Efficienza energetica dei supporti ad aria industriali

Lo scopo di questo studio è di esplorare i possibili utilizzi di supporti a cuscino d’ aria in macchinari industriali caratterizzati da superfici controparte di modesta qualità, tolleranze abbastanza grandi e carichi dinamici.

Nei processi industriali, la tecnologia dei supporti ad aria può divenire un’alternativa molto competitiva alla tecnologia dei supporti idrostatici a olio che ha più alti consumi di potenza a causa dell’alta viscosità dell’olio. Normalmente i supporti ad aria sono usati dove sia necessario ridurre l’attrito (frictionless) e avere movimenti precisi. Vi sono inoltre supporti a cuscino d’ aria utilizzati per muovere pesanti carichi lungo gli irregolari piani di stabilimento nella produzione ad esempio di treni e grandi motori diesel.

Solitamente, i cuscinetti ad aria sono usati in applicazioni che richiedono movimenti precisi e quasi senza attrito, per esempio nelle macchine di misura a coordinate (CMM). In queste applicazioni la superficie di appoggio del cuscinetto è costruita con strette tolleranze e superfici rettificate che incrementano i costi di produzione. Vi sono inoltre supporti ad aria per il movimento di carichi pesanti usati in campo industriale, ad esempio nella produzione di treni e grandi motori diesel. Questi cuscinetti possono operare sui pavimenti abbastanza ruvidi delle officine. Questo tipo di cuscinetti ad aria non è tuttavia ottimizzato per il funzionamento in continuo con minimi consumi d’aria. Viceversa, la distanza percorribile e il tempo di carico di trasporto sono limitati e il grande consumo d’aria non è accettabile. Tra i cuscinetti ad aria, supporti di materiale poroso hanno ottenuto crescente successo a causa della loro tolleranza al contatto durante le operazioni e il basso consumo d’aria (1). In aggiunta, presentano una più uniforme distribuzione di pressione rispetto ai normali cuscinetti compensati con strozzatore /2/. Questi supporti possono inoltre avere maggiore rigidezza a condizione che la permeabilità dei materiali porosi sia bassa (3).  Riguardo ai tipi di cuscinetti e di  supporti,  Dvorianinov (et al.) (4) e Sibgatullin (et al.) (5) hanno studiato il flusso d’aria tra una parete liscia e un diaframma elastico ad anello e hanno presentato modelli di analisi di funzionamento. Dvorianinov  (6) ha studiato il coefficiente di attrito tra il diaframma elastico e la superficie di supporto.

In questo studio, caratteristiche di funzionamento dei vari tipi di cuscinetti ad aria compressa son riportate insieme alla caratteristiche di un tipo di supporto ad aria a materiale poroso. Lo scopo è quello di esplorare i possibili usi di questi supporti in applicazioni industriali che coinvolgono moderate velocità di scorrimento, moderata qualità di superfici contrarie, un’ alquanto larga tolleranza e un carico dinamico.

Metodi

Banco prova

Fig. 1 – Schema del banco.

Il banco prova è stato allestito su un tornio per grandi misure, il modello 1M65. É stato scelto come  banco prova perché offre una rigida struttura e precise vie di guida, perché facile registrare il movimento relativo tra il supporto e la superficie di appoggio e anche l’altezza del meato d’aria.

La velocità di rotazione della superficie di contrasto può essere variata in maniera progressiva da 5 giri/min a 500 giri/min. Le dimensioni del tornio limitano il diametro massimo della faccia contrastante a 1000 mm. Il disallineamento assiale può essere aggiustato disallineando la superficie di contrasto tramite l’asse di rotazione. Il principio del banco di test è mostrato nella figura 1.

Carico e allineamento del supporto

Fig. 2 – Meccanismo di carico.

