ITMI20131907A1

ITMI20131907A1 - Cuscinetto a strisciamento per l'ingegneria strutturale

Info

Publication number: ITMI20131907A1
Application number: IT001907A
Authority: IT
Inventors: Alessandro Muroni; Virginio Quaglini
Original assignee: Cave S R L
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2015-05-19
Also published as: EP2873883A1; EP2873883B1; ES2670860T3

Description

CUSCINETTO A STRISCIAMENTO PER L’INGEGNERIA STRUTTURALE

La presente invenzione riguarda in generale il settore degli appoggi per applicazioni di ingegneria strutturale ed in particolare un cuscinetto a strisciamento per strutture quali ponti ed edifici.

Nella realizzazione di strutture civili, industriali e viarie, come ad esempio ponti e viadotti stradali e ferroviari, vengono generalmente utilizzati cuscinetti a strisciamento che definiscono fra due o più parti della struttura dei vincoli a pattino, a cerniera, nonché loro combinazioni. I cuscinetti a strisciamento hanno la funzione di consentire tra le parti della struttura movimenti relativi, che sono tipicamente traslazioni e/o rotazioni, sia in condizioni di funzionamento normali, nelle quali tali movimenti relativi avvengono per effetto del ritiro dei materiali da costruzione, delle azioni termiche, nonché a causa delle azioni legate al traffico, al vento ed al normale utilizzo della struttura, che in caso di eventi sismici.

Un cuscinetto a strisciamento comprende generalmente almeno un primo ed un secondo componente operativamente collegati uno all’altro e configurati per sopportare un carico verticale nonché almeno una coppia di superfici di strisciamento disposte tra il primo ed il secondo componente per consentire spostamenti e/o rotazioni relativi. Tipicamente, si impiega una coppia di superfici piane quando è necessario permettere movimenti di traslazione relativa lungo una o una molteplicità di direzioni parallele al piano delle superfici, ed una coppia di superfici curve quando è necessario permettere rotazioni attorno ad uno o più assi.

Tipicamente, una superficie di strisciamento è costituita da una lastra fatta di un materiale polimerico applicata su uno dei componenti del cuscinetto. Nei cuscinetti a strisciamento destinati a zone di nessuna o di modesta sismicità, o più in generale non destinati ad un uso come supporti antisismici ad elevata capacità dissipativa, per la realizzazione della superficie in materiale polimerico tipicamente vengono utilizzati materiali polimerici caratterizzati da un basso coefficiente di attrito, ed in queste applicazioni il materiale polimerico principalmente adoperato è il politetrafluoroetilene (PTFE); sempre per queste applicazioni sono stati inoltre recentemente proposti in alternativa ed in funzione di particolari condizioni operative il polietilene a peso molecolare ultra alto (UHMWPE) e la poliammide colata addizionata con lubrificanti allo stato solido.

La superficie di strisciamento accoppiata a quella in materiale polimerico è una superficie metallica lucidata a specchio associata all’altro componente del cuscinetto. Tipicamente viene anche interposto un lubrificante tra le due superfici di strisciamento del cuscinetto allo scopo di ridurre ulteriormente il coefficiente di attrito.

La superficie di strisciamento metallica è tipicamente costituita da una lastra in acciaio inossidabile di spessore variabile tra 1,5 e 3 mm. Questa configurazione è largamente diffusa perché l’acciaio inossidabile è un materiale tenace, sufficientemente duro e quindi resistente all’abrasione nei confronti di un materiale polimerico più tenero. L’acciaio inossidabile è inoltre resistente alla corrosione e relativamente facile da lucidare fino ad ottenere livelli di rugosità dell’ordine di 1 �m, ciò che consente di garantire il rispetto dei requisiti delle norme vigenti in particolare per quanto concerne la resistenza all’usura della coppia di superfici di strisciamento, espressa in funzione del percorso massimo di strisciamento ottenibile in relazione alle condizioni di carico di progetto.

Nel caso dei cuscinetti comprendenti superfici di strisciamento curve, concave o convesse, progettati per consentire rotazioni di una struttura o di una sua parte rispetto ad un piano di appoggio o aventi una funzione antisismica come ad esempio i cuscinetti dei supporti a pendolo scorrevole, il componente destinato a ricevere la lastra in acciaio inossidabile che costituisce la superficie di strisciamento metallica viene lavorato in modo da ricavare una sede concava o convessa di supporto alla lastra. Il componente che riceve la lastra in acciaio inossidabile è tipicamente realizzato in acciaio a carbonio, materiale dotato di elevata tenacità e resistenza meccanica, che consente di supportare carichi elevati senza subire danneggiamenti o deformazioni che potrebbero compromettere la funzionalità e la durata del cuscinetto.

La lastra in acciaio inossidabile, realizzata in forma piana, viene deformata plasticamente mediante appositi stampi od operazioni di calandratura a seconda della forma e della curvatura richiesta e successivamente applicata sul componente del cuscinetto attraverso l’incollaggio con adesivi, oppure mediante saldatura, oppure con viti, rivetti e simili metodi indicati nelle norme tecniche del settore.

