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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
TRIBOLOGIA DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS: ABORDAGENS EXPERIMENTAL E NUMÉRICA
Carlos Henrique da Silva (LASC)
09 de Setembro de 2015, Vitória/ES
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
AGENDA:
Laboratório de Tribologia Giuseppe Pintaúde Julio Klein das Neves Carlos H. da Silva
João L. do Vale
(UTFPR/Londrina)
Sumário
2
Laboratório de Mecânica Estrutural
Laboratório de Análise Numérica Marco Antonio
Luersen
Ana Paula Carvalho da Silva Ferreira
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Ferro Fundido Nodular (TUPY) Austempera / Tempera
Aços Liga (Têmpera / Cementação) Ensaios tipo FZG
Quantificação dos danos Análise de Imagem
Análise de Tensões Contato Flexão
Mecânica da Fratura Tenacidade a fratura (KIIC) Propagação de trincas
Elementos de Máquinas
Engrenagens
Mancal de Deslizamento
Pistão/Camisa/Anel
4
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Mancal Polimérico PTFE Nylon / POM / UHMW / HDPE PTFE + (bronze e grafite) Biodegradável (Mamona)
Mancal Metálico Lubrificado Babbitt x Aço
Diluição por Gasolina Diluição por Biodíesel
Metodologia Runninig-in x Transições Mancal-Eixo x Pino-Disco
Elementos de Máquinas
Engrenagens
Mancal de Deslizamento
Pistão/Camisa/Anel
5
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Pistão – Cilindro Bomba de Injeção Diesel Desgaste x Análise Numérica
Anel - Camisa Motor de Combustão Folded Metal Ferro Fundido
Vermicular x Cinzento Anel - Camisa
Motor de Combustão Monocilindro EGR Análise do óleo
Elementos de Máquinas
Engrenagens
Mancal de Deslizamento
Pistão/Camisa/Anel
6
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Engrenagens - ECDR
7
Ensaios padronizados por norma Estudo do lubrificante
Ensaios não-normalizados Estudo do comportamento das engrenagens
Material Acabamento Superficial Geometria Tratamento Superficial
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Ensaio FZG back-to-back
Vista Lateral
8
Motor Elétrico (10 kW)
Caixa Motor Caixa de Ensaio Eixo de aplicação de torque
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Ensaio back-to-back FZG
9
Resistência elétrica
Caixa de ensaio
Sensor de temperatura - TIC
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
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Fotografia da superfície de desgaste
BANCADA PARA AQUISIÇÃO DE IMAGENS DO FLANCO DOS DENTES o Iluminação e distância focal constantes
o Máquina fotográfica da marca SONY modelo DSC-H9
• 8,1 megapixels + zoom máximo de 8,5 x
o Software para análise de imagem (Rotina MATLAB) Prof. João Luiz do Vale, MSc.
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Análise Numérica
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Tensões de Contato Tensões de Flexão
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
0,0E+00
2,0E-06
4,0E-06
6,0E-06
8,0E-06
1,0E-05
1,2E-05
1,4E-05
ADI 1 AISI 4140 ADI 2 AISI 8620
Dam
age
Rat
e [
A%
/N]
• Damage Rate
% pitting area number of load cicle
=
Fofo Nodular Austemperado
18
- Temperatura de austêmpera - Tamanho de nódulos - Distribuição de nódulos - Propriedades da matriz
ADI 1 ADI 2
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
ADI 1 versus ADI2
Size of graphite nodules
Stress Concentration (nucleation of cracks)
Crack branching mechanism (propagation of cracks) Greno et al., 1999
The state of stress in contacts with smaller nodules is less severe (propagation of cracks) Dommarco et al., 2006
19
Nódulos x Trincas
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
20
Concentração de Tensões
Submodelling
ou
Global-Local
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
JAQUELINE LAZZARON (BOLSISTA PIBIC – CNPq)
Concentração de Tensões
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
24
Efeito da presença de nódulos vizinhos
HORIZONTAL
VERT I CAL
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Re-meshing – incrementos de comprimento de trinca e atualização da malha
ESTUDO DE PROPAGAÇÃO
DE TRINCAS
Mecânica da Fratura
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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
θ1 θ
3
Step 1 Step 2 Step 3
(ERDOGAN & SIH, 1963)
Mecânica da Fratura
ESTUDO DE PROPAGAÇÃO
DE TRINCAS
mKCdN
da
26
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
CONSIDERAÇÕES DO MODELO
Bidimensional;
Estado plano de deformações (EPD);
Incrementos de comprimento de trinca constantes (∆a);
Elementos quadriláteros de segunda ordem;
Ponta de trinca
Elementos triangulares singulares tipo quarter-points (singularidade 1/r0,5 em tensão).
