Compreendendo os mancais de deslizamento
A chumaceira de deslizamento — também conhecido como mancal liso, mancal de luva ou mancal de película fluida — suporta um eixo rotativo sobre uma fina película de lubrificante pressurizada, em vez de sobre elementos rolantes. A parte rotativa do eixo no interior do mancal é a munhão; mantém-se afastado da superfície de apoio fixa graças a uma película hidrodinâmica de óleo que o próprio eixo gera ao arrastar o lubrificante para uma fenda convergente em forma de cunha. Essa cunha pressurizada suporta toda a rotor carga sem contacto metal com metal. Uma vez que a película de óleo também proporciona uma generosa amortecimento, os mancais lisos são a escolha natural para máquinas de alta velocidade e alta carga — turbinas, geradores, compressores de grande porte — onde o controlo vibração e a estabilização do rotor são os aspetos mais importantes.
1. Definição: O que é um mancal de deslizamento?
Num mancal de deslizamento, o eixo não entra em contacto com o mancal à velocidade de funcionamento. Em vez disso, flutua, ligeiramente descentrado, sobre uma camada de lubrificante com apenas algumas dezenas de micrómetros de espessura. Este simples facto distingue-o de um mancal de rolos, que suporta a carga através de esferas ou rolos em contacto hertziano. Os pontos fortes do mancal de deslizamento decorrem diretamente da película de óleo: capacidade de carga muito elevada, atrito extremamente baixo uma vez estabelecida a película, funcionamento silencioso e o amortecimento que permite que rotores de grandes dimensões funcionem suavemente até e acima dos seus velocidades críticas. O comportamento conjunto do eixo e dos seus mancais é estudado como um sistema rotor-mancal, porque nenhum dos dois pode ser compreendido isoladamente.
2. Princípio de funcionamento: Lubrificação hidrodinâmica
Como se forma a película de óleo
O mancal liso funciona com base na lubrificação hidrodinâmica, que se desenvolve numa sequência previsível à medida que o eixo atinge a velocidade de funcionamento:
- Primeiro contacto: Em repouso, o eixo repousa no fundo do furo, apoiado pelo seu próprio peso, com o metal em contacto direto com o metal.
- Começa a rotação: À medida que o eixo começa a rodar, a aderência arrasta o lubrificante para dentro do espaço de folga.
- Formação em cunha: A geometria convergente entre o eixo e o furo comprime esse óleo num espaço em forma de cunha.
- Geração de pressão: O óleo forçado a entrar na cunha cada vez mais estreita gera pressão hidrodinâmica.
- Descolagem: Assim que a força de pressão exceder o peso do eixo, o munhão eleva-se e desliza sobre uma película completa.
- Estado estacionário: O eixo flutua sobre a película pressurizada, encontrando uma posição de equilíbrio deslocada em relação ao centro do furo, sem qualquer contacto metálico.
A posição em que o munhão se estabiliza — a sua excentricidade dentro da folga — não é fixa. Varia em função da carga e da velocidade, e esse equilíbrio variável está na origem do complexo comportamento dinâmico da chumaceira descrito abaixo.
Espessura da película de óleo
- A espessura mínima típica da película é de 10-100 micrómetros (0,0004–0,004 pol.) — extremamente fina, mas suficiente para manter as superfícies separadas.
- A película não é uniforme: varia ao longo da circunferência, atingindo a sua espessura mínima no ponto de maior proximidade entre o munhão e o furo.
- A espessura depende da velocidade, da carga, da viscosidade do lubrificante e folga do rolamento — se aumentar a velocidade ou a viscosidade, a película fica mais espessa; se aumentar a carga, fica mais fina.
- Uma vez que a viscosidade diminui à medida que o óleo aquece, a espessura da película também é sensível à temperatura de funcionamento, razão pela qual a temperatura do óleo à saída é um parâmetro monitorizado em máquinas de grande porte.
3. Tipos de rolamentos lisos
Cilíndrico liso (munhão completo)
- O design mais simples: um furo cilíndrico liso com uma ranhura de alimentação de óleo e um ângulo de envolvimento total de 360°.
- Boa capacidade de carga, mas a película simétrica torna-o propenso à instabilidade — redemoinho de óleo — a alta velocidade e com carga leve.