Il meccanismo di carico è mostrato nella figura 2. La compressione è regolata dalla vite a comando manuale della slitta scorrevole del tornio. Un trasduttore di forza, installato sul supporto del cuscinetto, misura il carico del supporto stesso. Il supporto di test è montato alla fine di un albero con un perno filettato e uno snodo sferico. L’articolazione permette di sistemare in parallelo il supporto con la superficie di contrasto. L’allineamento è ottenuto utilizzando blocchetti di riscontro da 10 mm di spessore tra la base piatta del supporto e la superficie contrastante. L’asta di 20 mm di diametro è guidata da un supporto aerostatico (New Way S302001) che permette un movimento assiale senza attrito. Il trasduttore di forza (HBM U2B 5kN o 10 kN dipendente dal livello di carico) è montato in serie con l’albero tramite uno snodo filettato e il trasduttore appoggia contro la base fissa. Durante il test dinamico quando la superficie da testare ruota, una serie di molle a tazza possono essere montate tra il sensore di forza e il fissaggio finale per consentire il movimento dell’asse causato dall’asse terminale della faccia contrastante.

Altezza meato e distanza del cuscinetto dalla superficie contraria

L’altezza del meato e l’allineamento del supporto per i cuscinetti porosi viene misurato utilizzando 3 sensori di spostamento a corrente indotta direttamente attaccati al supporto (MicroEpsilon, 1 mm di range di misurazione). La regolazione di zero del sensore è data caricando il supporto senza alimentazione d’aria contro la superficie di contrasto con un carico costante di  100 N.

Poiché la forza e lo spostamento tra il supporto e la superficie di contrasto viene misurato direttamente, la cedevolezza delle strutture non influenza il carico e dalle misurazioni dell’altezza dell’interstizio. Nei cuscinetti ad aria lo strato d’aria è generato tra la membrana flessibile e la superficie di contrasto. Questo rende la misurazione  dell’altezza dell’interstizio molto difficile. Anziché l’altezza dell’interstizio si misura la distanza tra la lastra base del supporto e la superficie di contrasto (comparatore millesimale Heidenhain).

Alimentazione d’aria

I supporti aerostatici richiedono alti requisiti per la qualità di rifornimento d’aria.  Un unità di servizio comprende molteplici filtri (SMC filtro d’aria AF20, vaporizzatore separatore AFM20, micro vaporizzatore separatore AFD20), un regolatore di pressione (SMC AR20) e un misuratore vengono posti tra l’alimentazione e il sistema. Per i test con i cuscinetti di tipo poroso, due flussimetri contatori (SMC PFM710, scala di misurazione 0.2 – 10 L/min e Festo SFE3 scala di misurazione 5 – 50 L/min) sono connessi alla linea di alimentazione per misurare il consumo d’aria. Poiché la maggior perdita di aria viene prevista per i supporti a cuscino d’aria i due flussimetri sono stati rimpiazzati da un singolo Festo SFBA-200 con una scala di misurazione di 2 – 200 L/min.  Con i cuscinetti di tipo poroso, viene usato un regolatore con settaggio manuale di pressione (SMC IR1020), con i cuscinetti ad aria viene usato un regolatore proporzionale (Festo VPPM). La pressione dei supporti viene settata in base al tipo di supporto e alla porosità che viene testato. Per i supporti porosi, la pressione fornita è 0.52 MPa (5,2 bar) e per i cuscinetti ad aria varia  tra 0,1 – 0,3 MPa (1-3 bar).

Acquisizione dati

Le misurazioni sono state registrate su un PC utilizzando con una scheda analogico-digitale a 14-bit e un sample rate di 10 kHz. Un filtro a passa basso analogico a 2,5 kHz è stato utilizzato per evitare l’aliasing. La durata di una misurazione è in media di 10 secondi. Dopo ogni misurazione il dato viene salvato su un file. L’analisi delle misure con una superficie di contrasto ferma si basa sui dati medi di ogni canale. Con il supporto poroso, è stato possibile effettuare un test dinamico con una superficie di contrasto più larga rotazione. In questo test, la misurazione viene attivata usando un sensore laser fotoelettrico (Omron E3C-LD11) con un nastro riflettente incollato sul mandrino.

Le analisi dei dati ottenuti sono basate sulla media sincronizzata di carico spostamento e consumo d’aria

Supporti in test e superfici di contrasto

Fig.3a – Cuscinetto d’aria (φ 200 mm).
Fig.3b – supporto di materiale poroso (φ 100 mm).

