Come scegliere, mantenere e prolungare la durata delle catene a rulli?

Come funzionano le catene a rulli e perché il design è importante

A catena a rulli trasmette la potenza meccanica tra due ruote dentate impegnando una serie di piastre, perni, boccole e rulli collegati in un ciclo ripetuto. Quando un pignone motore ruota, i suoi denti ingranano i rulli posizionati tra le piastre di maglia interne, tirando la catena in avanti e trasferendo la coppia al pignone condotto. Il rullo è l'elemento che rende efficiente questo design: ruota liberamente sulla boccola mentre si inserisce nel dente della ruota dentata, convertendo quello che altrimenti sarebbe attrito radente in contatto volvente. Questo meccanismo apparentemente semplice è alla base di un’enorme gamma di macchinari: dalle trasmissioni per biciclette e attrezzature agricole ai sistemi di trasporto, macchine da stampa e cambi industriali.

Comprendere l'anatomia di una catena a rulli aiuta a specificarne una o a risolverne i problemi. La maglia interna è costituita da due piastre interne pressate su una boccola, con il rullo posizionato attorno alla boccola. La maglia esterna, a volte chiamata maglia a perno, collega due maglie interne attraverso due piastre esterne e un perno montato a pressione che attraversa entrambe le boccole. Il gioco tra il perno e la boccola determina la libertà di articolazione della catena e la durezza di questi componenti influisce direttamente sulla durata dell'usura sotto carico. Le catene di alta qualità utilizzano perni e boccole cementati con una superficie dura e resistente all'usura su un nucleo duro che resiste agli urti senza diventare fragile.

Serie di catene a rulli standard e significato dei numeri

Le catene a rulli sono prodotte secondo standard riconosciuti a livello internazionale, principalmente ANSI/ASME B29.1 in Nord America e ISO 606 in Europa e nella maggior parte del resto del mondo. Questi standard definiscono il passo (la distanza da centro a centro tra perni consecutivi) insieme al diametro del rullo, alla larghezza interna, allo spessore della piastra e alla resistenza alla trazione minima. La designazione ANSI utilizza un numero a due o tre cifre in cui le prime cifre indicano il passo in ottavi di pollice e l'ultima cifra indica il tipo di catena: 0 per standard, 1 per leggera e 5 per catena con boccola senza rulli.

Le catene a doppio filo e a più fili portano il suffisso "-2" o "-3" dopo il numero di catena (ad esempio, 60-2 per una catena a doppio filo #60). Queste configurazioni moltiplicano la capacità di carico senza aumentare il passo, il che è utile quando una catena con passo più grande funzionerebbe troppo lentamente o creerebbe uno stress eccessivo sui denti del pignone alla velocità richiesta.

Selezione della catena a rulli giusta per la vostra applicazione

La selezione della catena inizia con i requisiti di trasmissione di potenza, ma riducendola a un semplice valore di potenza non si tengono conto di diversi fattori che determinano se una determinata catena fornirà una durata di servizio accettabile. I seguenti parametri devono essere valutati tutti insieme prima di stabilire una specifica di catena.

Potenza di progetto e fattore di servizio

La potenza nominale di un motore non è la cifra utilizzata per la selezione della catena. Gli ingegneri calcolano invece la potenza di progetto moltiplicando la potenza trasmessa per un fattore di servizio che tiene conto della natura del carico. I carichi regolari e uniformi dei motori elettrici utilizzano in genere un fattore di servizio pari a 1,0. Carichi d'urto moderati, come quelli derivanti da compressori alternativi o trasportatori con carico irregolare, richiedono un fattore compreso tra 1,3 e 1,5. Carichi d'urto pesanti provenienti da frantoi, trituratori o mulini a martelli possono richiedere un fattore di servizio pari o superiore a 1,7. Questo valore di potenza di progetto modificato viene quindi confrontato con le tabelle di potenza nominale del produttore della catena, che specificano la potenza massima consentita per ciascuna dimensione di catena a una determinata velocità del pignone in giri/min.

