Aula Mancais de Deslizamento

7/25/2019 Aula Mancais de Deslizamento

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FACULDADE CENTRO LESTE www.ucl.br

Julio [email protected]

1

ELEMENTOS DE

MÁQUINAS

Mancais de Deslizamento

25 de novembro de 2013

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Os mancais de deslizamento são constituídos de um mancal em forma de buchafixada num suporte sobre o qual gira o eixo. A superfície de deslizamento do eixodeverá ficar separada da superfície do mancal por meio de uma camada coesa delubrificante. Neste processo concorrem: a superfície de rolamento do eixo, asuperfície de rolamento do mancal e o lubrificante.

Elementos de Máquinas


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FUNCIONAMENTOO Eixo desenvolve um movimento giratório, apoiado em um casquilho de forma circular,separado dele por uma película de lubrificante. Um dos objetivos no cálculo dos mancais dedeslizamento é o de assegurar a espessura mínima do filme de lubrificante h0.

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CAIXA INTEIRIÇA

CAIXA BI-PARTIDA



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Lubrificação de contato

A superfície de contato écontínua e extensiva. Existeo contato metal-metal. Olubrificante não conseguecriar um filme protetor comespessura suficiente.

Lubrificação de filmemisto

Os picos da superfície ficamem contato de formaintermitente e ocorre umapoio parcialmentehidrodinâmico.

LubrificaçãoHidrodinâmica

As superfícies sãocompletamente separadaspelo filme de lubrificante. Acarga é totalmente suportadapela pressão do fluido geradapelo movimento relativo dassuperfícies. As perdas poratrito são devidas apenas aocontato com o filme delubrificante.

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MECANISMO DA LUBRIFICAÇÃO DO MANCAL DE DESLIZAMENTO

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VISCOSIDADEÉ uma propriedade dos lubrificantes, de extrema importância no estudo do atrito fluido. Consideremos umelemento de um fluido no qual ocorre o movimento relativo entre duas placas e a película formada por estefluido composta por uma série de camadas horizontais. A força F atuando na placa superior fará com queestas camadas se deslizem umas sobre as outras. As camadas em contato com a placa superiorassumirão a velocidade U. As camadas em contato com a placa inferior terão velocidade igual a zero. As

camadas intermediárias assumirão velocidade u, que dependerão das distâncias y, da placa inferior.

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VISCOSIDADE A lei de Newton para fluidos viscosos estabelece que a tensão de cisalhamento no fluido é proporcional ataxa de variação da velocidade com respeito a y. É a medida da resistência de atrito interno do fluido.

hU

dydu

AF

Onde:

η = Viscosidade dinâmica do meio lubrificante [N.s/mm2]

du/dy = taxa de variação (ou gradiente) de velocidade com a distância

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COEFICIENTE DE SOMMERFELD

2m

0

pS

Onde:

S0 = Coeficiente de Sommerfeld [adimensional]

pm = Pressão superficial média [N/mm2]

φ = Folga relativa do mancal [adimensional]


ω = Velocidade angular [rad/s]

É um parâmetro adimensional que reúne as características geométricas e operacionais do mancal.

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ESPESSURA MÍNIMA DO FILME DE LUBRIFICANTE (h0):

m

1

0 p

C

h

Onde:

S0 = Coeficiente de Sommerfeld [adimensional]

h0 = Camada mínima de lubrificante admissível [mm]

pm = Pressão superficial média [N/mm2]φ = Folga relativa do mancal [adimensional]


ω = Velocidade angular [rad/s]

C1 = Coeficiente relativo à largura e diâmetro do mancal [adimensional]

Espessura da camada de lubrificante no ponto mais estreito (h0). Valor de h0 mínimo igual à rugosidademédia das superfícies de contato, que pode variar de 2 a 10 μm. Considerar h0 mínimo 5 μm.

0

1

0 S

C

h

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COEFICIENTE DE ATRITO (μ):

r 2 hC

Onde:

μ = Coeficiente de atrito [adimensional]

hr = Espessura relativa da folga (jogo relativo) [adimensional]

φ = Folga relativa do mancal [adimensional]C2 = Coeficiente relativo à largura e diâmetro do mancal [adimensional]

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ESPESSURA RELATIVA DA FOLGA (JOGO RELATIVO) (hr ):

r

h

r R

hh 0r

Onde:

hr = Espessura relativa da folga (jogo relativo) [adimensional]

h0 = Espessura do filme de lubrificante no ponto mais estreito [adimensional]

φ = Folga relativa do mancal [adimensional]h = Espessura da película de lubrificante [mm]

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PRESSÃO NO FILME DE LUBRIFICANTE:

Ao passar pelo orifício de entrada, olubrificante é carregado até a zona deestreitamento do arraste, onde a pressãoatuante atinge o ponto máximo.

