SISTEMAS MECÂNICOS I

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 13 – LUBRIFICAÇÃO E MANCAIS DE MUNHÃO

AS RELAÇÕES DAS VARIÁVEISELEVAÇÃO DA TEMPERATURA DE LUBRIFICANTE

◦ A temperatura do lubrificante aumenta até que a taxa naqual o trabalho é realizado pelo munhão no filme,mediante o cisalhamento do fluido, seja a mesma queaquela na qual o calor é transferido para os arredoresmaiores.

◦ Um reservatório de lubrificante (interno ou externo aocompartimento ou à caixa do mancal) fornece lubrificante,à temperatura Ts do reservatório, ao ânulo de mancal àtemperatura Ts=T1.

◦ Usando o reservatório como uma região de controle,podemos escrever um balanço de entalpia. Usando T1,como a temperatura de referência, obtemos:

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AS RELAÇÕES DAS VARIÁVEISELEVAÇÃO DA TEMPERATURA DE LUBRIFICANTE

◦ A perda de energia térmica no estadopermanente Hloss é igual à razão em que omunhão trabalho no filme; logo, Hloss=2πTN/J,em que J representa a transformação dejoules em in.lbf/Btu. O torque T=fWr, a carga,em termos de pressão, é W=2Prl e,multiplicando o numerador e o denominadorpela folga c, obtemos:

◦ Igualando as equações e rearranjando osresultados:

◦ Para lubrificantes comuns de petróleo,ρ=0,0311lbm/in³, Cp=0,42Btu/(lbm.°F) eJ=9336in.lbf/Btu, têm-se:

◦ em que ΔTF é o aumento de temperatura em°F e Ppsi é a pressão de mancal.

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AS RELAÇÕES DAS VARIÁVEISELEVAÇÃO DA TEMPERATURA DE LUBRIFICANTE

◦O lado direito da equação podeser avaliado, a partir das Figuras12-18 a 12-20, para váriosnúmeros de Sommerfeld e razõesde l/d, visando, assim, a produzira Figura 12-24.

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CONDIÇÕES DE ESTADO PERMANENTE EM MANCAIS AUTOCONTIDOS◦ Serão agora abordados os mancais em que o lubrificante

aquecido fica dentro do compartimento do mancal. Essesmancais são denominados mancais autocontidos,

◦ Essencial às considerações de projeto para esses mancais édissipar o calor de seus compartimentos para os arredores, namesma razão em que a entalpia está sendo gerada dentro dofilme de fluido.

◦ O calor cedido pelo compartimento do mancal pode serestimado a partir da equação:

◦ Em que Hloss=calor dissipado (Btu/h); hCR=coeficiente global detransferência de calor (Btu/(h.ft².°F); A=área de superfície docompartimento de mancal (ft²); Tb=temperatura da superfíciedo compartimento (°F); T∞=temperatura ambiente (°F).

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CONDIÇÕES DE ESTADO PERMANENTE EM MANCAIS AUTOCONTIDOS◦ O coeficiente global hCR depende de fatores

como material, revestimento de superfície,geometria, e até a rugosidade, diferença detemperatura entre o compartimento e osobjetos dos arredores, e a velocidade do ar.Alguns valores representativos são:

◦ à Equação pode ser escrita pela diferençade temperatura Tf-Tb entre o filme delubrificante e a superfície docompartimento, em que Tf é a temperaturamédia de filme e α é uma constantedependendo do esquema de lubrificação eda geometria de compartimento domancal.

◦ A Tabela 12-2 fornece algum guiaconcernente a valores convenientes de α.

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CONDIÇÕES DE ESTADO PERMANENTE EM MANCAIS AUTOCONTIDOS◦ Solucionando a Equação para

Tb, obtemos a taxa de perdade calor do mancal para osarredores como:

◦A taxa de geração de calor Hger,em regime permanente, é igualà taxa de trabalho do torquefriccional T.

◦ Equilibrando isso esolucionando para Tf obtemos:

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FOLGA◦ Ao projetar um mancal de munhão para a lubrificação

de filme espesso, o engenheiro deve selecionar o graudo óleo a ser utilizado, junto com os valoresapropriados para P, N, r, c e l. Uma má seleção ou umcontrole inadequado destes, durante a manufatura ouem sua utilização, podem resultar em um filme muitofino, de modo que o fluxo de óleo será insuficiente,causando superaquecimento do mancal e, então, falha.

