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ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS II AT-102 Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira Dr. Alan Sulato de Andrade [email protected]
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ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS II
AT-102
Universidade Federal do Paraná
Curso de Engenharia Industrial Madeireira
Dr. Alan Sulato de Andrade
MANCAIS DE ROLAMENTOS
E DESLIZAMENTO
ROLAMENTOS
INTRODUÇÃO:
A primeira utilidade de um "rolamento" que poderia nos vir à cabeça seria servir como elemento auxiliar no transporte (até por causa dos carrinhos de "rolimã" da infância). E nisso os "rolamentos" são bem antigos.
Alguns historiadores situam o início do seu uso por volta do ano 4.000 A.C., ajudando os Scandinavos a deslizar com seus trenós. Outros historiadores preferem apontar o seu início por volta de 3.500 A.C., quando os Sumérios utilizaram um cubo de roda construído em madeira montado sobre um eixo também de madeira, conforme uma ilustração de uma biga usada por este povo.
ROLAMENTOS
INTRODUÇÃO:
Já os egípcios apresentam diversas provas do seu uso datada de cerca de 1.800 A.C., que mostra um egípcio na ponta da pedra entornando um lubrificante no chão. Essa ilustração é freqüentemente referida como a mais antiga figura de um "engenho de lubrificação" trabalhando.
Nas civilizações clássicas, Grécia e Roma, temos grandes aplicações de "elementos rolantes". Porém é na civilização Romana onde os mais espetaculares desenvolvimentos são encontrados.
Com a revolução industrial, houve um grande avanço sobre o desenvolvimento deste elemento.
ROLAMENTOS
INTRODUÇÃO:
Rolamentos são normalmente elementos metálicos que
apresentam forma cilíndrica compostos por vários sub-
elementos. São vazados em sua parte central visando
o acoplamento em um eixo. Possuem principalmente a
função de sustentar (apoio) um sistema de transmissão
de torque suportando muitas vezes esforços simples
ou combinados.
ROLAMENTOS
INTRODUÇÃO:
Funcionamento esquemático de um rolamento
Eixo Rolamento
Apoio
Restringe alguns movimentos.
ROLAMENTOS
INTRODUÇÃO:
Este elemento apresenta uma grande variedade de
tamanhos, conseqüentemente pode ser utilizados em
diversos campos de aplicação na área industrial.
ROLAMENTOS
INTRODUÇÃO:
Rolamentos de pequenas dimensões
ROLAMENTOS
INTRODUÇÃO:
Rolamentos e mancais de tamanho comum
ROLAMENTOS
INTRODUÇÃO:
Rolamento de grande dimensão
ROLAMENTOS
INTRODUÇÃO:
Sistemas que utilizam rolamentos
ROLAMENTOS
CONSTITUIÇÃO:
Os rolamentos também denominados mancais de
rolamento são em geral, constituídos por alguns sub-
elementos:
Anéis,
Interno,
Externo.
Corpos rolantes,
Gaiola ou separador.
ROLAMENTOS
CONSTITUIÇÃO:
Anel interno
Anel externo
Corpos rolantes
Gaiola
ROLAMENTOS
CONSTITUIÇÃO:
ROLAMENTOS
CONSTITUIÇÃO:
Os elementos girantes possuem as formas:
Cilíndricos Cônicos Esferas
ROLAMENTOS
CLASSIFICAÇÃO:
Estes elementos são classificados principalmente segundo a direção de carga a ser suportada:
Radial
Axial
Combinada
Análise em relação ao eixo
Fr
Fa
Eixo
Mancal ou Rolamento
ROLAMENTOS
CLASSIFICAÇÃO:
Radial
Axial
Fr
Fa
Fr
Fa
Combinada
ROLAMENTOS
CLASSIFICAÇÃO:
Radial
Axial
Eixo
Eixo
ROLAMENTOS
CLASSIFICAÇÃO:
ROLAMENTOS
CLASSIFICAÇÃO:
ROLAMENTOS
CLASSIFICAÇÃO:
Rolamentos abertos, selados e blindados
Considerações em relação:
confiabilidade, manutenção e condições de uso
ROLAMENTOS
TIPOS:
ROLAMENTOS
TIPOS:
ROLAMENTOS
TIPOS:
ROLAMENTOS
UTILIZAÇÃO:
Rolamentos de carreira simples composto por
elementos girantes esféricos. Exemplos de aplicações:
Motores elétricos, alternadores, ventilação industrial,
compressores, bombas de aquecimento, secadoras,
instalações frigoríficas, foto-copiadoras, carregadores
de acumuladores, máquinas têxteis, compressores de
esteiras mecânicas, motores elétricos e aparelhos
eletrodomésticos.
ROLAMENTOS
UTILIZAÇÃO:
Rolamentos composto por elementos girantes cônicos.