La rigidezza e l’elasticità dell’acciaio inossidabile non consentono generalmente di ottenere una curvatura esattamente corrispondente a quella della sede ricavata nel componente del cuscinetto, il che determina in esercizio problemi di contatto tra le due parti e quindi l’insorgere di stati di sollecitazione che sono particolarmente concentrati nei loro punti di collegamento. Conseguentemente aumentano i rischi di malfunzionamento e rottura del cuscinetto.

Sempre per il medesimo motivo, la curvatura realizzata nella lastra di acciaio inossidabile che costituisce una delle due superfici di strisciamento può risultare non esattamente corrispondente a quella della lastra in materiale polimerico che costituisce l’altra superficie di strisciamento della coppia di superfici di strisciamento del cuscinetto, il che determina in esercizio problemi di impuntamento ed aumento della resistenza allo strisciamento tra le due superfici. Questi problemi generano localmente sulla superficie di strisciamento in materiale polimerico delle sovrappressioni che ne determinano un’usura precoce.

Il problema della curvatura delle lastre in acciaio inossidabile è maggiormente sentito nel caso di superfici curve dotate di raggio di curvatura piccolo, o comunque inferiore ai 1000 mm.

In alternativa all’uso di lastre in acciaio inossidabile, le normative vigenti consentono, per la realizzazione delle superfici di strisciamento metalliche curve, la costruzione di uno dei componenti del cuscinetto in alluminio o una sua lega. La superficie di strisciamento metallica è quindi costituita dalla faccia del componente stesso destinata ad andare a contatto con la lastra in materiale polimerico associata all’altro componente. Tale superficie viene opportunamente lucidata a specchio per ottenere rugosità superficiali conformi alle normative vigenti.

Tuttavia è noto che l’alluminio è un materiale con caratteristiche meccaniche decisamente inferiori a quelle dell’acciaio, per cui in questo caso le normative prevedono una riduzione della vita utile del cuscinetto rispetto a quella che avrebbe un corrispondente cuscinetto provvisto di una superficie di strisciamento metallica in acciaio inossidabile. Tale riduzione è basata sul massimo percorso di strisciamento ammissibile. Secondo la norma europea EN 1337-2:2004, che disciplina l’impiego dei cuscinetti a strisciamento e dei relativi materiali nelle costruzioni dell’edilizia, il percorso di strisciamento è in particolare pari ad un quinto di quello che caratterizza un rivestimento con lastra in acciaio inossidabile a parità di materiale polimerico a contatto e condizioni operative.

Questa configurazione alternativa di un cuscinetto a strisciamento è pertanto svantaggiosa da un punto di vista economico in termini di resistenza e durata del cuscinetto.

Ancora in alternativa all’uso di lastre in acciaio inossidabile per la realizzazione delle superfici di strisciamento metalliche curve, le normative vigenti consentono la realizzazione di un rivestimento in cromo sulla faccia del componente destinata ad andare a contatto con la superficie di strisciamento in materiale polimerico.

Questa configurazione consente di risolvere i problemi di contatto sopra discussi perché la superficie di strisciamento è ricavata direttamente su uno dei componenti del cuscinetto, attraverso lavorazioni eseguite tipicamente con macchine utensili a controllo numerico e quindi con grado di precisione elevata, e non applicata su di esso, ed anche quelli legati alle caratteristiche meccaniche dei materiali, perché, come sopra spiegato, i componenti del cuscinetto sono tipicamente fatti in acciaio al carbonio.

Tuttavia è noto che il cromo ha una durezza maggiore di quella dell’acciaio inossidabile, il che non consente di ottenere superfici di strisciamento con le medesime rugosità dell’acciaio inossidabile. Pertanto, un cuscinetto a strisciamento che comprende una superficie di strisciamento metallica ottenuta rivestendo mediante cromatura una delle facce di uno dei suoi componenti è soggetto ad un’usura più veloce di un corrispondente cuscinetto che impieghi una superficie di strisciamento metallica costituita da una lastra in acciaio inossidabile.

Per questo motivo, anche in questo caso le normative prevedono una riduzione della vita utile del cuscinetto, che, come nel caso precedente, è basata sul massimo percorso di strisciamento ammissibile e, secondo la norma europea EN 1337-2:2004, è pari ad un quinto del percorso di strisciamento che caratterizza un rivestimento con lastra in acciaio inossidabile a parità di materiale polimerico a contatto e condizioni operative.

È inoltre noto che un rivestimento in cromo è facilmente soggetto alla formazione di cricche che determinano il rischio di corrosione degli strati sottostanti, ossia del componente del cuscinetto sulla cui faccia è realizzato il rivestimento. Questa soluzione costruttiva di un componente del cuscinetto con superficie di strisciamento rivestita in cromo richiede quindi un’estrema attenzione sia in fase di assemblaggio che di posa in opera di un cuscinetto, perché scalfitture accidentali del rivestimento in cromo, anche se estremamente localizzate, espongono la faccia del componente del cuscinetto su cui è realizzato il rivestimento in cromo all’attacco corrosivo da parte degli agenti atmosferici.

Pertanto anche questa configurazione alternativa di un cuscinetto a strisciamento risulta svantaggiosa da un punto di vista economico.

