INVESTIGAÇÃO DO COMPORTAMENTO REOLÓGICO DE ÓLEOS LUBRIFICANTES NA ZONA DE VEDAÇÃO DE SELOS MECÂNICOS. Bruno Vinícius Toscano

INVESTIGAÇÃO DO COMPORTAMENTO REOLÓGICO DE ÓLEOS LUBRIFICANTES NA ZONA DE VEDAÇÃO DE SELOS MECÂNICOS Bruno Vinícius Toscano DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA MECÂNICA. Aprovada por: Prof. Sylvio José Ribeiro de Oliveira, Dr. Ing. Prof. Max Suell Dutra, Dr.Ing. Prof. Sérgio Álvaro de Souza Camargo Jr., D. Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL AGOSTO DE 2005

TOSCANO, BRUNO VINÍCIUS Investigação do comportamento reológico de óleos lubrificantes na zona de vedação de selos mecânicos [Rio de Janeiro] 2005 XI, 127 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia Mecânica, 2005) Dissertação - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Selos Mecânicos 2. Propriedades reológicas 3. Bancada de testes em selos mecânicos 4. Comportamento não-newtoniano I. COPPE/UFRJ II. Título ( série ) ii

Agradecimentos Gostaria de agradecer: A Deus, pela oportunidade dessa vida. Aos amigos do alto, sem exceção, que me inspiraram nos momentos de dúvida e auxiliaram a todo o processo de elaboração deste trabalho Aos meus pais Aryclio e Helenita, pelo amor, carinho, compreensão, incentivo, amparo financeiro, educação e juízo que me deram durante toda minha vida. A minha noiva, Fernanda Gomes Alves, pelo amor, paciência, incentivo, muita compreensão por entender a minha opção por mestrado ao invés de um emprego e por proporcionar momentos muito felizes nesses últimos nove anos de convívio. Ao meu orientador, Sylvio José Ribeiro de Oliveira, por ter aceitado o grande desafio de me orientar. Agradeço também pela paciência e convivência durante este curso. Aos meus amigos e companheiros de profissão: Catunda, Castellões, Comes, Compan, Frade, João, Lincoln, Ludi, Marcelo, Marcus, Miguel, Ranny. Aos meus amigos queridos e fiéis, que em momentos felizes e de desespero, estiveram sempre ao meu lado, ouvindo com paciência minhas rabugices e costumeiras reclamações: Edson Cunha Filho, Lígia Rosa, Bernardo Teixeira, Luiz Fabiano Tavares, Jennifer e Jennice Liste. À equipe do Laboratório de Metrologia. Ao M. Sc. e engenheiro mecânico Luiz Vidal pelos ensinamentos em mecânica fina e de precisão, projeto e principalmente construção de máquinas. Aos alunos do laboratório Diogo, Anselmo, Rodrigo e Bruno, pelo auxílio na construção da tese, da bancada e apoio durante os testes. Em destaque aqui, o M. Sc. Fernando Samar, pela ajuda incondicional em tudo, desde soldagem de plugues até conselhos e idéias na seleção de componentes para a bancada. Agradeço ao CENPES/PETROBRAS pelo financiamento das modificações da bancada de testes em selos e pelo fornecimento dos óleos lubrificantes que foram utilizados nos respectivos ensaios. À Maria Adelina Santos Araújo, Luiz Fernando Lastres e Adelci Menezes de Oliveira pela atenção dispensada nessa parceria. iii

Ao Laboratório de Tecnologia Mecânica (LTM) pelo apoio integral quanto à fabricação de alguns componentes da bancada de testes. Em especial agradeço ao Chefe do LTM, Professor José Stockler Canabrava Filho. Não posso deixar de agradecer também aos amigos e colegas do CEAO, COMEERJ, que de algum modo, se preocuparam com esse trabalho também. E, por fim, ao CNPq, pela bolsa de estudo nesses dois anos, que auxiliaram o desenvolvimento deste trabalho. iv

Resumo da dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) INVESTIGAÇÃO DO COMPORTAMENTO REOLÓGICO DE ÓLEOS LUBRIFICANTES NA ZONA DE VEDAÇÃO DE SELOS MECÂNICOS. Bruno Vinícius Toscano Agosto/2005 Orientador: Sylvio José Ribeiro de Oliveira, Dr. Ing. Programa: Engenharia Mecânica Selos mecânicos são elementos de vedação amplamente utilizados em máquinas rotativas, como bombas e compressores. Para que esses componentes tenham bom desempenho e taxas de desgaste reduzidas, é necessário uma lubrificação adequada das superfícies escolhidas. Devido a suas características construtivas, a espessura de filme é pequena e as velocidades de deslizamento são altas, acarretando assim, altas taxas de cisalhamento no fluido. Para investigar o comportamento reológico dos lubrificantes, foram feitas modificações numa bancada de testes em selos mecânicos já existente, juntamente com o desenvolvimento de uma metodologia. Com a medição da carga normal, juntamente com a medição do momento de atrito, ambas combinadas com a variação de pressão na superfície desses selos, podem obter as propriedades reológicas mais importantes, tais como curvas de fluxo, de viscosidade aparente e a curva de atrito viscoso para cada lubrificante. A metodologia implementada e os resultados obtidos à partir do sensoriamento da bancada mostram-se eficazes na análise do comportamento dos fluidos, mostrando que, à partir de uma taxa de cisalhamento, esses comportam-se como líquidos não-newtonianos. v

Abstract of disertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M. Sc.) INVESTIGATION OF RHEOLOGICAL BEHAVIOUR OF LUBRICANT OILS ON THE SEALING ZONE OF MECHANICAL SEALS Bruno Vinícius Toscano August/2005 Advisors: Sylvio José Ribeiro de Oliveira, Dr. Ing. Department: Mechanical Engineering Mechanical seals are seal elements widely used in rotating machines, as pumps and compressors. For these components have good performance and reduced rates of wear, an adequate lubrication of the chosen surfaces is necessary. Due to its constructive characteristics, the film thickness is small and the sliding speeds are high, causing high shear rates in the fluid. To investigate the reological behavior of the lubricant, modifications in a test bench of mechanical seals had been made, and a methodology had been developed. The measurement of the normal load, and the measurement of the friction torque, both combined with the variation of pressure in the surface of these seals, can obtain important reological properties, such as curves of flow, apparent viscosity and the curve of viscous friction for each lubricant. The implemented methodology and the results obtained from the test bench had revealed to be efficient on the analysis of the behavior of fluids, showing that, from a certain shear rate, these lubricants show a non-newtonian behaviour. vi