Ao ultrapassar o ponto mais estreito (h0), apressão do lubrificante volta a ser nula.

Não se recomenda colocar uma ranhuralongitudinal na região de pressão dasuperfície do mancal, pois interromperia aformação da cunha de óleo, diminuindo acapacidade de carga do mancal.

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ESPESSURA DO FILME DE LUBRIFICANTE (h):

h = 0,01 mm a 0,08 mm ou Ra < h < 10Ra

Recomenda-se: 1,5 a 4 Ra

2m

2e RaRaRa

Onde:

Ra = Rugosidade do conjunto eixo-bucha [μm]Rae = Rugosidade do eixo [μm]

Ram = Rugosidade do mancal [μm]

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FOLGA DO MANCAL (φ):

d

dD

r

r R

Onde:

R = Raio do mancal [mm]

r = Raio do eixo [mm]

φ = Folga relativa do mancal [adimensional]

d = Diâmetro do eixo [mm]

D = Diâmetro do mancal [mm]

Valores recomendados para φ em 10-3:

φ - Independe do material, porém, devido aos diferentes valores decoeficientes de dilatação linear dos material, recomenda-se:

Metal branco 0,5 ≤ φ ≤ 1,0

Bronze ao chumbo 1,0 ≤ φ ≤ 1,5

Liga de Alumínio 2,0 ≤ φ ≤ 3,0

Fe sinterizado 1,0 ≤ φ ≤ 2,0Material plástico 3,0 ≤ φ ≤ 4,0

Materiais Freqüência

Baixa Média Alta

Pm média

Pm elevada

0,7 a 1,2

0,3 a 0,6

1,4 a 2,0

0,8 a 1,4

2,0 a 3,0

1,5 a 2,5

Bronze ao chumboBronze ao estanho

Fe sinterizado

Liga de zinco

Materiais prensados

Metal braco

0,0 a 1,5≥1,7

2,0

1,5

≥4,5

0,5 a 1,0

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DIMENSIONAMENTO DO MANCAL:

bd

Fpm

Onde:

pm = Pressão superficial média [N/mm2]

F = Força atuante [N]

d = Diâmetro do eixo-árvore [mm]

b = Largura do mancal [mm]

Valores recomendados:

b = 0,5 x d a 1,0 x d, para os casos que não

constarem na tabela.Para casos gerais:

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MATERIAIS:

Características principais:

Res is tênc ia Mecân ic a e à Fad ig a

O mancal de deslizamento é submetido a elevadas pressões hidrodinâmicas que

podem causar trincas ou ruptura no mancal. Por essa razão, recomenda-se que omancal seja fabricado com material de lata resistência à fadiga.

Coef ic iente de atr i to

Os valores dos coeficientes de atrito a serem utilizados devem ser os mais baixospossíveis, visando facilitar o movimento de partida.

Compat ib i l idade

O atrito seco na partida pode provocar riscos (arranhões) nas superfícies de contato,devido à rugosidade do eixo e do mancal. Para reduzir o atrito recomenda-se utilizarrugosidades mais baixas possíveis.

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MATERIAIS:


Incrustabi l idade

É a capcidade de “absorver as impurezas, evitando riscamento e desgaste.

Condu tiv id ade térm ica

O atrito gerado no mancal deve ser dissipado em forma de calor para o meio ambiente.Materiais bons condutores de calor consegue-se manter a temperatura da película delubrificante, baixa, aumentando a resistência mecânica e à fadiga.

Res is tênc ia à Corrosão

Os componentes oxidantes dos lubrificantes atacam as ligas de cobre, cádmio, zinco echumbo. As ligas de Babbitt não são afetadas por óleos oxidados.

Retenção de lu b ri fican te

Para evitar o atrito seco na partida, é necessário garantir um mínimo de lubrificante.