Útil para aplicações em cargas combinadas. Exemplos
de aplicações: Eixos de redutores, mudança de
transmissão com pinhão cônico, bombas,
compressores, indústrias papeleiras.
ROLAMENTOS
UTILIZAÇÃO:
Rolamentos com carreira dupla e elementos girantes
do tipo esférico. Tipo contato radial e de contato
angular. Substituem rolamentos com carreira simples
visando suportar maiores cargas radiais e cargas
axiais nos dois sentidos. Exemplos de aplicações:
Motores elétricos, aparelhos eletrodomésticos, hastes
de máquinas para madeira, redutores, material
agrícola.
ROLAMENTOS
UTILIZAÇÃO:
Rolamentos de esferas com contato angular (oblíquo).
As pistas dos anéis internos e externos dos
rolamentos com uma carreira de esferas de contato
radial são desnivelados um em relação ao outro.
Adaptado para aplicações onde se combinam cargas
radiais e axiais. Exemplos de aplicações: Caixa de
redutores, hastes de máquinas-ferramenta
ROLAMENTOS
UTILIZAÇÃO:
Rolamentos axiais composto por elementos girantes
esféricos, cônicos ou cilindricos. Suportam cargas
axiais muito elevadas e são pouco sensíveis aos
choques. As cargas radiais devem por sua vez ser
moderadas. Exemplos de aplicações: Eixos verticais
pesados, turbo alternadores, pivôs de gruas, parafusos
de injeção de plástico, contra-pontas, bombas de
platô.
ROLAMENTOS
UTILIZAÇÃO:
Rolamentos composto por elementos girantes
cilíndricos. Aplicado onde as cargas radiais são
elevadas e as velocidades de rotação altas. As cargas
axiais aplicadas a estes rolamentos devem
permanecer pequenas. Exemplos de aplicações:
Motores elétricos pesados, caixas de eixos de vagões,
vagonetas de pressão, cilindros de laminadores.
ROLAMENTOS
UTILIZAÇÃO:
Rolamentos autocompensadores composto por
elementos girantes cilindricos. Suportam cargas
radiais muito grandes, cargas axiais moderadas.
Exemplos de aplicações: Peneiras, trituradores,
moedores, gaiola de laminador, pesados redutores,
pesados ventiladores industriais, cilindros de máquinas
impressoras, máquinas de pedreiras.
ROLAMENTOS
UTILIZAÇÃO:
Rolamentos autocompensadores composto por
elementos girantes cônicos. Suportam cargas radiais e
axiais muito grandes. Exemplos de aplicações:
equipamentos pesados.
ROLAMENTOS
UTILIZAÇÃO:
Rolamentos autocompensadores de esferas. Dotados
de 2 fileiras de esferas e uma pista esférica sobre o
anel externo. Exemplos de aplicações: Eixos longos e
flexíveis, aplicações Industriais padrão, química,
agricultura.
ROLAMENTOS
UTILIZAÇÃO:
Rolamentos combinado. Dotados de dois tipos de
elementos girantes. Suporte simultaneamente grandes
cargas radiais e axiais.
ROLAMENTOS
IDENTIFICAÇÃO DO PRODUTO:
Para a substituição do elemento, deve-se atentar para as seguintes características:
Fabricante,
Tipo de Rolamento,
Diâmetro do Furo,
Diâmetro Externo,
Largura.
RPM
Tipo de Lubrificação
ROLAMENTOS
NÚMERO DE IDENTIFICAÇÃO DO PRODUTO:
Série dimensional:
Símbolo do Furo
Símbolo do Diâmetro Externo
Símbolo da Largura
Símbolo do Tipo de Rolamento
X X X XX
1-9=De 1 a até 9mm
00,01,02 e 03=10, 12, 15 e 17mm
04-96=Número vezes 5 (20-480mm)
/500 ou /D=Ígual ao diâmetro em mm
ROLAMENTOS
NÚMERO DE IDENTIFICAÇÃO DO PRODUTO:
Série dimensional:
Exemplo de identificação de
rolamentos fabricados pela NSK
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Tanto para o dimensionamento quanto para a
seleção de um rolamento, é importante definir
inicialmente o tipo de solicitação ao qual este estará
submetido, podemos verificar duas situações
distintas: carga estática ou dinâmica.
Na carga estática, o rolamento encontra-se parada ou
oscila lentamente (N<10 RPM). Na carga dinâmica, o
rolamento se movimenta com N10 RPM.
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Carga Estática
Quando o rolamento estiver atuando parado ou com
baixas oscilações (N<10 RPM), o dimensionamento é
realizado por meio da capacidade de carga estática
(Co).
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Capacidade de Carga Estática (Co).
É a carga atuante nos elementos rolantes e na pista.