Indice 1. Introdução 1.1. Lubrificação em filmes finos 1.1.1. Número de Reynolds. 1.1.2. Equação de Reynolds 1.2. A Curva de Stribeck 1.3. Lubrificantes. 1.3.1. Óleos básicos 1.3.2. Aditivos 1.3.2.1.Aditivos 1.3.2.2.Aditivos 1.3.2.3.Antioxidante 1.3.2.4.Antioxidante 1.3.2.5.Extrema pressão (EP) 1.3.2.6.Modificador de atrito (FM) 1.3.3. Viscosidade 2. Vedação e selos mecânicos 2.1. A selagem. 2.1.1 Difusão 2.1.2 Convecção 2.1.3 Escoamento pressurizado 2.2. Selos dinâmicos 2.2.1. Conceitos Básicos de Selos Mecânicos 2.2.2. Modos de operação em selos mecânicos 2.3. Determinação do regime de escoamento 2.4. Força na face e balanceamento do selo 2.5. Vazamento hidrostático 2.6. Topografia da superfície 2.7. Rugosidade e temperatura 2.8. Regimes de Lubrificação e Espessura de Filme 2.9. Dinâmica dos selos 2.10. Regime transiente 01 02 03 04 05 09 09 10 10 11 11 11 12 12 12 14 14 15 16 16 16 17 20 21 23 23 27 29 29 32 33 vii

2.11. Projeto de selos mecânicos 2.12. O Limite PV 2.13. Carbeto de tungstênio 3. Reologia. 3.1. Conceitos 3.2. Reometria 3.3. Reômetro Rotacional 3.4. Modelos viscoso, elástico e plástico. 3.4.1. O modelo elástico 3.4.2. O modelo viscoso 3.4.3. A resposta plástica 3.5. Reologia em selos mecânicos 4. A bancada de selos mecânicos. 4.1. Os tipos de tribotestes 4.2. Concepção da bancada de testes em selos mecânicos 4.3. Modificações na bancada de testes 4.4. Forças e pressões sobre a superfície de contato 4.5. Controle e aquisição de dados na máquina de selos 5. Metodologia experimental e resultados buscados 5.1 Verificação da aplicabilidade do conjunto 5.2 Avaliação do selo mecânico 5.3 Comportamento do selo para regimes permanentes 5.4 Curva de atrito 5.5 Cálculos para obtenção das propriedades reológicas 5.5.1 Limite da tensão de cisalhamento 5.5.2 Viscosidade aparente 5.5.3 Módulo elástico ao cisalhamento 5.5.4 Viscosidade aparente 6. Resultados obtidos 6.1 Regime de lubrificação 6.2 O Limite PV 6.3 Comportamento do Momento de atrito em regime constante 6.4 Aspectos qualitativos das propriedades reológicas 35 37 38 41 41 48 51 52 52 52 53 55 58 58 60 63 69 71 74 74 77 79 83 85 87 89 90 90 91 91 93 98 99 viii

6.5 Viscosidade aparente 101 6.6 Coeficiente de atrito 102 6.7 Limite da tensão de cisalhamento 104 6.8 Módulo elástico ao cisalhamento 107 7. Conclusões 108 8. Referências bibliográficas 110 Anexo A Curvas de atrito 114 Anexo B Curvas de fluxo 117 Anexo C Curvas de viscosidade 120 Anexo D Momento de atrito em regime permanente 123 ix

Nomenclatura A - Área do anel, da pista, da placa superior a - Fator adimensional A 1 - Área hidraulicamente carregada b - Largura da pista B - Fator de balanceamento c - Fator adimensional Co - Cobalto CR - Taxa de cisalhamento controlada CS - Tensão de cisalhamento controlada CrNiMo - Liga cromo-níquel-molibidênio E - Módulo de elasticidade EP - Extrema pressão FM - Modificador de atrito F, F at - Força de atrito F 0 - Força de atrito do anel secundário F s - Força aplicada pela mola G - Módulo elástico ao cisalhamento ou módulo de Young G - Parâmetro de lubrificação g - Gravidade h - Espessura de filme IV - Índice de viscosidade K - Constante de proporcionalidade k - Condutividade térmica L - Parâmetro de lubrificação M - Motor n - Índice de consistência p - Pressão exercida pela mola s p 1 - Pressão de selagem no interior da câmara p 2 - Pressão externa ao selo p - Pressão absoluta média st p - Pressão média na interface do selo h p din - Pressão hidrodinâmica do filme p - Pressão na superfície do selo Q - Vazamento hidrostático r - Raio médio do selo r - Raio interno do vedador secundário b r i - Raio interno do anel cerâmico R a - Rugosidade média aritmética R q - Rugosidade média quadrática R t - Combinação de rugosidades superficiais Re - Número de Reynolds Re - Número de Reynolds para escoamento Couette c Re - Número de Reynolds para escoamento Couette laminar CL Re - Número de Reynolds para escoamento Couette turbulento CT x

Re p - Número de Reynolds para escoamento Pouseiulle t - Tempo T - Temperatura u, v,w - Coordenadas espaciais x,y,z - Coordenadas cartesianas V - Velocidade média de deslizamento W - Carregamento total [N] WC - Carbeto de tungstênio ZDDP - Zinco dialkilditiofosfato α - Fator de característica de escoamento β - Coeficiente de expansão térmica γ - Deformação angular γ& - Taxa de cisalhamento η - Viscosidade dinâmica ρ - Densidade τ - Tensão de cisalhamento τ L - Limite de tensão de cisalhamento ν - Viscosidade cinemática ω - Velocidade angular xi

