62ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 9. Engenharia Mecânica

AVALIAÇÃO DE MANCAIS HIDRODINÂMICOS PARA APLICAÇÃO EM ALTAS ROTAÇÕES E ELEVADAS CONDIÇÕES DE CARGA

Tiago Henrique Machado 1 Kátia Lucchesi Cavalca 1

1. Departamento de Projeto Mecânico, Falculdade de Engenharia Mecânica, Unicamp

INTRODUÇÃO:

Com os últimos avanços da indústria metal-mecânica, grande parte dos problemas construtivos em mancais foram superados. Novos materiais e designs trouxeram um aumento na vida dos mancais, o que para certas aplicações não são mais as principais características de falha. As atenções viram-se, então, para a aplicação e as interações do mancal com o sistema mecânico ao qual este se aplica. Porém, quando se trata da modelagem dos mesmos para obtenção de suas características dinâmicas e interações com os arredores, as abordagens são múltiplas e nem sempre simples. Neste projeto, analisou-se o filme lubrificante, segundo suas características dinâmicas, aplicando ao mesmo um conceito similar ao mola-amortecedor, com coeficientes provenientes da avaliação da distribuição de pressão através de modelo numérico para solução da equação de Reynolds, sendo estes coeficientes obtidos de forma a representar a flexibilidade e o amortecimento inerentes a lubrificação por filme de óleo. Desta forma, a viabilidade da aplicação de mancais lubrificados de geometria fixa, em função da velocidade de rotação da máquina, do carregamento nos mancais e da viscosidade de lubrificante, pôde ser avaliada, permitindo adaptações para testes em altas velocidades de rotação e elevados valores de carga aplicada.

METODOLOGIA:

O equacionamento necessário para a análise da distribuição de pressão em um mancal sujeito à condição de lubrificação hidrodinâmica é baseado essencialmente na Equação de Reynolds. Essa equação é uma equação diferencial parcial, de segunda ordem e não homogênea, que não possui solução analítica. Sendo assim, neste trabalho, a equação foi resolvida numericamente através do Método de Diferenças Finitas, calculando-se iterativamente a pressão para todos os pontos da malha. Para este estudo várias malhas foram testadas, e uma malha bidimensional com 6400 pontos (80 pontos em cada direção), foi a malha com a melhor relação entre precisão e custo computacional. Com relação a suas características dinâmicas, o filme lubrificante foi discretizado num modelo mola-amortecedor, e, caracterizado por coeficientes equivalentes de rigidez e amortecimento, linearizados segundo uma expansão em série de Taylor das forças de reação no mancal. Para o cálculo desses coeficientes, a forma oriunda da expansão de Taylor foi avaliada através do Método das Diferenças Finitas.

RESULTADOS:

Para distribuição de pressão, em um mancal elíptico, temos a presença de dois picos de pressão. Isto ocorre, porque para baixas razões de excentricidade, temos o eixo localizado na parte superior do mancal fazendo com que o filme de óleo nessa região seja comprimido. Também observamos que o mancal elíptico apresenta características de mancal cilíndrico em excentricidades moderadas e altas devido ao descarregamento do lóbulo superior. Para o mancal trilobado a maior pressão se encontra no lóbulo inferior e o lóbulo da direita possui uma distribuição pouco maior que o da esquerda. Com o aumento da pré-carga, essa distribuição tende a ter uma divisão mais uniforme. Com respeito aos coeficientes de rigidez, para o mancal cilíndrico, os valores são menores do que os encontrados para as outras duas geometrias. No mancal elíptico há um aumento significativo no valor dos coeficientes de rigidez na direção vertical. Esse fato não é observado para os coeficientes da direção horizontal. Para o mancal trilobado, os coeficientes de rigidez para baixos níveis de pré-carga são muito próximos dos valores encontrados para o mancal cilíndrico. Com o aumento da pré-carga, além dos coeficientes da direção vertical, o coeficiente direto de rigidez na direção horizontal tem também um aumento expressivo.

CONCLUSÃO:

A distribuição de pressão nos três diferentes tipos de mancais propostos é extremamente importante para avaliar a influência benéfica do aumento da pré-carga e do aumento do número de lóbulos no comportamento estático do mancal. O surgimento de novos picos de pressão, um novo pico para cada lóbulo adicional, faz com que a capacidade de carga dos mancais multilobulares seja maior do que aquela encontrada nos mancais cilíndricos. Através da análise dos gráficos dos coeficientes dinâmicos para os diferentes tipos de mancais, pode-se notar que, nos mancais com pré-carga, têm-se um aumento dos coeficientes de rigidez (mantendo-se os coeficientes de amortecimento praticamente constantes) com o aumento da pré-carga. Esses mancais tendem a aumentar a estabilidade quando em altas rotações. Esse aumento de estabilidade pode ser observado pelo expressivo aumento relativo dos coeficientes de rigidez diretos quando comparados com os coeficientes de rigidez cruzados, aumentando-se a pré-carga.

Instituição de Fomento: CNPq - bolsa PIBIC (2º Sem. 2008) e SAE Unicamp - bolsa empresa Schaeffler Brasil (1º e 2º Sem. 2009)

Palavras-chave: Lubrificação Hidrodinâmica, Mancais Radiais, Coeficientes Dinâmicos Equivalentes.