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Fatec Garça

CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

IVAN AUGUSTO DE ROSSI

SÉRGIO AUGUSTO MARASSI

UTILIZAÇÃO DE MANCAIS DE DESLIZAMENTO E ROLAMENTO

GARÇA 2013

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Fatec Garça

CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

IVAN AUGUSTO DE ROSSI

SÉRGIO AUGUSTO MARASSI

UTILIZAÇÃO DE MANCAIS DE DESLIZAMENTO E ROLAMENTO

Artigo Cientifico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito para a conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores

Data da aprovação: 24 / 06 / 2013

_________________________________ Prof. Edson Mancuzo

FATEC Garça

_________________________________ Prof. Paulo Sérgio Castro

FATEC Garça

_________________________________ Prof. Yuji Yamamoto

FATEC Garça

GARÇA 2013

UTILIZAÇÃO DE MANCAIS DE DESLIZAMENTO E ROLAMENTO

Ivan Augusto de Rossi1

ivanaugusto1@gmail.com

Sérgio Augusto Marassi

sergiomarassi@hotmail.com

Edson Mancuzo2

e_mancuzo@uol.com.br

Abstract-With this work we intend to present the process of building prototypes in the

preparation of AAPs (Autonomic Activities Project) course Mechatronics Industrial, and their construction facilitates the learning of certain content by linking the theoretical with the practical. In this particular case, a detailed study of the improvements made since the beginning of the work in the first half of the course so far and among the improvements that have been made in the prototype, will be highlighted in particular the use of plain bearings and then replacing by roller bearings, relating the advantages for each type of application. Keywords: Prototypes. Slip. Bearing.

Resumo-Com este trabalho pretendemos apresentar o processo de construção de protótipos na elaboração das AAPs (Atividades Autônomas de Projeto) do curso de Mecatrônica Industrial, sendo que a construção dos mesmos facilita o aprendizado de determinado conteúdo por relacionar a parte teórica com a prática. Neste caso em especial, será realizado um estudo das melhorias apresentadas desde o início dos trabalhos no primeiro semestre do curso até o presente momento e entre as melhorias que foram realizadas no protótipo, será destacada em especial a utilização de mancais de deslizamento e posteriormente a substituição por mancais de rolamento, relacionando as vantagens para cada tipo de aplicação. Palavras-chave: Protótipos. Deslizamento. Rolamento.

1 INTRODUÇÃO

Os trabalhos de Atividades Autônomas de Projeto (AAP), elaborados durante

os semestres letivos e apresentados ao final dos mesmos, seguindo as normas

regulamentares do curso de Mecatrônica Industrial da Faculdade de Tecnologia de

São Paulo, sugerem a construção de protótipos para facilitar o entendimento do

assunto pesquisado. Com este trabalho pretende-se apresentar as melhorias

1 Alunos do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial da Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC. 2 Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça - FATEC

realizadas por meio de protótipo e incentivar a construção dos mesmos pelos alunos

que iniciam o curso de Mecatrônica Industrial, na Faculdade de Tecnologia de Garça.

Após a formação da equipe e conhecimento do projeto pedagógico do curso,

foi definida a criação de um protótipo que seria a base de desenvolvimento de todas

as AAP até o final do curso, podendo no último semestre integrar-se com outros

protótipos, pois na indústria esta integração existe em forma de células de fabricação

ou manufatura.

O protótipo foi construído em estrutura de alumínio, conforme figura 1, é

composto por duas esteiras de material sintético, dois motores Bosch modelo CHP 9

390 453 009, uma fonte de alimentação de 12V, três sensores, sendo dois digitais e

um analógico e um CLP (Controlador Lógico Programável) para fazer todo o controle

do sistema projetado.

O funcionamento do protótipo se dá da seguinte forma: uma peça de altura H1

é depositada na esteira 1, que se encontra em movimento, e passa sob o sensor S1.

O mesmo fará a leitura de sua altura e enviará o sinal para ser processado no CLP,

que após realizar o processamento deverá indicar para que lado a esteira 2 deva

movimentar-se para depositar a peça, conforme figura 1.

Figura 1 – Protótipo

Fonte: Os autores.