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MATERIAIS:


Conformabi l idade

Denomina-se conformabilidade a característica do material em compensar o

desalinhamento ou algum outro erro geométrico. Os materiais com baixo módulo deelasticidade têm boa conformabilidade.

Usinabi l idade

A usinagem deve ser realizada por meio de processos convencionais sem utilizaroperações complexas.

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MATERIAIS:Características principais:

1) Metais à bas e de chum bo (Pb) e

estanho (Sn) (DIN 1703)

2) Bron ze de chumbo fun dido e

bron ze de chumbo e estanhofundid o (DIN 1716)

Cu (cobre) 60%

Pb (chumbo) ou Sn (estanho) até 10%

Ni (níquel) ate 2,5%

Zn (zinco0 até 3,0%.

Babbitt, Metal Patente ou Metal branco, é uma liga nãoferrosa branca, mole, utilizada para proporcionar umasuperfície de apoio. Ele tem propriedades que ajudam areduzir o atrito que o torna um bom material para usar em ummancais de deslizamento.O “Babbitt foi criado por Isaac Babbitt, nascido em 26 de julhode 1799 em Taunton, Massachusetts. A fórmula original parao metal Babbitt era 89,3% de estanho, 7,1% de antimônio,e3,6% de cobre, fórmula que ainda é comercializada hoje poralguns fabricantes como ASTM B-23 Grau 2 Babbitt ou como"Babbitt genuíno".Enquanto de metal Babbitt é macio e pode ser facilmentedanificado quando tratado inadequadamente, parecendo àprimeira vista um candidato improvável para uma superfície

de apoio, a sua aparência é enganadora. A estrutura da liga éconstituída por pequenos cristais duros dispersos em umamatriz de liga mais suave. À medida que o rolamento gastaos cristais duros são expostos e isso fornece uma passagempara o lubrificante entre os pontos mais altos queproporcionam a superfície de apoio.

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MATERIAIS:

l b

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Bron ze de Estanho

Composição: Cu (cobre) e Sn (estanho) desoxidados com P (fósforo) DIN 1705

Em mancais, utilizam-se ligas plásticas de Cu (cobre), bronze de Sn (estanho) DIN 17662

Bronze vermelho Rg 7 GZ-Rg 7 DIN 1705

Composição: Cu (cobre) e Sn (estanho) ultrapassa 90%, sendo indicado para mancais comsolicitação média ou elevada.

Li gas de A lumínio

São indicadas na construção de motores e resistem a solicitações elevadas.

Metal Sinterizado

Pó de metal prensado sob altíssima pressão.Composição: Bronze ou Ferro com 2 a 5% de Pb (chumbo);Pode-se adicionar 5% grafite.Os mancais de Fe possuem a mesma qualidade dos mancais de bronze.

Após a sinterização, mergulha-se a peça em óleo.

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Nylon

Empregado em aplicações nas quais a lubrificação é problemática (de difícilacesso) e o carregamento é reduzido.

Teflon (PTFE)

Pose ser utilizado isoladamente ou combinado a outros materiais, tais como:Cobre- Para melhorar a condutividade térmica.Fibra de vidro- Para aumentar a resistência Mecânica.Diss ulf eto de Molib dênio - Como lubrificante.

Os materiais de metal e polímero à base de PFTE oferecem um

excelente desempenho de baixo atrito e alta resistência adesgaste numa ampla gama de cargas, velocidades etemperatura, com ou sem lubrificação externa. Esses materiaissão amplamente utilizados em diversas aplicações industriais eautomotivas.


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MATERIAIS:Os materiais de metal e polímero à base de PFTE oferecem um excelentedesempenho de baixo atrito e alta resistência a desgaste numa amplagama de cargas, velocidades e temperatura, com ou sem lubrificaçãoexterna. Esses materiais são amplamente utilizados em diversasaplicações industriais e automotivas.

Materiais Termoplásticos processados através de moldagem por injeção.Os materiais compósitos geralmente consistem em um suporte de epóxienrolado em filamento e impregnado de fibra de vidro, com diversos forrosde mancal de baixo atrito e resistentes a desgaste. A natureza inerte dosmateriais compósitos torna esses produtos ideais para ambientescorrosivos, tais como água marinha e ambientes ácidos. Possuemcaracterísticas ecológicas e foram desenvolvidos para aplicações em

usinas hidrelétricas, possuindo alta capacidade de carga, excelenteresistência a choque e a cargas sobre as arestas, ótima resistência contracorrosão e estabilidade dimensional. Esses produtos estão disponíveis emforma de buchas, placas, segmentos de mancal e formatos especiais,dependendo do tipo do material.


