Mancais de Deslizamento e Lubrificação
1 - INTRODUÇÃO AO ESTUDO DE MANCAIS Mancais são elementos de máquinas que servem de apoios fixos aos elementos dotados de movimentos giratórios (eixos). O mancal é composto de uma estrutura geralmente de ferro fundido e bipartida (base tampa), que encerra o casquilho, no interior do qual gira o eixo. A maioria das máquinas e equipamentos possuem mancais. É sua função posicionar um elemento de máquina que gira em relação a outro. Em outras palavras, os mancais são componentes de máquinas destinados a assegurar movimentação rotativa entre duas superfícies, com baixo nível de atrito. São conjuntos destinados a suportar as solicitações de peso e rotação de eixos. Dependendo da solicitação de esforços, os mancais podem ser de deslizamento ou deslizamento ou de rolamento, rolamento, conforme abaixo descritos: - Mancais deslizantes: deslizantes : são todos os mancais cujo trabalho se baseia no deslizamento dos elementos envolvidos. envolvidos.
Figura 1: Corte 1: Corte de um mancal de deslizamento, com a indicação de seus componentes. - Mancais de rolamento: rolamento : são todos os mancais cujo trabalho se baseia no rolamento dos elementos envolvidos (mais utilizados nas indústrias mecânicas). Independente das características do mancal (se é deslizante ou de rolamento) é extremamente importante conhecer na transmissão qual deve ser o mancal fixo e qual deve ser o mancal móvel. Página 1 de 14
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Figura 2: O mancal de rolamento é ideal para a necessidade de maior velocidade e menos atrito. Os mancais devem ser montados dentro de um alinhamento preciso, para não trabalhar em um regime forçado e, consequentemente, não causar danos ao equipamento. O foco desta pesquisa está direcionado ao estudo dos mancais de deslizamento.
2 - MANCAIS DE DESLIZAMENTO Mancais de deslizamentos são superfícies de apoio feitas para suportar cargas muitas vezes elevadas de eixos que giram, reduzindo ao máximo o desgaste gerado pelo atrito. São constituídos de uma base com resistência à carga sobre a qual é aplicada uma liga resistente ao desgaste. Os mancais de deslizamento são muito encontrados em máquinas onde um eixo qualquer sofre forças e o mancal serve de aparo e de guia para este eixo. Os mancais se dividem em dois tipos principais: mancais de guia e mancais de fricção. Para um aumento da vida útil dos mancais de deslizamento é indispensável o uso de lubrificantes adequados para cada aplicação. Outro fator importante é a escolha do lubrificante e sua frequência de lubrificação.
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2.1 - Tipos de mancais deslizantes a) Mancais de guia - Muito encontrados em máquinas ferramentas, onde a mesa desliza sobre suas guias. Não suportam muita carga, o movimento relativo entre eles é de translação. b) Mancais de fricção - Quando uma das superfícies móveis é um eixo e o deslizamento é executado considerando-se o movimento relativo de rotação entre o eixo e o mancal. Existem três tipos específicos: planos, escora e guia. b1) Mancais planos - comumente chamados de radiais. São os que suportam carga perpendicular ao eixo de rotação; b2) Mancais de escora - também conhecido como de encosto. São projetados para trabalharem sob a ação de cargas axiais; b3) Mancais guias - servem praticamente para evitar o deslizamento do eixo.
2.2 – Materiais Utilizados Geralmente a base do mancal é de ferro fundido ou podendo também ser de aço, dependendo muito de fatores técnicos envolvidos no projeto do mancal. Para a confecção da bucha utilizam-se diversos materiais, nas quais se destacam, em ordem de emprego, os seguintes materiais: a) Metal patente: são ligas fundamentalmente a base de Estanho (89%), Antimônio (8%), Cobre (3%). As ligas de metal patente para aplicações em mancais de deslizamento, tecnicamente também conhecidas como ligas de metal branco ou “babbitts”, são ligas de baixo ponto de fusão, e portanto de fácil manuseio. Nestas ligas, uma estrutura de cristais duros e resistentes ao desgaste é combinada com uma matriz mole, que permite a circulação do óleo lubrificante entre os cristais, além de absorver impactos e facilitar a aderência ao metal da base do mancal propriamente dito.