2 DESENVOLVIMENTO

O movimento dos elementos ou peças de uma máquina exige superfícies de

apoio, sendo que algumas possuem facilidade na lubrificação, outras com certa

dificuldade para realizar esta lubrificação e ainda há aquelas que não recebem

qualquer lubrificação. Muitas vezes quando a carga é pequena e a velocidade é baixa,

o engenheiro limita-se a inserir um furo para lubrificação ou outro dispositivo simples

e a responsabilidade pela lubrificação fica a cargo do operador da máquina. Quando

a velocidade e a carga aumentam, a lubrificação seja por óleo, por ar ou outro fluido,

deve ser projetado para atender as condições de trabalho, caso contrário o sistema

poderia fundir-se.

Mancais são elementos de máquinas que permitem o movimento relativo entre dois componentes, enquanto transmitem forças de um componente para outro sem permitirem movimento na direção da aplicação das cargas. Podem ser classificados em dois tipos: de deslizamento e rolamento (COLLINS (2006), p.339).

Figura 2 – Mancal de deslizamento

Fonte: Telecurso 2000.

Figura 3 – Mancal de deslizamento e eixo

Fonte: Telecurso 2000.

Os mancais são geralmente constituídos de duas partes: o munhão (eixo) que é a parte interna, cilíndrica, usualmente em movimento de oscilação ou rotação e o mancal, propriamente dito ou superfície de apoio, que pode ser estacionário como os mancais de uma árvore, ou pode ser móvel, como no caso de um sistema biela-manivela. (FAIRES (1966), p.328).

Os mancais são classificados em mancal completo, onde um deles está

completamente envolvido pela superfície do outro e mancal parcial, que são utilizados

onde a carga é aplicada somente na parte superior do munhão (eixo) e o mesmo

trabalha com a parte inferior imersa em óleo.

Outra característica dos mancais de deslizamento é a existência da folga entre

as partes e essa folga deve ser suficiente para permitir o giro de uma parte em relação

à outra, como também a permanência de um filme de lubrificante com a finalidade de

redução do atrito e consequentemente do desgaste prematura das partes. A

temperatura do fluido lubrificante para mancais de deslizamento é importante, pois

acima de determinada temperatura as propriedades lubrificantes dos óleos começam

a perder-se.

Lubrificante é qualquer substância que vise separar as superfícies deslizantes, reduzir o atrito e o desgaste, remover calor gerado pelo atrito, acentuar a operação suave e fornecer uma vida operacional aceitável para mancais, engrenagens, cames ou outros elementos de máquinas deslizantes (COLLINS (2006), p.345).

Portanto a necessidade de nos atentar às recomendações do fabricante é

fundamental, pois o mesmo realiza testes para identificar os melhores lubrificantes a

serem utilizados em seus equipamentos. Nos dias atuais ha uma diversidade muito

ampla de lubrificantes e suas respectivas aplicações, tendo lubrificantes de origem

vegetal, animal, mineral e sintéticos, sendo que este último tipo está se tornando

acessível economicamente e apresenta características excepcionais quando ao poder

de lubrificação.

As propriedades que devem ser consideradas vantajosas nos materiais que se destinam à construção de mancais são: baixo módulo de elasticidade, o que redundará em facilidade do material tomar a forma desejada; baixa resistência ao cisalhamento, o que proporcionará facilidade de ter a superfície alisada; baixa soldabilidade ao aço, o que dificultará o aparecimento de defeitos ou cortes na superfície; capacidade de absorver corpos estranhos ou “incrustabilidade”, permitindo que, pela penetração em sua massa, sejam os mesmos removidos da película de lubrificante; resistência à

compressão e a fadiga, resistência às temperaturas; resistência à corrosão; boa condutibilidade térmica; coeficiente de expansão térmica semelhante ao do aço e, baixo custo (FAIRES (1966), p.364).

Para construção das buchas dos mancais utilizam-se os seguintes materiais:

Metal branco,

Bronze,

Bronze vermelho,

Metal leve,

Material sinterizado,

Resina sintética,

Prensada,

Aglomerados de diferentes materiais.

Também é possível encontrar buchas auto lubrificadas, que são produzidas

pelo processo de sinterização e empregadas nos equipamentos que apresentam

dificuldade para alcançar os pontos de lubrificação, como exemplo os

eletrodomésticos.