1. Introdução Segundo Carreteiro e Moura [1], o atrito é o resultado da interação de duas superfícies, as quais ao deslizarem uma sobre outra têm também como conseqüência o desgaste de uma ou de ambas. A ciência que estuda estes fenômenos chama-se tribologia, que deriva das palavras gregas Tribos e Logos que podem ser traduzidas como Esfregar e Estudo, respectivamente. Segundo Ludema [2], a existência de atrito é benéfica em muitas situações, por exemplo, para fazer vibrar as cordas de um violino com o arco, ou quando se deseja que um automóvel faça uma curva ou freie. Contudo, o interesse fundamental da tribologia reside na diminuição do atrito e do desgaste, utilizando-se diversos tipos de lubrificantes, que formam uma fina película entre ambas as superfícies em contato. No entanto, a redução ou eliminação dessa película durante o trabalho dos componentes mecânicos resulta num processo de degradação lenta e irreversível dessas mesmas superfícies. As conseqüências do atrito e desgaste são muitas. Segundo Maru [3], primeiramente, atrito e desgaste têm como conseqüências o custo em dinheiro. Para terse uma noção do efeito do atrito e do desgaste, Maru [3] acrescenta que, só nos E.U.A. gasta-se 6% do P.I.B., o que equivale a 420 bilhões de dólares, por ignorância dos problemas tribológicos. Além disso, atrito e desgaste diminuem a produtividade nacional, podendo ocorrer de várias formas. De acordo com Ludema [2], um produto nacional será menos atrativo caso se desgaste mais rapidamente que o produto concorrente estrangeiro. Segundo, se muitos produtos desgastam e quebram com muita freqüência, muitas pessoas estarão envolvidas em reparar tais itens ao invés de contribuírem para a produtividade nacional. Terceiro, pode afetar a qualidade de vida de uma comunidade, quando se usa por exemplo, válvulas cardíacas artificiais. Não se deseja que haja desgaste de tal equipamento. Ludema [2] destaca o progresso realizado ao longo do século XX, como o seguinte exemplo: um carro do começo do século passado que durasse 30000 kilômetros, era considerado exceção, pois o mesmo se deteriorava. Esses carros poluíam as ruas com óleo e graxa que vazava pelos selos, o motor queimava muito lubrificante quando este chegava a 300 kilômetros. As garagens desses carros tinham os chãos sujos, mas Ludema [2] complementa que muitas coisas melhoraram de lá para cá. Os lubrificantes têm uma uniformidade maior em matéria de viscosidade, com menos 1

produtos químicos perigosos. Os materiais que compunham os rolamentos e mancais podem lidar melhor com mais carga e vazamentos. O processamento de materiais melhorou e foi criada uma nova série de materiais mais eficientes. Além disso, os selos para eixos melhoraram significativamente. Tudo isto justifica o fato da tribologia ser uma ciência com influentes implicações tecnológicas cada vez mais atuais. Segundo Jacobson [4], há mais de 100 anos as experiências de Tower Beauchamp mostraram que a pressão em um mancal não era constante e igual à carga dividida pela área de rolamento projetada, que tinha sido suposta antes. Isso teria conduzido Reynolds a desenvolver sua equação para o acúmulo da pressão em uma película fina do óleo. A equação com as condições de contorno apropriada foi usada mais tarde para calcular o acúmulo da pressão e a capacidade de carregamento para diferentes geometrias do rolamento. Reynolds teria também chegado a conclusão de que as espessuras de película calculadas do óleo deveriam então ser 10 a 20 vezes a rugosidade rms combinada das superfícies de rolamento. 1.1- Lubrificação em filmes finos O desempenho de tipos particulares de selos é governada pela resistência ao escoamento através de uma folga na interface de selagem que é muito pequena. Selos mecânicos, que são vedadores dinâmicos utilizados em máquinas rotativas, podem deslizar sobre um filme de menos de 1 µm de espessura. O escoamento nessas situações é, normalmente dominado por uma coesão intermolecular do fluido e a adesão do fluido com a superfície. Uma medida de coesão é a viscosidade dinâmica (η ) do fluido. Segundo Muller [5], quando as forças viscosas são dominantes num meio que escoa, as linhas de fluxo nas redondezas são paralelas e o escoamento é laminar. No entanto, o fluido adere às superfícies deslizantes do selo e as irregularidades locais da superfície defletem o fluido através do escoamento principal. Quando as forças viscosas são dominantes, essas perturbações locais são logo atenuadas e o escoamento, em geral, mantém-se laminar. No entanto, se a velocidade é alta ou a viscosidade é baixa, existe um limite no qual o escoamento torna-se turbulento, caracterizado pelo movimento intensamente caótico das partículas do fluido. Ambos critérios de transição de escoamento laminar para turbulento e a base de cálculo para o escoamento laminar estão diretamente relacionados com o número de 2

Reynolds ( Re ) enquanto os parâmetros de escoamento (geometria, pressão, velocidade e viscosidade) são inter-relacionados pelas equações de Reynolds. 1.1.1 - Número de Reynolds Segundo Muller [5], considerando a separação do selo h, que contenha um fluido de densidade ρ e viscosidade dinâmica η, escoando com velocidade média V, define-se o número de Reynolds como: V 2hρ V 2h Re = = (1.1) η ν Muller [5] acrescenta, que através de experiências é sabido que o escoamento em folgas estreitas torna-se turbulento quando o valor de Re ultrapassa um valor crítico que oscila entre 2000 e 4000. Se as faces do selo são rugosas, a transição aconteceria mais cedo, quando oscila entre 500 e 1000. Para folgas menores que 10µm, o escoamento é laminar sob praticamente todas as condições de trabalho. O escoamento de gases é diferente de líquidos incompressíveis principalmente porque gases são muito menos viscosos e aumentam de volume quando a pressão cai. Então, para a mesma folga e diferença de pressão, o gás flui muito mais rápido que o líquido e sua velocidade aumenta na saída da folga do selo. Como resultado, é muito mais provável que o escoamento de gases torne-se mais turbulento.[5] Segundo Cheng [6], a Teoria da Lubrificação inicia-se com as equações de Navier Stokes e a equação da continuidade. Simplificações consistentes são empregadas com a lubrificação hidrodinâmica, e o resultado obtido é um conjunto de equações relativamente simples que descrevem a distribuição de velocidade e pressão através do campo de escoamento. As suposições feitas são as seguintes: - A espessura de filme no fluido é muito pequena comparada com sua extensão - Os efeitos da gravidade são negligenciados 3

- A viscosidade não varia através da espessura de filme. - Uma possível curvatura da superfície é muito grande comparada a espessura de filme. - O fluido adere a superfície sem escorregamentos - A inércia do fluido é negligenciada. 1.1.2 - Equação de Reynolds A equação que se segue governa a distribuição de pressão no filme de fluido e é chamada de equação de Reynolds já que Reynolds foi o primeiro a deduzi-la. Figura 1 - Canal de Fluxo do Lubrificante De acordo com Ludema [2], usualmente, a completa equação de Reynolds não é necessária para um problema específico. Para fluidos incompressíveis com parede impermeável, pode-se escrever. 3 3 h P h P h h = U + x x + y y 6 12 µ µ x t (1.2) A lubrificação em eixos foi amplamente estudada nos últimos dois séculos, pois estes componentes foram muito usados em máquinas de geração de energia. A magnitude das forças viscosas de um fluido entre duas superfícies paralelas pode ser calculada com a equação 1.3. Esta equação define viscosidade dinâmica por η. [2] 4