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Estas ligas podem ser divididas em 3 grandes grupos quanto à sua composição química, levando cada grupo a uma consequente família de comportamentos físicometalúrgicos diferentes: As ligas a base de estanho: com alta porcentagem deste elemento, teor não muito elevado de antimônio (dentro ou um pouco acima do limite de solubilidade), com cobre e sem nenhum chumbo para garantir a ausência do eutético Sn-Pb, formam a categoria de ligas resistentes ao choque, compatível, por exemplo, com a alta rotação dos motores à explosão. As ligas a base de estanho com adição de chumbo (ou ligas intermediárias): trabalham com teores elevados de antimônio e cobre, muito acima do limite de solubilidade destes metais, têm menor resistência ao choque, mas enorme resistência ao desgaste e à abrasão, pela grande quantidade de cristais Sn-Sb e Sn-Cu formados. As ligas a base de chumbo: com elevado teor deste elemento, mas com adição de estanho, antimônio e cobre para aumentar a dureza e a resistência ao desgaste. São ligas de baixo custo e, portanto, destinadas a uma utilização mais secundária. Podem até conseguir propriedades mecânicas razoáveis, desde que se consiga aliar camadas finas à elevadas velocidades de resfriamento no momento da fundição do mancal. Para estanhar o mancal, antes de colocar o metal patente, deve ser utilizada a solda em pasta, cuja finalidade é soldar e metalizar superfícies que vão receber aplicação de uma outra liga a base de Estanho; um caso típico é a deposição por centrifugação ou fundição por gravidade de ligas de Metal Patente para mancal de deslizamento. As vergas também podem ser utilizadas para cobrir a superfície do mancal, antes da aplicação do metal patente. Porém deve sempre ser usada com a preparação prévia das superfícies com o auxílio de um fluxo. b) Ligas binárias de Cobre e Chumbo (20 à 40% de Chumbo): A boa resistência a fadiga indica o seu uso em mancais que trabalham em condições severas. c) Bronzes: Três são os principais tipos de bronzes: - Bronze a base de Estanho; - Bronze a base de Chumbo; Página 4 de 14
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- Bronze de alta resistência. Todos os tipos especificados acima são utilizados em mancais de bombas de água, motores marítimos, trens de laminação, mancais de vagões ferroviários, entre outros. d) Alumínio: Suas ligas resistem bem à corrosão produzida pela acidez do lubrificante. São muito usados em mancais de motores de explosão, alguns compressores, equipamentos aeronáuticos. e) Prata: Mancais com prata são muito usados em aeronaves e motores diesel. São camadas (0.001 à 0.005 in) de prata depositada internamente em mancais de aço. f) Ferro fundido: São raramente usados. g) Grafite: é misturado com cobre, bronze, e plásticos, obtendo assim, uma maior diminuição do coeficiente de fricção. h) Plásticos: Muito utilizados em máquinas de indústrias têxteis, alimentícias, com produtos corrosivos, oxigênio líquido. A vida útil dos mancais de deslizamento poderá ser prolongada se alguns parâmetros de construção forem observados: os materiais de construção dos mancais de deslizamento deverão ser bem selecionados e apropriados a partir da concepção do projeto de fabricação. O projeto de fabricação deverá prever as facilidades para os trabalhos de manutenção e reposição, considerando as principais funções dos mancais de deslizamento que são apoiar e guiar os eixos.
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Sendo elementos de máquinas sujeitos às forças de atrito, os mancais de deslizamento deverão apresentar um sistema de lubrificação eficiente. Lembremos que as forças de atrito geram desgastes e calor e, no caso dos mancais de deslizamento, opõem-se, também, ao deslocamento dos eixos.
Figura 4
2.3 – Aplicabilidade (vantagens e desvantagens) A velha pergunta: se são melhores os mancais de rolamento ou os de deslizamento, pode-se hoje em dia com a afirmação de que cada um dos dois tipos tem suas qualidades particulares, e que nenhum deles satisfaz a todas as exigências. Há casos em que apenas mancais de deslizamento podem ser usados, outros em que somente rolamentos constituem uma boa solução e, finalmente, aqueles em que os dois tipos oferecem solução satisfatória. A decisão depende das propriedades de maior importância para cada aplicação.