Infine, è noto che i processi di cromatura sono altamente inquinanti, il che rende ancor meno interessante questa configurazione alternativa.

Esiste quindi l’esigenza di trovare soluzioni costruttive per la fabbricazione dei cuscinetti a strisciamento che consentano di superare gli inconvenienti sopra menzionati, il che costituisce uno scopo della presente invenzione.

È altresì uno scopo della presente invenzione quello di fornire cuscinetti a strisciamento le cui superfici di strisciamento metalliche siano più semplici ed economiche da realizzare di quelle attualmente previste dalle normative vigenti.

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 della presente invenzione è quella di realizzare la superficie di strisciamento metallica di un cuscinetto a strisciamento mediante rivestimento in materiale metallico della faccia del componente destinata ad andare a contatto con la superficie di strisciamento in materiale polimerico, continuando a realizzare il suddetto componente del cuscinetto in acciaio al carbonio. Tale soluzione appare infatti la più idonea da un punto di vista costruttivo e funzionale perché consente di risolvere i problemi di contatto che caratterizzano le lastre in acciaio inossidabile senza rinunciare alle caratteristiche meccaniche dei componenti del cuscinetto destinati a sopportare i carichi necessari per garantire una vita utile del cuscinetto economicamente sostenibile.

È altresì un’idea di soluzione alla base dell’invenzione quella di realizzare tale rivestimento in alluminio oppure in zinco, oppure in loro rispettive leghe. L’alluminio e lo zinco presentano infatti una durezza molto minore di quella del cromo, il che consente di ottenere rugosità e massimi percorsi di strisciamento paragonabili a quelli di una superficie in acciaio inossidabile a parità di materiale polimerico a contatto e condizioni operative.

Un vantaggio offerto dall’invenzione è che un rivestimento metallico in alluminio, oppure in zinco presenta una resistenza alla corrosione confrontabile con quella dell’acciaio inossidabile. In particolare, quando lo spessore del rivestimento in alluminio, zinco o loro rispettive leghe è superiore a circa 150 μm, a seguito dell’ossidazione degli strati più esterni del rivestimento si crea un film di ossido del metallo che aderisce in maniera tenace alla superficie del rivestimento, sigillandone le porosità e proteggendo dalla corrosione il substrato su cui è applicato il rivestimento. In questo modo, diversamente dal caso del cromo, un rivestimento in alluminio, zinco o loro rispettive leghe consente di proteggere molto più efficacemente il componente del cuscinetto in acciaio al carbonio sulla cui faccia è realizzato il rivestimento.

Inoltre, sia l’allumino che lo zinco sono materiali che presentano un comportamento anodico rispetto all’acciaio al carbonio, il che implica che, anche in presenza di porosità nel rivestimento oppure a seguito di scalfitture prodotte accidentalmente durante l’assemblaggio del cuscinetto in fabbrica, la sua posa in opera, oppure durante il suo normale servizio, il rivestimento metallico in alluminio, zinco o loro rispettive leghe si comporta da anodo sacrificale ossidandosi al posto del materiale sottostante, così salvaguardando il componente rivestito del cuscinetto.

Un altro vantaggio offerto dall’invenzione è che l’alluminio e lo zinco presentano un coefficiente di conducibilità termica molto maggiore di quello dell’acciaio inossidabile e quindi consentono di realizzare superfici metalliche di strisciamento caratterizzate da una grande capacità di trasmissione del calore, il che è particolarmente vantaggioso nelle applicazioni dei cuscinetti a strisciamento come supporti con funzione antisismica.

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 nelle quali:

- la figura 1 è una vista frontale parzialmente in sezione che mostra schematicamente un cuscinetto a strisciamento secondo l'invenzione di tipo piano multidirezionale;

- la figura 2 è una vista frontale parzialmente in sezione che mostra schematicamente un cuscinetto a strisciamento secondo l'invenzione di tipo combinato piano e sferico; e

- la figura 3 è una vista frontale parzialmente in sezione che mostra schematicamente un cuscinetto a strisciamento di tipo supporto a pendolo scorrevole.

Con riferimento alla figura 1, un cuscinetto a strisciamento secondo l’invenzione è indicato in generale con il numero di riferimento 110. Il cuscinetto a strisciamento 110 comprende un primo ed un secondo componente 111, 112 operativamente collegati uno all’altro e configurati per sopportare un carico verticale.

Il primo componente 111 è destinato ad essere collegato ad una struttura di supporto, ad esempio una pila di un ponte oppure una fondazione di un edificio o di un impianto industriale, ed il secondo componente è configurato per il collegamento ad un elemento destinato ad essere poggiato su detta struttura di supporto, ad esempio una trave dell’impalcato del ponte oppure l’edificio o l’impianto industriale. Nella forma realizzativa illustrata, il collegamento degli elementi del cuscinetto alla struttura di supporto ed all’elemento è ad esempio realizzato mediante appositi piedi o colonnine 131, 132 destinati ad essere inserite e fissate in fori ricavati in tali parti.

Il cuscinetto 110 comprende inoltre almeno una coppia di superfici di strisciamento disposte tra il primo ed il secondo componente per consentirne traslazioni relative.

