ITMI20131767A1 - Cuscinetto a strisciamento per l'ingegneria strutturale - Google Patents
Cuscinetto a strisciamento per l'ingegneria strutturaleInfo
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Description
CUSCINETTO A STRISCIAMENTO PER L’INGEGNERIA STRUTTURALE
La presente invenzione riguarda un dispositivo di appoggio per applicazioni di ingegneria strutturale ed in particolare un cuscinetto a strisciamento per strutture civili quali ponti ed edifici.
Nella realizzazione di strutture civili vengono generalmente utilizzati cuscinetti a strisciamento che definiscono fra due o più parti della struttura vincoli a pattino, a cerniera, nonché loro combinazioni, ed hanno la funzione di consentire movimenti relativi tra esse, tipicamente scorrimenti o rotazioni sia in condizioni di funzionamento normali che in caso di eventi sismici.
I cuscinetti a strisciamento comprendono generalmente almeno una coppia di superfici di scorrimento, piane oppure ricurve, in grado di scorrere e/o ruotare l'una rispetto all'altra. Una superficie di scorrimento è tipicamente fatta di metallo e lucidata a specchio, mentre l'altra superficie di scorrimento è fatta di un materiale polimerico a basso coefficiente di attrito. Inoltre, per ridurre ulteriormente il coefficiente di attrito, fra le due superfici di scorrimento è generalmente utilizzato un lubrificante.
Le superfici metalliche sono fatte, ad esempio, di acciaio austenitico, ferritico o di una lega di alluminio, mentre il materiale polimerico a basso attrito principalmente adoperato è il politetrafluoroetilene (PTFE).
Per poter soddisfare le condizioni stabilite dalle normative vigenti nel settore, un cuscinetto a strisciamento deve presentare un basso coefficiente di attrito sia statico che dinamico, un’elevata resistenza ad usura ed un’adeguata resistenza ai carichi di compressione derivanti dal peso della struttura e dalle condizioni operative. Tali caratteristiche richiedono un'opportuna combinazione delle proprietà dei materiali di cui sono fatte le superfici di scorrimento e dell’eventuale lubrificante tra esse disposto.
Sebbene l’utilizzo del PTFE nel campo dell’ingegneria civile sia ormai ampiamente consolidato, è noto che esso presenta una limitata resistenza alla compressione ed all’usura, e addirittura una riduzione di tali proprietà meccaniche all’aumentare della temperatura.
Tra i materiali alternativi al PTFE per la realizzazione di superfici di scorrimento in cuscinetti a strisciamento è stato proposto il polietilene a peso molecolare ultra alto (UHMWPE). Tale materiale infatti ha migliori caratteristiche di resistenza ad usura ed a compressione rispetto al PTFE. Tuttavia, analogamente al PTFE, esso presenta un rapido decadimento della resistenza meccanica all’aumentare della temperatura.
Un altro materiale recentemente proposto per la realizzazione di superfici di scorrimento in cuscinetti a strisciamento è la poliammide 6 colata addizionata con lubrificanti allo stato solido, che consente di realizzare superfici di scorrimento in grado di mantenere le loro proprietà a temperature maggiori di 48°C, che attualmente costituisce il limite operativo stabilito dalla normativa EN 1337-2 per i cuscinetti a strisciamento. Un esempio di tale applicazione è descritto nel brevetto europeo 2179189.
Nonostante l’ampia disponibilità di materiali polimerici per la realizzazione delle superfici di scorrimento, è attualmente molto sentita nel settore l’esigenza di trovare ulteriori materiali polimerici che possano offrire prestazioni meccaniche superiori in particolare per quanto riguarda la resistenza a compressione ed all’usura, il che costituisce uno scopo della presente invenzione.
Detto scopo viene ottenuto con un cuscinetto a strisciamento le cui caratteristiche principali sono riportate nella rivendicazione 1, mentre altre caratteristiche sono riportate nelle restanti rivendicazioni.
