O objetivo da lubrificação mecânica é reduzir o atrito e o desgaste entre as superfícies de contato de duas partes móveis relativas, denominadas pares de atrito.
A lubrificação adequada pode aumentar a eficiência mecânica, garantir a operação confiável das máquinas a longo prazo e conservar energia.
Máquinas com lubrificação deficiente, na melhor das hipóteses, apresentam diminuição de potência e aumento de desgaste; na pior das hipóteses, eles podem ser danificados.
I. Conceito de Fricção e Lubrificação
Quando dois objetos em contato próximo se movem um em relação ao outro ao longo de sua superfície de contato, é gerada uma resistência que dificulta esse movimento; esse fenômeno é conhecido como atrito e essa resistência é chamada de força de atrito.
A relação entre a força de atrito e a carga vertical é chamada de coeficiente de atrito. As leis do atrito podem ser descritas da seguinte forma:
1. A força de atrito é proporcional à carga normal: F∝W.
2. A força de atrito é independente do contato superficial, ou seja, não está relacionada ao tamanho da área de contato.
3. A força de atrito não é influenciada pela magnitude da velocidade de deslizamento da superfície.
4. Atrito estático (quando o movimento tende a ocorrer) FS é maior que o atrito cinético FKou seja, Fs > FK.
Fórmula da lei friccional:
F = f · W ou f = F/W
Onde:
- f — Força de atrito;
- W — Carga normal, que é a carga recebida pela superfície de contato.
Em máquinas, uma conexão composta por duas partes que entram em contato e se movem uma em relação à outra é chamada de “par cinemático” (também conhecido como “par de fricção”), como o trilho deslizante e guia em máquinas-ferramentas; a esfera e a pista em rolamentos; o diâmetro do casquilho e do eixo em rolamentos deslizantes e assim por diante.
A operação de qualquer máquina depende do movimento relativo de vários pares cinemáticos, e esse movimento relativo resulta inevitavelmente em atrito.
O atrito causa principalmente perda desnecessária de energia e, em segundo lugar, produz calor, desgaste e até mesmo falha nas superfícies de interação dos pares de atrito.
O desgaste é a perda contínua de material das superfícies dos pares cinemáticos. Isso leva a alterações no tamanho e na forma desses pares, resultando em danos. Por exemplo, à medida que o óleo circula dentro de um rolamento, a superfície do furo do rolamento e o diâmetro do eixo desgastam-se gradualmente.
Este desgaste aumenta a folga, gera calor e diminui a precisão e eficiência da máquina. Junto com isso vem a geração de cargas de impacto, aumento das perdas por atrito e uma taxa acelerada de desgaste, levando, em última análise, à falha da máquina.
A lubrificação envolve a aplicação de um lubrificante nas superfícies das peças que se movem umas em relação às outras. Esta aplicação separa as duas superfícies em movimento, garantindo que o atrito não ocorra diretamente entre as superfícies do par cinemático, mas entre as moléculas dentro do lubrificante.
Portanto, o atrito é o fenômeno físico que ocorre quando os pares cinemáticos se movem um em relação ao outro, o desgaste é um fato que acompanha o atrito e a lubrificação é uma medida crítica para reduzir tanto o atrito quanto o desgaste.
II. Classificação de Fricção
Existem vários métodos para categorizar o atrito.
1. Classificação Baseada no Estado do Movimento
Fricção estática: Isso se refere ao atrito que ocorre quando um objeto tende a se mover em relação à superfície de outro. A força resistiva neste caso é conhecida como força de atrito estático.
A força de atrito estático varia com a força externa aplicada ao objeto. Somente quando a força externa supera a força de atrito estático máxima é que o objeto começa a se mover visivelmente.
Fricção Cinética: Este é o atrito que ocorre quando um objeto se move em relação à superfície de outro. A força tangencial que impede o movimento do objeto nesta situação é conhecida como força de atrito cinético.
2. Classificação Baseada na Forma de Contato
Fricção deslizante: O atrito que ocorre quando as superfícies de contato deslizam uma em relação à outra é chamado de atrito de deslizamento.
Fricção de rolamento: O atrito que surge quando um objeto rola ao longo da superfície de contato sob a ação de um torque é denominado atrito de rolamento.
