Risparmio del 47% dei consumi energetici per i cuscinetti utilizzati negli elettrodomestici

16/03/2012

I cuscinetti volventi risultano indispensabili per i macchinari e le attrezzature industriali: la loro funzione consiste nel trasferire l’energia di rotazione, garantendo dispersioni minime e, di conseguenza, risparmio energetico. Allo stesso tempo, i cuscinetti svolgono un ruolo chiave nella tutela delle risorse naturali attraverso il prolungamento della durata operativa delle macchine ed il ridimensionamento delle stesse, reso possibile grazie alla combinazione di materiali e design innovativi.

Dato il loro utilizzo esteso, i cuscinetti volventi rappresentano il principale perno dell’industria globale su cui far leva per ottenere una maggiore efficienza energetica ed una riduzione dei consumi. NSK è impegnata a soddisfare le richieste di efficienza attraverso un programma di miglioramento costante dei cuscinetti. Il programma, che prevede una sinergia di materiali, design, lubrificazione e tecnologie di tenuta, ha garantito un miglioramento dell’efficienza del 30% per i cuscinetti radiali rigidi a sfere standard di NSK, arrivando ad un incremento addirittura superiore del 47% per i cuscinetti per elettrodomestici: in entrambi i casi il confronto è riferito ai cuscinetti a sfere standard della stessa dimensione. Questi importanti miglioramenti permettono di limitare l’utilizzo di energia in dispositivi ad alto consumo come motori elettrici, condizionatori ed elettrodomestici.

Il programma di miglioramento costante è un’iniziativa graduale che ha avuto inizio con i cuscinetti radiali rigidi a sfere standard. Il materiale del cuscinetto ha rappresentato la prima area di interesse del processo di miglioramento. Attraverso i recenti sviluppi nella tecnologia dei materiali, NSK è riuscita a dimostrare che i miglioramenti nella purezza dell’acciaio (ottenuti principalmente riducendo il numero di inclusioni non metalliche nell’acciaio) garantiscono una maggiore durata a fatica dell’acciaio per cuscinetti.

NSK ha agito sulla base dei risultati, ottimizzando il processo di produzione dell’acciaio e migliorando le condizioni operative per ridurre le impurità in maniera sostanziale. Le inclusioni non metalliche sono state ridotte. Il risultato è l’Acciaio Z, ad elevata purezza, che rappresenta il materiale standard per i cuscinetti a sfere di NSK. I cuscinetti realizzati in Acciaio Z garantiscono una durata di esercizio notevolmente superiore rispetto all’acciaio degasato sotto vuoto convenzionale: una durata fino a 1,8 volte superiore. Inoltre, l’Acciaio Z garantisce una risposta più uniforme al trattamento termico, un processo che offre una durezza superiore ed un’eccellente resistenza all’usura.

Attraverso i miglioramenti della durata e dell’usura ottenuti grazie alle tecnologie dei nuovi materiali, NSK ha sviluppato il processo di ottimizzazione superficiale – un fattore chiave per garantire una maggiore efficienza. L’ottimizzazione delle superfici di rotolamento garantisce un ulteriore vantaggio. Consente di ridurre l’attrito superficiale, limitando le perdite di energia e la comparsa di fenomeni di usura. Una buona geometria superficiale garantisce la formazione di un adeguato film di lubrificante, mentre i processi di lavorazione limitano le sollecitazioni di compressione ed assicurano un’elevata resistenza a fenomeni di usura e di abrasione. Le piste di rotolamento dei cuscinetti a sfere di NSK sono lavorate in maniera particolare per ridurre l’attrito e la rumorosità. Inoltre, la distribuzione ottimale del lubrificante che deriva da questa operazione garantisce una maggiore durata operativa.

Oltre alla tecnologia dei materiali e all’ottimizzazione superficiale, NSK ha anche ottenuto miglioramenti significativi nell’efficienza dei cuscinetti a sfere attraverso le tenute ed i lubrificanti ad attrito ridotto, in particolare i grassi. L’esperienza di NSK nel campo automobilistico e dei motori elettrici – ambiti che da sempre richiedono cuscinetti con coppia ridotta per garantire avviamenti efficienti anche a freddo – si è rivelata fondamentale.

Il grasso viene trattenuto all’interno del cuscinetto attraverso le tenute o gli schermi di protezione. Per questo, tali elementi rivestono un ruolo altrettanto importante nella conservazione dell’energia: una tenuta troppo strisciante potrebbe creare attrito e, di conseguenza, causare perdite di energia. La sfida nel mercato dei cuscinetti è stata quella di sviluppare tenute per velocità elevate, al fine di ridurre al minimo l’attrito. Questo ha portato NSK a sviluppare le tenute “V”. La tenuta V rappresenta una soluzione innovativa, in quanto agisce senza aumentare la temperatura operativa e la coppia di rotolamento.

Dispone di una capacità di tenuta superiore agli schermi di protezione ZZ e livelli di velocità identici a quelli dei cuscinetti in versione schermata. Le tenute non striscianti V non provocano aumento di resistenza all’interno del cuscinetto – un vantaggio importante in applicazioni dove la perdita di energia rappresenta un aspetto critico, come nei motori elettrici di piccole dimensioni.

Seguendo il programma di miglioramento per i cuscinetti a sfere standard, NSK ha avviato una seconda fase di sviluppo articolata in due tappe, mirata all’ottimizzazione dell’efficienza dei cuscinetti a sfere lubrificati a grasso utilizzati negli elettrodomestici.
Questi dispositivi rappresentano gran parte del consumo mondiale di energia – ed il mercato è in rapida crescita; per questo motivo è necessario fornire con urgenza cuscinetti a basso attrito, senza compromessi in termini di durata operativa e silenziosità. Nella Fase 1 di sviluppo, NSK ha aumentato il raggio di curvatura della pista di rotolamento, e ha poi testato un’unità equipaggiata con cuscinetti 6202 rotanti a 18.000 giri/min per determinare la riduzione dell’attrito. Il test ha rilevato che la perdita di potenza per attrito risultava circa cinque volte inferiore.

NSK ha poi affinato ulteriormente il design, con una struttura modificata della gabbia in grado di migliorare il flusso del lubrificante, abbinato ad un quantitativo di grasso ottimizzato. In altri test di verifica e durata, i cuscinetti hanno garantito una riduzione fino al 47% dei consumi di energia rispetto ai cuscinetti radiali rigidi a sfere standard lubrificati a grasso, garantendo una durata senza paragoni e la massima silenziosità a 18.000 giri/min.

In seguito, la Fase 2 ha permesso di ottenere ulteriori riduzioni dei consumi attraverso l’utilizzo di gabbie in materiale poliammidico e di lubrificanti speciali. I test di coppia dinamica effettuati su questi cuscinetti hanno dimostrato che con il nuovo grasso si è in grado di ridurre la coppia del 15% circa e la gabbia poliammidica garantisce una riduzione oltre 5 volte superiore. Sono stati registrati anche ulteriori miglioramenti nei test delle temperature. Il nuovo lubrificante ha ridotto la temperatura operativa del 7% e la gabbia poliammidica del 40%. Inoltre, la gabbia poliammidica ha dimostrato le proprie qualità in termini di riduzione di coppia e di attrito aumentando il tempo di arresto del motore di oltre il 100%.