2.3.1 - Vantagens - amortece as vibrações, os choques e ruídos; - construção simples; - mancais de grandes diâmetros são mais baratos; - suportam altas pressões.
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2.3.2 - Desvantagens - atrito maior de partida; - consumo maior de lubrificante; - exige maiores cuidados com a circulação do lubrificante e manutenção; - maior estático e dinâmico (torque).
2.3.3 – Exemplos de Aplicação - Motores de automóveis e aviões; - Motores a gás e a óleo; - Motores marítimos; - Máquinas a vapor estacionárias; - Bombas e compressores alternativos; - Turbinas a vapor; - Motores e bombas rotativas.
3 – LUBRIFICAÇÃO DE MANCAIS 3.1 – Definição de lubrificação Lubrificação é o processo ou técnica utilizada na aplicação de uma camada chamada lubrificante com a finalidade de reduzir o atrito e o desgaste entre duas superfícies sólidas em movimento relativo, separando-as parcialmente ou completamente. Além de separar as superfícies, a camada também tem a função de refrigerar ou esfriar, inibindo superaquecimento do dispositivo; reduz vibrações, que podem causar danos ao equipamento; proteger contra corrosão e impurezas; além de casos especiais em que atuam como vedante, na transmissão da força e como isolante.
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O processo de lubrificação não consiste apenas na escolha do lubrificante, e sim depende da carga, velocidade, folgas, comprimento e diâmetro do mancal e, em alguns casos, do tipo de superfície. A principal forma de desgaste de mancais e rolamentos ocorre em virtude do atrito. Os mancais de deslizamento são aqueles que necessitam de uma maior quantidade de lubrificante, em função do grande atrito entre o eixo e a bucha. Os rolamentos necessitam de uma menor quantidade de lubrificantes em comparação ao mancal de deslizamento, no entanto uma boa lubrificação ainda é primordial para o bom funcionamento do equipamento e para uma grande durabilidade da peça.
3.2 – Lubrificantes É definido como lubrificante qualquer substância utilizada com a propriedade de, quando interpostas entre duas superfícies com movimento relativo, diminuírem a resistência à este movimento, através da diminuição do atrito. Um óleo lubrificante realiza essa tarefa através de um filme (ou película), que inibe o contato direto entre as duas superfícies, reduzindo o desgaste e a força necessária para colocar o sistema em movimento, conforme pode ser observado na figura a seguir:
Figura 5: Exemplo de película de óleo entre duas superfícies metálicas.
Existem quatro tipos básicos de lubrificantes, que são: líquidos, que podem ser subdivididos em minerais, sintéticos ou mistos, considerando que sua principal propriedade a ser avaliada é a sua viscosidade, mas também possui outras características relativas à sua aplicação que variam de acordo com os aditivos com os quais são fabricados; sólidos, como o grafite, que são geralmente empregados em aplicações de elevada temperatura; graxas, que são utilizadas quando é importante reter o lubrificante no local de aplicação e não há outra forma de desempenhar essa Página 8 de 14
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tarefa; e gases, que são utilizados com esse propósito apenas em aplicações específicas. Os lubrificantes devem apresentam as seguintes características: - estabilidade junto à alterações de temperatura; - não reagir em contato com as superfícies; - facilidade para a realização da limpeza. Os óleos animais ou vegetais são lubrificantes, mas, é claro, os mais importantes dos óleos são os derivados de petróleo. Os modernos óleos de petróleo contem, usualmente, um ou mais aditivos que objetivam a melhoria de alguma propriedade particular do óleo. Assim, são usados aditivos com os seguintes objetivos: para reduzir a taxa de e oxidação do óleo (antioxidantes); para limpar as superfícies das maquinas (detergentes); para reduzir a corrosão (anticorrosivos); para manter os produtos da decomposição em um estado coloidal (dispersantes); para prevenir o contato de metal com metal, como no caso dos dentes de engrenagem (agentes para extrema pressão); para reduzir ferrugem (antiferruginosos); para baixar o ponto de congelamento; para diminuir a variação do índice de viscosidade com a temperatura e para prevenir a formação de espuma. Os lubrificantes sintéticos estão assumindo importância cada vez maior em situações especiais. Um polímero dimetilsilicone apresenta o alto índice de viscosidade, resiste à oxidação até 350º F e pode ser fabricado com a viscosidade desejada. A grafita tem sido usada como lubrificante de muitos modos: um composto especial, lubrificante sólido, produz um filme com espessura de 0,004 mm a 0,0127 mm e adere tenazmente às superfícies. Tem sido usada em mancais, engrenagens, arvores caneluradas e outras aplicações e é extremamente preventivo de escoriações nas superfícies metálicas provocadas pelo atrito.
