Entendendo os Mancais de Deslizamento
A mancal 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 dentro do mancal é a jornal; ele se mantém afastado da superfície de apoio fixa por meio de 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 contato metal com metal. Como 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, grandes compressores — onde o controle vibração e a estabilização do rotor são os fatores mais importantes.
1. Definição: O que é um mancal liso?
Em um mancal de deslizamento, o eixo não entra em contato com o mancal durante o funcionamento. Em vez disso, ele flutua, ligeiramente descentrado, sobre uma camada de lubrificante com apenas algumas dezenas de micrômetros de espessura. Esse único fato o distingue de um mancal de rolos, que suporta a carga por meio de esferas ou rolos em contato hertziano. Os pontos fortes do mancal de deslizamento decorrem diretamente da película de óleo: capacidade de carga muito alta, atrito extremamente baixo uma vez que a película se estabeleça, funcionamento silencioso e o amortecimento que torna possível o funcionamento suave de grandes rotores em toda a sua extensão e acima de sua velocidades críticas. O comportamento do eixo e de seus rolamentos em conjunto é estudado como um sistema rotor-mancal, pois nenhum dos dois pode ser compreendido isoladamente.
2. Princípio de funcionamento: Lubrificação hidrodinâmica
Como se forma a película de óleo
O mancal de deslizamento funciona com lubrificação hidrodinâmica, que se desenvolve em uma sequência previsível à medida que o eixo atinge a velocidade de operação:
- Primeiro contato: Em repouso, o eixo repousa no fundo do furo sob seu próprio peso, com o metal em contato direto com o metal.
- A rotação começa: À medida que o eixo começa a girar, a aderência arrasta o lubrificante para dentro da folga.
- Formação em cunha: A geometria convergente entre o eixo e o furo comprime o óleo em um espaço em forma de cunha.
- Geração de pressão: O óleo forçado a entrar na cunha cada vez mais estreita gera pressão hidrodinâmica.
- Lift-off: Quando a força de pressão excede o peso do eixo, o munhão se eleva e passa a deslizar sobre uma película de lubrificante completa.
- Steady state: O eixo flutua sobre a película pressurizada, encontrando uma posição de equilíbrio deslocada em relação ao centro do furo, sem contato com o metal.
A posição em que o rolamento se estabiliza — sua excentricidade dentro do espaço livre — não é fixa. Ela varia de acordo com a carga e a velocidade, e esse equilíbrio variável é a origem do complexo comportamento dinâmico do rolamento descrito a seguir.
Espessura da película de óleo
- A espessura mínima típica da película é 10–100 micrometres (0,0004–0,004 pol.) — extremamente fina, mas suficiente para manter as superfícies separadas.
- A película não é uniforme: ela varia ao longo da circunferência, atingindo seu 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 — ao aumentar a velocidade ou a viscosidade, a película fica mais espessa; ao aumentar a carga, ela fica mais fina.
- Como a viscosidade diminui à medida que o óleo se aquece, a espessura da película também é sensível à temperatura de operação; é por isso que a temperatura do óleo na entrada é um parâmetro monitorado em máquinas de grande porte.
3. Tipos de mancais lisos
Cilíndrico liso (pino 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 o filme simétrico torna-o propenso à instabilidade — redemoinho de óleo — em alta velocidade e com carga leve.
- Comum em motores, bombas e equipamentos industriais em geral, onde as velocidades são moderadas.
Rolamentos de arco parcial
- A superfície de contato abrange apenas uma parte da circunferência, normalmente entre 120 e 180°.
- Mais leve e exigindo menor vazão de óleo, mas apresentando menor rigidez do que um munhão completo.
- Indicado para aplicações com cargas leves, nas quais a direção da carga é bem definida.
Rolamentos de almofada basculante
- A superfície está dividida em várias placas independentes, cada uma delas com liberdade de movimento.
- Cada almofada desenvolve sua própria cunha hidrodinâmica, o que suprime o acoplamento cruzado que provoca o redemoinho de óleo.
- Intrinsecamente estáveis contra o efeito de redemoinho e o efeito de chicote, são o padrão da indústria para turbomáquinas de alta velocidade.
- Mais caro e complexo, mas com características dinâmicas visivelmente superiores.
Rolamentos de pressão e rolamentos de deslocamento
- 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.
- Essas características carregam deliberadamente o filme para aumentar o amortecimento efetivo.
- Elas representam um compromisso prático entre o rolamento cilíndrico simples e o dispendioso projeto de almofada basculante.
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 único valor; trata-se de um conjunto de coeficientes que dependem da velocidade e da carga:
- Low speed: baixo rigidez — a posição do eixo varia bastante conforme a carga muda.
- Alta velocidade: maior rigidez à medida que o campo de pressão hidrodinâmica atinge seu estado de equilíbrio.
- Variação direcional: A rigidez difere nas direções horizontal e vertical, de modo que o rolamento responde de forma anisotrópica.
- Rigidez cruzada: uma deflexão em uma direção produz uma força perpendicular a ela. Esse acoplamento cruzado é precisamente o mecanismo capaz de injetar energia em uma órbita giratória e desencadear instabilidade do rotor.
