Vida prolongada do rolamento por meio de lubrificação com graxa eficaz

Os esforços de pesquisa e desenvolvimento da SKF são direcionados para apoiar o desenvolvimento de produtos em rolamentos e vedantes para os quais o entendimento da lubrificação com graxa é crucial, uma vez que a maioria das falhas em rolamentos são causadas por lubrificação inadequada.

A SKF tem competência interna para analisar lubrificantes e o impacto da lubrificação no desempenho do rolamento por meio de uma ampla variedade de produtos químicos sofisticados, equipamentos de medição e teste.

O sistema de lubrificação e lubrificação é frequentemente integrado ao sistema de rolamentos, onde graxas específicas são escolhidas, dedicadas à aplicação. A SKF não fabrica graxas, mas, em parceria com fornecedores preferenciais, desenvolveu uma linha de graxas, tanto para enchimento inicial quanto para pós-venda.

O conhecimento em lubrificação também se estende a lubrificadores automáticos, lubrificadores multiponto e único, sistemas de lubrificação centralizada e sistemas de lubrificação centralizada de perda total e circulante.

A SKF também oferece treinamento em seleção e manuseio de lubrificantes, inspeção, descarte e manutenção de confiabilidade. Uma unidade de negócios separada da SKF, Serviços de Engenharia e Consultoria, ajuda a desenvolver produtos relacionados a eixos rotativos ou aplicações de rolamentos. Obviamente, a lubrificação (especialmente a lubrificação com graxa) é muito importante aqui. Engenharia de aplicação, serviços de consultoria, treinamento, gerenciamento de lubrificação, monitoramento de condições, manutenção de confiabilidade, suporte técnico, ferramentas, produtos e sistemas juntos formam a solução completa de lubrificação da SKF.

Lubrificação com graxa para aplicações de rolamentos
O rolamento perfeito não teria lubrificantes. No entanto, o lubrificante é necessário para separar os corpos rolantes das pistas, a fim de evitar danos devido ao (micro) deslizamento. O meio de separação ideal é o líquido, que é capaz de acomodar cisalhamento com baixas perdas por atrito e pode reabastecer as superfícies de apoio (ação de autocura).

A graxa lubrificante é amplamente utilizada por sua consistência, o que a torna fácil de usar; não vazará facilmente e proporciona alguma ação de vedação. A graxa protege contra a corrosão e diminui os valores de atrito, em comparação com a lubrificação a óleo, desde que seja aplicada uma graxa de boa qualidade e taxa de enchimento.

Uma graxa lubrificante tem uma vida finita [2,3], que geralmente é mais curta do que a vida à fadiga do rolamento [1]. Existem modelos avançados de vida útil do rolamento e, como a vida útil da graxa geralmente domina a vida útil do rolamento, um modelo de vida útil da graxa é altamente desejável. Infelizmente, a complexidade da lubrificação com graxa [2] significa que nenhum modelo físico para a previsão da vida útil da graxa está disponível hoje. A SKF desenvolveu um modelo empírico em que a vida útil da graxa (ou o intervalo de relubrificação) pode ser calculada para uma “graxa de boa qualidade”.

Figura 1.

Para rolamentos rígidos de esferas, a SKF desenvolveu o conceito Grease Performance Factor (GPF) [3] (fig.1) para a previsão da vida útil de graxas conhecidas, onde os dados estão disponíveis. Um GPF =1 corresponde ao desempenho de uma “graxa de boa qualidade”. Muitos tipos de graxa superam o padrão de “boa qualidade” e terão um GPF maior que 1. A Figura 1 mostra a vida útil da graxa em função da temperatura, velocidade (n dm) e qualidade da graxa [3].

A SKF recomenda limites de desempenho de temperatura bem dentro dos limites de temperatura padronizados (Figura 2). Entre os limites de desempenho recomendados, a “zona verde” do conceito de semáforo da SKF, a graxa funcionará de forma confiável e a vida da graxa (e o intervalo de relubrificação) podem ser determinados [8].

Figura 2.