Vantagens dos mancais de deslizamento sobre os mancais de rolamento:

Menor custo de aquisição; projeto simples tanto do eixo quanto do alojamento; exige pequeno espaço radial; operação silenciosa; não é muito sensível à sujeira ou a partículas; menos sujeito a falhas por fadiga; menos sujeito à fadiga por fretagem quando ocorrem movimentos relativos, cíclicos, de pequena amplitude; relativamente leve; de fácil reposição. (COLLINS (2006), p.339).

A lubrificação dos mancais de deslizamento é realizada de acordo com a forma

de trabalho e os seguintes métodos são utilizados:

Lubrificação intermitente seja ela com óleo ou graxa, onde o operador é

responsável em realizar a lubrificação periódica do mesmo ou por meio de

mecanismos eletrônicos que de tempos em tempos programados realizam

a lubrificação;

Lubrificação por gotejamento ou por gravidade, sendo este um dos mais

utilizados onde o encarregado de manutenção deve verificar se os

reservatórios contem o lubrificante em quantidade suficiente para realizar a

lubrificação;

Lubrificação por mecha, que semelhante ao realizado por gotejamento;

lubrificação por anel de guia, onde um anel instalado no eixo realiza a

lubrificação arrastando o óleo do reservatório para a área a ser lubrificada;

Lubrificação por banho e por salpico.

Os mancais de rolamento são elementos encontrados prontos no mercado e

que devem ser adotados de acordo com as recomendações dos fabricantes e os

cálculos dos esforços e solicitações à qual o equipamento estará sujeito.

Figura 4 – Mancal de rolamento

Fonte: Telecurso 2000.

A grande característica dos mancais de rolamento é aquela em que o atrito de

partida não é superior ao de operação, porém não podemos deixar de relatar também

aquela em que os mesmos podem suportar esforços radiais e axiais ao mesmo tempo,

bem como trabalhar a altas rotações. A maior parte dos rolamentos utiliza baixa

quantidade de óleo lubrificante, o que torna sua aplicação mais recomendada em

relação aos mancais de deslizamento. Na figura 5 é possível observar as partes que

compõem um rolamento de esferas.

Figura 5 – Rolamento de esferas

Fonte: Telecurso 2000.

Entre os diversos tipos de mancais de rolamentos podemos citar:

Rolamento fixo de esferas

Fonte: Catálogo NSK (2002).

Os rolamentos de esferas são peças formadas de anéis internos e externos,

contendo esferas de metal, para facilitar o movimento radial ou axial dentro de um

sistema de fiação. Os rolamentos são a ligação entre as partes móveis e estáticas de

uma máquina, por isso, reduzem a quantidade de atrito entre os componentes de um

sistema. Isso permite que os objetos mais pesados sejam movidos com menor

esforço.

Rolamento de esferas de contato angular

Fonte: Catálogo NSK (2002).

Os rolamentos de contato angular são elementos com rolos axiais assimétricos,

ou seja, estas peças lhe permitem oferecer movimento suave com pouco atrito. Todos

os rolamentos consistem em dois tipos, chamados de internos e externos. O interno é

uma peça circular de metal que abriga todas as esferas. Ele não se move, e é fixada

no lugar correto.

Rolamento de esferas pequeno e miniatura

Mini rolamentos são menores do que os rolamentos tradicionais e normalmente

têm orifícios com menos de 10 milímetros de diâmetro. Eles são capazes de lidar com

cargas menores de torque.

Rolamento auto compensador de esferas

Fonte: Catálogo NSK (2002).

No rolamento auto compensador de esferas, o anel interno possui duas pistas

e a pista do anel externo é esférica. O centro do raio que forma essa superfície

coincide com o centro do rolamento. Consequentemente, o anel interno, as esferas e

a gaiola inclinam-se livremente em relação ao anel externo. Os erros de alinhamento

que ocorrem devido a casos como desvio na usinagem do eixo e alojamento, e as

deficiências na instalação são corrigidos automaticamente. Há também os rolamentos

de furo cônico, fixados por meio de buchas.

Rolamento auto compensador de rolos

Fonte: Catálogo NSK (2002).