3. Classificação Baseada no Estado de Lubrificação da Superfície
Fricção Seca: Refere-se ao atrito onde não há lubrificação nem umidade.
Fricção Fluida: Este é o atrito sob condições de lubrificação fluida. Aqui, as duas superfícies são completamente separadas por uma película de óleo líquido e o atrito se manifesta como resultado do fluido viscoso.
Fricção Limite: Este tipo de atrito ocorre quando há uma camada muito fina de lubrificante na superfície de atrito. Neste caso, o atrito não depende da viscosidade do lubrificante, mas das características da superfície de contato e do lubrificante.
Fricção Mista: Isto se refere a um estado transitório de atrito, incluindo atrito semi-seco e semi-fluido. O atrito semi-seco é uma situação em que ocorrem atrito limite e seco. O atrito semifluido é uma condição em que ocorre tanto o atrito fluido quanto o seco.
Em alguns equipamentos químicos e de refino de petróleo, as condições de trabalho dos pares de fricção podem ser complexas, como operar em alta velocidade, alta temperatura ou condições adversas, como baixa temperatura e vácuo. As características de atrito e desgaste sob estas condições possuem características únicas e diferentes.
III. Causas de atrito
Existem várias explicações para o fenômeno da força de atrito gerada quando as superfícies de contato se movem umas em relação às outras. Um resumo abrangente revela os seguintes pontos:
As peças de uma máquina que sofrem movimento relativo são geralmente processadas e possuem superfícies lisas. Contudo, na realidade, não importa quão preciso seja o processamento, a superfície de um componente nunca pode ser “absolutamente” lisa. Ao microscópio, é sempre irregular, com pontos altos e baixos, como mostra a Figura 1.
Quando as saliências e reentrâncias na superfície de atrito, sob carga e em contato próximo, se interligam como os dentes de uma roda dentada, ocorrem colisões entre essas saliências durante o movimento relativo das duas superfícies de contato, impedindo assim o seu movimento relativo.
Além disso, devido à capacidade de suporte de carga e ao contacto próximo das duas superfícies de atrito, a superfície é suportada por várias saliências. A distância entre as duas superfícies nos pontos de apoio é extremamente pequena, dentro da faixa de forças moleculares. Quando as superfícies se movem umas em relação às outras, as saliências também devem se mover, o que significa superar as forças moleculares nos pontos de apoio.
Além disso, tanto os pontos de colisão como os pontos de apoio suportam pressões extremas, conduzindo a uma deformação severa das superfícies metálicas nestes locais, fazendo com que as saliências de uma superfície se incorporem na outra. Tanto as colisões quanto a deformação plástica resultam em altas temperaturas instantâneas localizadas, e a ruptura de pontos ligados consome energia.
O efeito combinado de todos estes factores manifesta-se como fricção.
4. Vestir
O fenômeno de perda contínua de material da superfície de trabalho de um objeto, devido ao movimento relativo da superfície, é denominado desgaste.
O processo de desgaste das peças mecânicas durante a operação normal é geralmente dividido em três etapas, conforme mostrado na Figura 2.
(1) Estágio de amaciamento (também conhecido como estágio de amaciamento): A nova superfície do par de atrito tem uma certa rugosidade, com uma área de contato real relativamente pequena. Durante o estágio de amaciamento, a superfície suaviza gradualmente e a área de contato real aumenta progressivamente, diminuindo a taxa de desgaste, conforme indicado pelo segmento OA na Figura 12-2. O leve desgaste durante o estágio de amaciamento é intencionalmente usado para definir condições de desgaste estável durante a operação normal.
Ao escolher um procedimento de amaciamento razoável, selecionar materiais de pares de fricção e processos de usinagem apropriados e usar óleo lubrificante com aditivos ativos (óleo de amaciamento), o período de amaciamento pode ser reduzido. O óleo deve ser trocado assim que o amaciamento for concluído.
(2) Estágio de Desgaste Estável: Durante este estágio, o desgaste ocorre em uma taxa lenta e constante, conforme mostrado pelo segmento AB na Figura 12-2. A inclinação deste segmento indica a taxa de desgaste e o tempo no eixo x representa a vida útil resistente ao desgaste da peça.
