Quali sono le cause del surriscaldamento dei cuscinetti del compressore?

Introduzione

Nelle moderne apparecchiature per la gestione dei fluidi, il cuscinetto del compressore funge da elemento di supporto critico che stabilizza il movimento dell'albero, riduce al minimo l'attrito rotazionale e garantisce il funzionamento continuo con carichi elevati. Man mano che i sistemi di compressione progrediscono verso velocità più elevate, dimensioni più piccole e ambienti termici più esigenti, la sfida del surriscaldamento dei cuscinetti è diventata sempre più importante. Il surriscaldamento di questo componente è più di un'anomalia della temperatura; è spesso il precursore dell'usura meccanica, del degrado della lubrificazione e dell'instabilità strutturale nell'intero sistema del compressore rotativo.

Squilibrio del carico meccanico

Lo squilibrio del carico meccanico è uno dei principali fattori scatenanti dello stress termico nei cuscinetti del compressore. Quando il gruppo del rotore è soggetto a forze assiali o radiali irregolari, il cuscinetto deve compensare i punti di pressione irregolari, con conseguente aumento dell'attrito di contatto.

Forze radiali elevate

Il carico radiale aumenta quando l'albero del compressore è disallineato, quando sono presenti giranti sbilanciate o quando le vibrazioni nei componenti rotanti ad alta velocità superano la soglia progettata. All’aumentare dell’attrito, il cuscinetto genera calore in modo proporzionale e una dissipazione insufficiente provoca un progressivo surriscaldamento.

Forze di spinta assiali

Il carico di spinta assiale deriva dai differenziali di pressione all'interno della camera del compressore. Quando i livelli di spinta superano la capacità di carico del cuscinetto, l’attrito radente aumenta notevolmente, consentendo un continuo accumulo di calore. Il controllo adeguato della distribuzione del carico assiale è essenziale per mantenere la stabilità termica.

Meccanismo di guasto correlato al carico

Un cuscinetto soggetto a carico asimmetrico o eccessivo subisce uno schema prevedibile di aumento della temperatura:

Lo stress irregolare aumenta l'attrito superficiale

L'attrito genera zone di calore concentrate

Il film lubrificante inizia a degradarsi

Si verifica un contatto metallo-metallo

I picchi di temperatura accelerano l'usura e il possibile grippaggio dei cuscinetti

Carenza di lubrificazione e esaurimento termico

La lubrificazione svolge un ruolo indispensabile nelle prestazioni termiche di qualsiasi cuscinetto del compressore. Senza un adeguato film d'olio, l'attrito si intensifica, il calore si accumula rapidamente e ne consegue la degradazione termica.

Viscosità del lubrificante inadeguata

Per i compressori ad alta velocità, la viscosità del lubrificante è definita attentamente per bilanciare fluidità e spessore del film. Un lubrificante con viscosità insufficiente non riesce a mantenere la separazione tra gli elementi volventi e le piste, aumentando notevolmente il rischio di accumulo di calore. Al contrario, una viscosità troppo elevata aumenta la resistenza del fluido, generando calore attraverso l'attrito interno.

Crollo del film petrolifero

Il collasso del film d'olio può verificarsi a causa di:

Temperatura eccessiva

Funzionamento ad alta velocità

Olio contaminato

Pressione dell'olio incoerente

Una volta che la barriera oleosa crolla, le superfici metalliche interagiscono direttamente, provocando la generazione istantanea di calore e un cedimento termico accelerato dei cuscinetti.

Irregolarità del sistema di lubrificazione

I guasti nella rete di lubrificazione dei compressori industriali, come un flusso di olio instabile, passaggi ostruiti o restrizioni nelle linee di alimentazione, compromettono direttamente la dissipazione termica. Il funzionamento continuo con scarsa lubrificazione provoca rapidamente il surriscaldamento.

Escalation dell'attrito in ambienti ad alta velocità

L'elevata velocità di rotazione è un noto fattore che contribuisce allo stress termico. Con l'avanzare della tecnologia dei compressori, i regimi più elevati sono sempre più comuni, richiedendo che la struttura portante e i materiali resistano a livelli di attrito elevati.

Effetti centrifughi sugli elementi volventi

Alle alte velocità, la forza centrifuga spinge gli elementi volventi verso l'esterno, alterando la distribuzione del carico sulla pista. Questo spostamento aumenta la pressione localizzata, che accelera la generazione di calore.

Interazione tra attrito scorrevole e attrito rotolante

Anche nei componenti di precisione dei compressori, l’attrito radente non può mai essere completamente eliminato. Quando la velocità di rotazione aumenta bruscamente, l'attrito volvente si trasforma in parte in attrito radente, intensificando la produzione termica.

Formula di generazione di calore aumentata

Gli ingegneri utilizzano spesso un modello semplificato per comprendere l'aumento termico basato sulla velocità:

Calore generato ∝ Carico × Velocità × Coefficiente di attrito

All’aumentare del termine di velocità, la generazione di calore diventa sproporzionatamente elevata, soprattutto senza robusti meccanismi di raffreddamento.

Limitazioni dei materiali e degrado dell'integrità della superficie

I materiali dei cuscinetti devono garantire durabilità, resistenza termica e proprietà strutturali stabili. Quando compaiono affaticamento del materiale o deformità microstrutturali, la generazione di calore diventa inevitabile.

Crescita di micro-scheggiature e rugosità superficiale

Piccoli difetti sulla pista di rotolamento o sugli elementi volventi aumentano la rugosità superficiale. Con maggiore rugosità, l'attrito aumenta e il calore si accumula. Questi microdifetti tendono ad espandersi rapidamente durante il funzionamento ad alta pressione.