Sono stati usati due tipi di supporti ad aria nello studio (fig. 3): un supporto poroso (New Way Air Bearings, S1010001, range di pressione raccomandato 0,41 – 0,55 MPa) e un cuscino ad aria (Solving ML 8, pressione massima 0,3 MPa). Il diametro del supporto poroso è di 100mm. Il diametro della base del cuscinetto ad aria è di 200 mm. L’area circolare di contatto della membrana di gomma varia durante l’operazione, ma basandoci sui segni di usura che si vedono alla fine del test, il diametro reale si aggira intorno ai 18 cm. La membrana è attaccata un una sottile lastra di alluminio connessa ad un telaio di alluminio stampato. Durante l’esperimento, la membrana assume forma circolare avendo una sezione trasversale paragonabile ad una lacrima con le parti tondeggianti verso l’esterno e la parte acuminata rivolta alla camera in pressione.

Il disallineamento assiale del disco di test è di 0,10 mm. La rugosità della superficie (Ra) è di 0,89 μm nella direzione radiale e di 0,76 μm  nella direzione della circonferenza. Entrambe le superfici contrarie erano fatte in acciaio.

Tipi di test

Sono state utilizzate entrambe le superfici contrarie sia quella stazionaria (non rotante) sia quella in movimento (rotante). Le grandezze misurate sono flusso d’aria, carico, pressione del supporto e/o di alimentazione.

 Test con supporto poroso

·       Superficie contraria stazionaria

o    peso in contrapposizione al test dell’altezza dell’interstizio

·       Superficie contraria in movimento con disallineamento assiale, raggio di rotazione 0,4 m

o    velocità di rotazione 11, 32 e 63 giri/min, velocità di scorrimento corrispondente 0,46 m/s, 1,34 m/s, 2,68 m/s

La pressione fornita al pattino era di 0.52 MPa. Durante le misurazioni con la superficie contraria ferma, il peso è stato incrementato o diminuito in scala di 100 – 200 N. dopo la regolazione del peso, il supporto e stato stabilizzato per circa 60 s prima della registrazione dei valori. Con la superficie rotante, il massimo carico è stato fissato dalla compressione delle sospensioni a molla mentre la superficie era al suo massimo valore del termine.

Test con i cuscinetti ad aria

·       Superficie contraria ferma

o     Distanza tra piastra di base del supporto e superficie contraria incrementata in scala (0.5 – 1 mm) da 10 a 21 mm; sono stati misurati consumo d’aria e carico

o    Tre livelli di pressione: 0,1 – 0,2 – 0,3 MPa

·       Superficie contraria in movimento (test disk) con termine assiale, direzione radiale di rotazione  0,1 m

o     stessa variazione della distanza tra la lastra base del supporto e superficie contraria di cui sopra ma con velocità di rotazione di 32 e 63 giri/min, velocità di scorrimento corrispondente nel punto centrale di  0,34 m/s e 0,66 m/s

o    tre livelli di pressione: 0,1 – 0,2 – 0,3 MPa

Risultati

Misurazioni contro una superficie non rotante

Supporto di materiale poroso

Fig. 4 – Supporto di tipo poroso, carico e portata in contrasto con l’altezza dell’interstizio.

La rigidezza del supporto è stata misurata in rapporto alla superficie del disco del test stazionario. Il carico è stato incrementato fino a che uno dei sensori di spostamento che misura il meato, ha indicato contatto con la superficie. Le misurazioni sono state fatte in entrambe le direzioni sia con valori crescenti sia decrescenti di carico. Durante le misurazioni della rigidezza, anche il consumo d’aria del cuscinetto è stato misurato. Punti di misura e regressione polinomiale sono raffigurati nella figura 4. La rigidezza del supporto con l’oscillazione dell’altezza dell’interstizio  2,5 – 5 μm era (2855 – 2057) N / 2,5 μm = 319 N/μm (a 0,52 MPa rifornimento di pressione del supporto).

Cuscinetto ad aria

La capacità di carico e la perdita d’aria del cuscinetto ad aria sono state misurate in contrasto con la superficie del test disk. Le misure sono state fatte con tre differenti livelli di pressione in input. La misurazione è partita con una distanza di 10mm tra la lastra base del supporto e la superficie contraria. La distanza è stata incrementata finché o la pressione (e il carico) è caduta oppure il valore di portata d’aria ha superato il range di misura (200 L/min). Punti di misura e regressione polinomiale sono raffigurati nelle figure 5a-c.