Área A Velocidade V Figura 2 Escoamento em placas paralelas [2] F = ηav (1.3) h Após o estabelecimento das condições básicas para promover a ação hidrodinâmica, acrescentando a isto a equação apresentada por Reynolds, diversos pesquisadores abraçaram o desenvolvimento técnico-científico do processo de lubrificação e suas nuanças. Pinkus [7], ao elaborar uma evolução histórica da teoria hidrodinâmica, apresentou os variados caminhos da evolução científica promovida nas últimas décadas nos variados regimes de lubrificação, que são classificados em limítrofe, misto, elastohidrodinâmico e hidrodinâmico. 1.2 A Curva de Stribeck O comportamento básico desses sistemas pode ser resumido na figura 3. Tal curva é composta no eixo da abscissa por três grandezas fundamentais: viscosidade dinâmica η, velocidade entre as superfícies V e o carregamento W. O eixo da ordenada representa o atrito desenvolvido em cada regime de lubrificação, orientada basicamente pelas condições operacionais de um sistema qualquer. 5

ηv W Figura 3 Regimes de lubrificação [2] O regime hidrodinâmico é caracterizado explicitamente pela área cinzenta da figura 3. A separação das superfícies neste regime é promovida por uma espessa camada de lubrificante, que, por sua vez, promove perda através do cisalhamento viscoso aumentando assim o coeficiente de atrito. Lubrificação Hidrodinâmica Figura 4 - Lubrificação Hidrodinâmica Quando superfícies metálicas, em movimento relativo, são separadas por um filme lubrificante fino, o atrito é reduzido devido a interações físico-químicas entre as superfícies deslizantes. Segundo Komvopoulos et al.[8], o regime limítrofe se caracteriza pela ação dos aditivos na manutenção das superfícies em contato metalmetal, já que o fluido lubrificante seria incapaz de desenvolver um gradiente de pressão para separar as superfícies em contato. 6

Lubrificação Limítrofe Figura 5 - Lubrificação limítrofe O regime misto apresenta-se como uma faixa instável entre dois diferentes regimes, limítrofe e hidrodinâmico. Em certos momentos, ocorre o contato entre metalmetal e em outros momentos ocorre a formação de uma fina película de lubrificante. Entretanto tal película apresenta-se incapaz de manter sua própria integridade ao confrontar-se com tais condições operacionais impostas no regime misto. Lubrificação Mista Figura 6 - Lubrificação mista A lubrificação mista é dividida em dois tipos. O primeiro pode ser caracterizado por apresentar velocidade relativamente baixa com pressão linear relativamente alta, que tem como exemplo engrenagens, cames e rolamento. O segundo tipo tem como característica possuir velocidade relativamente alta com pressão linear relativamente baixa, que tem como exemplo o sistema pistão-cilindro. Os dados de Stribeck conduziram a uma única curva, como mostrado na figura 7. Era uma maneira de prever o desempenho de um elemento da máquina. Contudo, esta observação não é estritamente verdadeira para situações mais complexas da lubrificação onde as ações físicas e químicas são importantes. A forma da curva com seu mínimo serviu para a identificação dos regimes da lubrificação durante o século XX. Os regimes 7

da lubrificação associados convencionalmente com os anéis de pistão, o came-seguidor e os rolamentos de motor de um automóvel são mostrados na figura 7. Figura 7 Tipos de lubrificação [9] Estes componentes confiam em modos diferentes da lubrificação para o seu desempenho satisfatório e certamente cada um pode trabalhar em mais de um regime de lubrificação durante um ciclo, como por exemplo, no caso dos pistões. Isto reflete os desafios que enfrenta o projetista em melhorar características operacionais, em função de um melhor controle de emissões e na eficiência de energia. [9] Segundo Appeldoorn [10] selos mecânicos, retentores e guias se enquadram também como exemplos de componentes que trabalham em regime de lubrificação mista. [10] 8

1.3 Lubrificantes Segundo Lastres [11], as formas mais comuns de lubrificantes para equipamentos são as graxas e os lubrificantes que podem ser tanto em forma de fluidos quanto sólidos. Os óleos, por exemplo, são encontrados nessa categoria de lubrificantes fluidos. Os lubrificantes sólidos são usados em casos onde haja temperatura elevada, não sendo possível a utilização dos outros tipos mencionados. Uma outra situação clássica ocorre quando o calor gerado é pequeno, devido ao atrito do conjunto. As graxas são usadas quando não existe a facilidade de formação de fluido capaz de proteger as superfícies do desgaste, como por exemplo, em engrenagens. Os óleos lubrificantes são formados por um óleo básico juntamente com certos aditivos, que serão abordados na próxima seção. 1.3.1 Óleos básicos Existem duas classificações quanto aos óleos básicos: minerais ou sintéticos. Segundo Lastres [11], três tipos de óleos minerais podem ser obtidos. Os parafínicos, que possuem como característica terem suas moléculas completamente saturadas; os naftênicos, que são similares aos parafínicos, porém, às vezes, são ligados a um anel cíclico; e os aromáticos que são ligados através de uma estrutura geométrica hexagonal conhecida como anel aromático. Os óleos básicos com predominância parafínica são mais usados em motores, por possuir um alto índice de viscosidade. Os óleos básicos naftênicos são mais usados em amortecedores e fluidos de corte, por exemplo, por possuir baixo índice de viscosidade, ou seja, baixa resistência do fluido em reduzir sua viscosidade com a temperatura. Os óleos sintéticos apresentam melhor estabilidade no que diz respeito à oxidação e em sua capacidade térmica em comparação aos óleos minerais, porém são obtidos de reações químicas, o que deixa em desvantagem em matéria de custo se comparado aos óleos naftênicos e parafínicos. 9

