Experimental investigation on skidding in rolling element bearings

Skidding of rolling element bearings (REBs) is a primary failure mechanism affecting rotating machinery in worldwide industry. It consists in the slippage of the rolling elements, replacing the pure rolling state given by the REB kinematics. It can be potentially provoked by unfavourable operating conditions, including excessive rotational speed, improper lubrication and sub-optimal bearing design. Bearing skidding causes surface smearing on the raceways, and eventually pit formation that, growing in size, can dangerously increase the failure rate of the machine, leading to onerous downtimes. The scope of this work is to experimentally investigate the skidding phenomenon occurring on a REB, and to assess its potential damages provoked, both by qualitative analyses on the datasets collected during the measurement campaigns, and by monitoring the real-time behavior of major skidding indexes, namely the REB temperature and the torque generated by an electric motor, required to simulate the skidding itself. Additionally, the REB defect frequency have been investigated in order to assess the location of the detected defects. Finally, attention has been devoted to develop meaningful relationships among the observed trends of temperature and torque with the progressive degradation of lubricant film, expected by REB skidding, both at machine startup and during long lasting tests. In this scenario, the effect of lubricant had been also taken into account by investigating how changes in its physical properties (mainly the dynamic viscosity) could affect the REB thermal as well as dynamic response to skidding. The progressive degradation of the tested REBs was monitored by basic statistical indexes, namely signal RMS and kurtosis, other than by selected degradation indexes.

Lo skidding in cuscinetti a rulli cilindrici consiste in uno slittamento degli elementi volventi, e rappresenta una delle principali cause di cedimento di macchine rotanti a livello industriale. Questo può essere causato da condizioni operative sfavorevoli al cuscinetto, come ad esempio l’eccessiva velocità di rotazione, una lubrificazione condotta in maniera impropria e un design del cuscinetto non ottimale. Il fenomeno dello skidding provoca sul cuscinetto dello smearing, ossia strisciamento tra gli elementi volventi e le piste, andando a causare la formazione di pit, i quali possono portare ad accelerare i tempi per il fermo macchina. Lo scopo di questo lavoro di tesi è di investigare sperimentalmente il fenomeno dello skidding nei cuscinetti, oltre a decretare possibili danneggiamenti provocati dallo stesso. Ciò è stato eseguito sia tramite analisi qualitative condotte sui dati acquisiti durante le campagne di misurazione, sia monitorando il comportamento istantaneo di alcuni indici che possono essere considerati degli indicatori dello skidding; questi sono la temperatura registrata sul cuscinetto e la coppia applicata da un motore elettrico per realizzare l’azione frenante. Inoltre, sono state definite e analizzate le frequenze caratteristiche del cus cinetto, in modo da poter valutare la posizione dei possibili difetti identificati. Infine, si sono tratte conclusioni in merito all’influenza della degradazione del film di lubrificante, causata dallo skidding, sulla temperatura raggiunta dal cuscinetto e sulla coppia applicata, entrambe sia in fase di accensione che durante le acquisizioni. In questo contesto, sono anche stati studiati gli effetti del cambio di viscosità del lubrificante sulla risposta termica e dinamica del cuscinetto a skidding. Il degrado progressivo dei cuscinetti è stato monitorato da indici statistici quali l’RMS e la kurtosis del segnale misurato, oltre che da specifici indicatori di danneggiamento.