(3) Estágio de desgaste severo: Após o ponto B na Figura 12-2, a taxa de desgaste aumenta acentuadamente, levando a uma diminuição na eficiência mecânica, aumento de potência e perda de óleo lubrificante, perda de precisão, ruído e vibração anormais, rápido aumento na temperatura do par de fricção e, finalmente, falha da peça. Também há momentos em que ocorrem as seguintes situações:
ⅰ Após a transição para o estágio de desgaste estável, a peça sofre desgaste mínimo durante um longo período de tempo, sem nenhum estágio de desgaste severo óbvio, resultando em uma vida útil mais longa.
ⅱ Não há desgaste perceptível durante os estágios de amaciamento e desgaste estável, mas o desgaste severo ocorre quando a camada superficial atinge seu limite de fadiga.
ⅲ Sob condições severas de desgaste, a peça passa diretamente para o estágio de desgaste severo após o estágio de amaciamento, impedindo que a máquina opere normalmente.
Com base no mecanismo de destruição do desgaste e na condição de desgaste superficial das peças mecânicas, o desgaste pode ser classificado em vários tipos.
1. Desgaste adesivo
O desgaste adesivo refere-se ao fenômeno onde o material de uma superfície é transferido para outra devido à adesão em fase sólida durante o movimento relativo dos pares de atrito. Isto pode levar a um grave emperramento dos pares de fricção.
2. Desgaste abrasivo
O desgaste abrasivo é o fenômeno em que partículas duras ou saliências causam perda de material durante o processo de fricção.
3. Desgaste superficial por fadiga
O desgaste por fadiga superficial ocorre quando duas superfícies de contato rolam ou deslizam em combinação, causando perda de material devido à fadiga na superfície do material sob tensão de pressão de contato alternada. Pares de engrenagens, rolamentos, trilhos e aros de rodas e pares de cames podem produzir desgaste superficial por fadiga.
O desgaste por fadiga superficial é classificado em tipos expansivo e não expansivo. O desgaste expansivo por fadiga superficial pode ocorrer devido à plasticidade ligeiramente pobre do material ou à seleção inadequada de lubrificação quando a tensão de pressão alternada é alta.
4. Desgaste por delaminação
A teoria do desgaste por delaminação sugere que quando duas superfícies deslizantes entram em contato, elas transferem forças normais e tangenciais através dos pontos de contato. As microssaliências da superfície mais dura causam deformação plástica da superfície mais macia durante o deslizamento.
Transferências repetidas de força e aumento da deformação plástica da superfície fazem com que apareçam vazios na subsuperfície (10 ~ 100 μm de profundidade). É provável que ocorram vazios nos limites dos grãos na metalografia ou nas interfaces das impurezas contidas. Sob forças repetidas, os vazios aumentam e se conectam com os vazios adjacentes para formar fissuras.
Influenciadas por forças tangenciais, as fissuras desenvolvem-se em direções paralelas à superfície. Quando as fissuras atingem um determinado comprimento, elas se estendem até a superfície, fazendo com que a camada superficial se descasque e forme detritos de desgaste longos e finos.
5. Desgaste por erosão elétrica
O desgaste por erosão elétrica ocorre principalmente em equipamentos eletrificados rotativos. Devido ao estado eletrificado do equipamento, existe uma diferença de potencial entre o pescoço do eixo e o rolamento.
Esta diferença de potencial pode levar a danos superficiais na superfície de atrito por vários motivos. Danos superficiais causados por desgaste por erosão elétrica normalmente se manifestam como corrosão pontilhada.
6. Desgaste Corrosivo (também conhecido como Desgaste Mecânico Corrosivo)
Quando o atrito ocorre em um ambiente corrosivo, ocorre uma reação química na superfície de atrito, gerando produtos de reação.
Geralmente, estes produtos de reação aderem frouxamente à superfície e são facilmente desgastados no processo de fricção subsequente.
A superfície metálica recentemente exposta gera então produtos de reação adicionais. Este ciclo continua, desgastando gradualmente a superfície metálica. O desgaste corrosivo requer a ocorrência de corrosão e atrito.
7. Desgaste por desgaste
O desgaste por atrito é causado por deslizamento vibracional com uma faixa de amplitude de 10-7 a 10-5 mm e geralmente ocorre nas peças em juntas mecânicas (como parafusos, estrias, etc.). Essas peças se desgastam devido a cargas vibracionais.
