Tribologia nell’industria: attrito, usura e lubrificazione

L’attrito si genera ovunque due superfici si muovano l’una rispetto all’altra. Negli impianti industriali può provocare perdite di energia, aumento delle temperature e progressiva usura dei componenti. Una lubrificazione corretta riduce queste sollecitazioni e contribuisce in modo determinante all’affidabilità e alla durata di macchine e impianti.

È proprio di queste interazioni che si occupa la tribologia. Questa disciplina studia il rapporto tra attrito, usura e lubrificazione delle superfici in movimento relativo.

Per i responsabili della produzione e della manutenzione, la tribologia è quindi molto più di un concetto teorico: un sistema tribologico correttamente gestito può contribuire a ridurre l’usura, prevenire fermi macchina non pianificati e ottimizzare nel tempo i costi di manutenzione.

Cos’è la tribologia?

La tribologia è la scienza e la tecnica che studia l’interazione tra superfici in movimento relativo. Si concentra su tre fenomeni strettamente collegati:

• Attrito: resistenza che si genera tra due superfici in movimento reciproco.
• Usura: progressiva perdita di materiale o alterazione della superficie causata dalle sollecitazioni meccaniche.
• Lubrificazione: utilizzo di un lubrificante per ridurre il contatto diretto tra le superfici e controllare attrito e usura.

Un sistema tribologico, tuttavia, non comprende soltanto due componenti e un lubrificante. Anche carico, velocità, temperatura, materiali, caratteristiche delle superfici e contaminanti influenzano il comportamento complessivo del sistema.

Per questo motivo, un lubrificante che funziona correttamente in una determinata applicazione può risultare inadeguato in condizioni operative differenti.

Perché attrito e usura sono determinanti negli impianti industriali?

L’attrito non può essere completamente eliminato nei sistemi meccanici e, in alcune applicazioni, è persino necessario per il loro funzionamento. L’obiettivo è controllarlo nei punti in cui può provocare perdite energetiche o danni.

Una lubrificazione inadeguata può determinare:

• aumento della temperatura operativa;
• maggiore consumo energetico;
• usura accelerata dei componenti;
• danni a cuscinetti, ingranaggi, pompe o valvole;
• riduzione degli intervalli di manutenzione;
• fermi di produzione non pianificati.

Per un’azienda, quindi, l’usura non comporta soltanto la sostituzione di un componente. I tempi di fermo, gli interventi di manutenzione e le perdite di produzione possono aumentare sensibilmente il costo complessivo.

Il film lubrificante: lo strato di separazione fondamentale

Una delle funzioni principali di un lubrificante consiste nel creare un film lubrificante sufficientemente resistente tra due superfici in movimento.

Questo film impedisce o riduce il contatto diretto tra le superfici.

A seconda delle condizioni operative possono verificarsi diversi regimi di lubrificazione. Quando il film lubrificante è sufficientemente sviluppato, le superfici rimangono in gran parte separate. Se invece il film diventa troppo sottile a causa di carichi elevati, basse velocità, viscosità inadeguata o temperature elevate, aumenta il contatto diretto tra le superfici.

La conseguenza è un aumento dell’attrito e dell’usura.

Quale ruolo svolge la viscosità?

La viscosità è una delle proprietà più importanti di un lubrificante. Influenza direttamente la capacità di formare un film lubrificante stabile nelle specifiche condizioni operative.

Se la viscosità è troppo bassa, il film lubrificante può diventare insufficiente in presenza di carichi elevati. Se è troppo alta, possono invece aumentare la resistenza al movimento del fluido, le perdite energetiche e le difficoltà durante gli avviamenti a freddo.

La viscosità ottimale dipende quindi da diversi fattori:

• temperatura operativa;
• carico;
• velocità;
• configurazione del sistema;
• indicazioni del costruttore della macchina.

Questo rapporto è particolarmente evidente nei sistemi idraulici, nei quali la viscosità influenza contemporaneamente la lubrificazione dei componenti e il comportamento del fluido nel circuito.

Ingranaggi industriali: i carichi elevati richiedono una protezione specifica

Negli ingranaggi industriali si generano elevate pressioni di contatto tra i denti. Il lubrificante deve creare un film resistente e proteggere le superfici anche in condizioni di carico elevato.

Oltre alla viscosità, assumono un ruolo importante anche gli additivi. Gli additivi AW ed EP contribuiscono alla protezione dall’usura nelle condizioni operative più impegnative.

Devono inoltre essere considerate temperatura e sollecitazioni: all’aumentare della temperatura, generalmente diminuisce la viscosità dell’olio. Di conseguenza, il film lubrificante può diventare più sottile.