Un’idea di soluzione alla base dell’invenzione è quella di utilizzare la poliammide quale materiale polimerico a basso coefficiente di attrito per la realizzazione delle superfici di scorrimento di un cuscinetto a strisciamento. Questo materiale come noto presenta caratteristiche meccaniche in linea con i requisiti della normativa europea EN 1337-2 per quanto riguarda coefficiente di attrito, resistenza all'usura, massima velocità di strisciamento ammissibile e massimo percorso di strisciamento ammissibile.
È altresì un’idea di soluzione alla base dell’invenzione quella di utilizzare una poliammide 6 colata addizionata con lubrificanti allo stato liquido.
Questa particolare scelta del materiale polimerico consente la realizzazione delle superfici di scorrimento di un cuscinetto a strisciamento caratterizzate da coefficienti di attrito paragonabili a quelli del PTFE, ma aventi valori di resistenza all’usura ed alla compressione assai più elevati a parità di forma e dimensioni.
Rispetto alla previsione di lubrificanti allo stato solido descritti nel brevetto europeo 2179189, l’impiego di lubrificanti allo stato liquido nella poliammide 6 colata consente di realizzare componenti molto più flessibili a pari forma e dimensioni, il che risulta particolarmente vantaggioso quando tali componenti, tipicamente realizzati in forma piana, debbono essere alloggiati in sedi ricurve, ad esempio sferiche.
Inoltre, mentre i lubrificanti allo stato solido risultano scarsamente efficienti a temperature inferiori a 60°C, i lubrificanti liquidi sono in grado di garantire buone prestazioni su intervalli di temperatura molto più ampi ed anche a temperature inferiori allo zero termico.
Secondo l’invenzione, la poliammide utilizzata per la realizzazione delle superfici di scorrimento può essere vantaggiosamente reticolata per via chimica oppure mediante irraggiamento, consentendo così di incrementare la temperatura massima di esercizio, la resistenza meccanica ed il modulo di elasticità rispetto al materiale non reticolato. La reticolazione del materiale consente inoltre di ottenere una maggiore durezza superficiale e di incrementare le caratteristiche di resistenza ad usura e stabilità dimensionale all’aumentare della temperatura.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del cuscinetto a strisciamento secondo la presente invenzione risulteranno dalla seguente descrizione di sue forme realizzative con riferimento alle seguenti figure, in cui:
- la figura 1 è una frontale che mostra schematicamente un cuscinetto a strisciamento secondo l'invenzione; e
- la figura 2 è una vista parziale in sezione trasversale del cuscinetto a strisciamento di figura 1 eseguita su un piano passante per la linea II-II di figura 1.
Con riferimento alla figura 1, un cuscinetto a strisciamento secondo l’invenzione è indicato in generale con il numero di riferimento 10. Il cuscinetto a strisciamento 10 comprende un primo componente 11, atto ad essere collegato ad una struttura di supporto, ad esempio una pila P di un ponte, ed un secondo componente 12, atto ad essere collegato, ad esempio, ad una trave G dell’impalcato del ponte.
Tra il primo componente 11 ed il secondo componente 12 è disposta almeno una coppia di superfici di scorrimento 21, 22 configurate per consentire spostamenti e/o rotazioni tra i componenti 11, 12 del cuscinetto 10.
Nella forma realizzativa illustrata, il cuscinetto a strisciamento 10 è ad esempio di tipo piano multidirezionale, ovvero provvisto di superfici di scorrimento piane che consentono spostamenti e/o rotazioni tra il primo ed il secondo componente 11, 12 in una pluralità di direzioni parallele al loro piano di contatto e/o attorno ad assi perpendicolari a quest’ultimo.