- É comum em motores, bombas e equipamento industrial em geral, onde as velocidades são moderadas.
Rolamentos de arco parcial
- A superfície de apoio cobre apenas uma parte da circunferência, normalmente entre 120 e 180°.
- Mais leve e com menor consumo de óleo, mas com menor rigidez do que um munhão completo.
- Adequado para aplicações com cargas leves em que a direção da carga está bem definida.
Rolamentos de almofadas basculantes
- A superfície está dividida em várias placas independentes, cada uma das quais pode girar livremente.
- Cada almofada cria a sua própria cunha hidrodinâmica, o que suprime o acoplamento cruzado que provoca o redemoinho do óleo.
- Intrinsecamente estáveis contra o efeito de redemoinho e o efeito de chicote, constituem o padrão da indústria para turbomáquinas de alta velocidade.
- Mais caro e complexo, mas com características dinâmicas claramente superiores.
Rolamentos de barragem de pressão e rolamentos de desvio
- Rolamentos cilíndricos modificados com características geométricas — ranhuras, um degrau em forma de «barragem» ou uma divisão deslocada (furo em forma de limão) — adicionadas para melhorar a estabilidade.
- Estas características carregam deliberadamente o filme para aumentar o amortecimento efetivo.
- São um compromisso prático entre o rolamento cilíndrico simples e o dispendioso sistema de almofadas basculantes.
Nos casos em que nem mesmo um rolamento de almofada basculante consegue proporcionar amortecimento suficiente para um rotor flexível, os projetistas podem adicionar um amortecedor de película comprimida em série com o rolamento, para dissipar energia adicional.
4. Características dinâmicas
Rigidez
A rigidez dos mancais não é um valor único; trata-se de um conjunto de coeficientes que dependem da velocidade e da carga:
- Velocidade baixa: baixo rigidez — a posição do munhão varia consideravelmente à medida que a carga muda.
- Alta velocidade: maior rigidez à medida que o campo de pressão hidrodinâmica atinge o seu estado de equilíbrio.
- Variação direcional: A rigidez difere nas direções horizontal e vertical, pelo que o rolamento responde de forma anisotrópica.
- Rigidez cruzada: uma deflexão numa direção produz uma força perpendicular a ela. Este acoplamento cruzado é precisamente o mecanismo capaz de injetar energia numa órbita giratória e desencadear instabilidade do rotor.
Amortecimento
A grande qualidade da película reside no amortecimento que proporciona:
- A energia é dissipada pelo cisalhamento viscoso do óleo à medida que o munhão se move dentro da folga.
- O amortecimento aumenta com a velocidade e com a viscosidade do óleo.
- É o que limita a amplitude da vibração quando o rotor passa por um velocidade crítica.
- Um amortecimento adequado é essencial para impedir que as instabilidades autoexcitadas cresçam sem limites.
Dependência de velocidade
Uma vez que tanto a rigidez como o amortecimento variam com a velocidade, o mesmo acontece com tudo o que depende deles:
- A rigidez aumenta com a velocidade.
- O amortecimento aumenta com a velocidade.
- O sistema’s frequências naturais aumentam com a velocidade.
- As velocidades críticas aumentam, portanto, à medida que a máquina acelera — um efeito que se torna visível num Diagrama de Campbell.
5. Vantagens e limitações
A película de óleo é responsável tanto pelos pontos fortes notáveis do mancal de deslizamento’s como pelas suas exigências específicas.
- Elevada capacidade de carga: consegue suportar rotores muito pesados que esmagariam um rolamento de elementos rolantes.
- Capacidade de alta velocidade: adequado para velocidades até 50 000 rpm e superiores.
- Baixo atrito a alta velocidade: Assim que se forma a película hidrodinâmica, o coeficiente de atrito é muito baixo (cerca de 0,001–0,003).
- Excelente amortecimento: controla a vibração nas velocidades críticas e ajuda a estabilizar o rotor.
- Funcionamento silencioso: A ausência de passagem de elementos rolantes significa que não há ruído dos elementos rolantes.
- Resistência ao choque: A película de óleo amortece as cargas transitórias e de impacto.
- Longa duração: Como não há contacto com metais durante o funcionamento, o desgaste é mínimo e é possível uma vida útil de várias décadas.