1.3.2 Aditivos Como mencionado na seção 1.3.1, geralmente, um óleo lubrificante é composto por um óleo básico ou uma mistura de óleos básicos e um pacote de aditivo que complementam as características de desempenho para as devidas áreas de atuação do lubrificante. Segundo Araújo [12], os aditivos são acrescentados aos óleos visando modificar determinadas propriedades dos lubrificantes. Os aditivos mais importantes aplicados a esses óleos podem ser o de antidesgaste, antiespumante, antioxidante, anticorrosivo, extrema pressão e modificadores de atrito. Segundo Bartz [13], os aditivos tribológicos se dividem em três classes de compostos: orgânicos, metal-orgânico (organometálicos) e inorgânicos. As funções dos aditivos tribológicos são divididas de acordo com a sua ação final. Estão mencionados abaixo os aditivos mais importantes. 1.3.2.1 - Antidesgaste (AW) Grupo de aditivo tribológico que é efetivo no regime de lubrificação mista, onde a penetração de filme lubrificante é intermitente. São compostos adsorvidos quimicamente e reagem com o metal, formando um filme sólido que, ao sofrer deformação, permite uma nova distribuição de carga. Um dos exemplos mais comuns de aditivo antidesgaste é o zinco dialkilditiofosfato (ZDDP), ostensivamente utilizado por fornecer boas respostas no controle do desgaste e atrito. A figura 8 demonstra o mecanismo geral de ação dos aditivos antidesgaste. O processo se inicia com a adição de energia ao sistema, geralmente identificada pelo aumento de temperatura local ou pressão. Concomitantemente, ocorre um processo de deposição por adsorção química dos novos compostos gerados. Rapidamente, produz-se um filme sólido totalmente aderido à superfície com aprimorada resistência ao cisalhamento com propriedades antidesgaste e de redução de atrito. Aditivos que combinam ambas as funções de redução de atrito e desgaste são geralmente compostos de enxofre-molibdênio como, por exemplo, molibdênio ditiofosfato e molibdênio ditiocarbamato; 10

Figura 8 Mecanismo geral de ação dos aditivos antidesgaste [13] 1.3.2.2 Antiespumante É importante para evitar a formação de espuma e como conseqüência, um contato maior com o ar, criando mais facilidades de se obter a oxidação desse fluido. A formação de espuma se dá devido à agitação do óleo, devido à lubrificação em partes móveis de um equipamento. 1.3.2.3 Antioxidante Segundo Araújo [12], a primeira função desse aditivo é evitar a formação de borras devido ao aquecimento do óleo. De acordo com Lastres [11], a segunda função é de controle do aumento de viscosidade oriundo do processo de polimerização dos produtos oxidados que se misturam ao óleo, por possuírem pesos moleculares muito próximos. 1.3.2.4 Anticorrosivo Tem como função, de acordo com Araújo [12], de proteger as partes metálicas do ataque corrosivo gerado pelos produtos de oxidação existentes nos óleos lubrificantes, como já mencionado no item 1.3.2.3. Existe a formação de um filme de moléculas polares na parte metálica que se deseja proteger. É mencionado também existir uma composição que não permite a superfície ter contato nem com peróxidos, nem com água e produtos oxigenados. 11

1.3.2.5 - Extrema pressão (EP) Grupo de aditivo tribológico que previne o desgaste por adesão, que promove grandes remoções de material ( seizure ) e soldagem (as superfícies se aderem) em severas condições operacionais. Usualmente, eles controlam os danos quando ocorre aumento do número de pontos em contato entre as superfícies. O aprimoramento da capacidade de sustentação de carga gerado por tais aditivos pode estar associado com uma diminuição ou um aumento do desgaste. Esta característica está associada ao fato de que estes aditivos de extrema pressão são usualmente efetivos somente por reações químicas. Então, seu uso envolve possíveis problemas de corrosão. 1.3.2.6 - Modificador de atrito (FM) Possui componentes químicos incluindo compostos contendo oxigênio, nitrogênio, molibdênio, cobre e outros, que permitem reduzir o coeficiente de atrito promovendo um deslizamento mais suave. Este aditivo aumenta a resistência do filme de óleo lubrificante principalmente pela adsorção física. 1.3.3 Viscosidade Segundo Hersey [14], a viscosidade, que é a propriedade mais importante de um lubrificante, é dependente diretamente da temperatura e pressão. Para descrever a viscosidade de um lubrificante completamente, esse valor deve estar contido entre duas temperaturas e duas pressões, no mínimo. Existem algumas maneiras para retratar o comportamento da viscosidade com a temperatura. A dependência da viscosidade sobre a temperatura pode ser representada, sob uma faixa considerável de temperatura e viscosidade, pela ASTM D 341 através da equação temperatura-viscosidade de MacCoull-Walther. log[log ( ν + 0,7)] = A B (log T ) (1.4) onde A e B são constantes, obtidas através de pelo menos dois dados, e T é a temperatura absoluta em Kelvin. A constante 0,7 é válida para faixas de viscosidade cinemática de 2 a 2 10 7 cst. 12

Os lubrificantes são classificados quanto à sua viscosidade, ao tipo de teste de desempenho para aprovação e ao tipo de mecanismo para que foi designado. Existem classificações tais como industrial, automotivo, marinha e aviação. De acordo com Bartz [13], um fluido lubrificante é caracterizado como um produto final quando este atende as exigências como características reológicas de viscosidade, condutividade térmica, calor específico, coeficientes de pressãoviscosidade e temperatura-viscosidade, densidade, tensão superficial entre outros. O óleo lubrificante deve ser capaz de obter um bom resultado no que diz respeito à corrosão e ferrugem, volatilidade, produção de espuma, toxicidade, se ele é ou não biodegradável, miscibilidade, filtrabilidade, desempenho reológica quanto à força de cisalhamento e perda de viscosidade permanente, desempenho tribológico quanto ao atrito, desgaste, sustentação de carga e fadiga superficial, etc. 13

2. Vedação e Selos Mecânicos Segundo Ludema [2], quando o homem inventou o pistão, desenvolveu juntamente um vasto número de equipamentos complexos. Durante esse processo, haviam problemas na vedação e que não poderia ser resolvido, tanto tecnicamente quanto economicamente. O desejo de evitar-se qualquer tipo de vazamento provou ser uma meta inatingível, devido a problemas físicos. Por outro lado, sobre certas circunstâncias, mesmo altas taxas de vazamento são consideradas toleráveis se for de ar ou vapor. Para reduzir certos vazamentos são necessários sistemas mais caros de contenção e drenagem. [2] Ludema [2] acrescenta que a necessidade de vedação em eixos, pistões e componentes de máquinas no curso da evolução tecnológica, resultou numa enorme variedade de sistemas de vedação que podem representar uma alta diversidade de quase todos os componentes de máquina em engenharia. Os sistemas de vedação que dominam o mercado são os selos hidráulicos, os selos para eixo e os selos mecânicos. No curso desse desenvolvimento, existe uma demanda para enfrentar constantes aumentos de pressões, temperaturas e velocidade de deslizamento. Quando um selo falha, os custos tornam-se muito altos. Os custos de reparo podem ser centenas de vezes maiores do que o próprio selo, porém esse fato não é percebido quando os selos são selecionados e instalados. Ludema [2] conclui que uma súbita falha num selo pode resultar numa catástrofe, como o desastre do ônibus espacial Challenger, que revelou o perigo diretamente ligado à escolha do selo. 2.1 A selagem O problema generalizado de selagem, entre os componentes móveis de uma máquina, está representado na figura 9 e pode ser descrito como um controle de mistura de fluido entre duas regiões que dividem a mesma região de fronteira. Em situações de selagem dinâmica, existe movimento relativo na fronteira. Em situações estáticas, esse movimento é inexistente. Outros exemplos de selos dinâmicos são os selos mecânicos, retentores, labirintos e anéis raspadores de pistões. Selos estáticos incluem gaxetas, o rings e selantes. 14