Addolcimento termico dell'acciaio per cuscinetti

Quando il cuscinetto di un compressore funziona vicino alla soglia di rammollimento del materiale, la deformazione avviene più facilmente. La deformazione altera il percorso del carico, causando una distribuzione non uniforme delle sollecitazioni e un ulteriore aumento termico, contribuendo all'instabilità strutturale.

Impatto della purezza del materiale

Le impurità nell'acciaio dei cuscinetti influiscono sia sulla durezza che sulla conduttività termica. Le leghe impure dissipano male il calore e generano punti caldi che aumentano le temperature di esercizio.

Disallineamento dell'albero e incoerenza strutturale

L'allineamento dell'albero influenza direttamente il comportamento termico del cuscinetto. Il disallineamento intensifica l'attrito alterando l'interazione geometrica prevista tra gli elementi volventi e le piste.

Disallineamento angolare

La deviazione angolare provoca lo slittamento degli elementi volventi, generando schemi termici anomali. Il funzionamento continuo in condizioni di disallineamento angolare provoca un rapido aumento della temperatura.

Disallineamento parallelo

Lo spostamento parallelo produce una distribuzione non uniforme del carico, facendo sì che un segmento del cuscinetto sopporti la maggior parte del carico. Questo squilibrio accelera lo stress termico.

Deformazione dell'alloggiamento

Se l'alloggiamento del compressore si deforma a causa di vibrazioni, dilatazione termica o installazione errata, la sede del cuscinetto non mantiene più l'allineamento ideale, favorendo l'attrito e il surriscaldamento.

Stress termico indotto dalla contaminazione

I contaminanti sono una causa nascosta ma significativa di instabilità termica.

Intrusione di particolato duro

Particelle come polvere, detriti metallici o residui di lavorazione entrano nell'ambiente di lubrificazione e aumentano l'attrito abrasivo. I micrograffi che ne derivano si evolvono in difetti generatori di calore.

Contaminazione dell'umidità

L'umidità riduce la viscosità del lubrificante, interrompe la continuità del film d'olio, induce corrosione e aumenta i livelli di attrito. La generazione di calore accelera rapidamente in caso di degrado indotto dall'umidità.

Incompatibilità chimica

Alcuni contaminanti interagiscono chimicamente con i lubrificanti, riducendo le prestazioni di lubrificazione e aumentando il carico termico sul cuscinetto del compressore.

Struttura di dissipazione del calore insufficiente

Anche quando la lubrificazione e le condizioni meccaniche sono adeguate, un cuscinetto potrebbe surriscaldarsi semplicemente perché il calore non può fuoriuscire in modo efficiente.

Scarsa progettazione del percorso termico

Se l’alloggiamento del cuscinetto non dispone di un percorso efficace di conduzione del calore, l’accumulo termico diventa inevitabile. La conduttività del materiale e lo spessore delle pareti influenzano in modo significativo le prestazioni di raffreddamento.

Ventilazione o flusso di raffreddamento inadeguati

Nelle camere sigillate del compressore il calore può accumularsi rapidamente. Senza canali di flusso d’aria progettati o percorsi di conduzione passiva, la temperatura del cuscinetto aumenta anche in condizioni di carico moderato.

Interferenza di dilatazione termica

Se i componenti circostanti si espandono più o meno del cuscinetto stesso, lo stress termico si manifesta sotto forma di compressione, attrito e ulteriore accumulo di calore.

Errori operativi e parametri di utilizzo errati

Le pratiche operative hanno un'influenza diretta sulle prestazioni termiche dei cuscinetti.

Operazione a velocità eccessiva

Far funzionare i compressori oltre la soglia di velocità prevista moltiplica la potenza termica e sovrasta il comportamento del film lubrificante.

Richiesta di carico eccessiva

Aumenti improvvisi della pressione o un funzionamento prolungato in sovraccarico producono un aumento continuo della temperatura.

Cicli di avvio-arresto frequenti

I bruschi cambiamenti di carico impediscono al sistema di stabilire schemi di lubrificazione e raffreddamento stabili, aumentando lo stress termico sul cuscinetto.

Usura a lungo termine e invecchiamento naturale

Anche con una corretta manutenzione, il funzionamento a lungo termine porta ad un'inevitabile usura.

Panoramica del meccanismo di usura

Gli elementi volventi perdono gradualmente la scorrevolezza

Le superfici delle piste sviluppano micro-pitting

I canali di lubrificazione diventano parzialmente ostruiti

L'efficienza della dissipazione del calore diminuisce

Questo lento degrado provoca un aumento delle temperature nel tempo, con conseguente surriscaldamento persistente.

Tabella riepilogativa delle caratteristiche del prodotto

La tabella seguente riassume le caratteristiche strutturali e funzionali tipicamente considerate nella progettazione dei cuscinetti del compressore per il controllo termico.

Conclusione

Il surriscaldamento dei cuscinetti del compressore deriva da una combinazione di fattori meccanici, termici, operativi e ambientali. I fattori critici includono squilibrio del carico, carenze di lubrificazione, velocità di rotazione eccessiva, contaminazione, dissipazione del calore inadeguata, degrado dei materiali, disallineamento e condizioni operative improprie.

Comprendere queste cause è essenziale per ottimizzare l'affidabilità delle apparecchiature, progettare sistemi di compressori rotativi ad alte prestazioni e prolungare la durata dei componenti. Migliorando la progettazione della lubrificazione, perfezionando la selezione dei materiali, migliorando la precisione dell'allineamento e rafforzando le strutture di raffreddamento, gli ingegneri possono prevenire efficacemente i guasti termici dei cuscinetti e mantenere prestazioni stabili del compressore in diversi ambienti industriali.