3.3 - Viscosidade A propriedade mais importante de um lubrificante, no caso de atrito fluido, é a viscosidade, cuja definição é a resistência interna oferecida pelas moléculas das Página 9 de 14
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“camadas” do fluido quando estas são deslocadas em relação às outras. É o resultado do atrito interno do próprio fluido, conforme figura 6.
Figura 6: Definição de Viscosidade A viscosidade de um óleo pode ser definida como a resistência deste a uma tensão de cisalhamento. Basicamente, um óleo de baixa viscosidade gera um filme fino, sendo insuficiente para evitar o contato das duas superfícies satisfatoriamente. Por outro lado, um óleo de viscosidade acima da recomendada para o equipamento pode gerar um atrito maior, causando superaquecimento, além de não possuir a fluidez necessária para ser distribuído por todo equipamento na taxa recomendada. Assim, sempre deve ser adotado um óleo conforme as recomendações do fabricante do equipamento. Quando for necessário selecionar um lubrificante, o principal aspecto a ser analisado é a viscosidade e a sua variação com a temperatura (indicada pelo índice de viscosidade), embora para cada aplicação haja aspectos específicos a serem analisados, como tipo do equipamento, ambiente, corrosão, entre outros. 3.4 - Tipos de lubrificação Existem cinco formas principais de lubrificação: - Hidrodinâmica: Separa as superfícies de carregamento de carga do mancal por um filme relativamente espesso de lubrificante, a fim de prevenir o contato metal-metal. Este tipo de lubrificação não depende da introdução do lubrificante por pressão, mas requer a existência de um suprimento adequado constantemente. A lubrificação hidrodinâmica também é conhecida como lubrificação de filme completo ou fluida;
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- Hidrostática: Usa o ar ou água como lubrificante, introduzido na área de suporte de carga, a uma pressão alta o suficiente que possa separar as superfícies com um filme relativamente espesso de lubrificante. Então ao contrário da hidrodinâmica, esse tipo de lubrificação não requer movimento entre uma superfície e outra. Essa lubrificação deve ser considerada no projeto de mancais em que as velocidades são pequenas ou zero e a resistência friccional deve ser a mínima absoluta; - Elastoidrodinâmica: O lubrificante é introduzido entre duas superfícies que estão em contato rolante, tais como engrenagens acopladores e mancais de rolamento; - Contorno: A diminuição da viscosidade do lubrificante se deve, a uma queda na velocidade móvel, uma diminuição de lubrificante enviado ao mancal, aumento na carga do mancal ou na temperatura do lubrificante. Contribuindo para uma diminuição da espessura do filme de lubrificante caracterizando a lubrificação de contorno, pois as maiores impurezas estão separadas por uma fina camada de lubrificante. - Filme sólido: Quando mancais têm que ser operados a temperaturas muito elevadas, um lubrificante de filme sólido, como o grafite ou o dissulfeto de molibdênio, deve ser utilizado, pois os óleos minerais ordinários não são 100% indicados para este caso. As superfícies de contato em mancais de rolamento apresentam um movimento relativo que é igualmente rolante e deslizante. Se a velocidade relativa das superfícies é alta o suficiente, então a ação lubrificante é hidrodinâmica. Os rolamentos podem ser lubrificados com a utilização de graxa ou óleo, e em casos especiais, de um lubrificante sólido. 3.4.1 - Lubrificação por graxa Nos rolamentos axiais de esfera e de rolete é utilizada a graxa como lubrificante, considerando condições normais de velocidade, temperatura e carga. Em geral o espaço entre o rolamento e o mancal é parcialmente preenchido por graxa (30 a 50%). O excesso de graxa pode provocar um aumento rápido na temperatura, principalmente para velocidades elevadas. As graxas normalmente usadas são fluidos sintéticos ou óleos minerais engrossados. A consistência de uma graxa depende do tipo e da quantidade do Página 11 de 14
