Il sigillo è un contributore importante all’attrito nei macchinari rotanti – fino al 60% del momento totale di attrito in alcune applicazioni. Il trend al ribasso nel consumo di energia attraverso tutte le applicazioni e le industrie è stato per diversi anni un movimento globale, e ci si aspetta che questo continui per molti anni a venire, come si vede dal trend globale. Ridurre il momento di attrito del sigillo è dunque uno dei principali requisiti dei clienti per migliorare l’efficienza del sistema, ridurre il consumo di energia e diminuire le emissioni di carbonio complessive. La sfida principale nell’ingegnerizzare il design ottimale del sigillo è raggiungere il minor attrito possibile mantenendo l’abilità di tenere il lubrificante all’interno e tenere fuori dal sistema i contaminanti. Le normative più severe sul CO2 si traducono sempre più in requisiti per abbassare ulteriormente il livello di attrito generato dalla soluzione di tenuta proposta durante le operazioni. Questo articolo si concentra principalmente sulle perdite di attrito del sistema di tenuta in uso, che rientrano indirettamente nella categoria a valle del campo di applicazione 3 secondo il Protocollo dei Gas Serra e più precisamente nella sottocategoria “Uso dei Prodotti Venduti”. Per la maggior parte delle applicazioni SKF, le perdite di potenza per attrito sono il principale contributo alle emissioni complessive di CO2 dei nostri prodotti per cuscinetti, come illustrato in questo link. La combinazione intelligente di strumenti di simulazione predittiva Prestazioni di tenuta accurate e predizione delle temperature richiedono una combinazione di modelli materiali, tribologici, di lubrificazione e di dissipazione del calore. Il team di Ricerca e Innovazione Globale dei Sigilli SKF ha sviluppato una piattaforma di simulazione avanzata – SKF Virtual Seal (SAMBA) – che accoppia il solutore di analisi agli elementi finiti Abaqus FEA con le equazioni del modello analitico proprietario dei Sigilli SKF, consentendo così la predizione della generazione di calore per attrito del sigillo e l’evoluzione termica del sistema (fig. 1). SKF ha sviluppato un calcolatore di emissioni di CO2 che, accoppiato con il momento di attrito e i risultati delle temperature ottenuti tramite SKF Virtual Seal, dimostra come soluzioni di tenuta più sostenibili possano essere virtualmente abilitate con l’aiuto di piattaforme di simulazione avanzate. Fig. 1: Esempio dei risultati della piattaforma SKF Virtual Seal con distribuzione della temperatura nel sistema di tenuta. SKF Virtual Seal, un approccio multi-fisico complesso L’evoluzione transitoria della temperatura in un sistema di tenuta si stabilizza quando c’è un equilibrio tra la quantità di calore generata dal momento di attrito del sigillo e la quantità di calore dissipata all’interno dell’ambiente circostante del sistema di tenuta. È dunque cruciale considerare contemporaneamente sia la generazione di calore per attrito che i trasferimenti termici per garantire una previsione realistica. Più di un centinaio di variabili coinvolte nella previsione del momento di attrito del sigillo sono interdipendenti, il che rende la modellazione predittiva ancora più complessa.
L’integrazione delle equazioni di modellazione dei Sigilli Virtuali SKF in un pacchetto di analisi agli elementi finiti (FEA) consente la consolidazione di tutte le variabili interdipendenti ad ogni incremento di tempo nella simulazione. L’implementazione dei modelli complessi richiesti e le loro interazioni con il solutore FEA utilizzano vari processi numerici non standard, che richiedono competenze avanzate. È stato sviluppato un’interfaccia utente per facilitare e accelerare la distribuzione e l’utilizzo della piattaforma Virtual Seal SKF. Il ruolo dell’interfaccia è quello di consentire all’utente di fornire facilmente parametri specifici dell’applicazione. Una volta definiti tutti i parametri tramite l’interfaccia, uno script Python modifica il modello FEA standard e collega tutti i parametri a una routine precompilata in cui sono programmate le equazioni analitiche. Ciò genera automaticamente, in background, il collegamento bidirezionale tra il solutore FEA e le equazioni analitiche dei Sigilli Virtuali SKF. Il passo successivo dell’ingegnere è quindi eseguire una simulazione tramite il software FEA come è comunemente fatto, tranne che in questo caso si sta utilizzando un solutore semi-analitico aggiornato in background durante la simulazione. Convalida sperimentale Banco di prova delle prestazioni utilizzato per la convalida del modello – Sigilli SKF, Houten (NL). La convalida dei Sigilli Virtuali SKF si basa su un design sperimentale completo (DOE) per valutare l’effetto dei parametri variabili su entrambe le misure del momento di attrito e della temperatura del sistema di tenuta. La piattaforma virtuale è utilizzata per riprodurre il DOE eseguito sul nostro banco di prova. Il confronto tra i risultati sperimentali e i loro equivalenti simulati mostra adeguate capacità predictive. Un esempio dei risultati sia dei test sperimentali che delle previsioni simulate è mostrato (fig. 2). Fig. 2: Misure e risultati della simulazione sia per il momento di attrito (sinistra) che per la temperatura (destra). I grafici mostrano anche una buona previsione dell’evoluzione sia del momento di attrito che della temperatura. Prevedere l’evoluzione temporale del momento di attrito e della temperatura è cruciale per alcuni clienti allo scopo di comprendere il “momento di rodaggio” nella loro applicazione o la temperatura massima raggiunta nel contatto di tenuta, che potrebbe portare a un guasto prematuro a causa di un invecchiamento eccessivo a causa del calore o della carbonizzazione dell’olio. Tuttavia, questa caratteristica ha un impatto minore sul calcolo delle emissioni di CO2 per applicazioni con tempi di esecuzione lunghi. Verso prestazioni sostenibili Il livello di attrito, previsto dai Sigilli Virtuali SKF, può essere convertito in livello di emissioni di CO2 tramite lo strumento di sostenibilità SKF, il calcolatore di emissioni di CO2, per consentire un metodo virtuale di selezione della soluzione di tenuta migliore della categoria basata su un criterio di sostenibilità tangibile. Le emissioni dovute alle perdite di potenza per attrito sono quindi calcolate in base alla quantità regionale di emissioni di CO2 per kWh di energia per la posizione geografica scelta. Il vantaggio di uno strumento del genere è quello di fornire stime e rappresenta un passo ulteriore verso la sensibilizzazione basata su un metodo di misura concreto dell’impatto dei nostri prodotti. Dalla teoria all’applicazione nel mondo reale Per evidenziare il potenziale della previsione virtuale delle emissioni di carbonio nelle fasi iniziali di sviluppo, vediamo i seguenti due esempi concreti nelle industrie automobilistica e ferroviaria. Caso dell’estremità delle ruote dell’automobile In questo primo esempio, un produttore di automobili richiede un nuovo design di sigilli a cassetta per gli Unità Cuscinetto Mozzo (HBU) SKF con un attrito minore. Il requisito stabilito è una riduzione del 20% dell’attrito, rispetto alla generazione precedente di sigilli a cassetta HBU. Sulla base dei risultati della simulazione di SKF Virtual Seal, l’ottimizzazione del grasso di tenuta prevede una riduzione dell’attrito del 28%: 0,33 Nm per la soluzione utilizzando il grasso originale (grasso A) 0,24 Nm per la soluzione utilizzando il nuovo grasso a basso attrito (grasso B). Questa soluzione supera il target di riduzione dell’attrito del cliente. Inoltre, i risultati sperimentali provenienti dai test di convalida del prodotto confermano le previsioni di SKF Virtual Seal, come illustrato (fig. 3). Fig. 3: Risultati del momento di attrito dei sigilli HBU per entrambi i grassi originali (a sinistra) e a basso attrito (a destra). Dal momento di attrito alle emissioni di CO2 Inserendo i risultati del momento di attrito nel calcolatore di emissioni di CO2 di SKF, è possibile stimare l’effetto dei miglioramenti delle prestazioni della nostra nuova soluzione di sigilli HBU sulle emissioni di prodotto a valle del campo di applicazione 3. Lo strumento di sostenibilità proprietario traduce le perdite di potenza per attrito dei sigilli in emissioni previste di CO2. Il confronto tra i sigilli a cassetta della soluzione HBU di nuova progettazione con grasso ottimizzato e la soluzione esistente per l’applicazione alle estremità delle ruote dell’automobile è illustrato (fig. 4). Fig. 4: Confronto delle stime delle emissioni di CO2 tra il design originale e il nuovo HBU. Rispetto al design originale, la nuova soluzione riduce le emissioni di una singola auto di 2,6 kg di CO2 all’anno. Questo equivale a un totale riduzione di 0,22 g di CO2/km combinato per le quattro unità cuscinetto delle estremità delle ruote e considerando solo i miglioramenti apportati al sigillo a cassetta. Caso di applicazione del cuscinetto ferroviario Questo secondo esempio concreto proviene da un nuovo programma di partenariato avviato tra un produttore di treni e SKF per sviluppare un nuovo sistema di cuscinetti per la nuova generazione di treni regionali in una grande città europea. L’obiettivo della nuova unità cuscinetto per treni (TBU) è una riduzione del 30% dell’attrito rispetto alla generazione precedente. Come nel caso automobilistico illustrato in precedenza, il nuovo design del sigillo TBU è migliorato con il supporto della piattaforma SKF Virtual Seal con una previsione di riduzione del 44% del livello di attrito: 0,77 Nm per la soluzione originale 0,43 Nm per la soluzione migliorata. Come mostrato in fig. 5, i risultati sperimentali provenienti dai test di convalida del prodotto corrispondono ancora una volta ai risultati predittivi della modellazione dei Sigilli Virtuali SKF. Fig. 5: Risultati del momento di attrito del sigillo ferroviario con design originale (a sinistra) e nuovo (a destra). Questo risultato riguarda solo i miglioramenti dei sigilli a cassetta tramite la selezione del grasso e non l’unità nel suo complesso, poiché lo sviluppo del cuscinetto è ancora in corso. Tuttavia, il team di sviluppo del cuscinetto può ora fare affidamento su questa performance superiore del sigillo come abilitatore verso l’obiettivo complessivo di riduzione del 30% dell’attrito per l’intero sistema. Dal momento di attrito alle emissioni di CO2 In modo simile, il…