Onde:
Co=Capacidade de carga estática (KN)
fs=Fator de esforços estáticos (Adimensional)
Po=Carga estática equivalente (KN)
00 .PfsC
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Carga Estática Equivalente (Po).
É uma suposta carga resultante, determinada em
função das cargas axial e radial, que atuam
simultaneamente no rolamento.
Quando o rolamento for solicitado por uma carga
radial ou axial isoladamente, esta será a carga
equivalente.
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Carga Estática Equivalente (Po).
Na atuação da simultânea das cargas axial e radial, a
carga equivalente é determinada da seguinte forma:
Onde:
Po=Carga estática equivalente (KN)
Xo=Fator radial (Adimensional)
Yo=Fator axial (Adimensional)
Fr=Carga radial (KN)
Fa=Carga axial (KN)
FaYFrXP .. 000
Ex.: (Rol. de esferas)
X0=0,6
Y0=0,5
Fa/Fr0,8
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Fator de Esforço Estático (fs).
É um coeficiente de segurança que preserva a
ocorrência de deformações plásticas excessivas nos
pontos de contato, entre os corpos rolantes e a pista.
Utiliza-se os seguintes valores:
1,5 fs 2,5 para exigências elevadas,
1,0 fs 1,5 para exigências normais,
0,7 fs 1,0 para exigências reduzidas.
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Carga Dinâmica
Quando o rolamento atuar com movimento N10
RPM, este é dimensionado por meio da capacidade
de carga dinâmica (C).
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Capacidade de Carga Dinâmica (C).
Podemos calcular a capacidade de carga dinâmica utilizando a seguinte relação:
Onde:
C=Capacidade dinâmica equivalente (KN)
fe=Fator de esforços dinâmicos (Adimensional)
fn=Fator de rotação (Adimensional)
P=Carga dinâmica equivalente (KN)
Pfn
feC .
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Fator de esforços dinâmicos (fe)
Este fator está associado a aplicação do equipamento e as condições usuais de carga. A literatura relata diversos valores, estes já tabelados.
Exemplos:
Máquinas leves fe=1 a 2
Máquinas médias fe=2 a 3,5
Máquinas pesadas fe=3,5 a 6
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Fator de rotação (fn)
Este fator está associado a velocidade com o qual o rolamento gira, outra questão é quanto o tipo de elemento.
Exemplos:
Esferas N=50-fn=0,874 N=500-fn=0,405 N=1600-fn=0,275
Rolos N=50-fn=0,885 N=500-fn=0,444 N=1600-fn=0,313
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Capacidade de Carga Dinâmica (C).
A capacidade de carga dinâmica dos diversos tipos de rolamento é encontrada nas tabelas que compõem os catálogos.
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Carga Dinâmica Equivalente (P).
Determina-se a carga dinâmica equivalente quando houver a atuação simultânea de cargas radial e axial no rolamento.
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Carga Dinâmica Equivalente (P).
Esta carga constitui-se de uma suposta carga resultante, sendo definida por meio de:
Onde:
P=Carga dinâmica equivalente (KN)
Fr=Carga radial (KN)
Fa=Carga axial (KN)
x=Fator radial (Adimensional)
y=Fator axial (Adimensional)
FayFrxP ..
Ex.: (Rol. de esferas)
x=0,4
y=0,8
Fa/Fr0,8
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Rolamentos expostos a altas temperaturas.
Nestas situações, torna-se necessário considerar um fator de temperatura (ft). Para se calcular a capacidade de carga dinâmica, utiliza-se:
Onde:
C=Capacidade dinâmica equivalente (KN)
fe=Fator de esforços dinâmicos (Adimensional)
fn=Fator de rotação (Adimensional)
ft=Fator de temperatura (Adimensional)
P=Carga dinâmica equivalente (KN)
Pftfn
feC .
.
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Fator de Temperatura (ft).
Temp. Máx. de Serviço (ºC) 150 200 250 300
Fator de temperatura (Ft) 1,0 0,73 0,42 0,22
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Exemplo de informações sobre rolamentos SKF
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Vida Útil do Rolamento.
A vida útil do rolamento compreende o período no qual ele desempenha corretamente a sua função. A vida útil termina quando ocorre o desgaste causado pela fadiga do material.
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Vida Útil do Rolamento.
Temos que:
Onde:
Lna=Duração até a fadiga (h)
a1=Fator de probabilidade (Adimensional)
a2=Fator de matéria prima (Adimensional)
a3=Fator das condições de serviço (Adimensional)
Lh=Vida nominal do rolamento (h) – Entre 10000 a 100000 horas
LhaaaLna .3.2.1
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Vida Útil do Rolamento.
a1=Fator de probabilidade
Este fator prevê a probabilidade de falhas no material devida à fadiga. Este é regido por leis estatísticas, sendo obtido na seguinte tabela:
Prob. de Falha (%) 1 2 3 4 5 10
Fator a1 1,0 0,62 0,53 0,44 0,33 0,21
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Vida Útil do Rolamento.
a2=Fator de matéria prima
Este fator considera as características da matéria prima e o respectivo tratamento térmico.
