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Introdução aos Elementos de Máquinas
PMR 3320 – A12
Mancais
2020.2
PMR-3320
Planejamento
2
PMR-3320
Mancais
➢ Mancais são elementos de máquinas que
tem por função básica absorver
carregamentos, e onde o movimento de
translação em qualquer direção deve ser
minimizado, deixando livre somente a
rotação em torno de um eixo.
3
PMR-3320
Mancais
Escorregamento Rolamento MagnéticosFluídicos
4
HidrostáticosHidrodinâmicos
PMR-3320
Para cada aplicação existe um tipo de mancal que melhor se adapta,
sendo a escolha uma função:
▪ características do movimento
▪ tipo e intensidade dos carregamentos
▪ rigidez
▪ velocidade de trabalho
▪ do espaço disponível para instalação
▪ confiabilidade
▪ mantenabilidade
▪ custos
5
Mancais
Generalidades
PMR-3320
São empregados em aplicações de baixa velocidade de rotação, com
alta capacidade de carga e rigidez.
➔ Em geral são de custo muito baixo
➔ Podem apresentar desgaste excessivo
➔ Geram calor
➔ Baixa velocidade
➔ Vibrações
➔ Stick-slip
➔ Alta capacidade de carga
➔ Alta rigidez
6
Mancais de escorregamento
PMR-3320
A seleção é feita em função do par tribológico, que fornece o coeficiente
de atrito, da velocidade de giro, do carregamento, da taxa de desgaste
esperada e do custo.
7
Mancais de escorregamento
8
PMR-3320
Desgaste
Mancais de escorregamento
9
PMR-3320
Custo
Mancais de escorregamento
PMR-3320
Apoio Mancal rotativo Eixo rotativo
10
Dimensionamento
Mancais de escorregamento
𝑃 =𝐹
𝑑𝑙
𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑃 𝑛𝑜 𝑚𝑎𝑛𝑐𝑎𝑙
[𝑁
𝑚𝑚2]
𝑉 =𝑥. 𝑑𝑛
103
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒
[𝑚
𝑠]
PMR-3320
O uso de lubrificante na interface permite a redução do atrito,
e consequentemente a geração de calor, torque resistivo e
desgaste.
11
Uso de lubrificante
Mancais de escorregamento
PMR-3320http://www.csbslidingbearings.com/bi-metallic-composite-bearings.html
12
Exemplos
Mancais de escorregamento
PMR-3320
Mancais
Escorregamento Rolamento MagnéticosFluídicos
13
HidrostáticosHidrodinâmicos
PMR-3320 http://cento-kullager.se/om/
14
Exemplos
Mancais de rolamento
PMR-3320
15
São os tipos de mancais mais utilizados, e são caracterizados
por:
➢ fácil movimentação
➢ mínimo atrito
➢ elevado nível de padronização
Introdução
Mancais de rolamento
PMR-3320
16
Mancais de rolamento
Nomenclatura
PMR-3320
17
Mancais de rolamento
Constituintes
PMR-3320
18
Mancais de rolamento
Carregamentos
Radiais Axiais
Compostos
PMR-3320
Radiais AxiaisRadiais/Axiais
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Classificação quanto ao carregamento
Mancais de rolamento
PMR-3320
Mancais de esfera
Mancais de rolos
20
Classificação quanto a forma do elemento rolante
Mancais de rolamento
PMR-3320
21
Mancais de rolamento
Tipos de mancais de esferas
de esferas de rolos
PMR-3320
22
Mancais de rolamento
Classes de dimensões
PMR-3320
23
Mancais de rolamento
Classes de dimensões
PMR-3320
24
Mancais de rolamento
Montagem
PMR-3320 https://www.nachi-fujikoshi.co.jp/eng/web/pdf/B1031E-5.pdf
25
Mancais de rolamento
Seleção
PMR-3320 https://www.nachi-fujikoshi.co.jp/eng/web/pdf/B1031E-5.pdf
26
Mancais de rolamento
Seleção
PMR-3320 https://www.nachi-fujikoshi.co.jp/eng/web/pdf/B1031E-5.pdf27
Mancais de rolamento
Seleção
PMR-3320
Tolerâncias geométricas e dimensionais
28
Precisão de giro (radial e axial)
Mancais de rolamento
Precisão
PMR-3320 http://www.timken.com/pt-br/products/Documents/Super-Precision-Bearings-for-Machine-Tool-Applications-Catalog.pdf
