medição do coeficiente de atrito e de desgaste para o aço

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CURI, E.M.; CASTRO, R.M.; MIGUEL, M.B.; QUAREZEMIN, A.C.; GUEDES, L.B. Medição do coeficiente de atrito e de desgaste para o aço 1000 DP utilizando um tribômetro com princípio basculante através da técnica de extensometria ©Revista Ciência e Tecnologia, Campinas, v. 20, n. 36, p. 19-25, jan./jun. 2017 - ISSN: 2236-6733 Medição do coeficiente de atrito e de desgaste para o aço 1000 DP utilizando um tribômetro com princípio basculante através da técnica de extensometria Elvys Isaías Mercado Curi 1 , Richard de Medeiros Castro 2 , Marcelo Bittencourt Miguel 3 , Artur Cavaler Quarezemin 4 , Lucas Bittencourt Guedes 5 1 Doutor, Professor da Faculdade SATC, [email protected], 2 Mestre, Professor da Faculdade SATC, [email protected], 3,4,5 Faculdade SATC, [email protected], [email protected], [email protected] Resumo A obtenção do coeficiente de atrito e de desgaste é importante na especificação de chapas utilizadas para o deslizamento de materiais, como é o caso de caminhões basculantes. Contudo, esses dados não são encontrados na literatura científica. Com base nesse contexto, os valores da força normal e de atrito de uma chapa de aço 1000 DP foram mensurados através de um tribômetro que simula a descarga do material abrasivo sobre a caixa de carga de um caminhão basculante. As medidas da força normal e da força de atrito que se produz durante um deslizamento abrasivo foram identificadas através de células de carga, bem como todo aparato de medição. Através da técnica de extensometria e com auxílio da simulação numérica, uma célula de carga foi projetada, instalada e logo em seguida calibrada, utilizando conceitos padrões da metrologia científica, como a conversão da força, a qual responde com sinal de tensão elétrica. Através destes sinais, permitiu-se a determinação do coeficiente de atrito e de desgaste para um tempo estabelecido pelos sinais de força normal e de atrito. Os resultados iniciais demonstraram que a instrumentação desenvolvida para o tribômetro apresentou-se de forma confiável na determinação dos valores de atrito e desgaste. Palavras-chave: coeficiente de atrito, desgaste, tribômetro, célula de carga, metrologia. Abstract Acquiring values of the friction and wear coefficients is important for specifying plates used for the sliding of solid materials, such as tipper trucks. However, these values are hardly found in the scientific literature. Within this context, the values of normal force and friction of a steel plate 1000 DP were measured using a tribometer simulating the discharge of abrasive material on tipper trucks. The measures of the normal force and frictional force produced during abrasive slip were identified by loading cells, as well as all measuring apparatus. Through the strain gage technique and with the aid of numerical simulation, a load cell was designed, installed and immediately calibrated using standards of the scientific concepts metrology, such as the force conversion, which responds to electrical voltage signal. Through these signals, it allowed the determination of the coefficient of friction and wear for a long time established by the signs of normal force and friction. Initial results showed that the instrumentation developed for the tribometer, presented in a reliable way to determine the friction coefficient and wear. Keywords: coefficient of friction, wear, tribometer, load cell, metrology. I. INTRODUÇÃO O aço de alta resistência 1000 DP está sendo amplamente utilizado nas caixas de carga de caminhões basculantes que transportam materiais abrasivos, por apresentar maior capacidade de absorção ao impacto sem ter grandes deformações. Desta forma, permite reduzir os reforços na estrutura da caixa de carga. Outro aspecto que deve ser observado é o processo de desgaste, o qual está relacionado com o coeficiente de atrito. O fenômeno do desgaste e atrito dos materiais é estudado na Tribologia. Sabe-se que o desgaste da superfície depende de múltiplos fatores, sendo um deles o atrito resultante das interações entre os materiais envolvidos [1]. A medida da força de atrito em um processo de desgaste abrasivo fornece informações relevantes sobre o comportamento do desgaste e a mudança da rugosidade na superfície de uma chapa metálica ou qualquer material sob deslizamento. O coeficiente de atrito de um corpo que se desliza sobre uma superficie é modelado com a relação das forças de atrito e normal, através da lei de Amontons- Coulomb. Na realidade, o modelo macroscópico do coeficiente de atrito tem dois enfoques. O primeiro fundamenta que o atrito é causado pela interação dos picos de rugosidade das superfícies. A segunda sustenta que o atrito é ocasionado pela adesão dos materiais segundo duas vertentes: Tomlinson (1927) descreve que o atrito é uma propriedade proveniente das forças de ligação e separação por deslizamento; já para Bowden e Tabor (1950) essa propriedade deve-se ao contato das asperezas que se deformam plasticamente, atingindo uma pressão de contato que se relaciona com a dureza do material, conforme consta em [2]. Experimentalmente, o deslizamento de dois metais é realizado através de um tribômetro de pino (metal padrão) sobre disco (metal em estudo), seguindo as