As temperaturas na zona âmbar em ambos os lados da zona verde devem ocorrer apenas por períodos muito curtos. Com o tempo, temperatura, funcionamento mecânico, envelhecimento e possível entrada de contaminantes, a graxa em um rolamento se deteriora e perde suas propriedades lubrificantes. Após o preenchimento inicial com graxa durante a instalação, a relubrificação adicional com graxa pode atingir a vida útil desejada. Três fatores para relubrificação são importantes para atingir a confiabilidade:tipo de graxa, quantidade de graxa e frequência de aplicação. A quantidade fornecida e a frequência de engraxamento dependem das condições de operação e do método de fornecimento:manualmente, ou por um lubrificador automático ou sistema de lubrificação. Este conhecimento está materializado nos sistemas especialistas:LubeSelect, LuBase e DialSet, disponíveis na Internet.

Física de lubrificação com graxa
Compreender a física e a química da lubrificação com graxa é crucial para prever o desempenho da graxa em um rolamento. O teste de vida da graxa sob condições de aplicação geralmente é impossível, pois uma aplicação será projetada para uma durabilidade muito longa, o que levaria a tempos de teste inaceitavelmente longos. Na prática, as condições de teste são escolhidas para serem mais severas (por exemplo, temperatura mais alta e / ou velocidades mais altas) do que na aplicação. Além disso, as bancadas de teste de vida da graxa às vezes são operadas com rolamentos padronizados, que diferem da aplicação.

O desempenho da graxa lubrificante depende não apenas das propriedades da graxa, mas também da geometria interna do tipo específico de rolamento. Mesmo dentro dos tipos de rolamento, o desempenho depende da geometria interna, onde as dimensões internas, a solução de vedação, a configuração da gaiola e o material da gaiola são mais importantes.

Conhecendo a física e a química das graxas lubrificantes, os resultados dos testes podem ser “extrapolados” para condições para as quais os dados de teste não estão disponíveis. Além disso, os dados de teste de vida da graxa são usados ​​para validar os modelos físicos desenvolvidos para a lubrificação com graxa. O Centro de Engenharia e Pesquisa da SKF desenvolveu conhecimento e modelos de última geração em tribologia / lubrificação e física / química, que apóiam a compreensão da lubrificação com graxa. As áreas científicas que apoiam o desenvolvimento de modelos de previsão de graxa incluem reologia, dinâmica de fluidos, química, lubrificação elasto-hidrodinâmica e estatística.

No estágio inicial da operação do rolamento, a graxa fluirá. A maior parte da graxa acaba adjacente às pistas e parte permanece dentro da “área varrida”. A distribuição interna da graxa dentro do rolamento durante e após esta fase requer a compreensão da dinâmica dos fluidos e das propriedades reológicas da graxa. Aplicar a teoria da dinâmica dos fluidos ao fluxo de graxa não é simples; afinal, uma graxa lubrificante não é realmente um fluido. A graxa envelhece por trabalho mecânico e térmico, o que é severo em um rolamento, adicionando complexidade ao problema. A teoria da dinâmica / reologia dos fluidos também é usada para prever as propriedades de sangramento de óleo da graxa. Compreender a química na lubrificação com graxa é importante para prever a oxidação do óleo base e do espessante [4]. Além disso, a química da graxa determina as propriedades de lubrificação de limite.

A graxa lubrificante deve desenvolver um filme de separação, que pode ser um filme de contorno ou pode ser formado por ação hidrodinâmica. Nos rolamentos, a deformação elástica dos corpos em contato irá gerar uma geometria de entrada favorável para a formação do filme, e este fenômeno é denominado “lubrificação elasto-hidrodinâmica” (EHL). Esta teoria é bem desenvolvida para lubrificação com óleo, mas ainda não para lubrificação com graxa, onde a espessura do filme é dominada pela disponibilidade de lubrificante nas pistas de corrida (geralmente referido como "EHL faminto" [5]) e por "partículas" do espessante. A Figura 3 mostra uma imagem de interferometria de um contato lubrificado com graxa. O filme não é liso, devido à entrada de partículas de espessante no contato.