Questa configurazione del cuscinetto a strisciamento non è vincolante nell’invenzione, che può essere ad esempio applicata anche a cuscinetti a strisciamento di tipo piano mono e bidirezionale, che prevedono l’impiego di superfici di scorrimento come quelle sopra descritte nonché di ulteriori superfici di scorrimento associate a binari di guida, ed anche a cuscinetti a strisciamento di tipo sferico.
Sempre con riferimento alla forma realizzativa illustrata, una delle superfici di scorrimento, ad esempio quella indicata con il numero di riferimento 21 è costituita da una lastra fatta di un materiale polimerico a basso attrito, mentre l’altra superficie di scorrimento è costituita da una lastra 22 fatta di un materiale metallico, ad esempio acciaio austenitico, ferritico oppure una lega di alluminio. Per ridurre il più possibile il coefficiente di attrito, la lastra 22 in materiale metallico è tipicamente lucidata a specchio.
Le lastre 21, 22 sono rispettivamente vincolate al primo ed al secondo componente 11, 12 del cuscinetto 10. La lastra 21 è in particolare inserita in una sede ricavata nel primo componente 11, mentre la lastra 22 è vincolata, ad esempio mediante viti, al secondo componente 12.
Ai fini della presente invenzione è del tutto indifferente che le lastre 21, 22 siano vincolate al primo od al secondo componente 11, 12. Non sono neppure vincolanti i mezzi utilizzati per il montaggio delle lastre sui rispettivi componenti.
Secondo la presente invenzione, il materiale polimerico a basso attrito di cui è fatta la lastra 21 è una poliammide 6 colata addizionata con lubrificanti che sono allo stato liquido a temperature di circa 20°C e pressioni di circa 1000 hPa, ovvero a condizioni ambiente in zone di clima temperato.
Le principali proprietà di questo materiale, nello stato condizionato al 3,5% di contenuto di umidità, sono riportate nella Tabella 1 qui sotto.
Tabella 1
Proprietà Valore Unità di misura Metodo Peso specifico 1,14 g/cm3 EN ISO 1183-1 Temperatura di fusione 215 °C ISO 11357 Carico di snervamento a trazione >7,50 MPa EN ISO 527 Allungamento a rottura >90 % EN ISO 527 Modulo elastico a trazione >750 MPa EN ISO 527 Durezza HB30>40 N/mm2 EN ISO 2039-1 Durezza Shore >65 Scala D DIN 53505
I lubrificanti allo stato liquido sono incorporati nella poliammide 6 durante il suo processo di fabbricazione e sono preferibilmente scelti nel gruppo costituito da oli minerali, oli vegetali, idrocarburi aromatici, alifatici e iso-idrocarburi, cere liquide, oli sintetici a base di esteri organici, eteri fluorurati, cere fluorurate, siliconi, polisilossani, poliglicoli e bifenili clorurati.
Prove sperimentali hanno consentito di verificare che questi lubrificanti allo stato liquido consentono di fabbricare componenti in poliammide 6 colata, ad esempio lastre, per la realizzazione di superfici di scorrimento in appoggi per l’ingegneria strutturale in grado di operare su intervalli di temperatura molto più ampi di quelli consentiti dai lubrificanti allo stato solido, in particolare a temperature comprese tra -50°C e 120°C.
Prove sperimentali hanno inoltre consentito di verificare che componenti fatti di poliammide 6 colata addizionata con uno dei lubrificanti allo stato liquido sopra menzionati presentano una resistenza all’usura molto più elevata rispetto a componenti di pari forma e dimensioni fatti di PTFE, ed in particolare percorsi di strisciamento maggiori di 50.000 m con riferimento a provini testati secondo la normativa EN 1777-2.
Inoltre, attraverso prove sperimentali effettuate su provini standard è stato possibile stabilire che la resistenza a compressione offerta da tale materiale è maggiore di o uguale a 210 MPa, valori che sono di gran lunga maggiori di quelli che caratterizzano PTFE e UHMWPE.