Nella forma realizzativa illustrata, il cuscinetto a strisciamento 110 comprende ad esempio una singola coppia di superfici di strisciamento rispettivamente indicate con i numeri di riferimento 121, 122.

Le superfici di strisciamento 121, 122 sono ad esempio superfici piane configurate per consentire traslazioni tra il primo ed il secondo componente 111, 112 in una pluralità di direzioni parallele al loro piano di contatto. In una configurazione operativa, il piano di contatto è tipicamente un piano orizzontale.

Una delle superfici di strisciamento, nella forma realizzativa illustrata ad esempio la superficie 121, è in forma di una lastra fatta di un materiale polimerico, ad esempio PTFE. La lastra può essere ad esempio incassata in una sede ricavata nel primo componente 111 come mostrato schematicamente in figura 1, ma potrebbe essere semplicemente appoggiata sul primo componente 111 e fissata mediante un adesivo.

L’altra superficie di strisciamento, nella forma realizzativa illustrata ad esempio la superficie 122, è una superficie metallica associata al secondo componente 112. Tale superficie metallica è lucidata a specchio mediante lappatura.

Secondo la presente invenzione, la superficie di strisciamento metallica è costituita da almeno una porzione della faccia di uno dei componenti del cuscinetto rivolta verso la lastra di strisciamento in materiale polimerico associata all’altro componente, detta porzione essendo ricoperta da un rivestimento superficiale metallico in alluminio, zinco o loro rispettive leghe.

In figura 1, come anche nelle figure 2 e 3 che verranno descritte più avanti, il rivestimento superficiale è schematicamente indicato con una linea di spessore maggiore di quelle utilizzate per le altre parti del cuscinetto rappresentato.

Si comprenderà che ai fini della presente invenzione è del tutto indifferente che la superficie di strisciamento 121 in materiale polimerico sia associata ad uno tra il primo ed il secondo componente e che la superficie di strisciamento metallica 122 rivestita in alluminio, zinco o loro rispettive leghe sia costituita da una porzione della faccia dell’altro componente. In modo del tutto equivalente, la superficie di strisciamento 121 in materiale polimerico potrebbe essere associata al secondo componente 112 e la superficie di strisciamento metallica 122 rivestita in alluminio, zinco o loro rispettive leghe potrebbe essere ricavata su una porzione della faccia del primo componente 111.

È altresì del tutto irrilevante ai fini dell’invenzione la modalità di montaggio o ancoraggio della lastra 121 in materiale polimerico sul primo od il secondo componente.

Il rivestimento metallico in alluminio, zinco o loro rispettive leghe viene realizzato mediante un processo di metallizzazione nel quale il metallo del rivestimento viene riscaldato fino al suo punto di fusione, e poi veicolato in una corrente di gas contro la faccia da rivestire del componente del cuscinetto.

In una realizzazione preferenziale del processo, il materiale, costituito da alluminio o zinco, oppure una loro rispettiva lega, si trova in forma di particelle estratte per esempio da polveri in cumulo oppure sotto forma di filo e viene portato allo stato fuso attraverso il calore prodotto dalla combustione di un gas combustibile, tipicamente acetilene o propano, oppure da un arco elettrico innescato da una corrente di intensità tipicamente da 200 a 400 A. Il filo di metallo allo stato fuso viene polverizzato da un getto di aria compressa che proietta ad elevata velocità i globuli di metallo fuso contro la porzione della faccia da rivestire del componente del cuscinetto. A seguito dell’impatto i globuli di metallo si vengono ad integrare in maniera permanente nelle rugosità della faccia da rivestire del componente del cuscinetto, oppure con le particelle del metallo di rivestimento deposte in precedenza. Il processo continua fino a che non viene raggiunto lo spessore desiderato per il rivestimento.

Nella realizzazione del rivestimento metallico in alluminio, zinco o loro rispettive leghe è essenziale che la faccia da rivestire del componente del cuscinetto sia precedentemente lavorata per ricavare una rugosità adeguata a garantire un numero sufficiente di punti di ancoraggio meccanico alle particelle di metallo veicolato contro di essa.

Il rivestimento metallico secondo l’invenzione può essere vantaggiosamente applicato qualunque sia la dimensione della faccia da rivestire del componente del cuscinetto, e non è limitato alle dimensioni di un bagno elettrolitico come invece avviene per i processi di rivestimento metallico in cromo previsti nelle norme tecniche.

Lo strato di rivestimento può essere fatto di alluminio commercialmente puro, ovvero al 99,5% in peso, oppure di zinco puro, ovvero al 99,99% in peso, oppure, in alternativa, leghe di alluminio o di zinco nelle quali la quantità di alluminio o la quantità di zinco è pari ad almeno l’80% in peso.

Questo consente di ottenere percorsi di strisciamento di durata sostanzialmente pari al percorso di strisciamento che caratterizza un rivestimento con lastra in acciaio inossidabile a parità di materiale polimerico a contatto e condizioni operative, detti percorsi di strisciamento essendo valutati secondo la norma EN 1337-2:2004.