La scelta dell’olio per ingranaggi deve quindi essere effettuata considerando costruzione del sistema, carico, velocità, temperatura operativa e specifiche del costruttore.

Contaminazione: quando le impurità modificano il sistema tribologico

Anche un lubrificante correttamente selezionato può non svolgere adeguatamente la propria funzione se è fortemente contaminato.

Particelle solide, acqua o residui di processo possono alterare significativamente il sistema tribologico. Le particelle dure presenti tra le superfici in movimento possono, ad esempio, provocare usura abrasiva. L’acqua può invece modificare le caratteristiche del lubrificante e favorire fenomeni di corrosione.

La pulizia dell’olio nei sistemi idraulici è particolarmente importante in presenza di pompe, valvole e componenti caratterizzati da tolleranze ridotte.

Il controllo delle condizioni del lubrificante costituisce quindi una parte importante di una strategia efficace di manutenzione preventiva.

Un esempio concreto è rappresentato dal nostro caso applicativo dedicato all’eliminazione della contaminazione dell’olio idraulico in impianti CNC ad alta frequenza operativa.

Quali tipi di usura si verificano nell’industria?

L’usura può avere cause e manifestazioni differenti. Tra le principali troviamo:

Usura abrasiva

Particelle dure o superfici irregolari provocano l’asportazione meccanica di materiale. Una filtrazione efficace e il controllo della pulizia dell’olio assumono quindi particolare importanza.

Usura adesiva

Quando la separazione è insufficiente, le superfici possono entrare localmente in contatto. In presenza di carichi elevati possono verificarsi trasferimenti di materiale e danneggiamenti.

Usura da fatica

Le sollecitazioni ripetute possono provocare fenomeni di fatica del materiale, in particolare nei cuscinetti volventi e sulle superfici dei denti degli ingranaggi.

Usura corrosiva

Reazioni chimiche, umidità o contaminanti aggressivi attaccano le superfici e possono accelerare ulteriormente l’usura meccanica.

Il danno visibile su un componente è quindi spesso soltanto il risultato finale. Per evitare che il problema si ripresenti, è necessario individuare la causa effettiva all’interno del sistema tribologico.

Il lubrificante corretto è parte del sistema

La domanda da porsi non è quindi semplicemente:

Qual è il miglior lubrificante?

La domanda corretta è:

Quale lubrificante è adatto a questo sistema tribologico e alle sue condizioni operative?

Nella selezione devono essere considerati, tra gli altri, i seguenti criteri:

• viscosità richiesta;
• intervallo di temperatura;
• carico e velocità;
• accoppiamento dei materiali;
• proprietà antiusura ed EP richieste;
• rischio di presenza di acqua e contaminanti;
• omologazioni e norme del costruttore;
• intervalli di manutenzione e sostituzione desiderati.

Anche la scelta tra lubrificanti minerali e sintetici deve essere effettuata sulla base dell’applicazione concreta. Un lubrificante di livello superiore genera un vantaggio economico solo quando le sue caratteristiche rispondono effettivamente alle condizioni operative.

Tribologia e manutenzione: individuare l’usura prima che provochi danni

Una strategia di lubrificazione efficace non termina con la selezione del prodotto corretto.

Le condizioni del lubrificante cambiano durante l’utilizzo. Temperatura, ossidazione, acqua, particelle e sollecitazioni meccaniche possono comprometterne progressivamente le caratteristiche.

Le analisi periodiche dell’olio possono quindi fornire indicazioni importanti sia sulle condizioni del lubrificante sia sullo stato della macchina. A seconda dell’applicazione, è possibile monitorare parametri come viscosità, contenuto d’acqua, contaminazione particellare o presenza di metalli da usura.

Particolarmente significativo non è soltanto il singolo valore rilevato, ma la sua evoluzione nel tempo. Il monitoraggio dei trend permette di individuare precocemente eventuali variazioni e supporta una manutenzione basata sulle reali condizioni dell’impianto.

ECSA Maintenance: la lubrificazione come elemento dell’affidabilità degli impianti

La tribologia dimostra perché la scelta di un lubrificante industriale non dovrebbe essere considerata isolatamente. Attrito, usura, film lubrificante, temperatura, carico e contaminazione si influenzano reciprocamente e devono essere valutati in funzione delle reali condizioni operative dell’impianto.

ECSA Maintenance supporta le aziende industriali svizzere nella scelta dei lubrificanti industriali più adatti, considerando applicazione, carico, temperatura, viscosità e requisiti tecnici. Dagli oli idraulici agli oli per ingranaggi fino ai lubrificanti speciali, la corretta analisi dell’applicazione è il primo passo per migliorare l’affidabilità degli impianti e pianificare efficacemente la manutenzione.

FAQ: domande frequenti sulla tribologia