ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS II AT-102

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1 Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS II AT-102 Dr. Alan Sulato de Andrade

2 MANCAIS DE ROLAMENTOS E DESLIZAMENTO

3 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 A.C., ajudando os Scandinavos a deslizar com seus trenós. Outros historiadores preferem apontar o seu início por volta de 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.

4 INTRODUÇÃO: Já os egípcios apresentam diversas provas do seu uso datada de cerca de 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.

5 INTRODUÇÃO: Rolamentos são normalmente elementos metálicos que apresentam forma cilíndrica compostos por vários subelementos. 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.

6 INTRODUÇÃO: Rolamento Eixo Restringe alguns movimentos. Apoio Funcionamento esquemático de um rolamento

7 INTRODUÇÃO: Este elemento apresenta uma grande variedade de tamanhos, conseqüentemente pode ser utilizados em diversos campos de aplicação na área industrial.

8 INTRODUÇÃO: Rolamentos de pequenas dimensões

9 INTRODUÇÃO: Rolamentos e mancais de tamanho comum

10 INTRODUÇÃO: Rolamento de grande dimensão

11 INTRODUÇÃO: Sistemas que utilizam rolamentos

12 CONSTITUIÇÃO: Os rolamentos também denominados mancais de rolamento são em geral, constituídos por alguns subelementos: Anéis, Interno, Externo. Corpos rolantes, Gaiola ou separador.

13 CONSTITUIÇÃO: Anel externo Corpos rolantes Gaiola Anel interno

14 CONSTITUIÇÃO: ROLAMENTOS

15 CONSTITUIÇÃO: Os elementos girantes possuem as formas: Cilíndricos Cônicos Esferas

16 CLASSIFICAÇÃO: Estes elementos são classificados principalmente segundo a direção de carga a ser suportada: Radial Axial Combinada Fa Fr Eixo Análise em relação ao eixo Mancal ou Rolamento

17 CLASSIFICAÇÃO: Radial Fr Combinada Fr Axial Fa Fa

18 CLASSIFICAÇÃO: Radial Eixo Axial Eixo

19 CLASSIFICAÇÃO: ROLAMENTOS

20 CLASSIFICAÇÃO: ROLAMENTOS

21 CLASSIFICAÇÃO: Rolamentos abertos, selados e blindados Considerações em relação: confiabilidade, manutenção e condições de uso

22 TIPOS: ROLAMENTOS

23 TIPOS: ROLAMENTOS

24 TIPOS: ROLAMENTOS

25 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.

26 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.

27 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.

28 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

29 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.

30 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.

31 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.

32 UTILIZAÇÃO: Rolamentos autocompensadores composto por elementos girantes cônicos. Suportam cargas radiais e axiais muito grandes. Exemplos de aplicações: equipamentos pesados.

33 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.

34 UTILIZAÇÃO: Rolamentos combinado. Dotados de dois tipos de elementos girantes. Suporte simultaneamente grandes cargas radiais e axiais.

35 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

36 NÚMERO DE IDENTIFICAÇÃO DO PRODUTO: Série dimensional: 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 Símbolo do Furo Símbolo do Diâmetro Externo Símbolo da Largura Símbolo do Tipo de Rolamento

37 NÚMERO DE IDENTIFICAÇÃO DO PRODUTO: Série dimensional: Exemplo de identificação de rolamentos fabricados pela NSK

38 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 N 10 RPM.

39 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 (C o ).

40 DIMENSIONAMENTO: Capacidade de Carga Estática (C o ). É a carga atuante nos elementos rolantes e na pista. Onde: C fs.p 0 0 C o =Capacidade de carga estática (KN) fs=fator de esforços estáticos (Adimensional) P o =Carga estática equivalente (KN)

41 DIMENSIONAMENTO: Carga Estática Equivalente (P o ). 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.

42 DIMENSIONAMENTO: Carga Estática Equivalente (P o ). Na atuação da simultânea das cargas axial e radial, a carga equivalente é determinada da seguinte forma: Onde: P o =Carga estática equivalente (KN) X o =Fator radial (Adimensional) Y o =Fator axial (Adimensional) Fr=Carga radial (KN) Fa=Carga axial (KN) P 0 X 0. Fr Y0. Fa Ex.: (Rol. de esferas) X 0 =0,6 Y 0 =0,5 Fa/Fr 0,8

43 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.