29
Mancais de rolamento
Classes de tolerâncias
PMR-3320 http://www.nmbtc.com/bearings/engineering/accuracy/
30
Mancais de rolamento
Classes de tolerâncias
PMR-3320
31
https://www.nskeurope.com/downloads/literature_bearing/EN-TI-0112-FINAL.pdf
Mancais de rolamento
Erros de movimento
PMR-3320
Mancais
Escorregamento Rolamento MagnéticosFluídicos
32
HidrostáticosHidrodinâmicos
PMR-3320 http://www.turbomachinerymag.com/blog/content/elimination-vibration-instabilities-hydrodynamic-bearings
33
Mancais a filme fluído
PMR-3320
Quanto a forma de sustentação
➔ mancais fluidodinâmicos, que são aqueles cuja pressão da
filme de lubrificante que suportará a carga é dependente da
velocidade tangencial do mancal
➔ mancais fluidoestáticos, que são aqueles em que as
superfícies com movimento relativo são separadas por um filme
lubrificante, forçado sob pressão, a qual é fornecida por uma
fonte externa (bomba ou compressor)
34
Mancais a filme fluído
Classificação
PMR-3320
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Mancais hidrodinâmicos
Curva de Stribeck
PMR-3320
São mancais onde as superfícies com movimento relativo são
separadas por um filme fluido, o qual pode ser líquido ou gasoso
➔Líquidos: óleo, água, outros
➔ Gás: AR, hélio, Ar, outros
36
Mancais a filme fluído
Introdução
PMR-3320
37
Mancais hidrodinâmicos
Funcionamento
PMR-3320
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Mancais hidrodinâmicos
Funcionamento
PMR-3320
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Mancais hidrodinâmicos
Número característico
𝑆 =𝑅
𝑐
𝜇𝑛
𝑃
Onde:
➔ R – raio do mancal
➔ c – excentricidade
➔ - viscosidade
➔ n – rotação
➔ P - Pressão
PMR-3320
40
Mancais hidrodinâmicos
Número característico𝑆 =𝑅
𝑐
𝜇𝑛
𝑃
PMR-3320
Mancais hidrodinâmicos
Radiais
carregamento
Axiais
41
PMR-3320
42
Mancais hidrodinâmicos
Exemplos
PMR-3320
Mancais
Escorregamento Rolamento MagnéticosFluídicos
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HidrostáticosHidrodinâmicos
PMR-3320
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Mancais hidrostáticos
PMR-3320
➔ Projeto complexo
➔ Fabricação complexa
➔ Baixa modularidade
➔ Sem atrito, desgaste e stick-slip
➔ Elevada capacidade de carga
➔ Sistemas de retorno e resfriamento
➔ Alta rigidez
➔ Elevado amortecimento
➔ Alta velocidade
➔ Problema de estabilidade térmica
➔ Elevada exatidão
➔ Amortecimento
Características
45
Mancais hidrostáticos
PMR-3320
p
pr
h
pr
pa
P0 = 0
x
y
B >> ll
z
Assumindo:
➢ Existe um fluxo laminar entre
superfícies planas.
➢ Só existe atrito viscosos
➢ Além das forças de compressão, as forças de
empuxo também devem ser levadas em
consideração (squeeze film effect).
princípio de funcionamento
hr
lQr
P0
rebaixo
Restritor de fluxo
46
PMR-3320
h
pr
l
princípio de funcionamento
hr
lQrpa
po
Restritor de fluxo
Capilares
Orifício
Porosos
Flexíveis
Outros
47
PMR-3320
h
pr
b
l
princípio de funcionamento
hr
lQrpa
po
𝑄𝑟𝑜 = 𝐴𝑐𝐶𝑑𝑜2
𝜌(𝑝𝑎 − 𝑝𝑟)
𝐴𝑐 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜 𝑜𝑟𝑖𝑓í𝑐𝑖𝑜
𝐶𝑑𝑜 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝐶𝑑𝑜𝑟𝑖𝑓í𝑐𝑖𝑜 ≅ 𝟎, 𝟖𝟎 ⇒ (0,6 𝑎 1,0)
𝑄𝑟𝑜 = 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑖𝑡𝑟𝑜
Fluxo em um restritor tipo orifício
𝑄𝑟𝑜 = 𝐴𝑐𝐶𝑑𝑜2
𝜌(𝑝𝑎 − 𝑝𝑟)
48
PMR-3320
h
pr
Bl
princípio de funcionamento
hr
lQrpa
po
Capacidade de carga
𝑊 = 𝐵 𝑝𝑟𝑙
2+ 𝑝𝑟𝑏 + 𝑝𝑟
𝑙
2
p
pr
P0
𝑊 = 𝑝𝑟 𝐵(𝑙 + 𝑏)
b
49
PMR-3320
h
pr
Bl
princípio de funcionamento
hr
lQrpa
po
