Misure PIV (Particle Image Velocimetry) in un cuscinetto a rulli conici

Lo studio della lubrificazione dei cuscinetti volventi rappresenta tutt’oggi una sfida ingegneristica. L’articolo mostra i risultati di una ricerca condotta dalla Libera Università di Bolzano assieme a Schaeffler Technologies e l’Università Chalmers di Gothenburg in Svezia in cui per la prima volta è stato possibile condurre misure PIV (Particle Image Velocimetry) all’interno di un cuscinetto a rulli conici lubrificato a olio.

L’applicazione della fluidodinamica computazionale (CFD) alla lubrificazione dei cuscinetti a elementi volventi è un tema di crescente interesse sia a livello di ricerca accademica sia di sviluppo industriale [1]. I modelli CFD consentono di estrapolare molti dati per quanto concerne la circolazione del lubrificante ([2-4]) e/o le perdite di potenza dovute all’interazione tra fluido e struttura [5-8]. Tuttavia, la maggior parte dei lavori scientifici presenti in letteratura riporta dati sperimentali senza un’opportuna validazione sperimentale. Anche quanto una validazione viene fatta, nella maggior parte dei casi, il confronto numerico-sperimentale si limita alle perdite di potenza [1]. Pertanto, la capacità di misurare sperimentalmente il campo di velocità del lubrificante all’interno di un cuscinetto in esercizio è una assoluta novità che permette finalmente di valutare la congruenza delle simulazioni numeriche con la fisica del sistema. Questo tipo di misura, infatti, fornisce dati affidabili sugli effetti di specifiche caratteristiche geometriche sul com- portamento del lubrificante. Alcuni studi PIV condotti su ingranaggi [13-15] o su cuscinetti idrodinamici [16-21] hanno già mostrato l’efficacia di questo approccio sperimentale. Tuttavia, non si ha ancora evidenza di studi PIV su cuscinetti volventi. Questo è principalmente legato alle difficoltà tecniche di questo tipo di misura che richiede la realizzazione di un banco prova dedicato. Nel seguito viene descritto da un lato il processo di progettazione, e quindi le sfide incontrate nello sviluppo di un banco prova che consentisse misure PIV all’interno di un cuscinetto volvente, dall’altro si riportano i risultati della campagna di prova che mostrano come l’aerazione sia un fenomeno non trascurabile (e come quindi i solutori CFD tradizionali non possano essere utilizzati per questo tipo di indagini).

Background

Uno studio pionieristico per ottenere sperimentalmente i flussi e la distribuzione dei vortici all’interno di un cuscinetto a sfere a contatto angolare è stato condotto da Yan et al [22]. In questo studio, la gabbia del cuscinetto, l’anello esterno così come la sede in cui il cuscinetto era alloggiato sono stati fabbricati in Perspex, una plastica trasparente. In questo modo, è stato possibile eseguire misure PIV da una prospettiva radiale. In particolare, attraverso l’analisi di cross-correlazione, è stato ottenuto il campo di velocità nella sezione trasversale del cuscinetto. Da queste misure è emerso come esistano vortici su entrambi i lati degli elementi volventi (sfere). Inoltre, lo studio ha evidenziato come all’aumentare della velocità di rotazione del cuscinetto aumenti anche l’intensità dei vortici. Sebbene questo studio rappresenti una pietra miliare nell’analisi PIV applicata ai cuscinetti, le modeste proprietà meccaniche del Perspex hanno permesso di eseguire test solo con precarichi molto bassi e a basse velocità (<1300 r·min-1) dato che per valori maggiori la corretta cinematica non era più garantita a causa di slittamenti e deformazioni. Un altro metodo interessante per acquisire informazioni sulla distribuzione del lubrificante all’interno di cuscinetti volventi si basa sull’uso della tomografia computerizzata a raggi X (XCT) [23, 24], Tuttavia, anche la XCT consente di acquisire dati solo per velocità di rotazione molto limitate (<600 r·min-1). Altri studi sfruttano le fotografie per valutare qualitativamente il comportamento del lubrificante in prossimità del cuscinetto (ad esempio [4, 25, 26]).
Attraverso una superficie trasparente, è però possibile osservare i flussi d’olio a livello macroscopico.