Mecânica da Fratura
27
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
α = 0º
Valores de KII nulos ou dezprezíveis (inferiores a 0,05% de KI).
Direção de propagação nulos ou desprezíveis
(na ordem de 0,001 grau).
Observa-se um aumento de KI com a presença do nódulo.
KI aumenta progressivamente conforme a trinca se aproxima do nódulo.
Casos com maior diâmetro de nódulo (B) apresentam maiores valores de KI
Nódulo menor (A) Nódulo maior (B)
AUMENTO PERCENTUAL DE KI EM RELAÇÃO À AUSÊNCIA DE NÓDULO
Mecânica da Fratura
28
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
α = 0º
Primeira iteração Última iteração Caso31A Caso31A
Caso31B Caso31B
Nó
du
lo m
aio
r (B
)
N
ód
ulo
men
or
(A)
Mecânica da Fratura
CAMPO DE TENSOES (VON-MISES)
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30
α = 30º
Nó
du
lo m
aio
r (B
)
Nó
du
lo m
eno
r (A
)
L = 1d L = 2d L = 3d
Caso12A Caso22A Caso32A
Caso12B Caso22B Caso32B
Mecânica da Fratura
CAMPO DE TENSOES (VON-MISES)
30
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Caso 22A
• KI e KII não são estritamente crescentes durante a propagação da trinca
Nódulo menor (A) Nódulo maior (B)
Nódulo menor (A) Nódulo maior (B)
Mecânica da Fratura
31
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
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Sem nódulo Distância = 4a Distância = 2a
Distância = 1a
Distância = 0,5a
Mecânica da Fratura
Acompanhamento do campo de tensões e dos fatores KI e KII
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Tensões de Flexão
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TCC – Victor Betim / Pedro Murilo - 2015 Profa Ana Paula Junqueira
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Tensões de Flexão
35
TCC – Victor Betim / Pedro Nunes - 2015 Profa Ana Paula Junqueira Geometria da Raiz Convergência Análises de parametros
• Módulo • Ângulo
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Mancal de deslizamento
36
FILME DE ÓLEO COM DILUIÇÃO MANCAL POLIMÉRICO (autolubrificante)
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Dissertação: João Luiz do Vale
PTFE (Mancal sobre Eixo)
37
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Dissertação: João Luiz do Vale
PTFE (Mancal sobre Eixo)
38
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Excelente aproximação com o modelo de atrito de Archard (1957)
Dissertação: João Luiz do Vale
PTFE (Mancal sobre Eixo)
39
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Segundo Archard e Hirst (1956): Cada material tem um
coeficiente admensional de desgaste (PTFE: 2,5.10-5);
Aproximação satisfatória com o modelo; Mesmo com ensaios diferentes;
Dissertação: João Luiz do Vale
PTFE (mancal sobre Eixo)
40
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
41
Mecanismo de Desgaste: formação de filme
Dissertação: João Luiz do Vale
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Estatisticamente iguais:
Não houve degradação do material.
Aumento do grau de cristalinidade
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DSC
Dissertação: João Luiz do Vale
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Ocorrência de substituições: de flúor por hidrogênio (H); de flúor por hidroxilas (OH); Possível formação de carbonila (C=O)
Causa mais provável dessas alterações: Presença de umidade e de oxigênio; Elevação de temperatura; Esforço mecânico envolvido durante o ensaio.