Finalmente, o processo de lubrificação com graxa não é determinístico. Existe uma distribuição estatística de falhas, o que complica ainda mais a previsão. A SKF desenvolveu um conhecimento sólido das estatísticas Weibull, que são usadas para avaliar a vida útil do rolamento e os dados de teste da vida útil da graxa [6].

Teste de graxa
Para prever a vida útil da graxa lubrificante em um rolamento, a SKF desenvolveu máquinas de teste que são usadas em toda a indústria. Tradicionalmente, esses eram os equipamentos de teste R0F (rolamentos de esferas) e R2F (rolamentos autocompensadores de rolos). Os equipamentos de teste R0F foram atualizados (R0F +), tornando-os muito flexíveis em termos de velocidade, carga e temperatura. Um grande número de R0F e R0F + pode ser encontrado no Centro de Engenharia e Pesquisa da SKF, permitindo que 140 testes sejam realizados simultaneamente (Figura 4).

Figura 4.

Além do teste de vida útil da graxa, o teste funcional é feito no torque de inicialização, fricção, resistência à corrosão, vibrações (V2F), ruído da graxa (BeQuiet +), etc. Um laboratório químico bem equipado apóia a avaliação dos resultados do teste.

Desenvolvimento de produtos e lubrificação com graxa
Vários exemplos demonstram como a compreensão da lubrificação com graxa influenciou o desenvolvimento de novos produtos, incluindo uma nova geração de rolamentos SKF Energy Efficient. A Figura 5 mostra um rolamento rígido de esferas SKF Energy Efficient (E2). Os rolamentos rígidos de esferas SKF E2 têm perdas por atrito que são pelo menos 30 por cento menores quando comparados com rolamentos SKF padrão do mesmo tamanho. Desenvolvidos para aplicações lubrificadas com graxa, os rolamentos SKF E2 também consomem menos lubrificante.

Figura 5.

A comparação entre a vida útil da graxa em um rolamento rígido de esferas SKF E2 e padrão (Figura 6) mostra que a vida útil da graxa é duplicada, efetivamente dobrando a vida útil do rolamento. A redução do atrito pode ser atribuída à lubrificação com graxa aprimorada - ou seja, graxa exclusiva em combinação com geometria interna aprimorada e um novo design de gaiola. Este é um bom exemplo de como o desenvolvimento da graxa foi integrado ao projeto do rolamento.

Figura 6.

Uma nova graxa com excelentes propriedades anti-falso brinelamento para pás de turbinas eólicas e rolamentos de guinada surgiu quando a SKF desenvolveu sua própria bancada de teste interna e método para falso brinelamento. A Figura 7 mostra os resultados do teste com uma graxa padrão e a nova graxa para lâmina e rolamento de guinada, onde o atrito é monitorado em função do número de oscilações. Se o atrito aumentar continuamente com o tempo, o fracasso está prestes a acontecer. As linhas azuis representam as medidas para graxa comercial. As linhas verdes são as medidas com a graxa SKF LGBB 2, que forma uma tribo-camada protetora e mostra valores de fricção muito baixos por muitos ciclos e levará a uma longa vida útil dos rolamentos.

Figura 7.

A Figura 8 mostra a janela de operação para várias graxas em condições semelhantes a rolamentos de lâmina. No caso de escorregamento parcial, a oscilação é tão pequena que o centro do contato Hertziano grudará, e o escorregamento ocorrerá apenas nas bordas do contato. O escorregamento grosso ocorre quando as oscilações são tão fortes que até mesmo o centro do contato desliza. O atrito normalmente ocorre entre superfícies destinadas a serem fixadas, porém sujeitas a pequenas oscilações e é caracterizado por detritos de desgaste gerados que ficam presos dentro da área de contato. A graxa SKF LGBB 2 tem excelentes propriedades anti-atrito e também pode ser usada para grandes oscilações. A graxa tem um bom desempenho em baixas temperaturas e tem boas propriedades anticorrosão, tornando-a muito adequada para aplicações de pás de turbinas eólicas e rolamentos de guinada.

Figura 8.