Dimensioni del pignone e rapporto di velocità

Il numero di denti sul pignone piccolo, sempre il più carico dei due, influisce direttamente sulla durata della catena. Un minimo di 17 denti sul pignone piccolo è una linea guida ampiamente utilizzata per le trasmissioni che richiedono una lunga durata, poiché un minor numero di denti fa sì che la catena si articola attraverso un angolo più acuto ad ogni impegno, accelerando l'usura del perno e della boccola. Rapporti di velocità molto grandi (superiori a 7:1) sono generalmente meglio gestiti in due stadi utilizzando un albero intermedio anziché una trasmissione a catena a rulli a stadio singolo, sia per ragioni di efficienza che per mantenere il pignone grande a un diametro gestibile.

Distanza dal centro e lunghezza della catena

L'interasse ideale tra il pignone motore e quello condotto è da 30 a 50 volte il passo della catena. Un interasse troppo corto riduce l'arco di avvolgimento sul pignone piccolo e fa sì che ciascuna maglia si articola più frequentemente, mentre un interasse troppo lungo introduce abbassamenti e vibrazioni. La lunghezza della catena viene calcolata in maglie anziché in unità lineari e il totale deve essere un numero pari per consentire l'uso di una maglia di collegamento standard. I dispositivi di raccolta regolabili o i pignoni tenditori vengono utilizzati per mantenere la corretta tensione della catena mentre la catena si allunga a causa della normale usura nel corso della sua durata.

Lubrificazione: il fattore più importante nella longevità della catena

Nessun'altra pratica di manutenzione ha un effetto maggiore sulla durata di servizio delle catene a rulli quanto una corretta lubrificazione. Il meccanismo di usura principale in una catena a rulli è la graduale erosione delle superfici di contatto del perno e della boccola, che provoca un aumento del passo, ciò che viene comunemente chiamato allungamento della catena, sebbene le piastre di acciaio stesse non si stiano effettivamente allungando. Il lubrificante penetra nel gioco della boccola del perno, forma una pellicola idrodinamica sotto carico e allontana il calore generato dall'articolazione. Senza un'adeguata lubrificazione, una catena che funziona con carichi industriali moderati potrebbe usurarsi in una frazione del tempo in cui durerebbe con un'adeguata lubrificazione.

I produttori di catene specificano i metodi di lubrificazione in base al tipo di applicazione. Esistono quattro categorie standard utilizzate nel settore:

• Tipo A - Lubrificazione manuale o a goccia: applicata periodicamente con un oliatore o una spazzola, oppure erogata da un oliatore a goccia alla velocità di una goccia ogni cinque-venti maglie di catena al minuto. Adatto per azionamenti a bassa velocità e con carico leggero.
• Tipo B - Lubrificazione a bagno o a disco: il tratto inferiore della catena scorre attraverso un bagno d'olio in un alloggiamento sigillato, oppure un disco fissato all'albero della ruota dentata raccoglie l'olio e lo lancia sulla catena. Utilizzato per velocità moderate fino a circa 600 giri/min sul pignone piccolo.
• Tipo C — Lubrificazione a flusso d'olio: un flusso continuo di olio viene diretto sulla catena da un ugello alimentato da una pompa posizionato all'interno del tratto inferiore della catena vicino al pignone motore. Necessario per unità ad alta velocità superiori a 1.500 giri/min.
• Catene sigillate e prelubrificate: le catene con guarnizioni O-ring o X-ring trattengono il grasso impacchettato tra il perno e la boccola in fase di produzione. Vengono utilizzati laddove la contaminazione esterna è grave o laddove la rilubrificazione non è praticabile, come nelle macchine agricole e edili all'aperto.