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CURI, E.M.; CASTRO, R.M.; MIGUEL, M.B.; QUAREZEMIN, A.C.; GUEDES, L.B.

Medição do coeficiente de atrito e de desgaste para o aço 1000 DP utilizando um tribômetro com princípio basculante

através da técnica de extensometria

©Revista Ciência e Tecnologia, Campinas, v. 20, n. 36, p. 19-25, jan./jun. 2017 - ISSN: 2236-6733

Medição do coeficiente de atrito e de desgaste para o aço 1000 DP utilizando um tribômetro

com princípio basculante através da técnica de extensometria

Elvys Isaías Mercado Curi1, Richard de Medeiros Castro2, Marcelo Bittencourt Miguel3 , Artur Cavaler

Quarezemin4 , Lucas Bittencourt Guedes5

1 Doutor, Professor da Faculdade SATC, [email protected],

2Mestre, Professor da Faculdade SATC, [email protected], 3,4,5 Faculdade SATC, [email protected], [email protected], [email protected]

Resumo – A obtenção do coeficiente de atrito e de

desgaste é importante na especificação de chapas

utilizadas para o deslizamento de materiais, como é o

caso de caminhões basculantes. Contudo, esses dados

não são encontrados na literatura científica. Com base

nesse contexto, os valores da força normal e de atrito de

uma chapa de aço 1000 DP foram mensurados através

de um tribômetro que simula a descarga do material

abrasivo sobre a caixa de carga de um caminhão

basculante. As medidas da força normal e da força de

atrito que se produz durante um deslizamento abrasivo

foram identificadas através de células de carga, bem

como todo aparato de medição. Através da técnica de

extensometria e com auxílio da simulação numérica,

uma célula de carga foi projetada, instalada e logo em

seguida calibrada, utilizando conceitos padrões da

metrologia científica, como a conversão da força, a qual

responde com sinal de tensão elétrica. Através destes

sinais, permitiu-se a determinação do coeficiente de

atrito e de desgaste para um tempo estabelecido pelos

sinais de força normal e de atrito. Os resultados iniciais

demonstraram que a instrumentação desenvolvida para

o tribômetro apresentou-se de forma confiável na

determinação dos valores de atrito e desgaste.

Palavras-chave: coeficiente de atrito, desgaste,

tribômetro, célula de carga, metrologia.

Abstract – Acquiring values of the friction and wear

coefficients is important for specifying plates used for

the sliding of solid materials, such as tipper trucks.

However, these values are hardly found in the scientific

literature. Within this context, the values of normal force

and friction of a steel plate 1000 DP were measured

using a tribometer simulating the discharge of abrasive

material on tipper trucks. The measures of the normal

force and frictional force produced during abrasive slip

were identified by loading cells, as well as all measuring

apparatus. Through the strain gage technique and with

the aid of numerical simulation, a load cell was

designed, installed and immediately calibrated using

standards of the scientific concepts metrology, such as

the force conversion, which responds to electrical

voltage signal. Through these signals, it allowed the

determination of the coefficient of friction and wear for

a long time established by the signs of normal force and

friction. Initial results showed that the instrumentation

developed for the tribometer, presented in a reliable way

to determine the friction coefficient and wear.

Keywords: coefficient of friction, wear, tribometer, load

cell, metrology.

