Os rolamentos são um componente crítico para a confiabilidade, eficiência e vida útil do seu equipamento. A maioria dos equipamentos de processo rotativo hoje depende de rolamentos de rolos ou rolamentos de filme fluido para neutralizar a gravidade e outras forças no equipamento e permitir que o eixo gire livremente. Escolher o rolamento certo para o seu equipamento e aplicação é essencial para o bom funcionamento desse equipamento.
Tabela 1. Os operadores podem comparar as qualidades dos rolamentos hidrodinâmicos e dos elementos rolantes.
Uma diferença fundamental entre rolamentos e rolamentos de película fluida quando se trata de manutenção de equipamentos de processo é a vida útil esperada dos rolamentos. Os rolamentos normalmente têm uma vida útil previsível com base nas condições operacionais. Se projetados e mantidos adequadamente, os rolamentos de película fluida podem operar por décadas. Comparações adicionais de elementos rolantes e características de mancais de filme fluido, como necessidades de lubrificação e capacidade de lidar com cargas de choque, são fornecidas na Tabela 1.
A seleção correta de materiais e projeto mecânico é a base da longa vida útil de um rolamento de filme fluido. Os fatores típicos que afetam a seleção do material incluem carga, velocidade, temperatura operacional, requisitos de isolamento e tipo e limpeza do lubrificante. Dependendo de suas necessidades, as opções de materiais incluem babbitt (também conhecido como metal branco), bronze, estanho de alumínio, polímero, cerâmica, cermet
e diamante.
Para o projeto mecânico, o projetista do rolamento de película fluida não deve apenas considerar o dimensionamento adequado do rolamento para lidar com cargas e minimizar a perda de potência, mas também incorporar recursos para otimizar a formação do filme e ajustar as características da dinâmica do rolamento. O ajuste fino das características dos rolamentos melhora o desempenho dos rolamentos
equipamento de processo.
Princípio básico de funcionamento
A superfície estacionária de um rolamento de película fluida é separada da superfície rotativa por uma fina película de lubrificante, como óleo, ar, água ou fluido de processo. Nos rolamentos de película de fluido hidrodinâmico, a pressão da película que separa as superfícies e neutraliza as cargas é criada pelo movimento relativo (rotação) das superfícies à medida que o lubrificante é puxado para uma geometria convergente entre as superfícies. Devido a esta força de separação, o contato superficial não ocorre durante a operação normal, reduzindo o desgaste e a perda de energia em comparação com o contato superfície-superfície.
Um rolamento axial de rolamento de inclinação autonivelante pode acomodar desalinhamentos.
Os rolamentos axiais resistem a cargas axiais, que são cargas ao longo do eixo de rotação, enquanto os rolamentos de encosto suportam cargas radiais, que são perpendiculares ao eixo de rotação. Os materiais e o design dos rolamentos de filme fluido de encosto e munhão são selecionados para otimizar a geometria do rolamento para maior eficiência do equipamento de processo e menos demandas de equipamentos auxiliares.
Materiais
A seleção dos materiais de construção para um rolamento de película fluida é baseada em dois fatores principais: requisitos de aplicação e ambiente operacional.
O bronze pode ser usado quando as temperaturas operacionais estão acima do limite. Os rolamentos de bronze lubrificados a óleo são comuns em aplicações de equipamentos de processo onde a superfície do rolamento pode atingir 150°C (302°F) e, em alguns casos, até mais. Isto pode causar danos ao eixo ou aos rolamentos na presença de contaminantes ou desalinhamento. Além disso, deve-se tomar cuidado ao selecionar o material da superfície rotativa ao usar rolamentos de bronze para limitar o potencial de danos aos componentes rotativos.
Para equipamentos de processo rotativo e alternativo que exigem temperatura mais alta ou melhor conformabilidade e capacidade de ajuste do que o bronze, o alumínio com liga de estanho pode ser usado como material de rolamento. O estanho de alumínio pode operar em temperaturas mais altas de até 160°C (320°F) e não se cansa facilmente. As latas de alumínio são aplicadas ao aço para maior resistência ou ao cromo-cobre para melhorar a transferência de calor. Ambos podem ser usados contra uma variedade de componentes rotativos, incluindo aços-carbonos.
Uma combinação de rolamentos axiais de perfil fixo cônico e rolamentos de inclinação
Polímeros projetados como componentes sólidos ou como revestimento em suportes de aço também são amplamente aceitos em equipamentos de processo. Os rolamentos de polímero apresentam capacidade de incorporação e conformabilidade e podem operar em temperaturas e cargas mais altas. Por operarem com películas relativamente finas, os rolamentos axiais de polímero são frequentemente usados em aplicações lubrificadas a óleo com cargas unitárias de até 8 megapascais (1.160 psi), que é aproximadamente o dobro da carga geralmente aceita pelos rolamentos Babbitt, e temperaturas de até 200 °C. (392°F).
Os rolamentos de polímero também são menos suscetíveis a ataques químicos, isolam contra correntes elétricas e funcionam com sucesso em uma variedade de lubrificantes, incluindo água e fluidos de processo. Com a composição correta do material, os rolamentos de polímero podem resistir a quebras de filme devido a sobrecarga ou perda temporária de lubrificação.