Il lubrificante consigliato per la maggior parte delle applicazioni industriali di catene a rulli è un olio minerale non detergente con una viscosità compresa tra SAE 20 e SAE 50 a seconda della temperatura ambiente. Il grasso dovrebbe generalmente essere evitato per la lubrificazione in servizio perché non penetra in modo efficace nel gioco del perno-boccola; riempie lo spazio tra le piastre esterne e quelle interne ma lascia le superfici critiche di usura non sufficientemente protette.

Misurare l'usura e sapere quando sostituire una catena a rulli

Una catena a rulli deve essere sostituita prima che si sia allungata di oltre il 3% della sua lunghezza nominale, o del 2% per trasmissioni di precisione e applicazioni in cui la geometria dei denti del pignone è fondamentale. Aspettare che la catena sia visibilmente allentata o che i denti saltino sul pignone rischiano un'usura accelerata del pignone, guasti improvvisi sotto carico e potenziali danni ai macchinari collegati. Il metodo più affidabile per misurare l'usura della catena sul campo consiste nell'utilizzare uno strumento indicatore di usura della catena dedicato, che applica un carico fisso a un tratto misurato della catena e legge direttamente l'allungamento. In assenza di uno strumento adeguato, una riga in acciaio può misurare 12 passi di catena: una catena nuova che misura esattamente la sua lunghezza nominale di 12 passi non è usurata, mentre una catena che misura lo 0,5% o più sopra questo riferimento ha iniziato ad accumulare un'usura significativa.

Quando si sostituisce una catena usurata, è essenziale ispezionare contemporaneamente anche i pignoni accoppiati. Un pignone che ha funzionato con una catena allungata sviluppa un caratteristico profilo dei denti ad uncino o a pinna di squalo poiché la catena scorre più in alto sui denti durante l'innesto. L'installazione di una nuova catena su pignoni usurati trasferirà rapidamente l'usura sulla nuova catena e ne ridurrà sostanzialmente la durata. Come linea guida generale, i pignoni dovrebbero essere sostituiti ogni due o tre sostituzioni della catena a seconda dell'applicazione, del materiale e delle condizioni operative. I pignoni in acciaio temprato, in particolare quelli con fianchi dei denti temprati a induzione, superano significativamente le versioni in acciaio dolce nelle trasmissioni più impegnative.

Varianti speciali di catene a rulli per ambienti difficili

Le catene a rulli standard in acciaio al carbonio sono adatte per la maggior parte delle applicazioni industriali generali, ma ambienti operativi specifici richiedono varianti di catena progettate per tali condizioni. Le catene a rulli in acciaio inossidabile resistono alla corrosione nella lavorazione alimentare, nella produzione farmaceutica e negli ambienti marini dove il contatto con acqua, prodotti chimici detergenti o umidità elevata corroderebbe rapidamente le catene standard. Le catene nichelate offrono una protezione intermedia dalla corrosione a un costo inferiore rispetto alla struttura interamente in acciaio inossidabile e rappresentano una scelta pratica per ambienti interni moderatamente corrosivi.

Le applicazioni ad alta temperatura, come catene di trasporto che attraversano forni, tunnel di stagionatura o ambienti di fonderia, richiedono catene realizzate con leghe resistenti al calore con lubrificanti a film solido o boccole porose sinterizzate impregnate di grasso per alte temperature, poiché gli oli convenzionali carbonizzano e perdono viscosità a temperature elevate. Le catene autolubrificanti che utilizzano boccole in metallo sinterizzato o componenti polimerici sono progettate per applicazioni in cui la lubrificazione esterna non è praticabile, riducendo la frequenza di manutenzione e mantenendo una durata di servizio accettabile con carichi da leggeri a moderati. Selezionare la variante di catena giusta per l'ambiente è importante quanto selezionare il giusto coefficiente di carico: una catena standard installata nell'ambiente sbagliato fallirà indipendentemente dall'attenzione con cui viene dimensionata.