I. INTRODUÇÃO

O aço de alta resistência 1000 DP está sendo

amplamente utilizado nas caixas de carga de caminhões

basculantes que transportam materiais abrasivos, por

apresentar maior capacidade de absorção ao impacto

sem ter grandes deformações. Desta forma, permite

reduzir os reforços na estrutura da caixa de carga. Outro

aspecto que deve ser observado é o processo de desgaste,

o qual está relacionado com o coeficiente de atrito. O

fenômeno do desgaste e atrito dos materiais é estudado

na Tribologia. Sabe-se que o desgaste da superfície

depende de múltiplos fatores, sendo um deles o atrito

resultante das interações entre os materiais envolvidos

[1].

A medida da força de atrito em um processo de

desgaste abrasivo fornece informações relevantes sobre

o comportamento do desgaste e a mudança da

rugosidade na superfície de uma chapa metálica ou

qualquer material sob deslizamento.

O coeficiente de atrito de um corpo que se desliza

sobre uma superficie é modelado com a relação das

forças de atrito e normal, através da lei de Amontons-

Coulomb. Na realidade, o modelo macroscópico do

coeficiente de atrito tem dois enfoques. O primeiro

fundamenta que o atrito é causado pela interação dos

picos de rugosidade das superfícies. A segunda sustenta

que o atrito é ocasionado pela adesão dos materiais

segundo duas vertentes: Tomlinson (1927) descreve que

o atrito é uma propriedade proveniente das forças de

ligação e separação por deslizamento; já para Bowden e

Tabor (1950) essa propriedade deve-se ao contato das

asperezas que se deformam plasticamente, atingindo

uma pressão de contato que se relaciona com a dureza

do material, conforme consta em [2].

Experimentalmente, o deslizamento de dois metais é

realizado através de um tribômetro de pino (metal

padrão) sobre disco (metal em estudo), seguindo as

CURI, E.M.; CASTRO, R.M.; MIGUEL, M.B.; QUAREZEMIN, A.C.; GUEDES, L.B.

Medição do coeficiente de atrito e de desgaste para o aço 1000 DP utilizando um tribômetro com princípio basculante

através da técnica de extensometria

©Revista Ciência e Tecnologia, Campinas, v. 20, n. 36, p. 19-25, jan./jun. 2017 - ISSN: 2236-6733

recomendações da norma G99-10 [3]. Para determinar o

coeficiente de atrito do deslizamento de um material

abrasivo sugere-se mudar o pino de metal por um pino

cerâmico padrão, segundo a mesma norma.

Em instrumentação, os valores obtidos para as forças

são mensuradas utilizando-se células de carga, as quais

utilizam sensores com princípios resistivos

(extensômetros) ou piezoelétricos, seguindo as

recomendações das normas ASTM 74-13a e ASTM

E898-88, que estabelecem um procedimento padrão de

teste e calibração [4], [5].

II. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Para a medição da força de atrito, no caso de

deslizamento de material abrasivo descarregado em uma

caixa de carga basculante, não existe norma

regulamentadora, assim como nenhum procedimento

padrão estabelecido.

No sentido de avaliar os coeficientes de atrito e de

desgaste da chapa do aço 1000 DP, utilizada nas caixas

de carga de implementos basculantes, foi projetada uma

bancada que simula o processo de descarregamento da

brita de uma caixa de carga. O tribômetro basculante

consiste de um silo onde fica armazenado o material

abrasivo (brita/basalto), e abaixo deste localiza-se uma

comporta manual por onde é descarregado o material. A

Figura 1 apresenta o Tribômetro basculante.

Figura 1 – Tribômetro basculante. a) Modelagem 3D, b) Deslizando

do abrasivo no corpo de prova, c) Depósito e d) Ajustes da rampa.

Fonte: Elaborado pelo autor (2016).

Após a queda, a brita é direcionada sob o corpo de

prova através de uma rampa com uma inclinação de 45°.

Durante o ensaio, o deslizamento do material abrasivo é

monitorado por células de carga, as quais estão

conectadas ao corpo de prova. As células de carga

possuem sensores que geram sinais de tensão elétrica.

