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Manutenção e Inspeção Aula 7 Lubrificação “Redução do atrito pela introdução de uma substância entre duas ou mais superfícies que se movimentam entre si”. Essa substância pode ser: • Um sólido (grafita, graxa) • Um líquido (óleo, água) • Gás (ar) Função: substituir o atrito direto ou seco pelo atrito fluido. Atrito Tipos de atrito: Atrito seco de deslizamento: Atrito seco de rolamento: Atrito fluido A origem do atrito se encontra no fato de que as superfícies, mesmo quando cuidadosamente polidas, apresentam asperezas e irregularidades. O modo como essas superfícies se relacionam caracteriza os mecanismos do atrito: cisalhamento e adesão. Cisalhamento: Adesão: Desgaste Finalidade prática da lubrificação: reduzir o desgaste. Todos os corpos sofrem do desgaste com o passar do tempo. No entanto, corpos que se atritam diretamente tendem a sofrer os efeitos mais rapidamente. O desgaste se apresenta sob várias formas, algumas oriundas de deficiências de lubrificação e outras de causas mais diversas. O conhecimento dos diversos tipos de desgaste é de suma importância para se averiguarem suas origens e, consequentemente, buscar a melhor forma de evitá-los. Principais tipos de desgastes que atingem os rolamentos, de acordo com Moura e Carreteiro (1987): • Abrasão: proveniente de partículas de material abrasivo (areia ou poeira) que se encontra, contaminando o lubrificante • Desalojamento: consiste na remoção de material (metal) de um determinado ponto da peça e sua deposição em outro • Corrosão: proveniente de contaminação ácida • Endentação: consequência da penetração de um corpo estranho duro nas partes móveis da peça • Fricção: caracteriza-se por endentações polidas, oriundas da corrosão por vibração; • Erosão: endentações provocadas pela repetição de choques com pesadas sobrecargas; • Fragmentação: provocada por instalação defeituosa; • Esfoliação ou escamação: provocada pela fadiga ao se submeter o metal a repetidos esforços além da sua capacidade; • Estriamento: provocado pela passagem contínua de correntes elétricas fracas; • Cavitação: provocada pela implosão das bolhas de um líquido. Uma lubrificação, assim como uma manutenção adequada, tende a diminuir o desgaste. Lubrificar É a Inserção de uma película de lubrificante entre as partes em contato, de modo a reduzir a um mínimo o atrito. A formação de uma camada de fluído, também conhecida como filme de fluído, pode ser obtida de duas formas básicas: Lubrificação hidrostática: As superfícies se encontram imóveis. O filme é formado entre estas por meio da pressurização do fluído. Lubrificação hidrodinâmica: O filme se desenvolve devido ao movimento existente entre elas. Nessa forma de lubrificação, a viscosidade do fluído é o fator mais importante. Teoricamente não existe desgaste, uma vez que as superfícies nunca entrariam em contato. Mas, segundo Moura e Carreteiro (1987), a lubrificação totalmente hidrodinâmica nunca ocorre. Na lubrificação hidrodinâmica. O coeficiente de atrito se situa entre 0,001 e 0,03, dependendo de vários fatores: • Viscosidade do fluído • Superfícies em contato • Velocidade relativa entre as áreas de contato • Espessura do filme de lubrificante • Forma geométrica das superfícies • Carga aplicada sobre o filme. Moura e Carreteiro (1987): para que haja o desenvolvimento do filme de fluído, as superfícies de contato não podem ser paralelas, sendo a separação entre estas uma função da viscosidade do fluído. Quanto mais viscoso o lubrificante, maior será a espessura da camada formada entre as superfícies (filme). Lubrificantes Qualquer fluído pode funcionar como lubrificante. No entanto, será feita uma abordagem geral sobre os lubrificantes mais usuais, utilizados em motores e nos demais sistemas automotivos. Funções do lubrificante: • Reduzir o atrito e prevenir o desgaste, evitando o contato direto entre as partes móveis • Refrigerar • Proteger contra a corrosão • Manter em suspensão as impurezas e mantê-las dispersas • Atuar como elemento vedador; • Remover e prevenir a formação de borras, assim como a deposição de impurezas sobre as peças em movimento (detergente). Lubrificantes industriais Dentre os vários tipos de lubrificantes mencionados, os mais utilizados na lubrificação industrial são os líquidos e os pastosos, mais conhecidos respectivamente como óleos lubrificantes e graxas. Óleos lubrificantes: Por penetrarem entre as partes móveis, mantendo-as separadas, proporcionarem ação hidráulica e atuarem como agentes detergentes e removedores de