MANCAIS 24/09/13. Depto. Eng. Mecânica / UFPE - Elementos de Máquinas- Prof. José Maria Barbosa

Transcrição

1 MANCAIS 1

2 Mancais de Rolamentos Nomenclatura Definição: tipo de mancal em que a carga principal é transferida por meio de elementos em contato por rolamento. 2

3 Mancais de Rolamentos - Objetivos 1. Identificar os tipos de rolamentos que são comercialmente usados 2. selecionar o tipo de rolamento apropriado para uma aplicação (considerando condições de carga e instalação); 3. Determinar os fatores críticos de seleção a partir das relações de forças e expectativa de vida para os rolamentos; 4. Calcular a carga equivalente sobre um rolamento correspondente a combinação de carga radial e axial aplicada sobre ele. 5. Usar dados de fabricantes pra especificar o rolamento adequado para uma dada aplicação; 3

4 Mancais de Rolamentos Exemplos 4

5 Mancais de Rolamentos Maior roda gigante do Mundo Fica na China. Tem capacidade para acomodar pessoas e tem uma altura de 208 metros. Uma volta completa durará 20 minutos e a vista sobre a cidade de Pequim proporcionada pela roda panorâmica será deslumbrante. E acompanhando estes grandiosos números estão os dois rolamentos gigantes fornecidos pelo Grupo Schaeffler (FAG). Na realidade, trata-se de dois rolamentos autocompensadores de rolos "normais",porém suas dimensões não são nada comuns: diâmetro externo mm, furo do anel interno mm, largura do anel mm. Cada rolamento incorpora 118 rolos que pesam cerca de 20kg por peça. No total, há mais de onze toneladas de aço em cada um destes rolamentos. (Fonte: Marketing Comunicações e Relações Públicas - América do Sul - Schaeffler Brasil Ltda.) 5

6 Mancais de Rolamentos Nomenclatura Rolamento versus Baixo atrito na partida; Deslizamento Grandes rotações com cargas de impacto e de curta duração; 6

7 Mancais de Rolamentos Nomenclatura 7

8 Rolamentos - Tipos 8

9 Rolamentos de esferas 9

10 Rolamentos de rolos 10

11 Rolamentos de agulhas 11

12 Mancais de Rolamentos Exemplos de gaiolas 12

13 Rolamentos Especiais - Plásticos SÃO UTILIZADOS ONDE SEUS EQUIVALENTES METÁLICOS NÃO SUPORTARIAM AS CONDIÇÕES DE AGRESSÃO QUÍMICA, E SERIAM ATACADOS. OBVIAMENTE AS CARGAS E TEMPERATURAS SUPORTADOS PELOS ROLAMENTOS PLÁSTICOS SÃO MENORES QUE OS EQUIVALENTES METÁLICOS, MAS A UTILIZAÇÃO CORRETA E O DIMENSIONAMENTO ADEQUADO ACABAM POR OFERECER REAIS VANTAGENS EM TERMOS DE DURABILIDADE. SÃO UTILIZADOS EM INDÚSTRIAS DE ALIMENTOS E BEBIDAS, FARMACEUTICAS, FOTOGRÁFICAS, MECÂNICA LEVE, USINAS DE ALCOOL E AÇUCAR, CELULOSE E PAPEL ENTRE OUTRAS. TAMBÉM SÃO OFERECIDOS RODÍZIOS COM O PERFIL ADEQUADO TANTO PARA TRANSPORTADORES AÉREOS QUANTO PARA MONTAGEM DE ROLETES TRANPORTADORES Fonte: Pneumotronics, fev09 13

14 Rolamentos Especiais - Magnéticos Alguns dispositivos de velocidade muito alta, como avançados sistemas de armazenamento de energia em volantes, usam rolamentos magnéticos. Estes rolamentos permitem que o volante flutue sobre um campo magnético criado pelo rolamento. Alguns desses volantes giram a velocidades que excedem 50 mil rotações por minuto (rpm). Rolamentos normais com roletes ou esferas podem fundir-se ou explodir a essas velocidades. Os rolamentos magnéticos não possuem partes móveis, de modo que podem suportar velocidades incríveis (Fonte: How StuffWorks, fev09) Fonte: Principais vantagens: Dispensam lubrificação; Limpos e livres de contaminação; Confiabilidade; Baixa vibração; Alta velocidade superficial; Baixo consumo de energia; Trabalham submersos; Monitoramento de condições incorporado; Sem contato. 14

15 Falhas em rolamentos (NSK, Doctor Bearing,) Escamamento (Flaking) Anel interno de rolamento contato angular / dasalinhamento na montagem. Anel interno de rolamento contato angular / lubrificação deficiente gerada por entrada de fluido de corte no interior do rolamento. Anel interno de rolamento fixo de uma carreira e esferas / impactos na montagem. 15

