Tipi di cuscinetti portanti
1. Cilindrico semplice (giornale completo)
- Design più semplice: foro cilindrico con scanalatura di alimentazione dell'olio
- Angolo di avvolgimento di 360°
- Buona capacità di carico ma può essere soggetto a instabilità ad alte velocità
- Comune nei motori, nelle pompe, nelle apparecchiature industriali generali
2. Cuscinetti ad arco parziale
- La superficie di appoggio copre solo una parte della circonferenza (120-180°)
- Peso più leggero, minore flusso di olio richiesto
- Rigidità inferiore rispetto al perno completo
- Utilizzato in applicazioni con carichi leggeri
3. Cuscinetti a cuscinetto basculante
- Superficie di appoggio divisa in più cuscinetti indipendenti che ruotano
- Ogni cuscinetto sviluppa il proprio cuneo idrodinamico
- Intrinsecamente stabile contro il vortice/la frusta dell'olio
- Standard industriale per turbomacchine ad alta velocità
- Caratteristiche dinamiche più costose ma superiori
4. Diga di pressione e cuscinetti disassati
- Cuscinetti cilindrici modificati con caratteristiche geometriche per migliorare la stabilità
- Scanalature, dighe o fori sfalsati aumentano l'ammortizzazione efficace
- Compromesso tra il semplice tampone cilindrico e quello basculante
Caratteristiche dinamiche
Rigidità
La rigidità dei cuscinetti portanti è complessa e dipende dalla velocità:
- Bassa velocità: Bassa rigidità, la posizione dell'albero cambia significativamente con il carico
- Ad alta velocità: Maggiore rigidità grazie a una pressione idrodinamica più sviluppata
- Variazione direzionale: Rigidità diversa nelle direzioni orizzontale e verticale
- Rigidità incrociata: La deflessione in una direzione crea una forza in direzione perpendicolare
Smorzamento
I cuscinetti portanti garantiscono uno smorzamento significativo:
- Energia dissipata attraverso il taglio viscoso del film d'olio
- Lo smorzamento aumenta con la velocità e la viscosità dell'olio
- Fondamentale per limitare le vibrazioni a velocità critiche
- Essenziale per prevenire instabilità del rotore
Dipendenza dalla velocità
Tutte le proprietà dei cuscinetti portanti cambiano con la velocità di rotazione:
- La rigidità aumenta con la velocità
- Lo smorzamento aumenta con la velocità
- Frequenze naturali salire con velocità
- Velocità critiche sposta verso l'alto man mano che aumenta la velocità
Vantaggi dei cuscinetti portanti
- Elevata capacità di carico: Può supportare rotori molto pesanti
- Capacità ad alta velocità: Adatto per velocità fino a 50.000+ giri/min
- Basso attrito a velocità: Una volta stabilizzato il film idrodinamico, il coefficiente di attrito è molto basso (0,001-0,003)
- Eccellente smorzamento: Controlla le vibrazioni a velocità critiche
- Funzionamento silenzioso: Nessun rumore di rotolamento
- Resistenza agli urti: La pellicola d'olio assorbe i carichi transitori
- Lunga vita: Nessun contatto con il metallo significa usura minima (decenni di funzionamento possibili)
- Design semplice: I tipi base sono semplici ed economici
Svantaggi e sfide
- Elevato attrito iniziale: Nessuna pellicola d'olio a riposo, richiede coppia di spunto
- Sistema di lubrificazione richiesto: Deve fornire continuamente olio pulito e raffreddato
- Rischio di vortice/frusta di olio: Cuscinetti cilindrici semplici soggetti a instabilità
- Risposta più lenta: La pellicola d'olio aumenta la conformità, meno rigida dei cuscinetti volventi a basse velocità
- Sensibilità alla temperatura: Le prestazioni cambiano con la temperatura dell'olio (influenza la viscosità)
- Sensibilità alla contaminazione: Le particelle possono danneggiare la superficie del cuscinetto o bloccare i passaggi dell'olio
- Posizionamento assiale: Non fornisce alcun vincolo assiale intrinseco (richiede un cuscinetto reggispinta separato)
Applicazioni
I cuscinetti portanti sono standard in:
- Turbine a vapore e a gas: Unità di generazione di energia multi-megawatt
- Grandi generatori: Generatori sincroni nelle centrali elettriche
- Compressori centrifughi: Compressori industriali ad alta velocità e ad alto carico
- Grandi motori elettrici: I motori > 500 CV utilizzano spesso cuscinetti portanti
- Propulsione marina: Cuscinetti dell'albero dell'elica della nave
- Macchine per la carta: cuscinetti a rulli di grandi dimensioni
- Motori a combustione interna: Cuscinetti principali e di biella dell'albero motore
Relazione con la dinamica del rotore
I cuscinetti portanti influenzano in modo critico il comportamento dinamico del rotore:
- Determinazione della velocità critica: La rigidità e lo smorzamento del cuscinetto influenzano direttamente le posizioni e le ampiezze di velocità critiche
- Stabilità: Il tipo e la progettazione del cuscinetto determinano la suscettibilità a vortice d'olio e frusta ad albero
- Diagrammi di Campbell: Mostra come le frequenze naturali cambiano con la velocità a causa delle variazioni di rigidità del cuscinetto
- Bilanciamento: Le caratteristiche del cuscinetto influenzano coefficienti di influenza e risposta di equilibrio
I cuscinetti radenti rappresentano una tecnologia sofisticata e consolidata, essenziale per i macchinari rotanti ad alte prestazioni. La loro combinazione unica di capacità di carico, velocità ammissibile e smorzamento li rende insostituibili nelle applicazioni critiche, nonostante la complessità dei requisiti di lubrificazione e del comportamento dinamico.
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