A fronteira é normalmente cilíndrica, como por exemplo, eixos, pistões ou barras. Uma relativa folga é necessária entre a superfície estacionária e a que se movimenta, que não pode realizar sua função de vedação sem qualquer tipo de ajuda. O fluido escoa por essa folga através de uma variedade de processos físicos. Por exemplo, gradientes de pressão, concentração, atrito, temperatura, velocidade, cisalhamento, interação molecular, inércia ou forças eletromagnéticas. [5] Região 1 Região 2 Fluido 1 Fluido 2 Figura 9 Região de fronteira [5] Qualquer folga, mesmo sendo pequena, permite a passagem de moléculas de fluido em qualquer direção. A questão de selagem então, torna-se uma questão de níveis, jamais sendo absoluta. Segundo Muller [5], os termos vazamento e selagem são freqüentemente usados, porém em engenharia estes termos devem ser definidos de uma maneira bem apropriada ao contexto. Vazamento é normalmente considerado quando o fluido atravessa a zona de vedação e é encontrado em suas redondezas. No entanto, em algumas circunstâncias, o vazamento pode ser proveniente do ambiente e entrar no sistema, misturando-se com o fluido que se encontra vedado. Existem modos de vazamento a serem descritos 2.1.1 - Difusão O tamanho de uma molécula de vapor de fluido a ser vedado é menor que 1η m. 9 (10 m). Pode haver difusão pela folga, até por poros ou pelo componente que realiza a vedação. Segundo Muller [5], realizar a vedação desses sistemas de gás tóxico ou de vapor são muito caros. No entanto, se o fluido a ser vedado não cria um ambiente que pode causar danos, como vapor d água ou ar comprimido, podem ser utilizados sistemas mais simples de vedação e vazamentos relativamente altos são tolerados. O processo de 15

difusão é guiado pelo gradiente de concentração e o movimento molecular tende a nivelar os níveis de concentração. [5] 2.1.2 - Convecção O escoamento de ar induzido pelas partes móveis de um selo podem mover gotas minúsculas de líquido para fora da zona de vedação através da folga, especialmente em selos sem contato entre as superfícies. Então, de maneira análoga, Muller [5] acrescenta que as partes móveis podem induzir escoamento de ar para o interior, que transporta partículas de poeira do ambiente para dentro do espaço a ser selado. 2.1.3 - Escoamento pressurizado Este é o modo de vazamento mais comum que usualmente é mais preocupante na prática. O vazamento líquido é freqüentemente observável como gotejamento. A taxa de vazamento aumenta com o aumento do gradiente de pressão. Gases pressurizados e vapor também vazam em resposta a diferença de pressão. Pode haver mudança de fase devido à redução de pressão ou aquecimento por atrito, ou ambos casos podem ocorrer. [5] 2.2 - Selos dinâmicos Segundo Muller [5], selos para fluidos são divididos em duas classes principais selos estáticos e selos dinâmicos. Selos estáticos são gaxetas, juntas o`-rings, juntas soldadas e dispositivos similares usados para selar conexões estáticas ou folgas entre as partes envolvidas. Um selo dinâmico é qualquer dispositivo usado para restringir escoamento ou fluido através de uma folga por relativo movimento entre as superfícies móveis. Alguns selos dinâmicos também incluem elementos de vedação estáticos em seu desenho. Segundo Cheng [6], selos também são freqüentemente classificados como selos de contato ou selos com afastamento. Alguns elementos do selo podem operar como selos de afastamento sob certas condições e como selos de contato em outras. O termo selo pode referir-se mais ao sistema do que a um dispositivo simples. Um sistema de 16

selagem pode requisitar um selo mecânico, um labirinto e um o ring, a fim de produzir o resultado final desejado. A face de selagem de uma máquina pode ser de duas formas. Uma selagem radial formada por duas superfícies cilíndricas opostas, com vazamento axial entre as mesmas ou uma selagem axial formada por duas superfícies planas opostas com vazamento radial entre as mesmas. (A) Figura 10 (A) Selos axiais e (B) Selos radiais (B) Desde os tempos da revolução industrial, foram usados selos radiais. Essa mudança aconteceu a partir do momento em que surgiram problemas devido ao aumento das velocidades e pressões de trabalho. Outros problemas seriam as altas taxas de vazamento necessárias para evitar super aquecimento, devido à grande área de contato. A selagem em novos sistemas é dominada por selos mecânicos axiais. 2.2.1 Conceitos Básicos de Selos Mecânicos O primeiro objetivo de um selo mecânico é manter reduzido tanto o vazamento quanto o atrito gerado entre as superfícies. Porém, esses dois parâmetros se contradizem. O contato mecânico entre as faces do selo para reduzir o desgaste causa muita perda por atrito. Por outro lado, uma abertura grande reduz o atrito, porém aumenta o vazamento. 17

Segundo Lin [15], operações com altas velocidades utilizando-se selos podem causar turbulência no filme. Nessas circunstâncias, o vazamento começaria a aumentar quando se chega à faixa de turbulência. Considerando que a transição para a turbulência depende do número de Reynolds Re = ρr ω η, como mencionado na seção 1.1.1, o fluido selado torna-se turbulento quando Re 1000. Selos mecânicos não somente permitem um vazamento pequeno, bem como também apresentam nível baixo de atrito em velocidades altas. A mobilidade axial do anel flutuante, normalmente sobre molas, automaticamente compensa o desgaste das faces de selagem, então os selos mecânicos não necessitariam de ajustes em serviço. De acordo com Flitney [16], selos mecânicos são aplicados em quase todo setor de tecnologia onde eixos requerem controle de vazamento de um fluido pressurizado. Milhões deles são usados em bombas de resfriamento automotivas e máquinas de lavar domésticas. A maioria dos processos de bombeamento químicos, petroquímicos e indústrias de papéis são equipadas com selos mecânicos. Em engenharia mecânica, selos mecânicos são usados em ferramentas de máquinas, compressores, caixas de marcha e misturadores. Quando o eixo gira, complexas interações tribológicas ocorrem entre as faces e o líquido selado. Estes permitem ao selo uma operação estável e com separação entre as faces de 1 µm. [16] De acordo com Muller [5], a principal característica de um selo mecânico é o mecanismo de lubrificação automático da interface que controla a função do selo, atrito, desgaste e a vida útil do mesmo. Tudo depende da penetração do líquido na interface e o estabelecimento do filme lubrificante, logo, o selo opera virtualmente numa condição sem contato. O líquido penetra na interface guiada pela pressão hidrodinâmica do fluido selado. Nesses casos, o efeito centrífugo é secundário. A pressão do fluido cai progressivamente até chegar ao nível da pressão externa, geralmente a atmosférica. Este componente depende unicamente do diferencial de pressão e da variação de forma do afastamento entre as interfaces. Definindo p 1 como a pressão do fluido a ser vedado, p 2 a pressão externa ao selo, pode-se observar na figura 11, o que foi acima descrito. 18