16 Falhas em rolamentos (NSK, Doctor Bearing,) Descascamento (Peeling) Anel interno de rolamento autocompensador de rolos / lubrificação deficiente 16

17 Falhas em rolamentos (NSK, Doctor Bearing,) Fratura (Cracking) Anel interno de um rolamento de dupla carreira de rolos cilíndricos / carga excessiva durante a instalação Anel interno de rolamento axial autocompensador de rolos / Fratura do rebordo devido a cargas repetitivas Anel externo de rolamentom de dupla carreira de rolos cilindricos / desgaste plano e geração de calor devido a não rotação do anel externo. 17

18 Rolamentos - montagem 18

19 Vida do Rolamento Vida do rolamento Número total de revoluções do anel interno ou horas de operações do rolamento necessárias pra desenvolver um certo critério de falha (por exemplo, por fadiga) a determinada velocidade constante de rotação.. Vida nominal (Rating Life, Designado pela American Bearing Manufacturers Association ABMA): O número de revoluções do anel interno ou horas de operação de um grupo de mancais de rolamentos idênticos para a qual 90% (confiabilidade) deles conseguirão chegar ou ultrapassar o critério de falha. É designada de L10. Vida Mediana: É a vida percentual de 50% de um grupo de rolamentos. A vida mediana (com confiabilidade de 0,5), tem um valor entre 4 e 5 vezes a vida nominal. 19

20 Curva de Vida Nominal de um Rolamento 20

21 Curva de Vida Nominal do Rolamento Carga dinâmica básica, Carga nominal Básica (Catalog load rating), C10 Horas Ciclos 21

22 Carga Nominal do Rolamento Carga dinâmica básica, Carga nominal Básica (Catalog load rating) Carga que um certo grupo de rolamento idênticos é capaz de suportar tal que 90% deles ultrapassem r um certo número ciclos previamente especificados pelo fabricante sem falhar. TIMKEM => 60 nr LR = ciclos SKF => 60 nr LR = 106 ciclos 22

23 Carga Nominal do Rolamento Carga estática básica, Carga estática nominal Básica (Basic static load rating), C0 Carga em que o mancal estado estático não deve ultrapassar. 23

24 Tabela de rolamentos de esferas da série 02 pista profunda e contato angular 24

25 Dimensões do eixo e e mancal - nomenclatura 25

26 Tabela de rolamentos de rolos cilindricos da série 02 e 03 26

27 Vida do Rolamento - Exemplo 27

28 Seleção de Rolamentos - Código de Dimensões (ABMA e ISO) Código: XY ZW XY => série das dimensões; X : séries das larguras Y : série dos diâmetros Séries mais utilizadas 02 e 03. ZW => Diâmetro / 5 ( para diâmetros acima de 20 mm); 28

29 Rolamentos- Código de Dimensões Exemplo NSK 29

32 Rolamentos rígidos de esferas SKF 32

33 Rolamentos rígidos de esferas SKF 33

34 Rolamentos de Esferas FAG 34

35 Carga Radial e Axial combinadas Carga radial equivalente: Carga radial que provocaria o mesmo dano que as cargas radial e axial juntas. Fe / VFr Fa / VFr > e Fa / VFr e 1 Fe = 1 e Fa / VFr 35

36 Carga Radial e Axial combinadas Carga radial equivalente: Carga radial que provocaria o mesmo dano que as cargas radial e axial juntas. 36

37 Carga Radial e Axial combinadas para mancais de esferas 37

38 Carga Radial e Axial combinadas 38

39 Carga Radial e Axial combinadas 39

40 Fator de aplicação de carga FD = k s Fe ks 40

41 Vida sugerida para projeto Vida Sugerida L 41

42 Exemplo 1 42

43 Exemplo 43

44 Exemplo 44

45 Exemplo 2 45

46 Exemplo 2 Confiabilidade global R = R1*R

47 Exemplo 2 47

48 Exemplo 2

49 Exemplo 2 Confiabilidade global R = R1*R R = R0*RA = 0,92 ks = 1,2 RA =R0=

50 Exemplo 2

51 Confiabilidade - Vida do Rolamento E se queremos aumentar a confiabilidade do nosso rolamento? Por exemplo: Um rolamento que dure 3000 horas suportando uma carga radial de 2 KN com uma confiabilidade de 0,99 ( 99% dos rolamentos atingem este tempo sem falhar). 51

52 Vida do Rolamento 52

54 Distribuição de Weibull para Confiabilidade x x 0 R( x) = exp θ x0 R x x θ b : Confiabilidade correspondente a vida L; : Medida de vida adimensional = L/L ; : Valor de referência ou limite mínimo para x; x<= x <=0; : Parâmetro característico ou fator de escala ( >= x ). Corresponde ao valor de x abaixo do qual tem 63,21% das observações; L : Vida nominal de projeto (R= 0,9); b : Fator de forma. Coeficiente de Weibull; Falha: F(x) = 1 - R(x); 54