Oltre alle caratteristiche sopra descritte, questi metalli e le loro rispettive leghe metalliche sono preferiti perché l’alluminio e lo zinco presentano un comportamento anodico quando accoppiati con l’acciaio al carbonio. In presenza di eventuali porosità, difetti o danneggiamenti nel rivestimento che causano fenomeni di ossidazione galvanica, il rivestimento in l’alluminio, zinco o loro rispettive leghe si ossida al posto del materiale sottostante salvaguardando l’integrità meccanica del componente del cuscinetto sul quale è ricavata la superficie di strisciamento metallica e che è destinato a supportare i carichi trasmessi dal cuscinetto.

L’alluminio presenta una velocità di ossidazione estremamente bassa ed in particolare inferiore a quella dello zinco, per cui la scelta di realizzare il rivestimento in alluminio commercialmente puro è preferibile perché consente vantaggiosamente di rendere pressoché inesistenti i problemi di corrosione del componente metallico del cuscinetto anche in presenza di porosità o difetti.

Esempi non limitativi dei materiali utilizzabili per la realizzazione del rivestimento metallico della faccia del componente del cuscinetto sulla quale è ricavata la superficie di strisciamento metallica sono elencati nella Tabella 1 qui sotto riportata.

Tabella 1

Simbolo Elementi di lega Altri elementi presenti Frazione % in peso Frazione % in peso

Al99,5 Al ≥ 99,5% Totale ≤ 0,5

Si ≤ 0,3

Fe ≤ 0,4

Ti ≤ 0,05

Cu ≤ 0,05

Zn ≤ 0,07

Mn ≤ 0,05

Altri ≤ 0,03

Zn99,99 Zn minimo 99,99 Totale ≤ 0,010

Pb ≤ 0,005

Cd ≤ 0,005

Pb+Cd ≤ 0,006

Sn ≤ 0,001

Fe ≤ 0,003

Cu ≤ 0,002

Altri ≤ 0,12

AlMg5 Mg 4,5-5,5 Totale ≤ 0,9

Mn 0-0,5 Si ≤ 0,25

Cr 0-0,3 Fe ≤ 0,40

Ti 0,10-0,25 Cu ≤ 0,05

Al rimanente Zn ≤ 0,2

Altri 0,05

ZnAl15 Zn 84-86 Totale ≤ 0,17

Al 14-16 Pb ≤ 0,005

Cd ≤ 0,005

Pb+Cd ≤ 0,006

Sn ≤ 0,001

Fe ≤ 0,05

Cu ≤ 0,01

Si ≤ 0,12

Secondo l’invenzione, lo spessore dello strato di rivestimento in alluminio, zinco o loro rispettive leghe è compreso tra 100 e 300 μm.

Tale spessore è preferibilmente superiore a circa 150 μm per rivestimenti in alluminio e superiore a circa 200 μm per rivestimenti in zinco oppure in lega di alluminio o lega di zinco. Con spessori maggiori di circa 150 μm per rivestimenti in alluminio e maggiori di circa 200 μm per rivestimenti in zinco oppure in lega di alluminio o lega di zinco, infatti, a seguito dell’ossidazione degli strati più esterni del rivestimento si crea un film di ossido del metallo che aderisce in maniera tenace alla superficie del rivestimento, sigillandone le porosità e proteggendo dalla corrosione il substrato su cui è applicato il rivestimento.

Prove sperimentali hanno consentito di verificare che un rivestimento superficiale in alluminio con spessore compreso tra 150 e 200 μm consente di ottenere percorsi di strisciamento di circa 10000 m in combinazione con una superficie di strisciamento in PTFE nelle medesime condizioni operative previste dalla norma EN 1337-2:2004, ovvero prestazioni sostanzialmente pari a quelle che è in grado di fornire una lastra in acciaio inossidabile a parità di superficie di strisciamento accoppiata fatta in materiale polimerico a basso coefficiente di attrito.

Sempre attraverso prove sperimentali si è potuto verificare che un rivestimento metallico secondo l’invenzione con gli spessori sopra indicati consente di ottenere una resistenza alla corrosione alla nebbia salina di almeno 1440 ore, pari a una resistenza alla corrosione di classe di resistività C5-Industriale e C5-Marina e durabilità cosiddetta “alta”, verificata secondo la norma ISO 12944. Questo rende il cuscinetto a strisciamento dell’invenzione conforme alle normative vigenti e ne consente l’applicazione al posto al posto dei tradizionali cuscinetti comprendenti superfici di strisciamento metalliche in acciaio inossidabile.

Lo spessore del rivestimento può anche essere inferiore a circa 150 μm per rivestimenti in alluminio e inferiore a circa 200 μm per rivestimenti in zinco oppure in lega di alluminio o lega di zinco. Secondo l’invenzione in questo caso è opportuno trattare la superficie di strisciamento metallica rivestita in alluminio, zinco o loro rispettive leghe con un sigillante a bassa viscosità, che si infiltra nelle porosità della superficie del rivestimento formando una barriera permanente contro la corrosione. Sigillanti a bassa viscosità idonei all’applicazione nella presente invenzione comprendono ad esempio sigillanti vinilici, resine epossidiche contenenti catrame di carbone (epossicatrame), resine epossidiche pigmentate alluminio, resine epossidiche, resine fenoliche contenenti olii, sigillanti a base di resine siliconiche pigmentate alluminio (alluminio al silicone), sigillanti a base di resine acriliche e siliconi.