8. Erosão
Erosão refere-se ao dano sofrido pela superfície de um objeto após o impacto com um fluido carregado de partículas.
A erosão é um problema importante para componentes que operam em altas velocidades, por exemplo, as pás das turbinas de plástico reforçadas com fibra de carbono, que são altamente densas e fortes. É necessário que o bordo de ataque da lâmina tenha alta resistência à erosão.
V. Lubrificação
O óleo lubrificante (agente) é introduzido entre as superfícies de contato de vários pares de fricção que sofrem movimento relativo.
Isto forma uma película de lubrificação entre as duas superfícies de atrito, separando as superfícies originais de atrito seco de contato direto e convertendo o atrito seco em atrito entre as moléculas de óleo lubrificante (agente).
Isso reduz o atrito, diminui o desgaste e prolonga a vida útil do equipamento mecânico – isso é lubrificação.
1. Requisitos de Lubrificação
Os requisitos de lubrificação variam de acordo com a função, as condições de trabalho e a natureza de cada par de fricção. Resumindo, são considerados os seguintes pontos:
(1) Selecione o óleo lubrificante apropriado dependendo das condições de trabalho e da natureza funcional do par de fricção.
(2) Determine o método e abordagem de lubrificação corretos com base nas condições de trabalho e na natureza funcional do par de fricção e distribua o óleo lubrificante para cada superfície de fricção de maneira definida.
(3) Mantenha um bom gerenciamento de lubrificação.
2. O papel do óleo lubrificante
O objetivo do uso de óleo lubrificante é lubrificar as peças de fricção das máquinas, reduzindo a resistência ao atrito, evitando gripagem e desgaste e minimizando o consumo de energia para aumentar a eficiência mecânica. Além disso, existem outros benefícios práticos, resumidos a seguir:
(1) Reduzindo o atrito. A introdução de óleo lubrificante entre as superfícies de atrito pode diminuir o coeficiente de atrito, reduzindo assim a resistência ao atrito e conservando o consumo de energia. A viscosidade e a espessura do filme do óleo lubrificante desempenham um papel crucial na minimização do atrito sob condições de lubrificação fluida. As propriedades químicas e a atividade do óleo lubrificante (aditivos) tornam-se extremamente importantes quando surgem condições limite de lubrificação devido a um aumento nos pontos de contato metal-metal na interface de fricção.
(2) Redução do desgaste adesivo de peças mecânicas. O desgaste por fadiga superficial e o desgaste por corrosão estão intimamente relacionados às condições de lubrificação. A inclusão de antioxidantes e agentes anticorrosivos em lubrificantes pode ajudar a suprimir o desgaste por corrosão, enquanto a adição de agentes de resistência à oleosidade e à pressão pode efetivamente reduzir o desgaste adesivo e o desgaste por fadiga superficial.
(3) Efeito de resfriamento. O óleo lubrificante pode aliviar o atrito e absorver, conduzir e dissipar o calor, reduzindo assim a elevação da temperatura causada pelo atrito da operação mecânica.
(4) Efeito anticorrosivo. Quando uma superfície de atrito é coberta com um lubrificante, pode prevenir ou evitar corrosão e ferrugem causadas por ar, gotículas de água, vapor, gases e líquidos corrosivos, poeira, óxidos, etc. da película de óleo retida na superfície metálica e também depende da composição do lubrificante. O uso de certos surfactantes como inibidores de ferrugem pode aumentar a resistência à ferrugem do lubrificante.
(5) Propriedades de isolamento. A resistência elétrica do óleo mineral refinado é alta, assim como a resistência elétrica do óleo isolante elétrico usado como material isolante elétrico é 2×10¹⁶Ω/mm² (a água é 0,5×10⁶Ω/mm²).
(6) Transmissão de força. O óleo pode servir como meio de transmissão de força estática, como o óleo hidráulico em guindastes de automóveis. Também pode atuar como meio de transmissão de energia, como fluido de transmissão automática.
(7) Redução de vibração. O óleo lubrificante absorvido na superfície do metal possui baixa tensão inerente, portanto tem a capacidade de absorver choques quando o par de fricção é submetido a carga de impacto. Por exemplo, os amortecedores de automóveis utilizam amortecimento fluido (convertendo energia mecânica em energia fluida).