- Design simples e básico: O modelo cilíndrico simples é mecanicamente simples e económico.
Em contrapartida, há os desafios práticos:
- Elevado atrito inicial: Não existe película lubrificante em repouso, pelo que a máquina tem de superar o binário de arranque e o desgaste breve devido à lubrificação de limite em cada arranque.
- Sistema de lubrificação necessário: É obrigatório um fornecimento contínuo de óleo limpo, frio e com a pressão adequada; lubrificação de rolamentos não é opcional, mas sim fundamental para o projeto.
- Risco de redemoinho e de chicotada: Os rolamentos cilíndricos simples são suscetíveis ao efeito de redemoinho do óleo e, perto do dobro da velocidade crítica, a chicoteamento do eixo.
- Menor rigidez a baixas velocidades: A película elástica torna o rolamento mais suave do que um rolamento de elementos rolantes a baixa velocidade, o que retarda a resposta.
- Sensibilidade à temperatura: o desempenho acompanha a temperatura do óleo através do seu efeito na viscosidade.
- Sensibilidade à contaminação: As partículas duras podem riscar a superfície macia de babbitt ou obstruir as passagens de óleo.
- Sem restrição axial: Um mancal liso fixa o eixo apenas radialmente; as cargas axiais requerem um rolamento de impulso.
6. Onde são utilizados mancais lisos
Os mancais lisos são utilizados habitualmente sempre que os rotores são grandes, giram a alta velocidade ou ambas as coisas:
- Turbinas a vapor e a gás: unidades de produção de energia com vários megawatts.
- Geradores de grande porte: geradores síncronos em centrais elétricas.
- Compressores centrífugos: máquinas industriais de alta velocidade e alta carga.
- Motores elétricos de grande porte: Os motores com potências superiores a cerca de 500 cv utilizam-nos frequentemente.
- Propulsão naval: rolamentos do eixo da hélice e do tubo de popa.
- Máquinas de papel: os rolos grandes que transportam a banda.
- Motores de combustão interna: chumaceiras principais da cambota e das bielas.
7. Relação com a dinâmica do rotor e o equilíbrio de campos
Uma vez que a sua rigidez e amortecimento determinam em grande medida o comportamento de um rotor, os mancais de deslizamento estão no centro de dinâmica do rotor:
- Colocação na velocidade crítica: a rigidez e o amortecimento dos rolamentos determinam onde ocorrem as velocidades críticas e qual a amplitude máxima das vibrações nesses pontos.
- Estabilidade: O tipo de mancal determina em grande parte a suscetibilidade ao redemoinho de óleo e à oscilação do eixo; as frequências subsíncronas características que estes fenómenos produzem podem ser estimadas com um Calculadora da frequência de defeitos em mancais de deslizamento.
- Mapeamento de frequências: Um diagrama de Campbell mostra como as frequências naturais variam com a velocidade à medida que a rigidez do mancal muda.
- Resposta de equilíbrio: as características do mancal determinam o coeficientes de influência que determinam a forma como o rotor responde a um peso de correção.
É nesse último ponto que o mancal se relaciona com a manutenção diária. Quando uma turbina ou um compressor que funciona com mancais de deslizamento apresenta um valor elevado de 1× desequilíbrio resposta, é equilibrado no local, nas suas próprias chumaceiras, à velocidade de funcionamento. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A mede a amplitude síncrona e fase em cada mancal, calcula os coeficientes de influência do rotor a partir de um teste de funcionamento e determina os pesos de correção necessários — captando a resposta real do sistema rotor-mancal montado, incluindo a rigidez e o amortecimento da película que uma máquina de equilibrar nunca poderia reproduzir. Verificado em conformidade com o grau de equilíbrio adequado da norma ISO 21940-11, o resultado reflete o comportamento real da máquina em serviço.
Os mancais lisos constituem uma tecnologia madura e sofisticada que continua a ser insubstituível em máquinas críticas de alto desempenho. A sua combinação única de capacidade de carga, capacidade de velocidade e amortecimento justifica a complexidade da sua lubrificação e do seu comportamento dinâmico, sendo essencial que quem se dedica ao diagnóstico ou ao equilíbrio de equipamentos rotativos de grandes dimensões tenha um conhecimento prático desse comportamento.