Para aplicações em fábricas de papel, a SKF desenvolveu o “lubrificante espessado com polímero SKF”, ou graxa de polímero, substituindo o espessante de sabão tradicional por um polímero [7]. O polímero é apolar, ou seja, o sabão não compete com a superfície do metal para atrair os aditivos. A graxa convencional contém 10 a 20 por cento de espessante de sabão à base de metal (polar) e 80 a 90 por cento de óleo de base, incluindo o pacote de aditivos. O lubrificante engrossado com polímero contém 10 a 13 por cento de polipropileno (PP), um material apolar, e 87 a 90 por cento de óleo, incluindo o pacote de aditivos. O processo único para a formação de graxa espessada com polímero é a operação inovadora de aquecimento e têmpera do polímero, que é dissolvido em óleo. Isso resulta em uma estrutura tridimensional em rede, que funciona como uma graxa "normal" com espessura de sabão de metal. A graxa confere vida longa à bancada de teste R0F, mesmo na ausência de aditivos, tornando-a mais ecologicamente correta com intervalos de relubrificação prolongados. Isso levará à redução do consumo de graxa. A nova graxa de polímero tem excelente desempenho em baixas temperaturas e menos energia é necessária em sua produção.

Os requisitos de graxa para os rolamentos do eixo principal em turbinas eólicas estão relacionados ao ambiente hostil, onde a graxa deve atingir alta confiabilidade sob carga de contato pesada, velocidades baixas e condições de oscilação e paralisação. Desafios adicionais surgem para turbinas eólicas instaladas em climas frios e offshore. A SKF desenvolveu três graxas diferentes para aplicações de eixo principal de turbinas eólicas. A Tabela 1 mostra as propriedades das graxas. Todas as três graxas são amplamente utilizadas e aprovadas por vários OEMs de turbinas eólicas. A escolha da graxa depende do tipo de vedação, das condições de operação e do ambiente.

Tabela 1.

A SKF oferece soluções completas ao cliente para aplicações de eixo principal, abrangendo graxas, caixas, vedantes, configurações de rolamentos, sistemas de lubrificação, porcas de segurança, serviços de montagem, lubrificantes e análises e monitoramento de condições.

Conclusões
A SKF está contribuindo para a sustentabilidade e apoiando soluções ambientalmente corretas por meio do desenvolvimento e aplicação de seu conhecimento em lubrificação com graxa, prolongando assim a vida útil dos sistemas de rolamentos e reduzindo o atrito, levando a menos consumo de energia. A vida útil prolongada e os intervalos de relubrificação reduzem a necessidade de manutenção e reduzem o desperdício. Isso é alcançado usando o conhecimento obtido em P&D fundamental e desenvolvimento de modelo em combinação com o desenvolvimento de produto.

Referências

[1] E. Ioannides, G. Bergling e A. Gabelli. Uma formulação analítica para a vida dos rolamentos. Acta Polytechnica Scandinavia, Mechanical Engineering Series, Finnish Academy of Technology, (137), 1999.

[2] PM Lugt. Uma revisão sobre lubrificação com graxa em rolamentos. Tribology Transactions, 52 (4):470-480, 2009.

[3] B. Huiskamp. Vida útil da graxa em rolamentos rígidos de esferas com lubrificação permanente. Evolution, 2:26-28, 2004.

[4] A. van den Kommer e J. Ameye. Previsão da vida útil restante da graxa - uma nova abordagem e método por voltametria de varredura linear. Proceedings Esslingen Conference, páginas 891–896, 2001.

[5] M.T. van Zoelen, C.H. Venner e P.M. Lugt. Predição da queda da espessura do filme em contatos lubrificados elasto-hidrodinamicamente com privação usando um modelo de camada de filme fino. Anais do Instituto de Engenheiros Mecânicos. Parte J, Journal of engineering tribology, 223 (3):541-552, 2009.

[6] T. Andersson. Teste de resistência em teoria. Ball Bearing Journal, 217:14-23, 1983.

[7] D. Meijer, D. Graxa lubrificante espessada com polímero. Pedido de Patente Europeia (EP 0 700 986 A3), 1996.

[8] Catálogo geral da SKF, 6000 / I (2008)