(8) Efeito de limpeza. O óleo lubrificante (graxa) forma uma vedação em certas peças expostas, evitando a entrada de umidade ou detritos.
3. Vários estados de lubrificação
De acordo com o estado de lubrificação na superfície do par de atrito, os tipos de lubrificação podem ser divididos em: lubrificação fluida, lubrificação limite e lubrificação mista, conforme mostrado na Figura 3.
(1) Lubrificação fluida.
O lubrificante líquido é aplicado entre duas superfícies de atrito, o óleo lubrificante separa completamente as duas superfícies de atrito, transformando o atrito seco metal com metal em atrito interno dentro do líquido. Esta é a lubrificação fluida (veja a Figura 4).
A vantagem da lubrificação fluida é que a força de atrito interna do lubrificante líquido é pequena, normalmente variando de 0,001 a 0,01, apenas um milésimo daquela do contato direto metal com metal. As condições para alcançar a lubrificação fluida são:
(a) Deve haver movimento relativo entre as superfícies de atrito.
(b) Na direção do movimento da superfície, a camada de óleo deve formar uma cunha.
(c) O óleo lubrificante deve ter uma certa força adesiva com a superfície de atrito. Isto está relacionado às propriedades do óleo. Quando o óleo lubrificante se move com a superfície de atrito, ele deve ter uma certa força de atrito interno, ou seja, deve ter uma certa viscosidade.
Usando um mancal deslizante para formar lubrificação fluida como exemplo, conforme mostrado na Figura 5. Quando o eixo não está girando (Figura 5a), o óleo lubrificante na superfície de contato do eixo e do mancal é completamente espremido. À medida que o eixo começa a girar na direção da seta (ver Figura 5b), devido à força adesiva entre a superfície do eixo e o eixo, e ao atrito interno na camada de óleo, toda a camada de óleo em forma de cunha na parte inferior A direita do rolamento é movida para frente com o eixo, como se uma cunha de madeira fosse inserida em uma fenda estreita para forçar a abertura da folga, forçando o eixo a levantar e desviar ligeiramente para a esquerda.
À medida que a velocidade de rotação do eixo aumenta, a posição do eixo também aumenta ainda mais e a excentricidade diminui (como na Figura 5c). Quando a velocidade de rotação do eixo é infinitamente grande, os centros do eixo e do rolamento devem coincidir (adicionar Figura 5d).
A espessura da camada de óleo entre as superfícies de atrito do eixo e do rolamento é determinada pela carga suportada pelo eixo e pelo tamanho do atrito interno da camada de óleo. O tamanho do atrito interno da camada de óleo depende da viscosidade do óleo e da velocidade relativa do movimento do eixo e do rolamento.
Pode ser representado pelo fator característico do rolamento G:
G = η·N/P
Onde: η é a viscosidade do óleo lubrificante;
- N é a velocidade do rolamento (P·s);
- P é a carga na área projetada do eixo (N/m2).
A relação direta entre o valor G e a espessura do óleo lubrificante, um valor G menor resulta em uma camada de óleo mais fina e vice-versa, forma-se uma camada de óleo mais espessa. Portanto, através do valor G, pode-se determinar se uma camada de óleo suficientemente espessa pode ser formada para garantir a lubrificação fluida.
No entanto, deve-se notar que, como os tipos de componentes lubrificados, as configurações geométricas e a precisão da usinagem são todos diferentes, não existe um valor mínimo de G para garantir a lubrificação fluida. De modo geral, quando a velocidade de deslizamento é alta e a carga é leve, deve-se escolher óleo com menor viscosidade; quando a velocidade de deslizamento é baixa e a carga é pesada, deve-se selecionar óleo com maior viscosidade.
(2) Lubrificação Limite
A lubrificação fluida é ideal, mas, além de rolamentos e guias com intensidades de pressão de contato relativamente baixas, conseguir a lubrificação fluida é um desafio.
Quando a operação mecânica ocorre em uma velocidade extremamente baixa (por exemplo, verificando a velocidade de movimento a 0,1 cm/s) e a carga superficial de atrito é substancial, mesmo usando óleo lubrificante altamente viscoso, é difícil gerar um valor G suficiente para formar uma rotação completa. camada de óleo entre as superfícies de atrito, necessária para garantir o nível de lubrificação fluida.