55 Distribuição de Weibull para Confiabilidade Características: Distribuição assimétrica com diferentes valores para média e mediana; Boa concordância com a distribuição normal e exata representação da distribuição expoencial; Muita usada em ensaios de laboratório por obter bons resultado mesmo com poucos dados de amostragem; 55

56 Distribuição de Weibull para Confiabilidade Efeito do expoente b na função de probabilidade - Distorção b =1 : Distribuição expoencial; 3,3 < b < 3,5 : Aproximada Simetria. Boa aproximação com distribuição Normal Função de probabilidade: 56

59 Vida do Rolamento xb 59

61 Exemplo 61

62 Carga Variável Dano acumulado O aconteceria se a carga aplicada variasse? Por exemplo: Um rolamento sofre uma carga de 20 kn por 1000 horas depois a carga sobe para 30 kn por mais 2000 horas. Considere: Carga constante por partes em padrão cíclico; Dano proporcional a equação de vida; Regra de acumulo de dano de Palmgren-Miner. 62

63 Vida do Rolamento Dano acumulado em carregamento variável Teoria Dano linear D : Dano na carga F1 e vida LA 63

64 Vida do Rolamento Dano acumulado em carregamento variável Regra de acumulo de dano de Palmgren-Miner. DA = F1aLA ; K = C10aLB D = Fe1a l1 +;Fe2a l2 + Fe3a l3 = Feqa Σ li li : número de ciclos na carga Fei 64

65 Vida do Rolamento Dano acumulado em carregamento variável ni : rotação no tempo ti; fi : fração de revolução girando sob a carga Fei; afi : Fator de aplicação de carga do carregamento Fei; 65

66 Vida do Rolamento Dano acumulado em carregamento variável Fe1a l1 +;Fe2a l2 + Fe3a l3 = Feqa Σ li = Feqa Leq K = Fe1aL1 = Fe2a L2= Fe3a L3 = Fe1al1 + Fe2a l2 + Fe3a l3 => Σl i / Li = 1 Palmgen Miner!! 66

67 Exemplo / Exercício Um mancal radial de esferas de contato angular da série 02 com 30mm de diametro, gira revoluções a 18 kn. Estime a vida remanescente se agora o mancal é submetido a uma carga de 30kN. 67

68 Exemplo / Exercício 68

70 Exemplo / Exercício Um mancal radial de esferas de contato angular da Timkem número 207 (C10 = 8,5 kn), gira a 1000 rpm. É aplicada uma carga variável de modo que para 50%, 30% e 20% do tempo as cargas são 3, 5, e 7 kn respectivamente. Considere as cargas uniformes de modo que fator de aplicação de carga é ks = 1. Estime a vida L10 e a vida média do mancal. 70

71 Exemplo / Exercício Resposta: L = 8741 horas; Vida Média ~= 5*L = horas; 71

75 Exemplo / Exercício Em C: 75

80 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) Rolamentos de rolos cônicos suportam carga axial e diferem em alguns aspectos dos de rolos cilíndricos e de esferas. O anel interno é denominado de cone e o externo de copo ou anel de rolamento. Em um rolamento cônico mesmo só com carga radial presente, existe uma componente axial no mancal. Deve-se usar pelo menos dois rolamentos cônicos em um mesmo eixo. Seja com as costas opostas em montagem indireta ou com as frentes em oposição em montagem direta. 80

81 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) 81

83 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) A Timken desenvolveu fórmulas para calculo da componente axial de do efeito de uma carga puramente radial. K : Fator de geometria específico. É a razão de capacidade nominal radial e axial. Preliminarmente podem ser adotados os seguintes valores que devem ser corrigidos depois com os valores do catálogo, K = 1,5 => Mancais radiais; K = 0,75 => Mancais de angulos elevados. Grande deflexão; O ângulo alfa é a metade do ângulo do copo. 83

84 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) Catalogo Timkem de mancal de rolos conicos. 84

85 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) Catalogo Timkem de mancal de rolos conicos. 85

86 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) Parâmetros de Weibull para mancal de rolos cônicos Timkem. 86

87 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) A timkem trabalha com a seguinte equação, 87

92 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) Exemplo: 92

93 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) Exemplo: Tentativa: 93

94 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) Exemplo: 94

95 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) Exemplo: Rolamento A 95

96 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) Exemplo: Rolamento B Usando o mesmo rolamento de A (ficando superdimensionado) Corrigindo os fatores e repetindo o processo 96

99 Rolamentos de Rolos Cônicos (Tapered Roller Bearings) Exercicio 99