Fig. 5a – Cuscinetto ad aria, carico e portata in contrasto la distanza tra lastra base e la superficie contraria. Notare le diverse scale degli assi di carico (figure 5a, 5b, 5c).
Fig.5b
Fig.5c

Misurazioni in contro una superficie rotante

Supporto di materiale poroso

Fig. 6a – Supporto di tipo poroso, carico e altezza dell’interstizio in contrasto all’angolo di rotazione (fig.6a e 6b).
Fig.6b

Il carico e la portata sono state misurate in contrapposizione alla superficie rotante. I valori medi di una rotazione su una superficie contraria (ottenuti dalla media sincronizzata su un periodo di 60s) sono raffigurati nelle figure 6 e 7.

Fig. 7a – Supporto di tipo poroso, portata in contrasto con l’angolo di rotazione e il carico in contrasto con l’altezza dell’interstizio. La curva a forma di otto (a destra, costante), mostra insieme con la pendenza della curva (a puntini) quella della superficie contraria stazionaria (fig.7a – 7b).
Fig.7b

Supporto a cuscino d’ aria

Fig.8a – Cuscinetto ad aria, carico e portata in contrasto con la distanza (Fig.8a e 8b).
Fig.8b

Il carico e la portata diagrammati in confronto con la distanza tra la lastra base e la superficie contraria sono mostrati nella figura 8. I valori di entrambi, sia del carico sia della portata, variano durante le misurazioni, come si vede nella figura 9.

Fig. 9a – Carico dinamico e portata (0.3 MPa, 63 giri/min, 13,5 mm) (Fig.9a e 9b).
Fig.9b

Perciò i punti dei dati nella figura 8 hanno un valore medio su misure lunghe 10s. La ragione del clipping dei picchi nella curva della portata come nella figura 9 non è conosciuta. Una spiegazione potrebbe essere che vi sono un certo numero di configurazioni di forma (piccole ondulazioni) della membrana di gomma nella zona di contatto. Nel momento in cui il movimento assiale cambia direzione, solo in  un certo numero di punti possono cambiare leggermente la configurazione di ciclo in ciclo.

A un certo punto la perdita d’aria è associata con ogni configurazione.

Consumi di energia

Per stimare l’efficienza energetica, il consumo di potenza nel supporto e nel sistema sono calcolati come prodotto del flusso d’aria per la pressione. Per esempio, il consumo di potenza del cuscinetto d’aria è calcolato secondo (1).

Psupporto = psupporto x Qerogazione                                                                                           (1)

Nel sistema con i cuscinetti ad aria la pressione è stata misurata in 3 punti: dopo il filtraggio nell’unità di servizio (punto d’ingresso del sistema pneumatico dell’anello test),  dopo il regolatore di pressione, e nella camera di pressione del supporto. La variazione nel consumo di potenza misurato a questo punto è mostrato nella Figura 10a ( serie di test con 0,3 MPa con pressione nominale del supporto e la superficie contraria non rotante). Il consumo di potenza basato sulle misurazioni della pressione nella camera a pressione del cuscinetto ad aria è mostrato nella figura 10b.

Per i supporti di tipo poroso si può misurare solo la pressione al regolatore di pressione (0,52 MPa), non la pressione dell’interstizio del supporto.  Con la superficie contraria non rotante la portata è sempre minore di  6 L/min (fig. 4). Dunque il consumo di potenza è sempre minore di 52 W. Nel test con la superficie contraria, la media del consumo d’aria è approssimativamente 2,49 L/min (fig.7). Con pressione di 0,52 MPa corrisponde a 22W. Minor consumo d’aria con la superficie in rotazione è dovuto alla bassa dinamica dell’interstizio a dal basso valore di Ra in comparazione con la superficie stazionaria.

Analisi

Le caratteristiche dei supporti in questo studio sono leggermente differenti le une dalle altre. I tipi di cuscinetti ad aria sono stati scelti per esaminare le prestazioni come possibili unità di supporto addizionali in applicazioni industriali che coinvolgono superfici di contrasto di moderata qualità e  disassamento tra il supporto e la superficie contrastante. I supporti di materiale poroso sono stati scelti come rappresentazione dell’avanguardia della tecnologia dei cuscinetti. Questo è al giorno d’oggi un collaudato tipo di supporto per macchinari di precisione, ma richiede una buona superficie contraria. Entrambi i tipi di supporto soddisfatto a pieno i propositi che erano stati loro designati.