Quando altas temperaturas, materiais corrosivos ou lubrificantes contaminados impedem o uso de alumínio, estanho, bronze e polímero, os rolamentos de película fluida podem ser fabricados com superfícies extremamente duras. Cerâmica e diamante têm sido usados com sucesso quando as temperaturas de operação excedem 200°C (392°F), quando os filmes são muito finos e/ou quando há abrasivos presentes. Alumínio, estanho e polímero, que podem funcionar contra aços doces e outros materiais de eixo tradicionais, cerâmica e exigem uma escolha deliberada de material para superfícies rotativas e estacionárias para alcançar a vida útil e o desempenho desejados do rolamento, especialmente quando abrasivos estão presentes ou os filmes são extremamente fino.
O melhor material para rolamentos pode variar até mesmo na mesma montagem, e o material por si só não garante desempenho. Materiais cuidadosamente selecionados devem ser combinados com um projeto mecânico ideal.
Projeto de rolamento
A formação do filme é crítica para a vida e o desempenho de um rolamento de filme fluido. Um lubrificante viscoso, movimento relativo entre superfícies e geometria convergente do rolamento são essenciais para o desenvolvimento do filme. Juntos, eles criam pressão para neutralizar a gravidade e outras forças que atuam na árvore.
Rolamentos lisos (esquerdo) e axiais (direito) mostrando dois estilos de lubrificação direta.
Embora as cargas axiais possam ser suportadas com faces de rolamento planas, normalmente uma geometria é usinada na superfície de um rolamento axial de perfil fixo para criar uma cunha convergente e aumentar a capacidade de carga do rolamento. Uma geometria fixa é projetada para uma condição específica, portanto, rolamentos axiais com pastilhas inclináveis são frequentemente usados para se adaptar a condições variáveis. Os rolamentos axiais de sapata de inclinação autonivelantes compensam o desalinhamento entre o rolamento e o colar, equalizando a carga entre as sapatas.
Devido aos diâmetros diferentes do rolamento e do eixo, um mancal de munhão naturalmente possui uma cunha convergente quando o eixo não está centralizado no rolamento. Para melhorar o desempenho estático e dinâmico, um perfil definido pode ser usinado no mancal para revelar o filme apropriado. Os rolamentos de inclinação pivotante são frequentemente usados se a estabilidade for uma preocupação, se condições variáveis precisarem ser acomodadas ou se outros parâmetros de desempenho do rolamento exigirem otimização.
Mudar de um rolamento levemente carregado com lubrificação inundada (ponto A) para um rolamento otimizado menor com lubrificação direta (ponto B) pode reduzir significativamente a perda de potência.
Os rolamentos axiais e de munhão são dimensionados para lidar com os requisitos de carga da aplicação e se encaixam no gabinete especificado. Outras características podem ser otimizadas para alcançar desempenho estático específico em rolamentos axiais e desempenho dinâmico e estático em rolamentos de munhão. O arco da almofada, ou a parte da almofada que desenvolve pressão, pode ser ajustado para influenciar a perda de potência e a temperatura. O deslocamento, ou a distância da borda de ataque ao munhão em relação ao arco da almofada, tem um efeito significativo na formação do filme e pode influenciar as temperaturas do rolamento, a perda de potência e, no caso dos rolamentos do munhão, o desempenho dinâmico.
Em particular, em mancais de rolamento de inclinação, as temperaturas, a perda de potência e o desempenho dinâmico podem ser significativamente afetados pela folga do rolamento (a diferença entre o furo do rolamento e o diâmetro do eixo), o comprimento do rolamento e a pré-carga. A pré-carga representa o desvio do furo da pastilha usinada em relação ao furo do rolamento montado. É positivo quando o furo da sapata é maior que o furo do rolamento, zero quando o furo da sapata e o rolamento são iguais e negativo quando o furo da sapata é menor que o furo do rolamento. Se a pré-carga for positiva, forma-se uma cunha convergente. Uma pré-carga negativa limita o fluxo na almofada e
não é recomendado.
Tanto nos mancais principais quanto nos mancais axiais de inclinação, o munhão é selecionado com base em necessidades específicas, como vida útil necessária (tensão), rigidez e facilidade de inclinação do munhão em uma ou mais direções. Os tipos de pinos comuns são contato pontual, contato linear, esfera e soquete e pino flexível. Cada um deles tem vantagens distintas.
Outra opção de projeto que afeta significativamente o desempenho do rolamento é o método de introdução e remoção de lubrificante no rolamento. Ao fornecer lubrificante à borda dianteira da sapata basculante e permitir que o lubrificante flua livremente do rolamento e de seu alojamento, os rolamentos lubrificados diretamente operam com menores perdas de potência e em temperaturas operacionais mais baixas do que os rolamentos inundados, onde o lubrificante é normalmente alimentado no afastando-se do filme e o fluxo para fora do rolamento é limitado. A lubrificação por inundação cria um cisalhamento de lubrificante na parte externa do filme que não contribui para a capacidade de carga do rolamento.
Juntando tudo
A combinação de materiais selecionados e recursos de design otimizará ainda mais o desempenho em comparação apenas com materiais ou recursos de design. Por exemplo, combinar a lubrificação direta com rolamentos de materiais avançados, que podem suportar películas mais finas, temperaturas mais altas e, portanto, cargas mais altas, pode reduzir significativamente a perda de potência em comparação com um projeto inundado com materiais de rolamento tradicionais. O uso de materiais avançados permite um rolamento menor e o uso de fluido de menor viscosidade, até mesmo fluido de processo, reduzindo assim a perda de potência. Se a redução da perda de potência não for necessária, uma margem de segurança maior poderá ser alcançada.
Com os materiais e o design corretos, os rolamentos de película fluida podem oferecer desempenho dinâmico de classe mundial, baixo atrito, pouco ou nenhum desgaste e longa vida útil, tornando-os a escolha certa para atender às necessidades de equipamentos de processo modernos.