Escoamento Figura 11 Lubrificação na zona de vedação do selo [5] Segundo Muller [5], quando o selo gira, o escoamento do fluido cisalha e interage com a variação de altura entre as faces para gerar pressão. Este campo de pressão é o componente de pressão hidrodinâmica e depende da viscosidade absoluta, velocidade de deslizamento e a variação do afastamento entre as superfícies. Salant [17] acrescenta que a pressão hidrodinâmica seria alta em regiões convergentes da interface e seria baixa em regiões divergentes. Já que líquidos não podem sustentar tensão significante, regiões de baixa pressão normalmente podem sofrer cavitação. Nos selos mecânicos, a cavidade é cheia de ar puxada da atmosfera do líquido selado. A combinação dos efeitos hidrodinâmicos e hidrostáticos dá uma força de abertura igual e oposta à força de fechamento na interface do selo e as faces são prevenidas de entrarem em contato. Micro-irregularidades e as cavidades mostraram ser essenciais para a lubrificação do selo. O fato de diferentes tipos de micro irregularidades para diferentes faixas de carregamento axial e que variações de altura de rugosidade produziram variações nas capacidades de carga suportadas estabeleceram a natureza primária do mecanismo de lubrificação. Segundo Hamilton et al.[18], a tentativa de experimentar vários tipos de orientações de rugosidade demonstraram que micro irregularidades e cavidades podem estar intimamente envolvidas com a lubrificação hidrodinâmica das superfícies. Aumentam-se as complicações se o líquido a ser vedado evapora na interface. Pode, então, ser contabilizado o efeito termodinâmico e o escoamento de calor e entalpia 19

passam a ser importantes. Isto modifica as pressões hidrostáticas e hidrodinâmicas e a desempenho do selo. Com líquidos voláteis, o vazamento pode ser inteiramente em forma de vapor e pode não ser visível. A vaporização pode também causar outro problema, de acordo com Etsion [19], pois sólidos dissolvidos são depositados quando o líquido evapora. Os sólidos podem então causar abrasão ou simplesmente forçar as faces a separarem-se até que o vazamento torne-se inadmissível. Outros problemas podem ser evitados dando as superfícies uma alta qualidade de superfície controlando os valores de rugosidade e ondulação em 0,1 µm. 2.2.2 Modos de operação em selos mecânicos Selos mecânicos para aplicações de baixa pressão são freqüentemente operados em regime de lubrificação mista onde o carregamento é distribuído ora sem, ora com filme. Baixas taxas de vazamento são alcançadas nesse regime. No entanto, nesse modo de operação acontece uma flutuação periódica de atrito, vazamento e desgaste. Os anéis do selo devem ser cuidadosamente escolhidos a garantir um filme estável para qualquer condição de operação. Particularmente deve-se evitar a acomodação divergente entre as faces, como mostrado na figura 12. Desgaste do anel de carbono Figura 12 - Acomodação divergente das faces [5] Como na figura acima, a acomodação entre essas superfícies resulta uma superfície divergente. Isto dá a região uma tensão de contato alta, o que pode causar um excessivo aquecimento local com conseqüente vaporização do filme lubrificante entre 20

as faces do selo. Estas conseqüências podem ser evitadas se os materiais das faces do selo tiverem capacidade de controlar o desgaste, para rapidamente reduzir a tensão de contato. De acordo com Holestein [20], em prática isto poderia ser alcançado fazendo uma das superfícies ser de carbono. Segundo Muller [5], um desgaste adaptativo poderia restabelecer a conformidade das superfícies do selo. A figura 13 mostra um exemplo de desgaste da face em carbono. Existe um período inicial de 50h de acomodação, então um período indefinido de desgaste uniforme. Figura 13 - Tempo de desgaste de adaptação [5] 2.3 - Determinação do regime de escoamento Em um selo onde não ocorra contato entre as superfícies, o escoamento do fluido possui duas componentes. Um escoamento circunferencial Couette devido à rotação e um escoamento Poiseuille devido ao gradiente de pressão. Se o selo está trabalhando sem gradiente de pressão, o escoamento na interface é puramente Couette, então a transição para o regime turbulento é governada pelo número de Reynolds Rec ρrωh Re c = (2.1) η onde ρ é a densidade do fluido, r, o raio do selo, ω, a velocidade angular, h, a espessura de filme e η, a viscosidade dinâmica do fluido. 21

Quando Re <, o fluido mantém-se laminar e quando Re > Re, o c Re cl regime torna-se turbulento, mas para o caso dos selos, nenhum estudo experimental foi realizado para se determinar com exatidão esses valores de Re e Re. Frêne et al. [21] recomenda os seguintes valores: ReCL = 900 e Re CT = 1600 Se o selo opera com um grande gradiente de pressão e sem rotação, o escoamento é Pouseuille caracterizado pelo número de Reynolds CL Re P ρvh Re P = (2.2) η CT C CT Frêne et al.[21] acrescenta que, na prática, os selos mecânicos operam com gradiente de pressão e com velocidade de rotação, logo o escoamento é combinado: Couette e Pouseuille. A transição para o regime turbulento é governado pelos números de Reynolds Re e Re. Frêne definiu um vetor de Reynolds com os componentes e Re p c p. O fator α é definido e denota a característica do escoamento. Rec 2 2 Re Re c p α = + 1600 2300 (2.3) O escoamento é turbulento para valores de α > 1 e laminar quando α < 9 / 16. Vetores equivalentes Turbulento Figura 14 - Limites de mudança de escoamento [21] 22