A causa della grandi differenze, una comparazione diretta di questi tipi di supporto non sarebbe utile. Viceversa lo studio vuole essere visto come ricerca per un supporto industriale robusto iniziale soluzione per due differenti punti di partenza. Il supporto di materiale poroso opera con un interstizio molto piccolo e la sua rigidezza aumenta rapidamente quando diminuisce l’interstizio (fig. 4). Questi risultati concordano con le conoscenze comuni a proposito dei supporti ad aria. L’interstizio del cuscinetto ad aria non può essere misurato ed è chiaro se la membrana è in contatto con la superficie contrastante. Apparentemente, quando il consumo d’aria è al suo minimo (specialmente con 0,1 – 0,2 MPa pressione del supporto), che ci sia contatto con la superficie è evidente dai segni di logorio sulla membrana, Figura 3. In oltre, quando la superficie contraria viene ruotata a mano si registra un piccolo attrito al distacco. Misurazioni della forza di attrito (la forza trasversale applicata sul supporto con il contatto) possono indicare quando c’è il contatto e quando la condizione di funzionamento del cuscinetto è raggiunta. Il cuscinetto ad aria chiaramente manca di rigidezza (figg. 5 e 8), ma sono facilmente sopportabili grandi cambi di distanza tra il supporto e la superficie contraria senza cambi significativi nella capacità di carico o sul consumo d’aria. È presente un apparente dislocamento di diversi millimetri che causa  significanti perdite di pressione nel supporto.  Per il cuscinetto ad aria, il carico e la portata con la superficie contraria in movimento o stazionaria sono quasi gli stessi (fig. 8).

In questa figura si può vedere che il range di bassa perdita è chiaramente minore con 0.3 MPa di pressione del supporto.

Con i supporti di materiale poroso la potenza di consumo rimane bassa in ogni circostanza;

al di sotto di 52 W la superficie contrastante stazionaria e di  22 W per la superficie rotante (che ha una più bassa superficie ruvida). Per i cuscinetti ad aria, la potenza varia in accordo con la portata di fuga, Figura 10.

Fig. 10a – Consumi di potenza. (Fig.a) Misurazioni di pressione ai tre punti nel sistema con la superficie contraria non rotante. (Fig.b) Pressione misurata nel supporto, sia con la superficie rotante che non. Differenti scale dell’asse Y.
Fig.10b

Nel range a bassa perdita, il consumo di potenza è dello stesso ordine d’ampiezza che ha il supporto di materiale poroso, qualche decina di watt a 0.3 MPa e molto meno a 0.1 – 02 MPa. La curva di potenza dei supporti raggiunge un picco quando il l’apporto di aria non può compensare più la perdita di pressione causata dalla perdita di flusso. Queste perdite nel sistema pneumatico complessivo tenderanno ad aumentare (fig. 10a). La velocità di rotazione (al minimo tra le variazioni usate nel test) non ha influenza sul consumo di potenza.

Un certo numero di miglioramenti dovranno essere fatti sul banco per i futuri studi con i cuscinetti ad aria. Un flussimetro a basso range dovrebbe essere aggiunto per studiare le caratteristiche delle basse perdite. Nel presente studio, il minor limite nominale del consumo di flusso è stato di 2 l/min (il valore record minore 1,3 l/min). Una superficie contraria di vetro può essere usata per gli studi sulla deformazione della membrana di gomma e determinare l’attuale diametro di contatto e l’ampiezza della guarnizione. Un’accurata misurazione della forza di attrito tra la superficie contraria e la membrana del cuscinetto ad aria sarà importante per ottenere informazioni circa la situazione del contatto. Servirebbe na superficie contraria più grande; per ora possono essere ottenute solo modeste velocità di scorrimento. Lo scopo è di riuscire a studiare situazioni dove la velocità relativa tra il supporto e la superficie contraria superi 10 m/s.