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agente espessante. Ao selecionar uma graxa, os fatores mais importantes a serem analisados são: a consistência, a temperatura e as propriedades antioxidantes. A consistência não deve estar sujeita a grandes amplitudes de temperatura e esforços mecânicos, pois a graxa se liquefaz com elevadas temperaturas, podendo escapar do rolamento ou do suporte, e enrijece a baixas temperaturas, podendo frear a rotação do rolamento. A maioria das graxas a base de cálcio são estáveis com quantidade de 1 a 3% de água, que sofre evaporação com o aumento de temperatura produzindo sabão e óleo mineral, portanto sua temperatura de operação máxima é 60°C. Bases de sódio podem operar entre 30ºC e 80ºC, e de lítio entre -30ºC e 110ºC, embora graxas especiais possam chegar a uma temperatura de trabalho de mais de 200ºC. As graxas com base de sódio são solúveis em água, ou seja, absorvem a água numa certa proporção formando uma emulsão sem prejudicar as propriedades do lubrificante. As de base de lítio e cálcio são praticamente insolúveis em água, portanto não oferecem proteção contra a corrosão. Nesse caso, devem ser usadas juntamente com um agente antioxidante. 3.4.2 - Lubrificação por óleo Utiliza-se lubrificação por óleo quando as condições de trabalho apresentam altas velocidades e temperaturas, situações nas quais o uso de graxa ultrapassa o seu ponto de gota, que é a temperatura máxima de utilização da graxa. O óleo também é empregado em situações nas quais é necessário dissipar o calor gerado por um rolamento externo ou quando as peças adjacentes da máquina já estão lubrificadas com óleo. O método de lubrificação mais simples é o banho de óleo, porém só pode ser adotado para pequenas velocidades. Nesse caso, o óleo é colhido por elementos giratórios do rolamento e depois circula através do mesmo até voltar ao depósito. Quando o rolamento não gira, o óleo deverá ter um nível ligeiramente abaixo do centro da esfera ou do rolete que ocupa a posição mais baixa. Há também a lubrificação com vapor de óleo, que é produzida por um pulverizador e consiste em transportar gotículas de óleo por meio de uma corrente de Página 12 de 14
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ar. A corrente de ar que penetra também serve para refrigerar o rolamento e produzir uma pressão ligeiramente mais alta, que evita a entrada de impurezas. Este procedimento permite a lubrificação com pequenas quantidades de óleo, dosificadas com exatidão, com o qual resultam desprezíveis e razoáveis perdas. Este método é usado com muita frequência para rolamentos que giram a grandes velocidades, por exemplo, em eixos de máquinas retificadoras. Para rolamentos de esferas e roletes, são utilizados, sobretudo, óleos minerais e sem aditivos. Os óleos que contém aditivo para melhorar algumas propriedades (resistência da película lubrificante, oxidação, entre outros) são requeridos normalmente para condições excepcionais de funcionamento. A viscosidade é a propriedade mais importante de um óleo lubrificante, essa diminui com o aumento da temperatura. Para rolamentos de grandes velocidades a viscosidade não deverá ser muito alta, para evitar alta fricção e aumento excessivo da temperatura. Para rolamentos de tamanhos médio e grande a viscosidade na temperatura de funcionamento não deverá ser inferior a 0,000012 m²/s. São utilizados frequentemente óleos menos viscosos em rolamentos pequenos para grandes velocidades com objetivo de reduzir a fricção.
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