É formado por um anel interno com duas pistas, anel externo com pista esférica

e rolos com a superfície de rolagem esférica. Como o centro da pista esférica do anel

externo coincide com o centro do rolamento, o auto alinhamento pode ser feito como

nos rolamentos auto compensadores de esferas. Consequentemente, os erros de

alinhamento em eixos e alojamentos ou flexões nos eixos são automaticamente

ajustados, fazendo com que não ocorram cargas anormais no rolamento.

Os Auto compensadores de Rolos permitem o apoio da carga radial e, em

ambos os sentidos, da carga axial. A capacidade de carga radial é grande e esses

equipamentos são adequados para aplicações com cargas pesadas e de choque.

Os rolamentos com furo cônico podem ser instalados diretamente no eixo

cônico, ou podem ser instalados no eixo cilíndrico, pela utilização das buchas de

fixação ou de desmontagem. As gaiolas normalmente utilizadas são as prensadas de

aço, as usinadas de latão e as de poliamida.

Rolamentos axiais auto compensadores de rolos

Este tipo de rolamento tem a capacidade de se auto alinhar, absorvendo

possíveis desalinhamentos no eixo.

Rolamento axial de esferas

Fonte: Catálogo NSK (2002).

Os Rolamentos Axiais de Esferas são fabricados como rolamentos de escora

simples ou de escora dupla.

Os Rolamentos Axiais de Esferas de Escora Simples podem receber uma carga

axial apenas em um sentido, enquanto os Rolamentos Axiais de Esferas de Escora

Dupla podem receber carga axial em ambos os sentidos.

Rolamento de rolos cilíndricos

Fonte: Catálogo NSK (2002).

Rolamentos de construção simples em que os rolos de forma cilíndrica estão

em contato linear com a pista. Possuem uma grande capacidade de carga,

principalmente, apoiando a carga radial. Como o atrito entre os corpos rolantes e o

rebordo do anel é reduzido, são adequados para altas rotações.

Rolamento de rolos cônicos

Fonte: Catálogo NSK (2002).

Os rolos cônicos trapezoidais inseridos como corpos rolantes são guiados pelo

rebordo maior do anel interno. Com grande capacidade de carga, permitem o apoio

da carga radial e, num único sentido, a carga axial. A série HR, com os rolos numérica

e dimensionalmente aumentados tem alta capacidade de carga. Em geral, como o

rolamento de esferas de contato angular, duas peças são usadas contrapostas. Nesse

caso, em função do ajuste do espaçamento entre os anéis internos ou externos na

direção axial, permite-se selecionar a folga interna adequada. O anel interno (cone) e

o anel externo (capa) podem ser instalados independentemente, por serem

separáveis.

Vantagens dos mancais de rolamentos em relação aos mancais de

deslizamento:

Elevada confiabilidade com o mínimo de manutenção; mínima lubrificação requerida. O lubrificante pode ser vedado pela vida útil do mancal; adequado para operação de baixa velocidade; baixo atrito de partida e baixa perda de potência devido ao arraste por fricção; pode suportar prontamente cargas radiais, axiais, ou a combinação de ambas; necessita de pouco espaço axial; permutabilidade quase universal entre fabricantes devido a ampla padronização de tamanhos e rígido controle de tolerâncias; pode ser pré-carregado para eliminar folgas internas, melhorar a vida em fadiga ou elevar a rigidez do mancal; o aumento do ruído em operação alerta para a ocorrência de falha. (COLLINS (2006), p.361).

Importante ressaltar que no momento do projeto é necessário considerar as

variações térmicas no conjunto, mantendo um dos mancais de apoio em condições

de absorvê-las de modo a não afetar o funcionamento do conjunto.

2.1 Cálculos do Rolamento

Para realizar a substituição das buchas e determinar os rolamentos a serem

utilizados no projeto da esteira em estudo, foram considerados os dados a seguir, de

modo a não efetuar a instalação de qualquer rolamento na melhoria proposta.

Os rolamentos a serem utilizados estão sujeitos a carga dinâmica, trabalharão

com aproximadamente 38 rpm, estarão sujeito a uma carga radial de

aproximadamente 0,4 kN em um eixo com diâmetro de 10 mm, a probabilidade de

falha adotada para este projeto é de 5% e a temperatura de trabalho 80ºC.