Secondo l’invenzione il sigillante a bassa viscosità può vantaggiosamente contenere lubrificanti siliconici, in modo da ridurre ulteriormente il coefficiente di attrito durante lo strisciamento relativo della coppia di superfici di strisciamento del cuscinetto.

Come sopra descritto, la superficie di strisciamento metallica ottenuta mediante rivestimento in alluminio, zinco o loro rispettive leghe è costituita da almeno una porzione della faccia di uno dei componenti del cuscinetto rivolta verso la lastra in materiale polimerico associata all’altro componente.

Il rivestimento superficiale in alluminio, zinco o loro rispettive leghe può vantaggiosamente ricoprire l’intera faccia del componente, così riducendone l’area superficiale destinata alla verniciatura protettiva dalla corrosione richiesta dalle normative vigenti. Questa configurazione è mostrata schematicamente in figura 1 e nelle figure 2 e 3 che verranno descritte nel prosieguo.

Il rivestimento superficiale in alluminio, zinco o loro rispettive leghe può addirittura vantaggiosamente ricoprire l’intero componente del cuscinetto, che risulta così protetto dalla corrosione senza bisogno di alcuna operazione aggiuntiva di verniciatura protettiva dalla corrosione.

Si comprenderà che la presente invenzione non è limitata a cuscinetti di tipo piano multidirezionale, ma può essere applicata ad altre tipologie di cuscinetto a strisciamento quali ad esempio i cuscinetti piani di tipo mono e bidirezionale, in cui non solo le superfici di strisciamento destinate a sopportare carichi verticali, ma anche quelle destinate a sopportare carichi trasversali possono comprendere una prima superficie di strisciamento fatta di un materiale polimerico oppure di uno speciale materiale composito contenente PTFE, descritto dalle norme tecniche, abbinata ad una seconda superficie di strisciamento metallica ottenuta mediante rivestimento in alluminio, zinco o loro rispettive leghe di un substrato metallico.

Si comprenderà altresì che la presente invenzione non è neppure limitata a cuscinetti a strisciamento di tipo piano, ma può essere vantaggiosamente impiegata anche in cuscinetti a strisciamento con superfici curve, ad esempio in cuscinetti di tipo sferico o di tipo combinato piano e sferico come ad esempio quello mostrato in figura 2.

Analogamente al cuscinetto mostrato in figura 1, anche in questo caso il cuscinetto 210 comprende un primo componente 211, atto ad essere collegato ad una struttura di supporto, ad esempio una pila di un ponte, ed un secondo componente 212, atto ad essere collegato ad un elemento destinato ad essere poggiato su detta struttura di supporto, ad esempio una trave dell’impalcato del ponte. Inoltre, come nel cuscinetto di figura 1, il collegamento alla struttura di supporto ed all’elemento è realizzato mediante appositi piedi o colonnine 231, 232 destinati ad essere inserite e fissate in fori ricavati in tali parti.

Il cuscinetto 210 comprende inoltre un terzo componente 213 disposto tra il primo componente 211 ed il secondo componente 212.

La faccia del terzo componente 213 rivolta verso il primo componente 211 è di forma convessa ed è configurata per accoppiarsi con una corrispondente superficie concava ricavata nel primo componente 211.

La faccia del terzo 213 componente rivolta verso il secondo componente 212 è di forma piana ed è configurata per accoppiarsi con una corrispondente superficie piana del secondo componente 212.

Il cuscinetto a strisciamento mostrato in figura 2 comprende due coppie di superfici di strisciamento rispettivamente indicate con i numeri di riferimento 221, 222 e 223, 224 e disposte una tra il primo ed il terzo componente e l’altra tra il secondo ed il terzo componente. Per ciascuna coppia, una superficie di strisciamento è costituita da una lastra in materiale polimerico montata su uno tra il primo ed il terzo o tra il primo ed il secondo componente del cuscinetto, mentre l’altra è costituita da almeno una porzione della faccia dell’altro componente rivolta verso la lastra in materiale polimerico, detta porzione essendo ricoperta da un rivestimento superficiale in alluminio, zinco o loro rispettive leghe.

Le superfici di strisciamento 221, 222 sono di tipo piano e sono rispettivamente costituite da una lastra in materiale polimerico incassata in una sede ricavata nel terzo componente 213 e dalla faccia del secondo componente 212 rivestita in alluminio, zinco o loro rispettive leghe. Le superfici di strisciamento 223, 224 sono superfici curve, sferiche o cilindriche, rispettivamente costituite da una lastra in materiale polimerico incassata in una sede concava ricavata nel primo componente 211 e dalla faccia convessa del terzo componente 213 rivestita in alluminio, zinco o loro rispettive leghe.

La presente invenzione può inoltre essere vantaggiosamente applicata a cuscinetti a strisciamento del tipo a pendolo scorrevole che, come noto, hanno una funzione di supporto antisismico di ponti, edifici ed impianti industriali.

Facendo riferimento alla figura 3, il cuscinetto 310 comprende come negli esempi precedenti un primo componente 311, atto ad essere collegato ad una struttura di supporto, ad esempio una pila di un ponte, ed un secondo componente 312, atto ad essere collegato ad un elemento destinato ad essere poggiato sulla struttura di supporto, ad esempio una trave dell’impalcato del ponte.