2.4 Força na face e balanceamento do selo Segundo Flitney [22], a determinação da força de fechamento requerida por um selo mecânico numa aplicação específica é um assunto crucial. Se for alta demais, o desgaste é rápido e a vida útil torna-se pequena, porém se é baixa demais, o vazamento é inaceitavelmente alto. Na figura 15 são apresentadas as áreas de atuação das pressões no selo, bem como a força aplicada pela mola. A é a área hidraulicamente carregada, projetada na superfície do selo mecânico. que, estabelecendo FS 1 r b A é a área do anel deslizante. Muller [5] acrescenta, ou seja, o raio interno do elemento de vedação secundário, o projetista define a área efetiva sobre a qual a pressão p do líquido atua. Selos mecânicos que possuem A1 1 r b > r i, ou seja, raio interno do elemento de vedação secundário maior que o raio interno do anel do selo r, tem como conseqüência a pressão mais alta na periferia. Estes são são chamados de selos balanceados e serão discutidos mais adiante. i A força aplicada pela mola F s pode ser escrita como ps = Fs A. (2.4) Existe também uma força de cisalhamento nos selos secundários, devido à relativa expansão térmica entre o eixo e onde o selo secundário está preso. Essa força de atrito é dada por F o que contribui para as forças de abertura e fechamento do selo. [5] O perfil de pressão hidrostática no vazamento radial inicia-se com a pressão absoluta de selagem e tem como valor final a pressão ambiente p. O diferencial de p1 2 pressão é dado por p = p 1 p 2. (2.5) A pressão absoluta média é denotada por p st = p2 + 0,5. p. (2.6) 23

Figura 15 - Esquema de forças no selo [5] A figura 16 mostra exemplos de distribuição de pressão para algumas diferentes interfaces. Como explicado anteriormente, quando o selo gira um escoamento tangencial cisalhante interage com as variações de espessura de filme a fim de produzir pressão hidrodinâmica, esta representada por p din estáticas e dinâmicas, encontra-se a pressão total no filme. h st din. Então, adicionando as pressões p = p + p (2.7) Contudo, torna-se extremamente difícil determinar a pressão hidrodinâmica em um experimento qualquer, devido ao não conhecimento de uma apreciação da mudança de fase ou da avaliação do tipo de folga ocorrida, ou seja, se essa é convergente ou divergente. escoamento líquido Folga paralela Folga convergente Folga divergente Mudança de fase Figura 16 - Esquema de pressões nos selos [5] 24

Todavia, existe uma maneira mais prática para se determinar a pressão no filme. Primeiramente, definindo B, como fator de balanceamento B = A1 A (2.8) tem-se determinado que o carregamento de fechamento depende efetivamente do raio r b do selo secundário, nesse caso, de um o ring, por exemplo. O atrito no selo secundário, a força da mola e a diferença de pressão no líquido a ser vedado. [5] Na figura 17 são mostradas as diferentes situações para o balanceamento dos selos mecânicos, detalhando as características para cada caso. Figura 17 - Área de balanceamento [5] A primeira vista, aparentemente um selo mecânico deveria ser projetado para minimizar o carregamento nas faces, já que diminuiria o desgaste e então poderia ser 25

escolhido o raio r b do selo secundário, representado na figura 7, para que a força de fechamento seja independente da pressão de selagem e dependesse somente da força da mola. Isto sugeriria que a força F o e o fator de balanceamento B fossem tão pequenos quanto possíveis. No entanto, Muller [5] informa que existem limites para ambos os parâmetros. A força mínima é governada por dois fatores. Primeiramente, a força na mola deve ser maior que a resistência no selo secundário, ao contrário a superfície se separaria. Depois, se a face não estiver perpendicular ao eixo e a pressão do fluido for baixa, a mola deve ter condições de vencer as forças inerciais. Segundo Muller [5] a pressão exercida pela mola é usualmente na faixa entre 0,1 e 0,2 MPa, baseada na área de selagem. Para a análise do carregamento total, considerando que o fluido pode possuir pressão interna, na zona de vedação, Ruddy [23], explicita a equação por: 2 2 ( o i 2 1 W = π R R )[ p B + p (1 B) + p ] (2.9) s onde W é o carregamento total, é a pressão externa ao selo, p é a pressão interna do selo, definidos. ps é a pressão gerada pela mola e p2 1 B é o fator de balanceamento do selo, já 2.5 - Vazamento hidrostático Como já discutido em seções anteriores, vedar é uma questão de níveis. Existem vazamentos em selos mecânicos. Segundo Muller [5], devido a diferença de pressão p, a quantidade de líquido perdida é dada por: π p d h Q = 12 η. b 3 (2.10) onde d é o diâmetro do selo e b é a largura da pista de contato. Lebeck [24] acrescenta que os produtores de selo mecânicos geralmente não citam a taxa de vazamento dos selos, embora esta seja o parâmetro de desempenho mais importante. Isto porque a taxa de vazamento depende de muitos fatores. Porém, tipicamente as taxas de vazamento de selos de tamanho médio (Ø 50mm) são de aproximadamente 10ml/h durante operação e de aproximadamente 0,1 a 1 ml/h em regime estacionário. 26

2.6 - Topografia da superfície Como abordado na literatura, a topografia da superfície de selagem é muito importante. Torna-se necessário saber qual característica da superfície vem a ser mais importante. Um maior nível de rugosidade ou a superfície ondulada. Segundo Muller [5], teoricamente, superfícies que possuam perfis de ondas grandes com amplitudes pequenas seriam melhores. As ondulações da face do selo são a base do mecanismo hidrodinâmico que gera pressões no fluido capazes de realizar a separação das faces do mesmo. De acordo com Anderson et al. [25], uma característica padrão de desgaste consiste em duas ondas simetricamente dispostas em volta da circunferência da face e é normalmente observada para desenvolvimento de faces de carbono inicialmente planas. Anderson et al. [25] acrescentam que, quando desmontadas e medidas, as amplitudes da onda normalmente variavam entre 2 a 5 µm de pico a pico. Em serviço, no entanto, a carga axial tenderia a aplainar essas ondas, cuja variação ficaria em torno de 0,1 a 2 µm. Mesmo que a ondulação esteja completamente plana, isso não significa que os efeitos da hidrodinâmica possam ser negligenciados. Ao contrário, a situação de lubrificação torna-se elastohidrodinâmica e a pressão de distribuição no fluido fino deve se ajustar ao requerido para aplainar a superfície. Nesse caso, quando sob carregamento, a forma cilíndrica do rolamento é aplainada localmente na zona de contato e um filme elastohidrodinâmico suporta a carga com a pressão distribuída. a b Figura 18 a e b- Topografia da superfície [5] 27