Conclusioni

I cuscinetti di materiale poroso sembrano essere buoni supporti di precisione posto che entrambi abbiano alta rigidezza (malgrado la porosità del materiale) e basso consumo d’aria. Tuttavia, la superficie contraria dev’essere di buona qualità (superficie rifinita tipica per supporti di scivolamento e guarnizioni). Il cuscinetto ad aria può ricevere un grande spostamento assiale tra il supporto e la superficie contraria senza problemi con solo un minimo cambiamento di capacità di carico.  Questo è dovuto alla bassa rigidezza di questo tipo di supporto. Per il cuscinetto ad aria, il range operativo di bassa perdita è riscontrato specialmente a bassi livelli di pressione.  A pressione del supporto di 0,1 – 0,2 MPa, la perdita è minore di  2 l/min quando la distanza tra il supporto e la superficie contrastante è approssimativamente minore di 16 mm. Questo può risultare molto proficuo quando si tende a una buona efficienza energetica. Detto ciò, non è chiaro se  la parte in gomma agisca da cuscinetto da guarnizione in questa modalità a bassa perdita; studi futuri serviranno a determinare se condizioni di non contatto si possono ottenere senza eccessivo consumo d’aria. Se la bassa perdita indica contatto, allora la membrana determinerà consumo e calore di attrito che saranno generati quando il supporto andrà alla più alta velocità di scorrimento. Con pressione di  0.3 MPa la zona di bassa perdita è molto più stratta di 0.1 – 0.2 MPa. Dopo la zona a bassa perdita la dispersione aumenta rapidamente in funzione della distanza. Perciò, la distanza dev’essere controllata ai limiti del consumo d’aria. L’effetto della velocità di rotazione sul cuscinetto appare debole; la pressione de cuscinetto e la distanza dalla superficie contraria hanno grande influenza. Il cuscinetto ad aria può essere utilizzato coma aggiunta ai supporti di carico nei macchinari a può operare con superfici di  bassa qualità/bassi costi. Tuttavia, a causa della sua bassa rigidezza, il cuscinetto non può direttamente (senza misure aggiuntive) rimpiazzare i tradizionali supporti.

Entrambi i tipi di supporto testati possono operare con basso consumo di aria e perciò fornire soluzione energetiche valide per i supporti ad aria. Comunque i cuscinetti ad aria necessitano di futuri test per chiarire se la bassa perdita è da associare al contatto con la membrana, che può richiedere un controllo delle condizioni nell’uso costante.   

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano Mr. Alexander Noack per l’aiuto durante la preparazione degli esperimenti.

Biblografia

[1]  Calonius, O., Kiviluoma, P., Kuosmanen, P. 2011. Large-scale test rig for  assessment of characteristics of flat air bearings running against a rotating counter-face. 56th International Scientific Colloquium, Imenau, Germany, Sept. 12-16. 11 p.

[2] v Beek, A. 2009. Advanced engineering design. Lifetime performance and reliability. Chapter 12 Design of aerostatic bearings. ISBN-10: 90-810406-1-8.

[3] Fourka, M., Bonis, M. 1997. Comparison between externally pressurized gas thrust bearings with different orifice and porous feeding systems. Wear, 210, pp. 311-317.

[4] Dvorianinov, V.G., Sibgatullin, N.R., Slezkin, N.A. 1977. Motion of a viscous gas in a layer with an elastic boundary. Journal of Applied Mathematics and Mechanics, 41 (2), Jan, pp. 289–297.

[5] Sibgatullin, N.R., Slezkin, N.A., Sorokin, E.A. 1978. On the stability of an aerostatic bearing with an elastic skirt, Journal of Applied Mathematics and Mechanics, 42 (5), Jan, pp. 947-957.

[6] Dvorianinov, V.G., Sveshnikova, E.I., Sibgatullin, N.R. 1981. On friction resistance to motion of an aerostatic carrier with elastic diaphragm, Journal of Appl. Mathematics and Mechanics, 45 (6), Jan, pp. 809-813.

Traduzione e adattamento a cura di Roberto Grassi

Titolo originale: “Air Bearings for Heavy-Duty Industrial Applications – Effect of Bearing Type and Operating Conditions on Energy Efficiency”.

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