Amortecimento
A grande qualidade do filme é o alívio 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 da velocidade
Como tanto a rigidez quanto o amortecimento variam com a velocidade, o mesmo ocorre com tudo o que depende deles:
- A rigidez aumenta com a velocidade.
- O amortecimento aumenta com a velocidade.
- O sistema frequências naturais subir rapidamente.
- As velocidades críticas, portanto, aumentam à medida que a máquina acelera — um efeito que se torna visível em um Diagrama de Campbell.
5. Vantagens e limitações
A película de óleo é responsável tanto pelos excelentes pontos fortes do mancal de deslizamento quanto por suas exigências específicas.
- Alta capacidade de carga: pode suportar rotores muito pesados que esmagariam um rolamento de rolos.
- Capacidade de alta velocidade: adequado para velocidades de até 50.000 rpm e superiores.
- Baixo atrito em alta velocidade: uma vez estabelecida 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 ausência de ruído dos elementos rolantes.
- Resistência ao choque: A película de óleo amortece cargas transitórias e de impacto.
- Long life: Como não há contato com metais durante o funcionamento, o desgaste é mínimo e é possível operar o equipamento por décadas.
- Design simples e básico: O modelo cilíndrico simples é mecanicamente simples e econômico.
Em contrapartida, há os desafios práticos:
- Alto atrito inicial: Como não há película lubrificante em repouso, a máquina precisa superar o torque de arranque e o desgaste causado pela lubrificação limítrofe em cada partida.
- Sistema de lubrificação necessário: É obrigatório que haja um fornecimento contínuo de óleo limpo, resfriado e com pressão adequada; lubrificação de rolamentos não é opcional, mas sim fundamental para o projeto.
- Risco de redemoinho e turbulência: Os rolamentos cilíndricos simples são suscetíveis ao efeito de redemoinho do óleo e, próximo ao dobro da velocidade crítica, a chicote de eixo.
- Menor rigidez em baixas velocidades: A película elástica torna o rolamento mais macio do que um rolamento de elementos rolantes em baixas velocidades, retardando a resposta.
- Sensibilidade à temperatura: O sistema monitora a temperatura do óleo por meio de seu efeito sobre a viscosidade.
- Sensibilidade à contaminação: Partículas duras podem riscar a superfície macia de babbitt ou obstruir os canais de óleo.
- Sem restrição axial: Um mancal de deslizamento fixa o eixo apenas radialmente; as cargas axiais requerem um rolamento de encosto.
6. Onde são utilizados mancais lisos
Os mancais lisos são utilizados como padrão sempre que os rotores são grandes, giram a alta velocidade ou ambas as coisas:
- Turbinas a vapor e a gás: unidades de geração de energia de vários megawatts.
- Geradores de grande porte: geradores síncronos em usinas de energia.
- Compressores centrífugos: máquinas industriais de alta velocidade e alta carga.
- Motores elétricos de grande porte: Os motores com potência superior a cerca de 500 cv costumam utilizá-los.
- Propulsão naval: rolamentos do eixo da hélice e do tubo de popa.
- Paper machines: os grandes rolos que transportam a banda.
- Motores de combustão interna: rolamentos principais do virabrequim e rolamentos das bielas.
7. Relação com a dinâmica do rotor e o balanceamento de campo
Como sua rigidez e amortecimento determinam em grande parte o comportamento de um rotor, os mancais de deslizamento estão no centro de dinâmica do rotor:
- Posicionamento na velocidade crítica: a rigidez e o amortecimento do rolamento determinam onde ocorrem as velocidades críticas e qual a amplitude máxima da vibração nesses pontos.
- Estabilidade: O tipo de rolamento determina em grande parte a suscetibilidade ao redemoinho de óleo e à oscilação do eixo; as frequências subsíncronas características que estes fenômenos 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 rolamento muda.
- Resposta de equilíbrio: as características do rolamento determinam o coeficientes de influência que determinam 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 opera com mancais de deslizamento apresenta um valor elevado de 1× desequilíbrio Em resposta, ele fica equilibrado no próprio eixo, em sua posição, à velocidade de operação. Um analisador portátil de dois canais, como o Conjunto de equilíbrio-1a mede a amplitude síncrona e fase em cada rolamento, calcula os coeficientes de influência do rotor a partir de uma prova de funcionamento e determina os pesos de correção necessários — captando a resposta real do sistema rotor-rolamento montado, incluindo a rigidez e o amortecimento da película que uma máquina de balanceamento jamais poderia reproduzir. Verificado em relação ao grau de balanceamento apropriado da norma ISO 21940-11, o resultado reflete o comportamento real da máquina em serviço.
Os mancais lisos representam uma tecnologia madura e sofisticada que continua sendo insubstituível em máquinas críticas de alto desempenho. Sua combinação única de capacidade de carga, capacidade de velocidade e amortecimento justifica a complexidade de sua lubrificação e comportamento dinâmico, e uma compreensão prática desse comportamento é essencial para qualquer pessoa que realize diagnósticos ou balanceamento de grandes equipamentos rotativos.