◦ A Figura 12-25 mostra os resultados obtidos quando odesempenho de um determinado mancal é calculadopara um intervalo completo de folgas radiais e traçadocom a folga como variável independente.

◦ Altas temperaturas podem fazer o mancal falhar porfadiga.

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◦ Os resultados da Tabela 12-4correspondem aos da Figura 12-25.

◦ Tanto a tabela como a figura mostramque uma folga apertada resulta emuma temperatura elevada.

FOLGA◦ Parecia que uma folga grande permitiria às

partículas de sujeita passar, assim comotambém permitiria um grande fluxo deóleo, como indicado na Tabela 12-4. Issodiminui a temperatura e aumenta a vida domancal. Contudo, se a folga se tornar muitogrande, o mancal, por sua vez, tornar-se-ábarulhento e a espessura mínima de filmecomeçará a decrescer novamente.

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◦ Entre essas duas limitações,existe um intervalo bastantegrande de folgas, o qual resultaráem um desempenho satisfatóriodo mancal.

FOLGA◦ Se o filme de óleo for muito fino,

partículas de sujeira poderão serincapazes de passar sem escoriar, oupoderão encravar-se no mancal.

◦ A Figura pode ser empregada paraestimar um limite superior detemperatura quando as características daaplicação são conhecidas.

◦ A Tabela 12-3 foi preparada utilizando-seos dois tipos de ajustes correntespreferidos, os quais parecem ser maisúteis para o projeto de mancal demunhão.

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CARGAS E MATERIAIS◦ Certo auxílio na seleção de cargas

unitárias e de materiais de mancal éproporcionado pelas Tabelas 12-5 e 12-6.

◦ A razão comprimento-diâmetro l/d de ummancal depende de se esperar ou nãooperar sob condições de lubrificação defilme fino. Um mancal longo (razão l/dgrande) reduz o coeficiente de fricção e ofluxo lateral de óleo, sendo, portanto,desejável onde a lubrificação de filme finoou a de magnitude de contorno estiverempresentes. Por outro lado, onde aalimentação forçada ou a lubrificaçãopositiva estiverem presentes, a razão l/ddeverá ser relativamente pequena.

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CARGAS E MATERIAIS◦O comprimento curto de mancal

resulta em um fluxo maior de óleopara fora das extremidades,mantendo, assim, o mancal maisfresco. A prática corrente consisteem utilizar uma razão l/d próxima daunidade, em geral, e entãoaumentar essa razão, se alubrificação de filme fino forprovável de ocorrer, e decrescê-lapara a lubrificação de filme espessoou para altas temperaturas.

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CARGAS E MATERIAIS◦A vida do mancal pode ser ampliada

significativamente depositando-seuma camada de babbitt, ou outrometal branco, nas espessuras de0,001 a 0,014 in sobre o materialmetálico de suporte. De fato, umacamada de cobre-chumbo sobre oaço, visando a prover resistência,combinada com um revestimentode babbitt para realçar aconformidade da superfície e aresistência à corrosão, produz umexcelente mancal.

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TIPOS DE MANCAL◦ A Figura mostra dois tipos de buchas.◦ A bucha sólida é feita por fundição, por

repuxamento e usinagem. A bucha forrada énormalmente do tipo dividida. Em um métodode manufatura, o material fundido de forro éfundido continuamente em uma fina tirametálica. A tira de babbitt é então processadapor prensas, rebarbadores e brochadores,resultando em uma bucha forrada.

◦ Mancais de flange e retos de duas peças sãoexibidos na Figura, eles estão disponíveis emmuitos tamanhos, em ambos os tipos - deparede fina ou grossa, com ou sem material deforramento. Uma alça de travamento posicionao mancal e efetivamente previne o movimentoaxial ou rotacional deste no compartimento.

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TIPOS DE MANCAL◦Alguns modelos típicos de sulco são

mostrados na Figura. O fluxo pode serintermitente ou contínuo. A práticapreferida é introduzir o óleo no centro dabucha, de modo que flua para fora de ambasas extremidades, aumentando, assim, ofluxo e a ação de resfriamento.

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MANCAIS DE EMPUXO◦ A Figura mostra um mancal de empuxo

de pastilha fixa consistindoessencialmente em um rotor deslizantesobre uma pastilha fixa.

◦ A Figura fornece uma descrição dadistribuição de pressão sob condiçõesde lubrificação de filme completo.

◦ Devemos observar que os mancais sãofreqüentemente feitos com um flange,como mostra a Figura. Esse flangeposiciona o mancal no compartimento etambém recebe uma carga de empuxo.

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