Para iniciar os cálculos foi necessário realizar a consulta do catálogo técnico

do fabricante de rolamentos de modo a determinar os rolamentos possíveis de acordo

com os dados disponíveis, conforme tabela 1.

Tabela 1: Rolamentos possíveis

Designação Capacidade de carga (kN) Diâmetro externo

D (mm)

Espessura

B (mm) Dinâmica Estática

61.800 zz 1,38 0,585 19 5

61.900 zz 2,08 0,85 22 6

6.000 2z 4,75 1,96 26 8

16.100 2z 4,62 1,96 28 8

6.200 2z 5,4 2,36 30 9

6.300 2z 8,52 3,4 35 11

Fonte: Catálogo NSK (2002).

Fator de esforços dinâmicos (fl):

4,5 <= fl<= 5,5, para executar os cálculos será utilizado o valor médio, 5.

Fator de rotação (fn):

N = 38 fn = 0,957

Capacidade de carga dinâmica (C):

C = P * fl/fn

C = 0,4 * 5 / 0,957

C = 2,08 kN

Portanto o rolamento a ser utilizado é o 61.900 ZZ, apresentado na tabela 1.

Vida nominal do rolamento

A vida nominal do rolamento é dada pela fórmula:

Lh= 500 * fh3 (fonte: catálogo NSK)

Considerando que o fator fhestá entre 3 – 5, temos para fh = 4:

Lh= 500 * 43Lh= 500 * 64Lh = 32000 h

3 CONCLUSÃO

Durante todo este período de estudo e após a realização da apresentação de

quatro AAPs, foi possível observar que a teoria de uso de protótipos é válida e que

melhorias devem ser realizadas para não descartar o protótipo ao final de cada

semestre e sim reaproveitá-los.

Para a construção da esteira separadora de metais por altura, no 1° semestre

de curso fizemos uso de mancais de deslizamento em seus eixos rotativos, porém,

após os conhecimentos adquiridos nos semestres subsequentes, foi possível

perceber que os mesmos poderiam ser substituídos por mancais de rolamento em

virtude das características apresentadas pelos mesmos.

Com a substituição dos tipos de mancais utilizados, não houve mais a

necessidade de lubrificação manual dos mancais de deslizamento que haviam sido

projetados inicialmente, pois o processo de lubrificação não era simples, logo se pode

perceber que a lubrificação estava deficiente e com a modificação não há a

necessidade da lubrificação e sim o controle da vida útil do rolamento, fazendo-se a

substituição do mesmo de acordo com as manutenções programadas.

Com este trabalho foi possível apresentar que os resultados dos estudos

teóricos são de extrema importância para a prática.

REFERÊNCIAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14220-3: mancais de

deslizamento – buchas formadas. Rio de Janeiro, 1998. 5p.

CATÁLOGO DE ROLAMENTOS NSK. 2002. Disponível em: <http://www.br.nsk.com/7catalogo.asp>. Acesso em 03 mar. 2013. COLLINS, Jack A. Projeto mecânico de elementos de máquinas. Rio de Janeiro: LTC, 2006. FAIRES, Virgil Moring. Elementos orgânicos de máquinas. Rio de Janeiro: Ao

Livro Técnico, 1966. LUBRIFICANTES INDUSTRIAIS. 2010. Disponível em: <http://wwwp.feb.unesp.br/ jcandido/manutencao/Grupo_16.pdf>. Acesso em 20 out. 2012 MANCAIS DE DESLIZAMENTO INDUSTRIAIS. 2012. Disponível em:<http://www.zollern.de/br/plain-bearings/industrial-bearings/thick-walled-bearing.html>. Acesso em 18 nov. 2012. TÉCNICAS DE LUBRIFICAÇÃO. 2011. Disponível em: <http://www.supremelub.com.br/downloads/tecnicas/lubrificacao_de_rolamentos.pdf>. Acesso em 03 mar. 2013. TELECURSO 2000 – ELEMENTOS DE MÁQUINAS. Disponível em: <http://www.aditivocad.com/baixar-apostila.php?id=54d&rf=telecurso_2000_ elementos_maquinas&ld=a9b141e>. Acesso em 18 nov. 2012.