44 DIMENSIONAMENTO: Carga Dinâmica Quando o rolamento atuar com movimento N 10 RPM, este é dimensionado por meio da capacidade de carga dinâmica (C).

45 DIMENSIONAMENTO: Capacidade de Carga Dinâmica (C). Podemos calcular a capacidade de carga dinâmica utilizando a seguinte relação: fe C. P fn Onde: C=Capacidade dinâmica equivalente (KN) fe=fator de esforços dinâmicos (Adimensional) fn=fator de rotação (Adimensional) P=Carga dinâmica equivalente (KN)

46 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

47 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

48 DIMENSIONAMENTO: Capacidade de Carga Dinâmica (C). A capacidade de carga dinâmica dos diversos tipos de rolamento é encontrada nas tabelas que compõem os catálogos.

49 DIMENSIONAMENTO: Carga Dinâmica Equivalente (P). Determina-se a carga dinâmica equivalente quando houver a atuação simultânea de cargas radial e axial no rolamento.

50 DIMENSIONAMENTO: Carga Dinâmica Equivalente (P). Esta carga constitui-se de uma suposta carga resultante, sendo definida por meio de: P x. Fr y. Fa Onde: P=Carga dinâmica equivalente (KN) Fr=Carga radial (KN) Fa=Carga axial (KN) x=fator radial (Adimensional) y=fator axial (Adimensional) Ex.: (Rol. de esferas) x=0,4 y=0,8 Fa/Fr 0,8

51 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: fe C. P fn. ft 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)

52 DIMENSIONAMENTO: Fator de Temperatura (ft). Temp. Máx. de Serviço (ºC) Fator de temperatura (Ft) 1,0 0,73 0,42 0,22

53 DIMENSIONAMENTO: Exemplo de informações sobre rolamentos SKF

54 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.

55 DIMENSIONAMENTO: Vida Útil do Rolamento. Temos que: Lna a1. a2. a3. Lh 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 a horas

56 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 (%) Fator a1 1,0 0,62 0,53 0,44 0,33 0,21

57 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

58 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

59 FADIGA: Elementos que normalmente falham: Fadiga em partes constituintes de um rolamento Fonte: SKF e Yesachei Consultar:

60 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.

61 FABRICANTES: ROLAMENTOS

62 EXERCÍCIO 1: Selecione o rolamento que melhor se adapta as seguintes condições: Fr=30KN RPM=500RPM Eixo Mancal

63 EXERCÍCIO 1: Rolamentos: Designação C(KN) C 0 (KN) De.(mm) MU UM MI MU UM

64 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

65 EXERCÍCIO 2: Calcule a vida útil do rolamento selecionado no exercício anterior. Considere uma vida nominal de horas, probabilidade de falha de 5%, elemento construído com aço temperado e condições de serviço excelentes.

66 EXERCÍCIO 3: Selecione o rolamento mais adequado para ser instalado em um eixo de transmissão. Fr=25KN RPM=1600RPM Fa=15KN Eixo Rolamento

67 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

68 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)

69 EXERCÍCIO 3: Rolamentos de rolos cilíndricos: Designação C(KN) C 0 (KN) De.(mm) F3-MU F3-MU F3-MU F3-MU F3-MU

70 EXERCÍCIO 4: Calcule a vida útil do rolamento selecionado no exercício anterior. Considere uma vida nominal de horas, probabilidade de falha de 10%, elemento construído com aço comum e condições de serviço deficientes.

71 EXERCÍCIO 5: Selecione o rolamento mais adequado para ser instalado em um sistema de preparação de cola. De=150mm RPM=600RPM Rolamento Fa=20KN Utilize as tabelas anteriores Eixo Fr=5KN Pás

72 EXERCÍCIO 5: Selecione o rolamento mais adequado para ser instalado em um sistema de transmissão de potência. Fator de esforços dinâmicos fe=3,0 FN2 8KN FN1 12KN N=1200RPM

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