Estes sensores estão no extremo do sistema de medida e

pertencem ao aparato de medição, contendo diversos

instrumentos que transferem todos os sinais adquiridos

em função do tempo para um computador por meio de

uma placa analógica/digital. A célula de carga usada

para a medição da força normal (FN) funciona como

uma balança de 20 kg de capacidade é apresentada na

Figura 2.

Figura 2 – Balança desenvolvida para a bancada (medição da força

normal (FN). a) Vista explodida b) Balança montada.

Fonte: Elaborado pelo autor (2016).

Através da Figura 2, verifica-se uma célula de carga

comercial do tipo single point (sentido único de

medição) para a medição da força no sentido vertical ao

deslizamento do material abrasivo. Contudo, para a

obtenção dos valores da força de atrito foi projetada uma

célula de carga, com auxílio do Método de Elementos

Finitos (FEM), para a medida da força no sentido

longitudinal do descarregamento do material abrasivo.

A mesma foi projetada e confeccionada em alumínio, e

logo em seguida realizada a colagem dos extensômetros

para medir a deformação, nos pontos identificados pelo

software de simulação por FEM.

Após a montagem das células de carga na bancada

realizou-se o procedimento de calibração das mesmas

para melhorar a confiabilidade dos resultados. Na Figura

3, apresenta-se o projeto da célula de carga em

simulação e a célula de carga montada no equipamento.

A força normal (FN) é medida com a célula de carga

fixada na parte inferior do corpo de prova. A força de

atrito (FA) é medida através da célula de carga instalada

no extremo superior do corpo de prova, onde ambas as

células possuem suas faixas de medida correspondentes

de 0 até 20 kg.

Figura 3 – Projeto da célula de carga. a) Simulação por FEM e b)

Célula de carga instalada no tribômetro.

Fonte: Elaborado pelo autor (2016).

Ajuste de

angulo

Rampa

Corpo de

prova

a) b)

Deslizamento

do abrasivo

Depósito

abrasivo

c)

Queda do

abrasivo

Válvula de

abertura

d)

Corpo de

Prova (Docol)

Suporte da

balança

Célula de

carga

Base da célula

de carga

Balança montada

a) b)

Extensômetro

a) b)

Célula de

carga

CURI, E.M.; CASTRO, R.M.; MIGUEL, M.B.; QUAREZEMIN, A.C.; GUEDES, L.B.

Medição do coeficiente de atrito e de desgaste para o aço 1000 DP utilizando um tribômetro com princípio basculante

através da técnica de extensometria

©Revista Ciência e Tecnologia, Campinas, v. 20, n. 36, p. 19-25, jan./jun. 2017 - ISSN: 2236-6733

No deslizamento o peso da brita provoca-se a força

normal (FN). A força de atrito (FA) é produzida pela

oposição ao movimento. O coeficiente de atrito (μ),

segundo Coulomb, é calculado através da equação 1:

𝜇 =𝐹𝐴

𝐹𝑁

(1)

O aparato de medição foi composto por alguns

componentes, tais como: células de carga,

condicionador de sinal, placa analógica/digital e

software CATMAN X® para a aquisição contínua dos

dados. Na Figura 4 são apresentados os compontes.

Figura 4 – Cadeia de medida. a) Calibração da célula de carga da

força normal. b) Calibração da célula de carga de atrito.

Fonte: Elaborado pelo autor (2016).

Para realizar a calibração da célula de carga que

mede a força normal, foi colocada a plataforma em

posição horizontal e logo após os pesos padrão

adicionados acima dela. Contudo, para a calibração da

célula de carga que realiza a medição da força de atrito,

se usou uma corda tensionada que atravessa a superfície

do corpo de prova com angulo de 45°, apoiando-se ao

uma polia que direciona na posição vertical, onde são

colocados os pesos padrão. A Figura 5 apresenta a

metodologia de calibração.

Figura 5 – Posições dos pesos padrão. a) medição da força normal e b) medição da força de atrito.

Fonte: Elaborado pelo autor (2016).