calor, são os mais utilizados. São preparados misturando-se um ou mais óleos básicos (bases) a aditivos especiais. • Óleos minerais • Óleos sintéticos • Óleos compostos Óleos Minerais: São os mais empregados. Preparados misturando-se um ou mais óleos básicos minerais a aditivos especiais. Obtenção das bases minerais: • Obtidas pelo processo de refino do petróleo. • Por si só, já apresentam algumas características desejáveis à aplicação automotiva, que, posteriormente, são acentuadas quando misturados aos aditivos. Segundo Moura e Carreteiro (1987), os principais óleos básicos minerais brasileiros, podem ser rudimentarmente classificados, segundo o critério de viscosidade, em: • Spindle: baixa viscosidade (70 a 75 SSU à 37,8 ºC); • Neutro Leve: baixa viscosidade (140 a 160 SSU à 37,8 ºC); • Neutro Médio: média viscosidade (320 a 350 SSU à 37,8 ºC); • Neutro Pesado: média/alta viscosidade (400 a 460 SSU à 37,8 ºC); • Bright Stoke: alta viscosidade (2400 SSU á 37,8 ºC); • Cylinder Oil (leve e pesado): Altíssima viscosidade (185 a 270 SSU á 98,9 ºC); • Spindle os “Neutros” e o Bright Stoke: utilizados para a formulação de lubrificantes para motores de combustão, caixas de direção hidráulica, câmbios automáticos e aplicações industriais. • Cylinder Oil: costuma ser utilizado como base para lubrificantes para engrenagens, caixas de direção mecânica, câmbios manuais e diferenciais. Outros critérios de classificação: Composição: Parafínicos: São aqueles constituídos por moléculas saturadas, de cadeia retilínea ou ramificada, sendo considerados bastante estáveis: • Metano • Propano • Etano • Butano Naftênicos: Constituídos por moléculas saturadas de cadeia cíclica, sendo considerados menos estáveis quando submetidos a altas temperaturas: • Ciclopropano; • Metilciclopropano; • Ciclobutano; • Isobutano. Aromáticos: Constituídos por moléculas de cadeia cíclica hexagonal com insaturações alternadas. Não são adequados para fins de lubrificação, devido à sua instabilidade. Exemplos: • Benzeno; • Tolueno; • Ortoxileno. Óleos sintéticos São aqueles cujas bases são obtidas por meio de reações químicas. Apresentam um custo bem mais elevado Utilizados somente quando os óleos de base mineral não mais atendem as necessidades de lubrificação. As características especiais de viscosidade e baixa volatilidade representam vantagens fundamentais sobre os óleos de base mineral, constituindo fatores decisivos na sua aplicação em máquinas críticas. As bases sintéticas de maior representatividade são: P.A.O. (Polialfaoleinas): • Obtidas por processos químicos baseados no etileno. • Utilizadas como base de uma ampla gama de lubrificantes, que vão desde os óleos para motores, óleos para turbinas, fluídos hidráulicos, óleos para engrenagens, até óleos para compressores. Podem também ser utilizadas como componente de mistura em lubrificantes de base mineral, a fim de se melhorar o seu desempenho. • Apresentam, entre outras, as seguintes vantagens: 1. Maior durabilidade devido a rarefação de moléculas instáveis no fluidobase e a extraordinária resistência a oxidação e a degradação térmica; 2. Maior proteção contra o desgaste devido a melhor fluidez (devida à ausência de ceras e parafinas); 3. Menor formação de resíduos devido a maior estabilidade à oxidação; 4. Total compatibilidade com lubrificantes de base mineral; Ésteres • Não provêm do petróleo. • Obtidas mediante a reação química entre um álcool e um ácido orgânico, sendo que os ácidos graxos vegetais e os alcoóis vegetais apresentam uma propriedade inigualável: são biodegradáveis. • Se adaptam muito bem a largas faixas de operação devido à sua grande resistência à degradação térmica. • São recomendados para a lubrificação de motores a jato e compressores de alto desempenho, nos quais sua capacidade de solvência mantém os sistemas limpos por mais tempo. • Possuem também untuosidade natural. • Ao serem combinados com polialfaoleínas ou óleos minerais, conferem a estes uma melhor solubilização dos aditivos, bem como um melhor controle sobre o inchamento de elastômeros (“borrachas”). • Apresentam uma menor perda por evaporação quando submetidos a altas temperaturas, reduzindo, assim, o consumo de lubrificante pelo equipamento • Podem ser utilizados como base principal de lubrificantes para uso em altas temperaturas e em biodegradáveis, ou adicionados a lubrificantes que requerem propriedades especiais. • Os ésteres são também a base do novo combustível ecológico denominado biodiesel. Óleos semi-sintéticos Obtidos pela mistura de bases minerais com bases