AVALIAÇÃO DE UM ÓLEO LUBRIFICANTE UTILIZADO EM REDUTORES DE ENGRENAGENS DE UNIDADE DE BOMBEIO

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1 V CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA V NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING 25 a 28 de agosto de 2008 Salvador Bahia - Brasil August 25 28, Salvador Bahia Brazil AVALIAÇÃO DE UM ÓLEO LUBRIFICANTE UTILIZADO EM REDUTORES DE ENGRENAGENS DE UNIDADE DE BOMBEIO CON Resumo: O presente trabalho propõe a avaliação tribológica do lubrificante Lubrax EGF-320-PS, utilizado em redutores de engrenagens de unidades de bombeio de petróleo. Para isso, foram feitos ensaios utilizando mancais comerciais de eixo dianteiro de bicicleta, cujas esferas são de aço AISI 520 e dureza HRC 62±4. Os mancais foram fixados em um equipamento, desenvolvido no laboratório, que imprime aos componentes tensões cíclicas a fim de caracterizar um ensaio de fadiga do contato. Foi analisada a influência dos parâmetros de entrada, carga normal e velocidade de rotação do eixo sobre o desgaste e o atrito dos mancais, variando-os em [180N e 375N] e [2.400 RPM e 1.790RPM], respectivamente. A duração dos ensaios foi de 4 horas, determinada através de experimentos preliminares, o que caracterizou aproximadamente ciclos. Foram realizados ensaios sem lubrificante e com lubrificante em um regime de lubrificação hidrodinâmico. As temperaturas próximas ao contato e ambiente, registradas durante os ensaios, serviram como uma medida indireta do atrito. Os danos gerados nos ensaios foram identificados utilizando uma Lupa (aumento: 40 vezes). Os ensaios sem lubrificação geraram partículas de desgaste e maiores taxas de calor dissipado, principalmente nos ensaios com maior solicitação, carga normal de 375N e velocidade de RPM. Os resultados confirmaram a eficiência do lubrificante na redução do atrito. Palavras-chave: Lubrificante, Tribologia, Mancais, Fadiga de contato, Aço INTRODUÇÃO Uma lubrificação precária gera perdas de rendimento pela atuação de forças dissipativas. Atrelada às pesquisas de novos óleos lubrificantes, tem-se a investigação científica do desempenho e da vida em serviço de sistemas lubrificados com tais óleos. Este trabalho trata do desempenho de um lubrificante e sua ação relativa ao desgaste por fadiga de contato das peças em movimento relativo por ele lubrificadas. A fadiga de contato é um fenômeno que reduz a vida útil dos materiais utilizados e se desenvolve devido ao contato repetido do rolamento. Outro parâmetro de extrema relevância em contatos lubrificados é a caracterização da presença de um filme lubrificante, a cujas falhas se associam inevitáveis danos às superfícies em contato, e respectivas subsuperfícies, durante o movimento relativo entre os corpos sólidos. A conseqüência da falha da película é o desgaste severo. O parâmetro λ, que correlaciona a espessura de filme lubrificante e a rugosidade média das superfícies lubrificadas e com movimento relativo entre si, associa-se diretamente ao regime de lubrificação, ao coeficiente de atrito, à energia dissipada no contato e, consequentemente, ao desgaste das superfícies lubrificadas. Neste trabalho, buscou-se uma película de filme lubrificante em regime permanente com uma espessura igual a pelo menos cinco vezes a rugosidade média das superfícies em movimento relativo, de modo a caracterizar-se um regime de lubrificação hidrodinâmico. Entretanto, na prática, ao longo do funcionamento do sistema, as flutuações elásticas do campo de pressão de contato na zona Hertziana, associadas ao campo hidrodinâmico de ação do fluido, induzem a diversos valores de λ, induzindo dano por fadiga de contato. Este tipo de desgaste por fadiga de contato, nesse regime de lubrificação, de acordo com o modelo GW, de Grenwood e Williamsom, não deveria existir na superfície, mas sim, na subsuperfície devido à influência significativa do campo de pressão em detrimento das forças de atrito onde, segundo esse modelo GW, para um coeficiente de atrito µ menor que 0,27 há uma tendência de ocorrerem danos sub-superficiais, pois o locus da máxima tensão de cisalhamento ocorre na subsuperfície e segue rumo à superfície, para coeficientes maiores que esse valor. A adoção do modelo GW e a sua associação aos danos por fadiga de contato, mapeando tais danos e os locais de sua incidência, é uma forma de visualizarem-se as flutuações do coeficiente de atrito e, pois, dos regimes de lubrificação atuantes em um contato de rolamento cíclico, como discutido por Medeiros, Dois parâmetros de entrada, associados à solicitação do sistema mecânico, são fundamentais: pressão de contato (p) e velocidade de deslizamento (V). A concepção desta investigação tem como objetivo principal avaliar o desempenho de um óleo lubrificante testado em uma bancada de fadiga de contato, com variação do par PV, desenvolvida com equipamentos e dispositivos encontrados comercialmente e de baixo custo para este fim.