A calibração consiste em colocar pesos padrão, com

cargas de 500, 1000, até 4500g e registra-se os sinais em

tensão elétrica, para todas as cargas. O tempo inicial de

funcionamento do equipamento é de 300 s, e seu sinal

tem valores diferentes de zero. Após a aquisição

realizada pelo software CATMAN X®, o valor da média

da tensão elétrica é colocado em zero. O tempo de coleta

do sinal é de 30 a 60 s, recomendado pela ISO 376 nos

procedimentos de calibração de instrumentos de

medidas de forças [6]. Os sinais são apresentados na

Figura 6.

Figura 6 – Sinais coletados para a calibração. a) Força normal (FN) e

b) força de atrito (FA).

Fonte: Elaborado pelo autor (2016).

-0,005

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0 50 100 150 200 250 300

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são

E

létr

ica [

V]

Tempo [s]

0

50

100

150

200

250

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Ten

são

E

létr

ica [

mV

]

Tempo [s]

a) b)

Plataforma da célula de carga

(FN) Peso

padrão

Peso padrão

a)

b)

Célula de carga para medição da

força normal - FN

Aquisição via Software

CATMAN X®

Blocos padrão

Placa de aquisição de

dados HBM 840X

Condicionador de sinal

Célula de carga p/ medição da força

de atrito (FA)

Célula de

carga (FA)

1

2

3

4

5

6 7

8 9

0

1

2

3

4

5

6

7

0

a)

b)

CURI, E.M.; CASTRO, R.M.; MIGUEL, M.B.; QUAREZEMIN, A.C.; GUEDES, L.B.

Medição do coeficiente de atrito e de desgaste para o aço 1000 DP utilizando um tribômetro com princípio basculante

através da técnica de extensometria

©Revista Ciência e Tecnologia, Campinas, v. 20, n. 36, p. 19-25, jan./jun. 2017 - ISSN: 2236-6733

O sinal de tensão elétrica é fragmentado em grupos

lineares, conforme apresenta-se nas Figuras 6a e 6b, e

relaciona-se os valores da abscissa com a força, através

da equação de Newton (F = m.g). O procedimento de

calibração metrológico adotado refere-se ao mesmo

empregado como padrão para calibração/verificação de

balanças comerciais [7]. O valor do fator de conversão

m de sinal a força é feito mediante a equação [2].

𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏 ± 𝑈 (2)

Onde:

y = Força aplicada com o peso padrão (N).

x = Média estatística do sinal para a carga aplicada.

m = Fator de conversão.

b = Zero do offset (erro sistemático).

U = Incerteza das medições.

Para o cálculo do coeficiente de desgaste (K) do

ensaio de deslizamento abrasivo, utilizou-se o critério de

ARCHARD, representado pela equação (3).

𝑄 = 𝐾. [𝑊.𝐿

𝐻] (3)

Onde:

Q [mm³]: total do volume de material removido

K [...]: coeficiente de desgaste

W [N]: carga aplicada

L [mm]: comprimento deslizado

H [Kgf/mm²]: dureza VICKERS da superfície estudada

III. RESULTADOS

De acordo com a metodologia adotada para a

instrumentação e o desenvolvimento dos ensaios, serão

apresentados os resultados da célula de carga,

calibração, sinais das forças medidas, cálculos do

coeficiente de atrito e desgaste, além das medições de

rugosidade.

A. Projeto da célula de carga

A célula de carga, com capacidade de 100 N, foi

projetada pelo método de elementos finitos com a

finalidade de medir a força de atrito. Com a análise da

simulação, determinaram-se os valores e pontos de

máxima deformação, definindo uma melhor geometria a

ser adaptada num local de difícil armazenamento a uma

célula do tipo comercial. A Figura 7 apresenta os

resultados da simulação com valores máximos que estão

abaixo dos limites de deformação plástica.

Através da simulação, verificou-se que no centro da

chapa de alumínio ocorrem deformações homogêneas,

vista através da cor azul da Figura 7, suportando até 100

N sem ultrapassar o limite de escoamento. Essa

deformação na região central e homogênea garante que

o extensômetros funcione corretamente.

Figura 7 – Analise das deformações da célula de carga que mede as forças de atrito usando as técnicas de FEM.