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FTIR (Infra-Red Spectroscopy)
Dissertação: João Luiz do Vale
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
TCC: Eduardo Boasczyk, Leandro Taiatella e Thiago Martins
DILUIÇÃO POR GASOLINA
SAE 15W-40
45
Mancal-Eixo Lubrificado
Diagrama de coeficiente de atrito X
(Viscosidade)*(Velocidade)/Carga
Fonte: ASM Handbook, 2006
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Diminui a viscosidade
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,0% 2,5% 5,0% 7,5% 10,0% 12,5% 15,0% 17,5% 20,0%
Co
efic
ien
te d
e A
trit
o C
inét
ico
,
Concentração de biodiesel B100, %
SAE 15W-40
46
Mancal-Eixo Lubrificado
SAE 15W-40
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
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LUBRIFICANTE E CONTAMINAÇÃO
Viscosímetro Brookfield DV-II+ Pro
Mancal-Eixo Lubrificado
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Força Normal = 709,91 gf Força Normal = 1970 gf
For
ça d
e A
trito
[gf]
For
ça d
e A
trito
[gf]
TCC: Alexandre Shimni e Rahael Maximiano LUBRIFICANTE PURO
Estudo do efeito da carga na curva de Stribeck
SAE 15W-40 48
Mancal-Eixo Lubrificado
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Alunos: FELIPE FERNANDO BOUTIN + LUCAS PRADO CAETANO ROCHA - 2015 ORIENTADORES: JOÃO L. DO VALE, CARLOS HENRIQUE DA SILVA
49
TCC: AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO TRIBOLÓGICO DO POLITETRAFLUORETILENO CONTRA AÇO INOXIDÁVEL SEM LUBRIFICAÇÃO EM ENSAIO PINO SOBRE DISCO
Mancal-Eixo Lubrificado
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Tribologia de Polímeros
TCC: Estudo Do Comportamento Tribológico De Polímeros De Engenharia Em Deslizamento Sem Lubrificação Contra Aço Inoxidável (MATEUS BOBECK ISHIDA +MATHEUS TERPLAK BEÊ) - 2015
ORIENTADORES: JOÃO L. DO VALE, CARLOS HENRIQUE DA SILVA
50
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Para atender aos níveis de emissão impostos pelas regulamentações, novas tecnologias e sistemas vem sendo desenvolvidos.
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EGR (Exhaust Gas Recirculation) DPF (Diesel Particulate Filter) SCR (Selective Catalytic Reduction)
EGR: Diminui a temperatura de combustão e reduz a concentração de oxigênio do fluido de trabalho que é admitido na câmara de combustão, reduzindo dessa forma a formação de NOx (ZHENG, 2004).
Ensaio em motor
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Dissertação de Marco Muraro
Motor Diesel x EGR x Análise de óleo
56
[%]
[%] [%]ratiopuro
ExaustãoEGR
Exaustão Ar
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Definição dos Parâmetros de Ensaio
57
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
0,0% 5,0% 10,0% 15,0% 20,0% 25,0% 30,0%
Po
ntê
nci
a [C
V]
Título do Eixo
0
500
1000
1500
2000
2500
0,0% 5,0% 10,0% 15,0% 20,0% 25,0% 30,0% R
ota
ção
[rp
m]
% EGR
[EGR x Rotação Máxima]
Motor monocilindro – 4CV
Modelo Yanmar B7
Combustível: Diesel
Pistão com 5 Anéis
Óleo Lubrificante 15W40
ANÁLISE DE ÓLEO Viscosidade
Oxidação
TAN
Contaminação por água
Contagem de partículas
Soot (Cinzas)
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
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Bomba de Combustível: Pistão x Cilindro
Desalinhamentos: 2º , 5º e 10º Ensaio: a seco
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
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Resultados de Doutorado
INFLUÊNCIA DA MICROESTRUTURA DE FERROS FUNDIDOS NA OCORRÊNCIA DE FOLDED METAL E NO COEFICIENTE DE ATRITO EM SUPERFÍCIES BRUNIDAS Aluno: João Luiz do Vale Orientador: Giuseppe Pintaúde Co-orientador: Carlos Henrique da Silva
Folded metal: Porções de material dobrado que cobrem os sulcos; Causado por deformação plástica;
Aluno: João Luiz do Vale
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Adaptação Porta-anel
Fixação amostra
Anel
Termopares de controle e monitoramento
Cuba
Amostra do CILINDRO Resistor
Fluxograma para preparação das amostras
Resultados de Doutorado
Aluno: João Luiz do Vale 64
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Planejamento com condições favoráveis e não favoráveis à formação de filme
Constante
Grande variação de frequência
Resultados de Doutorado
Aluno: João Luiz do Vale 66
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Triboscopia:
FN = 25 e 100 N.
COF
Posição
(-5 a 5 mm)
Tempo
(0 a 65 s)
Aluno: João Luiz do Vale 67
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
Aluno: João Luiz do Vale
Para f=0.05 Hz
COF constante ao longo de todo ensaio;
Relação com a Força normal (aumento da área de contato real);
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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Curva de Stribeck
↓ Força normal ↓ COFm
Altos valores de R2 para as curvas
Tendência de mesclagem das curvas para FN > 50N
69
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Considerações Finais
70
Elementos de
Máquina
Subsistemas:
Geometria x Carregamento
Análise Numérica:
Tensão x Mecanica da Fraura x Desgaste
Análises Química:
Debris x Óleo Lubificante
Ensaios bancada:
Montagem x Aquisição de
dados
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