Oggi, l’efficienza energetica riveste un’importanza senza precedenti. Quando gli ingegneri valutano il consumo energetico delle loro macchine durante il ciclo di vita, diventa evidente che l’efficienza della macchina svolge un ruolo cruciale nella sostenibilità operativa. Le perdite dovute all’attrito rappresentano uno dei principali ostacoli da affrontare nel perseguire un miglioramento dell’efficienza delle macchine.
I cuscinetti ad aria, benché una tecnologia consolidata, potrebbero aprire nuove prospettive agli ingegneri per ridurre in modo significativo l’attrito. Nella maggior parte dei casi, le perdite per attrito in una macchina provengono dai cuscinetti. Mentre i cuscinetti a scorrimento piano presentano un attrito coulombiano con un coefficiente di attrito di circa 0,1, i cuscinetti a rotolamento hanno un coefficiente di attrito circa due ordini di grandezza inferiore. Tuttavia, i cuscinetti a film fluido, che galleggiano su un film di olio, acqua o aria pressurizzata, possono vantare coefficienti di attrito due o tre volte inferiori rispetto ai cuscinetti a rotolamento, intorno a 0,00001.
I cuscinetti a rotolamento sono diventati ubiqui, grazie alle loro notevoli capacità di carico rispetto al peso e alle dimensioni, rivoluzionando il movimento nel XX secolo. Tuttavia, esistono limiti alla loro capacità di miglioramento. La superficie di contatto molto ridotta è il motivo del loro basso attrito, ma ciò può diventare un inconveniente con carichi elevati, poiché i punti o le linee di contatto intrinseci nei cuscinetti a rotolamento affrontano carichi unitari di area molto elevati, essendo praticamente privi di superficie.
Il problema principale emerge quando si cerca di far ruotare rapidamente un cuscinetto a rotolamento, poiché ciò richiede sempre più energia. Per esempio, consideriamo una linea di produzione di carta con più di 20 rulli, ciascuno dotato del proprio motore. In molte situazioni, i motori devono solo superare l’attrito dei cuscinetti a rulli per mantenere la rotazione, e ciò richiede una potenza considerevole.
Qui entra in gioco un cuscinetto a film fluido come il cuscinetto ad aria, con un coefficiente di attrito due ordini di grandezza inferiore, in grado di ridurre l’attrito di quasi il 100%. Mentre i motori accelerano il rullo, una volta raggiunta la velocità desiderata, il cuscinetto richiede praticamente zero lavoro per mantenere il rotore in movimento. Una riduzione dell’attrito di due ordini di grandezza può ridurre l’energia utilizzata di oltre il 99%.
È importante notare che, anche se in molte applicazioni le perdite per attrito costituiscono una piccola percentuale del lavoro totale, ridurle può comunque avere un impatto significativo. Ad esempio, un compressore centrifugo da 50 MW impiegato nell’industria del gas naturale liquefatto può subire solo una perdita del tre per cento dovuta all’attrito dei cuscinetti, al raffreddamento, all’olio, alla filtrazione e al pompaggio. Tuttavia, ciò si traduce in una perdita di potenza di 1,5 MW praticamente 24 ore al giorno, 365 giorni all’anno, a causa dell’attrito.
Fortunatamente, esistono soluzioni come i cuscinetti ad aria standard che possono essere facilmente integrati nei progetti di macchine esistenti, riducendo al minimo i tempi di fermo. Questi supporti ad aria standard consentono movimenti rotativi e lineari su alberi e supporti di dimensioni standard. L’uso di guarnizioni tra il supporto e il supporto a cuscinetto consente l’auto-allineamento, semplificando i requisiti di tolleranza e offrendo una maggiore ammortizzazione.
I cuscinetti ad aria sono ideali per sostituire i cuscinetti lineari a rulli e a piani, eliminando la necessità di lubrificazione ad olio e pulendo automaticamente la superficie del cuscinetto in ambienti polverosi grazie alla pressione d’aria che fuoriesce dal supporto ad aria. Inoltre, i cuscinetti radiali ad aria piatti e rettangolari eliminano la necessità di alberi centrali e piste in acciaio a 360 gradi, offrendo maggiore flessibilità nella progettazione e semplificando la produzione dei rotorici.
In definitiva, i cuscinetti ad aria offrono numerosi vantaggi, tra cui velocità elevate, silenziosità, leggerezza e tempi di consegna rapidi rispetto ai cuscinetti a rulli personalizzati. Con le guide lineari ad aria e i cuscinetti per tavoli rotanti ad aria, è possibile ottenere prestazioni superiori, maggiore precisione e un notevole risparmio energetico. La sostenibilità è ulteriormente promossa attraverso il movimento quasi privo di attrito reso possibile dai cuscinetti ad aria.
