Como funcionam os rolamentos de diário: explicação técnica passo a passo

A rolamento do diário suporta um eixo giratório (o munhão) dentro de uma luva estacionária (o rolamento), gerando um filme de fluido pressurizado que separa completamente as duas superfícies. Esta capacidade de transporte de carga surge da efeito hidrodinâmico : o movimento relativo entre o eixo e o rolamento puxa o lubrificante para uma folga convergente em forma de cunha, criando uma distribuição de pressão que suporta a carga aplicada.

Para que um rolamento funcione corretamente, três condições devem ser atendidas : (1) velocidade superficial relativa suficiente, (2) um lubrificante viscoso e (3) uma geometria de folga convergente. Quando estes estão presentes, o rolamento opera no regime de lubrificação de filme completo , onde o atrito e o desgaste são minimizados.

Regimes de lubrificação em mancais de deslizamento

O desempenho e a vida útil de um mancal são determinados pelo seu regime de lubrificação. Esses regimes são definidos pelo grau de separação da superfície e são influenciados pela carga, velocidade e viscosidade do lubrificante.

Lubrificação Limite

Ocorre durante a partida, desligamento ou em velocidades muito baixas. A película lubrificante é insuficiente para separar as superfícies, levando a contato direto com aspereza entre o munhão e o rolamento. Este regime resulta em alto atrito e desgaste, e sua duração deve ser minimizada no projeto.

Lubrificação de Filme Misto

Um estado intermediário onde a pressão hidrodinâmica é parcialmente gerada, mas algumas asperezas superficiais ainda interagem . Isso normalmente ocorre durante velocidades de transição ou sob carga de choque. O atrito e o desgaste são menores do que na lubrificação limite, mas ainda são significativos.

Lubrificação de Filme Completo (Hidrodinâmico)

O estado operacional ideal. O munhão assenta sobre uma película lubrificante completa e contínua que o separa totalmente da superfície do rolamento. A pressão do fluido é gerada pela rotação do eixo, equilibrando a carga externa. Neste regime, o atrito é determinado pelo cisalhamento do fluido , e o desgaste é praticamente eliminado.

Física passo a passo: como a cunha hidrodinâmica se forma

A transição de um eixo em repouso para um eixo rotativo totalmente suportado é um processo dinâmico que pode ser dividido em etapas distintas.

Etapa 1: o eixo em repouso

Quando o eixo está parado, ele fica na parte inferior da folga do rolamento devido ao seu peso. A folga é excêntrica, com os centros do eixo e do rolamento desalinhados. Neste ponto, há contato direto metal com metal na parte inferior do rolamento.

Etapa 2: Rotação e arrastamento de lubrificante

À medida que o eixo começa a girar, ele arrasta o lubrificante viscoso para a folga convergente em forma de cunha entre o eixo e o rolamento. O lubrificante é puxado para dentro da lacuna estreita devido à sua adesão à superfície móvel .

Etapa 3: Geração de Pressão e Elevação do Eixo

À medida que o lubrificante é forçado através da abertura convergente, a sua pressão aumenta significativamente. Essa pressão autogerada cria uma força hidrodinâmica que empurra o eixo para longe da superfície do rolamento. O eixo sobe na parede de suporte na direção de rotação até encontrar sua posição de equilíbrio. Neste ponto, a carga é totalmente suportada pela película fluida e o rolamento opera no regime de película completa.

Regime de Lubrificação vs. Condições Operacionais

Parâmetros Críticos de Projeto para Otimização de Desempenho

A otimização do desempenho do mancal envolve o equilíbrio de vários parâmetros geométricos e operacionais importantes. Essas variáveis ​​determinam a capacidade de carga, a perda de potência e a estabilidade do rolamento.

Folga Radial

A diferença entre o raio interno do rolamento e o raio do eixo. A folga ideal é crítica : muito pequeno e a película de óleo não se forma adequadamente, causando superaquecimento e gripagem; muito grande e a película de óleo torna-se instável, causando vibração excessiva e capacidade de carga reduzida. A liberação é o principal fator que influencia a espessura mínima da película de óleo .

Relação comprimento-diâmetro (L/D)

Esta relação define a geometria do rolamento. Uma relação L/D mais alta (um rolamento mais longo) proporciona maior capacidade de carga, mas também aumenta a perda de potência devido ao cisalhamento viscoso mais alto. A escolha do design depende do requisitos específicos de carga e velocidade do aplicativo.

Viscosidade Lubrificante

A viscosidade, que é altamente dependente da temperatura, afeta diretamente a espessura e o atrito do filme. Um lubrificante de maior viscosidade cria uma película mais espessa, mas também gera mais calor de fricção. A seleção deve garantir que a espessura adequada do filme é mantida na temperatura operacional do rolamento .

Rugosidade Superficial

O acabamento superficial do munhão e do rolamento influencia o início da lubrificação mista. Superfícies mais lisas permitem uma maior proporção de espessura de filme. A pesquisa indica que a otimização da textura da superfície pode melhorar significativamente o desempenho tribológico.

Considerações sobre desempenho e estabilidade

Além do suporte básico de carga, um mancal bem projetado deve manter um desempenho dinâmico estável e previsível. Dois fenômenos comuns de instabilidade são particularmente críticos em aplicações de alta velocidade.