Inoltre, come negli esempi precedenti, il collegamento alla struttura di supporto ed all’elemento è realizzato mediante appositi piedi o colonnine 331, 332 destinati ad essere inserite e fissate in fori ricavati in tali parti.

Il cuscinetto 310 comprende inoltre un terzo componente 313 disposto tra il primo componente 311 ed il secondo componente 312. La faccia del terzo componente 313 rivolta verso il primo componente 311 è di forma convessa ed è destinata ad accoppiarsi con una corrispondente superficie concava del primo componente 311. La faccia del terzo componente 313 rivolta verso il secondo componente 312 è pure di forma convessa ed è destinata ad accoppiarsi con una corrispondente superficie concava del secondo componente 312.

Il cuscinetto 310 comprende due coppie di superfici di strisciamento rispettivamente indicate con i numeri di riferimento 321, 322 e 323, 324 e disposte una tra il primo ed il terzo componente e l’altra tra il secondo ed il terzo componente. Per ciascuna coppia, una superficie di strisciamento è costituita da una lastra in materiale polimerico montata su uno tra il primo ed il terzo o tra il primo ed il secondo componente del cuscinetto, mentre l’altra è costituita da almeno una porzione della faccia dell’altro componente rivolta verso la lastra in materiale polimerico, detta porzione essendo ricoperta da un rivestimento superficiale in alluminio, zinco o loro rispettive leghe.

Le superfici di strisciamento 321, 322 sono superfici curve, di tipo sferico o cilindrico, e sono rispettivamente costituite da una lastra in materiale polimerico incassata in una sede ricavata nel terzo componente 313 e dalla faccia del secondo componente 312 rivestita in alluminio, zinco o loro rispettive leghe. Anche le superfici di strisciamento 323, 324 sono superfici curve, di tipo sferico o cilindrico, rispettivamente costituite da una lastra in materiale polimerico incassata in una sede concava ricavata nel primo componente 311 e dalla faccia convessa del terzo componente 313 rivestita in alluminio, zinco o loro rispettive leghe.

Come noto, in appoggi di questa tipologia per effetto dello strisciamento delle superfici convesse sulle superfici concave, la sovrastruttura oscilla aumentando e diminuendo la propria energia potenziale seguendo le leggi di moto di un pendolo, il cui periodo proprio è definito dal raggio della superficie concava. Il raggio delle superfici concave viene progettato in maniera tale da portare il periodo proprio del pendolo a valori ottimali per la riduzione della risposta sismica della sovrastruttura. Una certa quantità di energia cinetica viene dissipata attraverso l'attrito che caratterizza le superfici di strisciamento, riducendo così maggiormente la risposta sismica della sovrastruttura.

Per effetto dell’attrito, l’energia cinetica si trasforma in energia termica che deve essere smaltita come calore nel modo più efficiente possibile attraverso le parti a contatto. Poiché i materiali polimerici presentano generalmente bassi coefficienti di scambio termico, ad esempio dell’ordine di 0,2 – 0,6 W/(m∙K), le superfici di strisciamento realizzate con tali materiali si comportano essenzialmente da barriera termica, con la complicazione che le elevate temperature che si sviluppano a causa dell’attrito possono degradare i materiali polimerici. La trasmissione dell’energia termica come calore è dunque principalmente affidata alle superfici di strisciamento metalliche.

Nel caso di un cuscinetto a strisciamento di tipo tradizionale, nel quale la superficie di strisciamento metallica è costituita da una lastra in acciaio inossidabile ed il componente sul quale essa è applicata è fatto di acciaio al carbonio, il coefficiente di conducibilità termica è pari a circa 15 W/(m∙K) per l’acciaio inossidabile e a circa 65 W/(m∙K) per l’acciaio al carbonio. Pertanto l’acciaio inossidabile mostra un comportamento relativamente isolante rispetto al sottostante componente in acciaio al carbonio.

Utilizzando un cuscinetto secondo la presente invenzione, una superficie di strisciamento metallica in alluminio commercialmente puro al 99,5% in peso ha un coefficiente di scambio termico pari a circa 220 W/(m∙K), dunque molto maggiore di quello dell’acciaio inossidabile, e al contrario di quest’ultimo, favorisce la trasmissione dell’energia termica come calore verso il sottostante componente in acciaio al carbonio del cuscinetto a strisciamento.

Analogamente, una superficie di strisciamento metallica in zinco al 99,99% in peso ha un coefficiente di scambio termico pari a circa 110 W/(m∙K), dunque anche in questo caso maggiore di quello dell’acciaio inossidabile e tale da favorire la trasmissione dell’energia termica come calore verso il sottostante componente in acciaio al carbonio del cuscinetto a strisciamento.

La stessa condizione è ottenibile impiegando leghe di alluminio o di zinco come ad esempio quelle indicate nella tabella 1 e più in generale leghe di alluminio o di zinco nelle quali la quantità di alluminio o la quantità di zinco è pari ad almeno l’80% in peso.

