Compreendendo os mancais de deslizamento
Definição: O que é um mancal de deslizamento?
A mancal de mancal (também chamado de mancal liso, mancal de deslizamento ou mancal de filme fluido) é um tipo de mancal que suporta um eixo rotativo por meio de uma fina película de lubrificante pressurizado, em vez de elementos rolantes. O eixo rotativo (o "mancal") é separado da superfície estacionária do mancal por uma película de óleo hidrodinâmica gerada pela rotação do eixo, arrastando o óleo para uma abertura convergente em forma de cunha. Essa cunha de óleo pressurizada suporta a carga do eixo sem contato metal-metal.
Os mancais de deslizamento são fundamentais para máquinas rotativas de alta velocidade e alta carga, como turbinas, geradores e grandes compressores, porque fornecem excelente capacidade de carga, baixo atrito em altas velocidades e significativa amortecimento que ajuda a controlar vibração e estabilizar rotor sistemas.
Princípio de funcionamento: Lubrificação hidrodinâmica
Como se forma a película de óleo
O mancal de deslizamento opera segundo o princípio da lubrificação hidrodinâmica:
- Contato inicial: Quando estacionário, o eixo repousa na superfície do rolamento sob a ação da gravidade
- A rotação começa: À medida que o eixo começa a girar, ele arrasta o óleo para dentro da abertura por adesão
- Formação de cunha: A geometria convergente entre o eixo e o rolamento cria um espaço em forma de cunha
- Geração de pressão: Óleo arrastado para cunha convergente gera pressão hidrodinâmica
- Decolagem: A força de pressão excede o peso do eixo, elevando-o sobre uma película de óleo completa
- Curso estável: O eixo flutua sobre uma película de óleo pressurizado sem contato com o metal
Espessura da película de óleo
- Espessura típica: 10-100 micrômetros (0,0004-0,004 polegadas)
- Extremamente fino, mas suficiente para evitar contato
- A espessura varia ao redor da circunferência (mínimo no ponto de maior aproximação)
- Depende da velocidade, carga, viscosidade do óleo e folga do rolamento
Tipos de mancais de deslizamento
1. Cilíndrico Simples (Diário Completo)
- Design mais simples: furo cilíndrico com ranhura de fornecimento de óleo
- Ângulo de envoltório de 360°
- Boa capacidade de carga, mas pode ser propenso a instabilidade em altas velocidades
- Comum em motores, bombas e equipamentos industriais em geral
2. Rolamentos de arco parcial
- A superfície de apoio cobre apenas parte da circunferência (120-180°)
- Mais leve, menor fluxo de óleo necessário
- Menor rigidez do que o munhão completo
- Usado em aplicações com carga leve
3. Rolamentos de pastilhas basculantes
- Superfície de apoio dividida em várias almofadas independentes que giram
- Cada almofada desenvolve sua própria cunha hidrodinâmica
- Inerentemente estável contra turbulência/chicote de óleo
- Padrão da indústria para turbomáquinas de alta velocidade
- Características dinâmicas mais caras, mas superiores
4. Barragem de pressão e rolamentos deslocados
- Rolamentos cilíndricos modificados com características geométricas para aumentar a estabilidade
- Ranhuras, represas ou furos deslocados aumentam o amortecimento efetivo
- Compromisso entre almofada cilíndrica simples e almofada basculante
Características dinâmicas
Rigidez
A rigidez do mancal de deslizamento é complexa e dependente da velocidade:
- Baixa velocidade: Baixa rigidez, a posição do eixo muda significativamente com a carga
- Alta velocidade: Maior rigidez devido à pressão hidrodinâmica mais desenvolvida
- Variação direcional: Rigidez diferente nas direções horizontal e vertical
- Rigidez Cruzada: A deflexão em uma direção cria força na direção perpendicular
Amortecimento
Os mancais de deslizamento proporcionam amortecimento significativo:
- Energia dissipada através do cisalhamento viscoso da película de óleo
- O amortecimento aumenta com a velocidade e a viscosidade do óleo
- Crítico para limitar a vibração em velocidades críticas
- Essencial para prevenir instabilidade do rotor
Dependência de velocidade
Todas as propriedades do mancal de deslizamento mudam com a velocidade de rotação:
- A rigidez aumenta com a velocidade
- O amortecimento aumenta com a velocidade
- Frequências naturais subir com velocidade
- Velocidades críticas deslocar para cima à medida que a velocidade aumenta
Vantagens dos mancais de deslizamento
- Alta capacidade de carga: Pode suportar rotores muito pesados
- Capacidade de alta velocidade: Adequado para velocidades de até 50.000+ RPM
- Baixo atrito em velocidade: Uma vez estabelecida a película hidrodinâmica, o coeficiente de atrito é muito baixo (0,001-0,003)
- Excelente amortecimento: Controla a vibração em velocidades críticas
- Operação silenciosa: Sem ruído de elemento rolante
- Resistência ao choque: Película de óleo absorve cargas transitórias
- Longa vida útil: Nenhum contato com metal significa desgaste mínimo (décadas de operação possíveis)
- Design simples: Os tipos básicos são simples e econômicos
Desvantagens e Desafios
- Alto atrito inicial: Nenhuma película de óleo em repouso, requer torque de ruptura
- Sistema de lubrificação necessário: Deve fornecer óleo limpo e resfriado continuamente
- Risco de turbilhão/chicote de óleo: Rolamentos cilíndricos simples suscetíveis à instabilidade
- Resposta mais lenta: A película de óleo aumenta a complacência e é menos rígida do que os rolamentos de elementos rolantes em baixas velocidades
- Sensibilidade à temperatura: O desempenho muda com a temperatura do óleo (afeta a viscosidade)
- Sensibilidade à Contaminação: Partículas podem danificar a superfície do rolamento ou bloquear as passagens de óleo
- Posicionamento axial: Não fornece restrição axial inerente (requer rolamento de encosto separado)
Aplicações
Os mancais de deslizamento são padrão em:
- Turbinas a vapor e a gás: Unidades de geração de energia multi-megawatts
- Grandes Geradores: Geradores síncronos em usinas de energia
- Compressores centrífugos: Compressores industriais de alta velocidade e alta carga
- Grandes motores elétricos: Motores > 500 HP geralmente usam rolamentos de mancal
- Propulsão Marítima: Rolamentos de eixo de hélice de navio
- Máquinas de papel: Rolamentos de rolos grandes
- Motores de combustão interna: Mancais principais e da biela do virabrequim
Relação com a dinâmica do rotor
Os mancais de deslizamento influenciam criticamente o comportamento dinâmico do rotor:
- Determinação da Velocidade Crítica: A rigidez e o amortecimento do rolamento afetam diretamente os locais e amplitudes de velocidade crítica
- Estabilidade: O tipo e o projeto do rolamento determinam a suscetibilidade a redemoinho de óleo e chicote de eixo
- Diagramas de Campbell: Mostre como as frequências naturais mudam com a velocidade devido às variações de rigidez do rolamento
- Equilíbrio: As características do rolamento afetam coeficientes de influência e resposta de equilíbrio
Os mancais de deslizamento representam uma tecnologia sofisticada e madura, essencial para máquinas rotativas de alto desempenho. Sua combinação única de capacidade de carga, velocidade e amortecimento os torna insubstituíveis em aplicações críticas, apesar da complexidade de seus requisitos de lubrificação e comportamento dinâmico.
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