Instabilidades do redemoinho de óleo e do chicote de óleo

Em altas velocidades, as forças hidrodinâmicas podem tornar-se instáveis, fazendo com que o eixo orbite dentro da folga do rolamento. Redemoinho de óleo é uma vibração subsíncrona que ocorre a uma frequência ligeiramente abaixo da metade da velocidade de rotação (normalmente 0,40x a 0,48x ). Se a frequência de turbilhão coincidir com uma frequência natural do sistema do rotor, pode tornar-se um fenómeno violento e destrutivo. chicote de óleo , potencialmente levando a uma falha catastrófica.

Coeficientes Dinâmicos e Amortecimento

Os mancais fornecem amortecimento significativo, o que é crucial para controlar as vibrações do rotor. A rigidez e os coeficientes de amortecimento da película lubrificante não são lineares e dependem das condições operacionais e da geometria do rolamento. Esses coeficientes são essenciais para modelagem e previsão do comportamento dinâmico do rotor .

Tipos comuns de rolamentos de diário e suas aplicações

A geometria específica de um mancal é adaptada para atender às demandas de sua aplicação. Os tipos principais incluem o seguinte.

Rolamentos de luva lisos (cilíndricos)

O design mais simples e comum, apresentando um furo cilíndrico simples. Eles são altamente econômicos e adequados para uma ampla gama de aplicações de uso geral, como bombas, motores e caixas de engrenagens sob cargas constantes e velocidades moderadas.

Rolamentos Multilobulares (Elípticos e Limão)

Projetado com furos não circulares (por exemplo, elípticos) para criar cunhas hidrodinâmicas pré-carregadas. Este projeto melhora a estabilidade em altas velocidades, reduzindo a rigidez do acoplamento cruzado que causa o turbilhão do óleo. Eles são comumente encontrados em compressores e sopradores de alta velocidade.

Rolamentos de almofadas inclináveis (TPJB)

Consistem em almofadas individuais que giram para formar automaticamente a cunha hidrodinâmica ideal. Esta configuração oferece estabilidade e amortecimento excepcionais em uma ampla faixa de velocidade e é a escolha preferida para turbomáquinas de alto desempenho, apesar de seu custo e complexidade mais elevados.

Rolamentos Híbridos

Combine princípios de autoatuação (hidrodinâmicos) com pressurização externa (hidrostática). Uma bomba externa fornece óleo de alta pressão para levantar o eixo em velocidades zero ou baixas, evitando desgaste na partida. Na velocidade operacional, eles fazem a transição para operação hidrodinâmica, oferecendo a benefícios de ambos os tipos .

Principais conclusões para a prática de engenharia

Com base nos princípios da lubrificação hidrodinâmica, as seguintes conclusões são fundamentais para o sucesso do projeto e da operação dos mancais de deslizamento.

• A separação completa do filme é o objetivo. Um mancal adequadamente projetado opera com uma película fluida completa, eliminando o desgaste e minimizando o atrito. O principal indicador de desempenho é o espessura mínima da película de óleo , que deve exceder um limite seguro para a rugosidade da superfície.
• O equilíbrio é essencial. O design é uma troca. Aumentar a capacidade de carga requer uma relação L/D mais alta ou um óleo mais viscoso, o que por sua vez aumenta a perda de potência e a temperatura operacional. A otimização busca o melhor compromisso para o ciclo de trabalho específico.
• A estabilidade governa a operação em alta velocidade. Para rotores de alta velocidade, lidar com a instabilidade potencial (turbilhão/chicote de óleo) é tão importante quanto a capacidade de carga. É por isso que os rolamentos multilobulares ou de almofadas inclináveis ​​são frequentemente selecionados para máquinas críticas de alta velocidade.

Perguntas frequentes

1. Qual é a função principal de um mancal?

Sua principal função é fornecer suporte lateral (radial) a um eixo giratório com atrito mínimo. Isso é feito gerando uma película fluida de alta pressão que separa o eixo móvel da superfície de rolamento estacionária.

2. Por que a folga radial é tão importante em um mancal?

A folga radial é crucial porque determina o volume disponível para o filme lubrificante e o formato da cunha hidrodinâmica. Liberação incorreta pode levar a uma espessura de filme insuficiente (levando a contato e desgaste) ou a um filme instável e altamente dinâmico (levando a vibração).

3. Qual é a diferença entre o redemoinho de óleo e o chicote de óleo?

O turbilhão de óleo é uma vibração subsíncrona estável do eixo (a ~0,4-0,48x da velocidade de rotação) causada pelas forças hidrodinâmicas no rolamento. Chicote de óleo é a condição mais severa que ocorre quando a frequência do turbilhão trava em uma frequência ressonante natural do sistema do rotor, levando a amplitudes de vibração grandes e potencialmente destrutivas.

4. Quais são as principais vantagens de um mancal de apoio inclinável em relação a um mancal liso?

Oferta de rolamentos de almofadas inclináveis estabilidade rotordinâmica superior porque suas pastilhas individuais giram para criar o melhor perfil de cunha, evitando efetivamente o turbilhão de óleo. Eles também lidam melhor com o desalinhamento e operam com eficiência em uma faixa de velocidade mais ampla, embora sejam mais caros de fabricar.