Para aços de qualidade:
a2=1
O fator se altera para materiais tratados termicamente:
a2=1,2
ROLAMENTOS
DIMENSIONAMENTO:
Vida Útil do Rolamento.
a3=Fator das condições de serviço
As condições de serviço influenciam diretamente na vida útil do rolamento. A duração é prolongada quando o ambiente de trabalho é limpo, a lubrificação é adequada e a carga atuante não é excessiva. O término da vida útil do rolamento ocorre quando há formação de “pittings” (erosão por cavitação), originada na superfície das pistas.
Condições ideais – a3=1
Condições drásticas – a3=0,6
ROLAMENTOS
FADIGA:
Elementos que normalmente falham:
Fonte: SKF e Yesachei
Consultar: http://www.yesachei.com/2011_01_10_archive.html
Fadiga em partes constituintes de um rolamento
ROLAMENTOS
MANUTENÇÃO:
Lubrificação.
Um filme de óleo muito fino formado entre os corpos rolantes e as pistas de um rolamento em funcionamento, impede o contato metálico direto e possui uma espessura típica de 0,001 mm. Esse filme bastante fino é a diferença entre o sucesso e a catástrofe - sem ele, o rolamento apresentaria falha precoce.
ROLAMENTOS
FABRICANTES:
ROLAMENTOS
EXERCÍCIO 1:
Selecione o rolamento que melhor se adapta as seguintes condições:
Fr=30KN
Eixo
Mancal
RPM=500RPM
ROLAMENTOS
EXERCÍCIO 1:
Rolamentos:
Designação C(KN) C0(KN) De.(mm)
MU214 80 90 125
UM2214 116 146 125
MI314 160 170 125
MU2314 220 260 125
UM414 250 280 125
ROLAMENTOS
EXERCÍCIO 1:
Como se trata de um equipamento de médio porte Fator de esforços dinâmicos fe=3,0
Em função da rotação fn=0,405
Capacidade de carga dinâmica (C)
P=F=30KN
Capacidade de carga dinâmica necessária ao rolamento
C=P.(Fe/Fn)
C=30.(3/0,405)
C=222KN
ROLAMENTOS
EXERCÍCIO 2:
Calcule a vida útil do rolamento selecionado no exercício anterior. Considere uma vida nominal de 30000 horas, probabilidade de falha de 5%, elemento construído com aço temperado e condições de serviço excelentes.
ROLAMENTOS
EXERCÍCIO 3:
Selecione o rolamento mais adequado para ser instalado em um eixo de transmissão.
Fr=25KN
Eixo
Rolamento
RPM=1600RPM
Fa=15KN
ROLAMENTOS
EXERCÍCIO 3:
Verifica-se a necessidade de um rolamento que suporte a ação de esforços axiais e radiais.
Série Relação de carga Carga dinâmica equiv.
F1 Fa/Fr=0,4 P=0,93.Fr+0,69.Fa
F2 Fa/Fr=0,5 P=0,93.Fr+0,45.Fa
F3 Fa/Fr=0,6 P=0,96.Fr+0,33.Fa
F4 Fa/Fr=0,7 P=0,96.Fr+0,22.Fa
ROLAMENTOS
EXERCÍCIO 3:
Como se trata de um equipamento de médio porte
Fator de esforços dinâmicos fe=3,0
Em função da rotação fn=0,405
Capacidade de carga dinâmica (C)
P=0,96.Fr+0,33.Fa
Capacidade de carga dinâmica necessária ao
rolamento
C=P.(Fe/Fn)
ROLAMENTOS
EXERCÍCIO 3:
Rolamentos de rolos cilíndricos:
Designação C(KN) C0(KN) De.(mm)
F3-MU100 50 100 150
F3-MU150 100 150 150
F3-MU200 150 200 150
F3-MU250 200 250 150
F3-MU300 250 300 150
ROLAMENTOS
EXERCÍCIO 4:
Calcule a vida útil do rolamento selecionado no exercício anterior. Considere uma vida nominal de 50000 horas, probabilidade de falha de 10%, elemento construído com aço comum e condições de serviço deficientes.
ROLAMENTOS
EXERCÍCIO 5:
Selecione o rolamento mais adequado para ser instalado em um sistema de preparação de cola.
Fr=5KN Eixo
Pás
Rolamento
De=150mm
RPM=600RPM
Utilize as tabelas anteriores
Fa=20KN
ROLAMENTOS
EXERCÍCIO 5:
Selecione o rolamento mais adequado para ser instalado em um sistema de transmissão de potência.
FN1
12KN
FN2
8KN
Fator de esforços dinâmicos fe=3,0
N=1200RPM