Fonte: Elaborado pelo autor (2016).

B. Instrumentação

Os resultados da calibração são analisados

graficamente usando a equação (2). A equação da reta,

que relaciona a tensão elétrica medida pelo

extensômetro com a força normal e de atrito é

apresentada nas Figuras 8a e 8b, respectivamente.

Na reta encontra-se o valor de conversão (mx) que

relaciona a medida da tensão elétrica em função do peso

padrão de referência. A média de todos os valores do

segmento da tensão medida ajusta os erros aleatórios e

fornece um único ponto da reta.

Figura 8 – Curva de correlação entre tensão elétrica e força.

a) força normal b) força de atrito.

Fonte: Elaborado pelo autor (2016).

Para a força normal encontrou-se um fator de

conversão de 1542,2 com o valor de intersecção na reta

de 0,276 que corresponde ao erro sistemático da

calibração, obtendo-se uma correlação de 99,99%. Para

a força de atrito o fator de conversão foi de 0,2018 com

o valor de intersecção na reta correspondente a 2,232

com uma correlação de 99,29 %.

y = 1542,2x + 0,2762R² = 0,9999

0

10

20

30

40

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025

Fo

rça [

N]

Tensão eltétrica [mV]

y = 0,2018x - 2,232R² = 0,9929

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250

Fo

rça [

N]

Tensão elétrica [mV]

a)

b)

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Medição do coeficiente de atrito e de desgaste para o aço 1000 DP utilizando um tribômetro com princípio basculante

através da técnica de extensometria

©Revista Ciência e Tecnologia, Campinas, v. 20, n. 36, p. 19-25, jan./jun. 2017 - ISSN: 2236-6733

C. Medições de forças

Um exemplo dos sinais filtrados que medem a força

normal, com cor azul, e a força de atrito, com cor verde,

é apresentado na Figura 9. Nela se observa que os

valores mudam no transcorrer do tempo com alguma

semelhança entre ambas qualitativamente, mas os

valores quantitativos mudam dinamicamente.

Figura 9 - Sinais das forças interagindo no deslizamento da brita

sinais da força normal em azul e da força de atrito de verde.

Fonte: Elaborado pelo autor (2016).

A medida do coeficiente de atrito foi feita para uma

faixa dos sinais das forças, considerando a partir da

detecção da força de atrito estático até um valor onde o

coeficiente de atrito começa a diminuir notavelmente. A

Figura 10 apresenta os resultados gráficos da medida do

coeficiente de atrito do tempo útil definido através dos

sinais de força da Figura 9 na parte de tempo util.

Figura 10 - Sinal resultado da medida do coeficiente de atrito.

Fonte: Elaborado pelo autor (2016).

A delimitação da faixa de tempo é importante para

obter um valor apropriado do coeficiente de atrito, já que

o processo é de curta duração.

O monitoramento dos valores do coeficiente de atrito

permite relacionar-se com o processo de desgaste.

Através destas medições, foram observados baixos

valores de coeficiente de atrito, de aproximadamente

0,4, em um estado inicial de descarga com deslizamento

abrasivo. Já a partir de 3 segundos inicia-se o processo

de desgaste com o coeficiente de atrito modificando-se

até atingir o valor limite de 0,65.

D. Coeficiente de atrito

Com intuito de medir o coeficiente de atrito e

desgaste, utilizou-se como corpo de prova aço 1000 DP

a qual é submetida ao deslizamento abrasivo de brita de

granulometria de 3/4. Após, 100 descargas de brita

foram adquiridas as forças, finalizando com o cálculo do

coeficiente de atrito, através da equação 1. Contudo,

para obter uma repetitividade das medições, foram

realizadas 10 descargas, colocando-se em zero a tensão

elétrica no início de cada ensaio, deixando um tempo de

50 segundos para estabilizar-se o sinal.

A medida de 10 sinais do coeficiente de atrito de uma

massa de 15 kg de brita deslizando no corpo de prova é

apresentada na Tabela 1.

Tabela 1 – Resultados para o coeficiente te atrito.