2 2. MATERIAIS E MÉTODOS A bancada consiste basicamente de uma furadeira de bancada com capacidade para cinco velocidades e com motor de 1/3 de CV (245 W). Utilizou-se para esta pesquisa mancais de eixo dianteiro de bicicleta adquiridos comercialmente (Figura 1). Três peças compõem estes mancais. São elas: o componente A (Rolamento) que consiste em um suporte de esferas, de plástico e sete esferas encaixadas no mesmo. As esferas são de aço AISI 520, com diâmetro de 4,74±0,01 mm e dureza HRC 62±4, o componente B (pista superior) de diâmetro interno 7,±0,01 mm e diâmetro externo 15,78±0,01 mm, e dureza HRC 41±4, e o componente C (pista inferior) com um diâmetro interno de 9,90±0,01 mm e diâmetro externo de 24,04±0,01 mm, e dureza HRB 95±4 (2±9 Brinell). Neste componente foi medida ainda a rugosidade aritmética média (Ra), em um rugosímetro modelo Taylor Robson, e apresentou o valor de 1,588±0,008 µm. Não foi possível fazer medidas de rugosidade nos demais componentes devido à geometria dos mesmos. Para se caracterizar o regime de lubrificação hidrodinâmico aplicou-se a máxima condição de lubrificação, ou seja, os componentes em movimento relativo foram imersos em banho de óleo na expectativa de que a espessura do filme lubrificante superasse, em pelo menos, cinco vezes a rugosidade média das superfícies em contatos. Na preparação das peças para os ensaios, foram realizados banhos de ultra-som em benzina, durante min, secagem e microscopia óptica. O mesmo procedimento foi adotado após cada um dos ensaios. Nos ensaios lubrificados utilizou-se o óleo lubrificante para redutores de engrenagens de unidade de bombeio, o Lubrax EGF-320-PS, com viscosidade a 40 C de 327 cst e a 0 C de 24,9 cst e índice de viscosidade de 99. A B C 3. ENSAIOS Figura 1. Foto dos componentes dos mancais de eixo dianteiro de bicicleta ensaiados (A) Esferas na gaiola (B) Pista superior (C) Pista inferior Os ensaios consistiram na fixação do conjunto de eixo dianteiro de bicicleta em uma furadeira de bancada previamente modificada como mostra a Figura 2. O critério utilizado para o término do ensaio foi o número de ciclos para o qual se obteve danos catastróficos das superfícies deslizantes. Foram realizados ensaios levando-se em conta três variáveis: carga (1,5 e 3 kg), velocidade (1.790 e Rpm) regime de lubrificação (seco e lubrificado). Durante cada um dos ensaios, foi monitorada a diferença de temperatura entre a superfície inferior do componente C, a 2±1 mm do contato, e a temperatura ambiente. Uma placa de aquisição de dados acoplada a um computador registrou as temperaturas a uma taxa de leitura de 30 segundos por minuto, 0,5 Hz. Através de um potenciômetro, foi monitorada a potência elétrica do motor, para correlacionar o consumo de energia com o aumento do atrito. Também foram captados dados de vibração, em RMS, por meio de um medidor de vibração. Figura 2. Foto da bancada de ensaios

3 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES N-1790RPM 16 RMS(mm/s) Tempo(s) Sem Lubrificação Lubrificado A) Captação do sinal da vibração com e sem lubrificação. Carga de 180N e velocidade de 1.790RPM RMS (mm/s) N-1790RPM Lub 360N-1790RPM Lub Tempo (s) B) Captação do sinal da vibração com diferentes carregamentos. Figura 3. Gráficos da vibração, em RMS, com o tempo de ensaio No gráfico A da fig. 3 observou-se que no ensaio lubrificado os dados de vibração permaneceram com menor variação convergindo para 12 mm/s. Já no ensaio sem lubrificação, tem-se uma inconstância nos dados de vibração, onde há uma tendência de aumento até 1h 06min e 40s, neste momento há uma queda considerável de 17 mm/s a 11 mm/s. Por volta de 1h 55min 40s, novamente tem-se um crescimento até próximo de 18 mm/s. Isto indica que a ação do lubrificante foi relevante para uma estabilização da vibração mostrando que, provavelmente, houve diminuição das forças dissipativas do sistema, o que induz a um menor desgaste. No gráfico B da fig. 3 para uma mesma condição de ensaio (Lubrificado com velocidade de rotação rpm) percebeu-se que, com o aumento da carga, a lubrificação não proporcionou ao sistema a mesma estabilidade dos dados de vibração, demonstrando que o aumento da pressão de contato gerou perturbações no sistema, trazendo prejuízo à lubrificação.