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MATERIAIS:

Quando temos as vazões do óleo lubrificante:


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CARACTERÍSTICAS DO BRONZE:

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Relação b/d:


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Relação b/d:

Ou μ pode ser obtido do gráfico, em função dehr e b/d


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Temperatura do filme de lubrificante (tf ):

A potência perdida no atrito (Pat) é transformado em calor. A dissipação do calor será feitapor condução, transferido do mancal para a carcaça, e desta para o meio ambiente. Emalguns casos, uma parte deste calor será transferido para o óleo lubrificante, que fará atroca deste calor em um sistema de resfriamento por ar ou por água, antes de retornar parao mancal.

óleoar ddat QQP

s

mm.N

af d ttbdQar

s

mm.N

Potência perdida no atrito- no equilíbrio térmico

Quantidade de calor dissipada pela carcaça/ segundo

Onde:

α= Coeficiente de difusidade térmica [N/mm.°C]


b = largura do mancal [mm]

tf = Temperatura do filme lubrificante [°C]

ta = Temperatura do ar ambiente [°C]


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Calor dissipado pelo óleo lubrificante

esd ttQQóleo

s

mm.N

a

esatf t

bd

ttQPt

C

Quantidade de calor dissipada pelo óleo/ segundo

Lubrificação forçada Onde:β = Coeficiente térmico do lubrificante [N/mm.°C]

Qdóleo = Vazão de lubrificante [mm3/s]

te = Temp. do óleo na entrada do mancal [°C]

ts= Temp. do óleo na saída do mancal [°C]


Expressão válida quando conhecemos o valor de Q (vazão).

Nos casos onde o resfriamento é feito somente pelo mancal => Qdóleo = 0;

Nos casos onde o resfriamento é feito somente pelo óleo => Qdar = 0.


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Temperatura do filme de lubrificante (tf )

aat

f tbd

Pt

C

Mancais lubrificados pelo Ar (Lubrificação por anel de óleo ou graxa):

Onde:

α= Coeficiente de difusibilidade [N/mm.s.°C]


b = largura do mancal [mm]tf = Temperatura do filme lubrificante [°C]


Pat = Potência perdida por atrito [W]Coeficiente de difusibilidade térmica (α)


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Vazão de lubrificante (Q)

2,19

nbdQ

2

s/mm3

Vazão necessária para manter as temperaturas do óleo lubrificante dentro dos limitesaceitáveis:

Onde:


b = largura do mancal [mm]μ = Coeficiente de atrito [adimensional]

n = número de rotações por minuto [rpm]

θ = coeficiente característico de aquecimento

ts = 90 a 110°C

te = 35 a 55°C


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Vazão de lubrificante (Q)Viscosidade Dinâmica do Lubrificante (Z):


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Excentricidade relativa

e

É a relação entre a excentricidade (e)e a folga radial (Δ)

'00e

2dD


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MANCAIS AXIAIS:


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MANCAIS AXIAIS EM SEGMENTOS:

O disco rotativo do mancal (a) em movimentorelativo à superfície fixa da cunha (b). O óleopenetra em (c) e fica estrangulado em (h0)(espessura do filme lubrificante no pontomais estreito). A pressão da camada de óleo

(pmáx), se desenvolve antes da região maisestreita (h0). A força de reação de cadasegmento (F1) atua à uma distância (x) doponto mais estreito.

Valores recomendados:

t = 0,5 a 1,2 x h0;

L/b’ =1;

x = 0,42 x L


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J li R d



MANCAIS RADIAIS COM SISTEMA DE ELEVAÇÃO HIDROSTÁTICO (JACKING SYSTEM):Em equipamentos de grandes dimensões, por exemplo, turbinas a vapor, geradores, etc,devido ao peso dos respectivos eixos, é necessária a utilização de um sistema hidráulico,com bomba hidrostática de óleo, para fazer a elevação do eixo, afastando-o da superfíciedo mancal, para minimizar o atrito seco que ocorre na partida, reduzindo o desgaste. Estesistema também pode ser utilizado em equipamentos que, por característica defuncionamento, fazem várias partidas em curtos espaços de tempo.

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