Nº de ensaio Tempo do

sinal [s]

Tempo do coef.

de atrito [s]

Coeficiente de

atrito [μ]

1 2,5 1,7 0,56

2 3,0 2,1 0,46

3 2,1 2,1 0,45

4 3,0 2,3 0,46

5 2,5 2,3 0,46

6 2,5 2,3 0,52

7 2,4 2,1 0,56

8 2,3 1,8 0,59

9 2,4 2,2 0,53

10 2,8 2,5 0,44

Média 2,5 2,1 0,50

Incertezas ±0,3 ±0,2 ±0,06

As medidas calculadas do coeficiente de atrito

estiveram dentro da faixa esperada para aços. Segundo

Hutchings (2001), [8], os valores para esses materiais

estão compreendidos na faixa de 0,4 a 0,6.

E. Coeficiente de desgaste

Após dos ensaios de atrito, foram obtidos os valores

dos coeficientes de desgaste. A equação (3) modifica-se

a relação de perda Q em função do comprimento L para

ter uma equação da reta:

𝑄 = 𝐾 [𝑊

𝐻. 𝑠𝑒𝑛(45°)] 𝐿 + 𝐵 (4)

Os resultados são apresentados graficamente através

da Figura 11, segundo estes valores calcula-se o

coeficiente de desgaste: K = 0,0448 (comercialmente -

Docol 1000 DP). A abscissa do gráfico corresponde aos

valores de carga W = 147,15 N, comprimento L = 320

ciclos de descarregamento e a dureza do material que é

de 453,72 HV.

0 1 2 3 4 5 6 7-5

0

5

10

15

20

25

Tempo (s)

Fo

rça

(N

)

Sinais da Força Normal e de Atrito

Força Normal

Força de Atrito

3 3.5 4 4.5 5 5.50.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

Tempo (s)

Co

efi

cie

nte

de

Atr

ito

Sinais do Coeficiente de Atrito

0 1 2 3 4 5 6 7-5

0

5

10

15

20

25

Tempo (s)

Fo

rça

(N

)

Sinais da Força Normal e de Atrito

Força Normal

Força de Atrito

3 3.5 4 4.5 5 5.50.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

Tempo (s)

Co

efi

cie

nte

de

Atr

ito

Sinais do Coeficiente de Atrito

Tempo útil de

duração do

sinal

CURI, E.M.; CASTRO, R.M.; MIGUEL, M.B.; QUAREZEMIN, A.C.; GUEDES, L.B.

Medição do coeficiente de atrito e de desgaste para o aço 1000 DP utilizando um tribômetro com princípio basculante

através da técnica de extensometria

©Revista Ciência e Tecnologia, Campinas, v. 20, n. 36, p. 19-25, jan./jun. 2017 - ISSN: 2236-6733

Figura 11 - Coeficiente de desgaste K para Docol 1000DP.

Fonte: Elaborado pelo autor (2016).

Os resultados para o coeficiente de desgaste foram

confrontados com as propriedades mecânicas do aço de

alta resistência 1000 DP, onde o mesmo é caraterizado

com valores médios de limite de escoamento 1000 N/m2,

deformação máxima de 7% e dureza na superfície igual

a 450 HV.

De acordo com os resultados, verifica-se que através

do tribômetro também é possível quantificar os

resultados de coeficiente de desgaste, devido aos valores

fornecidos pela célula de carga responsável pela

medição da força normal.

Após os ensaios, verificou-se que o coeficiente de

desgaste K para o aço 1000 DP ficou em 4,48×10-2, com

um valor de perda de massa correpondente a 0,3g, após

320 ciclos de descarregamento.

F. Medição de rugosidade

Para avaliar a evolução do desgaste, apresenta-se

uma análise gráfica das medidas das rugosidades para o

aço 1000 DP, conforme Figura 12.

Figura 12 – Medições da Rugosidade Ra [µm].

Fonte: Elaborado pelo autor (2016).

Ao analisar as mudanças dos valores de Ra [µm] das

rugosidades, observa-se apenas um leve incremento dos

valores após os 320 ciclos de descarregamentos.

Provavelmente, esse fato ocorre pela baixa capacidade

de deformação nos picos de rugosidades que o aço de

alta resistência possui. Além disso, apresenta uma boa

característica de absorção de impacto (resiliência),

influenciando também na conservação dos valores da

rugosidade.