Comparando – Orifício vs Capilar
p
pr
P0
b Rigidez
𝐾 =3𝐵(𝑙 + 𝑏)
h
𝑝𝑟(𝑍 + 1)
𝑍 =(𝑝𝑟 − 𝑝𝑎)
𝑎(𝑝𝑠 − 𝑝𝑟)
𝑎 = 2 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜𝑟 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑜𝑟𝑖𝑓í𝑐𝑖𝑜𝑎 = 1 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜𝑟 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟
50
PMR-3320
h
pr
Bl
princípio de funcionamento
hr
lQrpa
po
p
pr
P0
b Efeito do diâmetro do orifício
Fluído: água
https://rotorlab.tamu.edu/me626/Notes_pdf/Notes12b%20Hydrostatic%20Bearings.pdf
51
PMR-3320
Mancais hidrostáticos
Radiais
carregamento
AxiaisRadiais/axiais
52
PMR-3320
Mancais hidrostáticos
hidrodinâmicos
carregamento
hidrostáticoshíbridos
53
PMR-3320
hidrodinâmicoshidrostáticos
𝑊 = 𝑓 𝐿 𝐷 𝑃𝑎 𝑊 = 𝑓 𝐿 𝐷 𝑛 𝜂𝐷
𝑐0
2
c0 (hr)
LW
D
n
Mancais hidrostáticos
54
PMR-3320
Mancais hidrostáticos
𝑊 = 𝑎𝑓 𝐴𝑝 𝑃𝑟
𝑄 = 𝑞𝑓𝐹
𝐴𝑝
𝑐3
𝜇
𝑃𝑎 = 𝑃𝑟 𝑄 𝑃𝑎 = 𝐻𝑓𝐹
𝐴𝑝
2𝑐3
𝜇
𝑊 ⇒ 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑛𝑐𝑎𝑙
𝑄 ⇒ 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑛𝑜 𝑚𝑎𝑛𝑐𝑎𝑙
𝑃𝑎 ⇒ 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜 (𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎)
𝑃𝑟 ⇒ 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑏𝑎𝑖𝑥𝑜
𝑎𝑓 ⇒ 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝑞𝑓 ⇒ 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜
𝐻𝑓 ⇒ 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎
𝐴𝑝 ⇒ á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜 𝑃𝑎𝑑
𝑐 ⇒ 𝑓𝑜𝑙𝑔𝑎
𝑐0 ⇒ 𝑓𝑜𝑙𝑔𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙
𝜇 ⇒ 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑛â𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢í𝑑𝑜
Dimensionamento
2𝜋𝑟
𝐿
(2𝜋𝑟)/4
𝐴𝑝
55
PMR-3320
https://www.youtube.com/watch?v=PN1VExrOxTo&t=31s
Professional Instruments Hydrostatic spindle orientation demo
56
PMR-3320
Diamond Turning on a Professional Instruments Oil Hydrostatic Spindle
https://www.youtube.com/watch?v=6EsvHIRhuBE 57
PMR-3320
Mancais
Escorregamento Rolamento MagnéticosFluídicos
Fluidodinâmicos Fluidostáticos
58
AerostáticosHidrostáticosAerodinâmicosHidrodinâmicos
PMR-3320 http://www.kracht.nl/index.php?l=_en&id=34&c
59
Mancais magnéticos
PMR-3320
• Mancais magnéticos não tem contato mecânico
• Não tem limites de velocidade – segurança é o limite
• Podem ser lineares, rotativos ou combinados
• Back up mecânicos devem ser introduzidos prevendo falhas
de energia
• Rigidez infinita, controlada eletronicamente
• Controle sofisticado
• Elevada capacidade de carga e rigidez60
Mancais magnéticos
Introdução
PMR-3320 http://www.grc.nasa.gov/WWW/spacemech/workshop02/mag-brg.html
61
Mancais magnéticos
Constituintes
PMR-3320http://www.synchrony.com/knowledge/how-magnetic-bearings-work.php
62
Mancais magnéticos
Constituintes
PMR-3320http://jygovoduji.opx.pl/principle-of-magnetic-bearing.php
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Mancais magnéticos
Funcionamento
PMR-3320 http://www.waukbearing.com/en/magnetic-bearing-systems/
64
Mancais magnéticos
Exemplos
PMR-3320
http://www.airbestpractices.com/technology/blowers/magnetic-bearings-attractive-force-energy-efficiency
Bombas de alto desempenho Árvore de máquinas-ferramentas
http://m.schaeffler.de/content.mobile/en/press/pressdetail/press_detail.jsp?id=16452736
65
Mancais magnéticos
Aplicação
PMR-3320 http://m.schaeffler.de/content.mobile/en/press/pressdetail/press_detail.jsp?id=16452736
66
Mancais magnéticos
Sistema de segurança
FIM DA AULA
PMR-3320