4 No gráfico A da fig. 4, observou-se que o sistema lubrificado apresentou um menor consumo de energia em relação ao sistema não lubrificado, em torno de 55 W, isto mostra que uma lubrificação adequada pode influenciar diretamente na economia de energia do sistema, o que induz uma suavização nos nas forças dissipativas e conseqüentemente nos danos por fadiga de contato. No gráfico B da fig. 4, ficou evidenciado que a variação da velocidade não influenciou significativamente no consumo de energia. Para a carga de 375 N, a potência ficou em torno de 1 W em ambas as velocidades testadas e para a carga de 180 N, obteve-se também, para ambas as velocidades, potência em torno de 125 W com um leve aumento a partir de 1h e 40min para cerca de 135 W. Por outro lado quando são fixadas as velocidades e variadas às cargas tem-se uma variação significativa nos dados de potência, por exemplo, na velocidade de rpm a diferença de consumo de energia entre as cargas ficou na faixa de 33 W até 1h e 23min com uma leve diminuição até o fim do ensaio chegando a 15 W de diferença, e na velocidade de rpm a diferença de potência ficou em torno de 30 W até 1h e 23min com uma leve diminuição até o fim do ensaio chegando a 12 W. Portanto, a influência da pressão de contato no sistema foi mais significativa que aquela da variação da velocidade Sem Lubrificação Lubrificado Potência(W) Tempo (s) A) Correlação da potência com diferentes regimes de lubrificação. Carga de 180N e velocidade de 1.790RPM. 200 Potência(W) Nº de pontos 360N-1790RPM 180N-1790RPM 360N-2400RPM 180N-2400RPM B) Correlação da potência com diferentes carregamentos para as velocidades de 1970RPM e 2.400RPM. Figura 4. Gráficos de potência elétrica durante o tempo de coleta do sinal

5 70 60 T1-T2 ( C) Sem lubrificação Lubrificado Nº de Ciclos A) Correlação da temperatura com diferentes regimes de lubrificação. Carga de 180N e velocidade de 1790RPM T1-T2 ( C) N-2400RPM Lub 180N-2400RPM Lub Nº de ciclos B) Correlação da temperatura com diferentes carregamentos T1-T2 ( C) N de ciclos 360N-1790RPM Lub 180N-1790RPM Lub C) Correlação da temperatura com diferentes carregamentos. Figura 5. Gráficos da diferença de temperatura (temperatura do contato menos temparatura ambiente) versus número de ciclos

6 A) Pista superior seco 180N, rpm, 40x B) Pista superior lub 180N, rpm, 40x C) Pista superior lub 375N, rpm, 40x D) Pista superior lub 180N, rpm, 40x E) Pista superior lub 375N, rpm, 40x F) Pista superior lub 180N, rpm, 40x Figura 6. Fotos da pista superior após ensaio correspondente a cada gráfico de temperatura (T1-T2) O gráfico A da fig. 5 mostra o efeito da lubrificação na diminuição significativa da temperatura. No ensaio sem lubrificação a diferença de temperatura ficou em torno de 65 C até ciclos tendo um decréscimo a partir desse ponto chegando a 48 C em ciclos voltando a subir em torno de 60 C. Essa queda de temperatura é justificada, provavelmente, por uma lubrificação por partículas sólidas provenientes do desgaste severo, como é mostrada na foto A da Fig. 6, gerando um aumento da área efetiva de contato e consequentemente a diminuição da pressão de contato. Entretanto, no decorrer do ensaio, essa pressão de contato foi restabelecida uma vez que as partículas são deformadas plasticamente, tendendo a uma diminuição da área real de contato. No ensaio lubrificado, obteve-se uma diferença de temperatura que atingiu cerca de 23 C no período de amaciamento ( running-in ), estabilizando-se, a seguir, no decorrer do ensaio, em 20 C. A lubrificação mostrou-se eficiente, pois a superfície de rolamento da pista superior no ensaio lubrificado não apresentou danos superficiais severos, como ficou evidenciado na foto B da fig. 6. Já no ensaio sem lubrificação, o dano foi visivelmente catastrófico. O gráfico B da fig. 5 mostra a influência da carga na diferença de temperatura quando se majorou a carga de 180 N para 375 N para as mesmas condições de regime de lubrificação e mesmo número de ciclos. Com a maior carga,