Pertanto, a parità di configurazione e condizioni operative, un cuscinetto a strisciamento del tipo a pendolo scorrevole secondo l’invenzione consente di smaltire il calore in modo molto più efficiente di uno tradizionale, mantenendo inalterate nel tempo le caratteristiche del materiale di cui è fatta la lastra in materiale polimerico.

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a forme preferite di realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito dall’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Cuscinetto a strisciamento (110; 210; 310) per applicazioni di ingegneria strutturale, detto cuscinetto (110; 210; 310) comprendendo almeno un primo ed un secondo componente (111, 112; 211, 212, 213; 311, 312, 313) operativamente collegati uno all’altro e configurati per sopportare un carico verticale, nonché almeno una coppia di superfici di strisciamento (121, 122; 221, 222, 223, 224; 321, 322, 323, 324) disposte tra detto primo e detto secondo componente per consentirne spostamenti e/o rotazioni relativi, in cui una superficie di strisciamento (121; 221, 223; 321, 323) della coppia è costituita da una lastra fatta di un materiale polimerico montata su uno tra il primo ed il secondo componente e l’altra superficie di strisciamento (122; 222, 224; 322, 324) è una superficie metallica costituita da almeno una porzione della faccia dell’altro componente rivolta verso detta lastra in materiale polimerico, ed in cui detta porzione è ricoperta da un rivestimento superficiale in alluminio, zinco o loro rispettive leghe.
2. Cuscinetto a strisciamento (110; 210; 310) secondo la rivendicazione 1, in cui detto rivestimento superficiale è costituito da alluminio puro al 99,5% in peso.
3. Cuscinetto a strisciamento (110; 210; 310) secondo la rivendicazione 1, in cui detto rivestimento superficiale è costituito da zinco puro al 99,99% in peso.
4. Cuscinetto a strisciamento (110; 210; 310) secondo la rivendicazione 1, in cui detto rivestimento superficiale è costituito da una lega di alluminio o da una lega di zinco nella quale la quantità di alluminio o la quantità di zinco è pari ad almeno l’80% in peso.
5. Cuscinetto a strisciamento (110; 210; 310) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui il rivestimento superficiale ha uno spessore compreso tra 100 e 300�m.
6. Cuscinetto a strisciamento (110; 210; 310) secondo la rivendicazione 5, in cui detto spessore è maggiore di 150 μm per rivestimenti in alluminio e maggiore di 200 μm per rivestimenti in zinco oppure in lega di alluminio o lega di zinco.
7. Cuscinetto a strisciamento (110; 210; 310) secondo la rivendicazione 5, in cui detto spessore è minore di 150 μm per rivestimenti in alluminio e minore di 200 μm per rivestimenti in zinco oppure in lega di alluminio o lega di zinco ed in cui il rivestimento è trattato con un materiale sigillante a bassa viscosità.
8. Cuscinetto a strisciamento (110; 210; 310) secondo la rivendicazione 7, in cui il materiale sigillante a bassa viscosità con il quale è trattato il rivestimento superficiale in alluminio, zinco o loro rispettive leghe contiene lubrificanti siliconici.
9. Cuscinetto a strisciamento (110; 210; 310) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui il rivestimento superficiale in alluminio, zinco o loro rispettive leghe ricopre l’intera faccia del componente rivolta verso la lastra in materiale polimerico.
10. Cuscinetto a strisciamento (110; 210; 310) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui il rivestimento superficiale in alluminio, zinco o loro rispettive leghe ricopre l’intero componente sul quale è ricavata la superficie di strisciamento metallica.
11. Cuscinetto a strisciamento (210; 310) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10, comprendente inoltre un terzo componente (213; 313) disposto tra detti primo componente (211; 311) e secondo componente (212; 312) ed operativamente collegato ad essi, una prima coppia di superfici di strisciamento (221, 222; 321, 322) essendo disposta tra detti primo e terzo componente ed una seconda coppia di superfici di strisciamento essendo disposta tra detti secondo e terzo componente, ed in cui per ciascuna coppia di superfici di strisciamento, una superficie di strisciamento è costituita da una lastra fatta di un materiale polimerico montata su uno dei componenti e l’altra superficie di strisciamento è una superficie metallica costituita da almeno una porzione della faccia dell’altro componente rivolta verso la lastra in materiale polimerico, detta porzione essendo ricoperta da un rivestimento superficiale in alluminio, zinco o loro rispettive leghe.
12. Uso di un rivestimento superficiale in alluminio, zinco o loro rispettive leghe per la ricopertura di almeno una porzione di una faccia di un componente di un cuscinetto a strisciamento (110; 210; 310) per applicazione di ingegneria strutturale, detta porzione rivestita essendo destinata a costituire una superficie di scorrimento metallica accoppiata con una superficie di scorrimento in materiale polimerico, in cui il rivestimento soddisfa i coefficienti di attrito in un test di idoneità d’uso secondo la norma tecnica EN 1337-2:2004, detti coefficienti di attrito essendo verificati secondo la norma EN 1337-2:2004 su di un percorso di strisciamento di durata almeno uguale al percorso di strisciamento che caratterizza un rivestimento con lastra in acciaio inossidabile a parità di materiale polimerico a contatto e condizioni operative.