La poliammide 6 colata addizionata con lubrificanti allo stato liquido può essere vantaggiosamente reticolata, così consentendo di incrementarne le caratteristiche meccaniche. Il trattamento di reticolazione può essere effettuato secondo tecniche note per via chimica oppure mediante irraggiamento con raggi gamma o con elettroni accelerati ad elevate dosi di irraggiamento, preferibilmente comprese tra 25 kGy e 500 kGy. Per favorire il suddetto processo di reticolazione mediante irraggiamento, il materiale può essere addizionato con agenti chimici reticolanti e iniziatori radicalici. Il trattamento di irraggiamento è preferibilmente seguito da un trattamento termico di stabilizzazione in grado di eliminare la presenza di radicali liberi reattivi.
In particolare, la reticolazione operata mediante irraggiamento consente di incrementare il peso molecolare della poliammide 6 attraverso la formazione di legami intermolecolari, in grado di modificare le caratteristiche chimico/fisiche e meccaniche del polimero. In conseguenza della reticolazione risultano incrementate la temperatura massima di esercizio, che può raggiungere i 170°C, la resistenza meccanica ed il modulo di elasticità, la durezza superficiale e la resistenza ad usura, e infine la stabilità dimensionale del materiale ad alte temperature.
In caso di reticolazione mediante irraggiamento è vantaggioso prevedere l'introduzione di stabilizzanti e/o antiossidanti nel polimero in fase di compounding prima del trattamento di irraggiamento, così da eliminare i radicali liberi prodotti dal trattamento di irraggiamento con raggi gamma o beta.
Le caratteristiche di basso coefficiente d’attrito del cuscinetto a strisciamento incorporante la poliammide possono essere migliorate con la predisposizione di una pluralità di alveoli per il contenimento di lubrificanti ricavati nella superficie di scorrimento 21 fatta di poliammide 6 colata addizionata con lubrificanti allo stato liquido.
Con riferimento alla figura 2, gli alveoli sono indicati con il numero di riferimento 30 ed hanno ad esempio una forma circolare in pianta. Gli alveoli 30 sono ad esempio disposti secondo schemi a matrice con distanze tra le righe e le colonne prestabilite, ad esempio scelte in modo che ciascun alveolo sia equidistante dagli alveoli con esso contigui.
Claims (3)
- RIVENDICAZIONI 1. Cuscinetto a strisciamento (10) per applicazioni di ingegneria strutturale, detto cuscinetto (10) comprendendo un primo componente (11) configurato per essere collegato ad una struttura di supporto (P), un secondo componente (12) configurato per il collegamento ad un elemento (G) destinato ad essere poggiato su detta struttura di supporto (P), il cuscinetto (10) comprendendo inoltre almeno una coppia di superfici di scorrimento (21, 22) operativamente collegate a detti primo e secondo componente (11, 12) e configurate per consentirne spostamenti e/o rotazioni relativi, in cui una superficie di scorrimento (22) è fatta di un materiale metallico ed in cui l’altra superficie di scorrimento (21) è fatta di un materiale polimerico a basso coefficiente di attrito, caratterizzato dal fatto che detto materiale polimerico a basso coefficiente di attrito è una poliammide 6 colata addizionata con lubrificanti allo stato liquido a temperature dell’ordine dei 20°C e pressioni dell’ordine dei 1000 hPa.
- 2. Cuscinetto a strisciamento secondo la rivendicazione precedente, in cui detti lubrificanti allo stato liquido sono scelti nel gruppo costituito da olii minerali, oli vegetali, idrocarburi aromatici, idrocarburi alifatici e iso-idrocarburi, cere liquide, olii sintetici a base di esteri organici, eteri fluorurati, cere fluorurate, siliconi, polisilossani, poliglicoli e bifenili clorurati.
- 3. Cuscinetto a strisciamento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta poliammide 6 colata addizionata con lubrificanti allo stato liquido è reticolata.
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