IV. CONCLUSÃO

Os tribômetros devem ser projetados em função das

necessidades. Algumas vezes as máquinas padronizadas

podem ser utilizadas. Entretanto, em outros processos

existe a necessidade do desenvolvimento de acordo com

as condições de trabalho, como no caso de deslizamento

em ângulo que ocorre em caminhões basculantes.

A bancada projetada, fabricada e testada apresentou

importantes resultados com respeito ao comportamento

do coeficiente de atrito e desgaste em função dos

métodos empregados, tanto na fase de simulação quanto

nos testes realizados.

O método utilizado na calibração de balanças

comerciais foi reproduzido para as células de carga que

utilizam extensômetros, permitindo converter sinais de

tensão elétrica em forças através da equação da reta. Ao

final, obteve-se uma boa correlação com pequenas

incertezas. Contudo, foi necessário realizar o processo

de filtragem dos sinais, além de fragmentar os sinais em

faixas completamente estáveis.

As medidas das forças produzidas a parir das células

de carga e o cálculo do coeficiente de atrito

apresentaram-se coerentes com os dados da literatura.

Todavia, foi necessário estabelecer um tempo útil de

duração do sinal medido, pois as forças normais e de

atrito devem estar diferenciadas.

As variáveis que compreendem a equação de

Archard foram obtidas experimentalmente. Os

resultados gráficos do comportamento do desgaste em

função do tempo apresentaram um comportamento

linear. Através destes resultados apresentados para o

desgaste, o tribômetro apresentou-se de forma relevante,

podendo ser útil em outras condições de testes, como por

exemplo, diferentes ângulos e materiais abrasivos.

Os resultados do coeficiente de atrito e da rugosidade

apresentaram pequena variação desde o estado inicial

dos ensaios até o final de 320 ciclos de descarregamento.

Isso reforça ainda mais o indicativo de que os picos de

rugosidade foram quebrados de forma homogênea, já

que visualmente a superfície não apresenta notáveis

riscamentos.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à empresa Librelato

Implementos Rodoviários SA pelo aporte financeiro e

técnico para a realização desta pesquisa e ao

departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade

SATC.

y = 0,0448x - 0,1135R² = 0,9943

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 200 400 600 800 1000

Perd

a d

e v

olu

me (

mm

³)

(W.L)/H

Docol 1000DP

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Ru

go

sid

ad

e (μ

m)

Número de Medições

Docol Sem Desgaste

Docol com Desgaste

CURI, E.M.; CASTRO, R.M.; MIGUEL, M.B.; QUAREZEMIN, A.C.; GUEDES, L.B.

Medição do coeficiente de atrito e de desgaste para o aço 1000 DP utilizando um tribômetro com princípio basculante

através da técnica de extensometria

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REFERÊNCIAS

[1] A. RAMALHO. A Reliability Model for Friction

and Wear Experimental Data. Wear, v. 269 p. 213-

223, 2010.

[2] BLAU P.; et al. Friction, Lubrification and Wear

Technology, Vol 18 of the ASM Handbook

National Science Foundation Company, 1992.

[3] ASTM G99-95A. Standard Test Method for

Wear a Testing Pin-on-Disc Apparatus, 1977.

[4] ASTM 74-13A. Standard Practice of Calibration

of Force-Measuring Instruments for Verifying

the Force Indication of Testing Machines, 2013.

[5] ASTM E898-88. Standard Test Method of

Testing Top-Loading, Direct-Reading

Laboratory Scales and Balances, 2013.

[6] ISO 376:2011(E) Metallic Material – Calibration

of force-proving instruments used for the

verification of uniaxial testing machines. 2011.

[7] MILLER V. Recommended Guide for

Determining and Reporting Uncertainties for

Balances and Scales, Division National Institute of

Standards and Technology, Administration U.S.

Department of Commerce, 2002.

[8] HUTCHINGS, I. M. Tribology – Friction and

Wear of Engineering Materials. Oxford,

Butterworth Heinemann, 273 p., 2001.