Nessas ocasiões, mesmo que a película de lubrificação fluida esteja danificada, permanece uma película de óleo muito fina (cerca de 0,01 μm) na superfície de contato. Esta fina camada de óleo possui uma força de ligação única com a superfície de atrito, formando uma “película” que continua a proteger a superfície de atrito até certo ponto.
Este estado de lubrificação é denominado lubrificação limite (conforme mostrado na Figura 6), e o filme formado é chamado de filme limite. Como a espessura da película limite é mínima, as propriedades da textura superficial da superfície de atrito podem influenciar significativamente as condições de lubrificação.
Com base nas diferentes formas estruturais, os filmes de fronteira podem ser categorizados em dois tipos: filmes de adsorção e filmes de reação.
Os filmes de adsorção são formados pela adsorção de moléculas polares do lubrificante na superfície de atrito, enquanto os filmes de reação são gerados através da reação química de aditivos, como enxofre, fósforo e cloro no lubrificante, com a superfície de atrito.
Se a carga for extremamente alta, a sobrecompressão nos pontos de pico da superfície de atrito pode levar à ruptura do filme de adsorção, resultando em contato direto metal com metal e causando atrito seco.
(3) Lubrificação semifluida (lubrificação mista)
A película lubrificante formada na superfície de fricção é danificada localmente, fazendo com que o óleo fique irregular e descontínuo. Isso resulta em ocorrências simultâneas de lubrificação líquida, lubrificação limite e sublubrificação na superfície de atrito, denominada lubrificação semifluida, conforme mostrado na Figura 7.
As principais causas da lubrificação semifluida incluem cargas excessivas, mudanças frequentes de velocidade e carga, seleção inadequada de lubrificantes e superfícies de atrito ásperas.
Os três estados de lubrificação acima mencionados frequentemente se alternam durante a operação da máquina, raramente existindo de forma independente; há apenas uma distinção entre estados primários e secundários. Estas condições mudam com alterações no volume do óleo, nas propriedades do óleo e em outros fatores.
Portanto, normalmente se esforça para melhorar as condições de lubrificação aumentando o suprimento e a pressão do óleo, melhorando as propriedades do óleo e selecionando a viscosidade apropriada.
VI. Classificação de óleos lubrificantes
Os óleos lubrificantes podem ser categorizados em vários tipos com base em diferentes requisitos de uso. De acordo com a Classificação Geral de Produtos Petrolíferos e Lubrificantes GB498-87, os produtos petrolíferos e lubrificantes são divididos em seis categorias principais. O princípio da classificação baseia-se nas principais características dos produtos petrolíferos.
Os nomes das categorias são determinados por uma letra prefixa do nome em inglês que reflete as principais características de cada tipo de produto, sendo os lubrificantes e produtos afins designados como classe “L”. Devido à grande variedade e ampla aplicação de lubrificantes e produtos relacionados, categorizar todos como classe “L” com base na classificação geral de produtos petrolíferos pode levar a inúmeros inconvenientes.
Portanto, os produtos da classe “L” são divididos em 19 grupos de acordo com seus principais cenários de aplicação. Cada grupo tem um padrão de classificação separado. A classificação detalhada de um grupo é determinada pelo tipo de produto, mas o tipo deve atender ao principal cenário de aplicação exigido pelo grupo. O agrupamento dos produtos da classe “L” é apresentado na Tabela 1.
Tabela 1:
| Categoria | Cenário de Aplicação | Categoria | Cenário de Aplicação |
| A | Sistema de Perda Total | P | Ferramentas pneumáticas |
| B | Desmoldagem | P | Condução Térmica |
| C | Engrenagens | R | Proteção temporária contra corrosão |
| D | Compressores (incluindo refrigeradores e bombas de vácuo) | T | Turbinas a vapor |
| E | Motores de combustão interna | você | Tratamento térmico |
| F | Fusos, rolamentos e embreagens | X | Cenários para lubrificação com graxa |
| G | Guias | S | Outros cenários de aplicação |
| H | Sistemas Hidráulicos | Z | Cilindros de Vapor |
| M | Processamento de metal | S | Cenários de aplicação de lubrificantes especiais |
| N | Isolamento elétrico |