7 a diferença de temperatura chegou próxima aos 40 C. Com a menor carga, a temperatura ficou em torno de 30 C. Ou seja, com o aumento carga normal e, pois, da pressão de contato, verificou-se um respectivo aumento na temperatura que está diretamente ligado ao aumento do atrito do sistema. Isso pode levar a danos mais severos, como pode se verificar nas fotos C e D da fig. 6. O gráfico C da fig. 5, analogamente ao gráfico B, mostra que a carga é um fator de influência significativa nos dados de temperatura: para uma mesma condição de lubrificação e número de ciclos, quando se majorou a carga, a diferença de temperatura no ensaio com carga de 375 N foi cerca de 20 C maior que no ensaio com carga de 180 N, até ciclos. Após esse valor, chegou-se a uma diferença de 40 C. 5. CONCLUSÃO A bancada desenvolvida, a instrumentação e o método utilizados mostraram-se eficazes em seus objetivos; O lubrificante apresentou eficiência na redução do atrito e do desgaste dos componentes dos mancais de eixo de bicicleta; A velocidade não teve influência significativa nos dados da potência; Os ensaios com maior carregamento geraram solicitações mais severas, observadas através da medida da temperatura, vibração, potência e das fotografias evidenciando os danos; 6. AGRADECIMENTOS Aos Laboratórios de Metrologia e de Mecânica dos Fluidos da UFRN, aos alunos de graduação de Engenharia Mecânica Jailton Pierre de Oliveira Freire e Marcelo Tanaka, ao estudante de graduação em Engenharia de Materiais Dyego Monteiro de Souza e Engenheira de Materiais Janaína Silva de Santana. 7. REFERÊNCIAS Stachowiak,G.W; Batchelor, A.W. Tribology Engineering, 2002, Butterworth Heinemann,. 769p. Johnson, K.L. Contact mechanics and the wear of metals, 1995, Wear Leśniewski, T., Krawiec, S. The effect of ball hardness on four-ball wear test results,2008,wear Manoj, V.; Manohar Shenoy, K., Gopinath, K. Developmental studies on rolling contact fatigue test rig,2008, Wear Medeiros, J. T. N. Fadiga de contato de discos metálicos não-conformes submetidos a ensaios a seco de rolamento cíclico,2002, Tese de doutorado. São Paulo, Escola Politécnica da USP,. 2 Vol. Greenwood, J.A. and Williamson, J.B.P. Contacto of Nominally Flat Rough Surfaces, 1966, Proc Roy Soc Lond, DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. EVALUATION OF LUBRICANT AN USED IN REDUCING OF GEARS OF PUMP UNIT. Clarissa Danielle Mendonça de Oliveira, clarissamend@hotmail.com 1 Leonardo Augusto Moreira Dourado, leonardo_amd@yahoo.com.br 1 Vinícius Carvalho Pinto, Vinicius_c_pinto@hotmail.com 1 Marcelo Renney Alves de Freitas, mrenney2000@yahoo.com.br 1 João Telésforo Nóbrega de Medeiros, jtelesforo@yahoo.com 1 1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Caixa Postal Campus Universitário Lagoa Nova CEP Natal - RN - Brasil. Abstract: The study of the tribology it comes continuously growing due to the increase in the demand of the best efficiency of components in the industries in general. The present work considers the tribological evaluation, of the lubricant Lubrax EGF-320-PS, used in reducing of gears of units of pumps of oil. For this commercial bearings of front axle of bicycle had been made test using, of steel AISI 520 and hardness HRC 62±4. The bearings had been fixed in an equipment, developed in the laboratory, that she prints to the component cyclical tensions in order to characterize an test of fatigue of the contact. The influence of the entrance parameters, normal load and speed of rotation of the axle on the consuming and the friction of the bearings had been analyzed, varying them in, 180N, 375N and 2400 RPM,

8 1790RPM, respectively. The duration of the test was of 4 hours, determined through preliminary experiments, what it characterized 600,000 cycles approximately. Test without lubricant and with lubricant in a hydrodynamic regimen of lubrication had been carried through. The temperatures next to the contact and environment, registered during the test had served as an indirect measure of the friction. The damages generated in the test had been identified using a Magnifying glass (increase: 40 times). The test without lubrication had generated particles of consuming and greaters taxes of wasted heat, mainly in the test with bigger request, normal load of 375N and speed of 2400RPM. These results confirm the efficiency of the lubricant in the reduction of the friction. Key-words: Lubricant- Tribology Bearings- Contact fatigue