sintéticas, obtendo-se assim melhoras do seu desempenho. Comparação das propriedades das diferentes bases: Aditivos Os aditivos são compostos químicos adicionados aos óleos básicos (minerais ou não), com duas finalidades básicas: • Reforçar algumas das suas propriedades desejáveis, por exemplo: 1. Resistência à oxidação 2. Índice de viscosidade • Criar uma nova propriedade antes não existente: 1. Reserva alcalina (TBN). Classificação segundo Moura e Carreteiro (1987): • Aqueles que apenas modificam determinadas características físicas, por exemplo: 1. Melhoradores do índice de viscosidade; 2. Abaixadores do ponto de fluidez; 3. Antiespumantes. • Aqueles que modificam quimicamente o óleo: 1. Inibidores de corrosão; 2. Detergentes; 3. Extrema pressão. Alguns dos aditivos mais utilizados na formulação de óleos lubrificantes insdustriais Antioxidantes Runge et al (1994): os derivados de petróleo são passíveis de reação com o oxigênio (oxidação), produzindo peróxidos ou ácidos, que podem provocar corrosão. Da mesma forma, também podem ser formados compostos de cadeia longa como borras, gomas e vernizes, que podem aumentar tremendamente a viscosidade do lubrificante, impedindo a sua penetração nas folgas e provocando entupimentos. Dispersantes/Detergentes A oxidação do lubrificante provoca o aparecimento de substâncias pouco solúveis que tendem a se depositar nas superfícies com as quais têm contato. Como consequência, tem-se a diminuição da lubrificação e da dissipação de calor. O problema se torna mais grave nos motores de combustão interna, nos quais os produtos da combustão incompleta (carvão) contribuem para contaminar ainda mais o óleo. Procura-se combater esses efeitos com compostos capazes de remover e manter em suspensão os contaminantes sólidos, borras, gomas e vernizes. Runge et al (1994) afirmam que os agentes detergentes são comumente confundidos com os dispersantes. No entanto suas funções são bastante distintas. Detergentes: agem nas regiões quentes, impedindo ou retardando a formação de depósitos. Mas não consegue remover altas concentrações de depósitos. A “limpeza” do componente deve ser feita por desmontagem. Um dos principais agentes detergentes, segundo os autores, são os sulfonatos metálicos neutros ou de elevada alcalinidade. Dispersantes: impedem a aglomeração das moléculas e mantêm os contaminantes em suspensão. Segundo Runge et al (1994), um dos principais agentes dispersantes é o polisubutenil succinimidas de poliaminas de elevada polaridade. Decorrente da ação do aditivo, o material mantido em suspensão provoca o escurecimento do lubrificante, dando o aspecto de “sujo” e ineficiente. Este fato, aos olhos de um leigo, pode erroneamente indicar um mau desempenho do lubrificante, que, muito pelo contrário, está atuando satisfatoriamente, mantendo o motor internamente limpo, evitando a formação de borra. Melhoradores do índice de viscosidade A viscosidade dos lubrificantes derivados de petróleo tende a variar com as mudanças de temperatura. Um lubrificante de alto I.V. varia muito pouco a sua viscosidade em função da variação de temperatura e vice-versa. Quando se deseja obter um lubrificante de maior I.V., faz-se uso dos agentes aumentadores de I.V. No entanto, Runge et al (1994) alertam que esses aditivos aumentam a viscosidade do produto a uma determinada temperatura, devido às mudanças das suas características de solubilidade. Os polimetacrilatos, polímeros de butileno e olefinas polimeralizadas são apontadas pelos autores como alguns dos principais exemplos aditivos desse tipo. Antiespumantes Os lubrificantes derivados de petróleo tendem a espumar quando submetidos à agitação. De acordo com Runge et al (1994), a dissolução e dispersão de ar no lubrificante podem, entre outras coisas, aumentar a sua viscosidade e provocar cavitação em bombas. Já a espuma (formada na superfície) pode provocar mau funcionamento de componentes. Tais fatos são indesejáveis, visto que, em determinadas condições de uso, tais como nos sistemas hidráulicos e nas caixas de engrenagens, seu aparecimento poderá provocar desde uma queda no rendimento, até a falta de lubrificação, o que diminuirá em muito a sua vida útil. De acordo com Runge et al (1994), os polímeros de silicone são os mais conhecidos e eficientes agentes antiespuma de aplicação geral. Extrema pressão Sabe-se que a principal função de um lubrificante é separar superfícies em movimento, reduzindo o atrito e consequentemente o desgaste e a geração de calor. De acordo com Runge et al (1994), compostos que contêm enxofre, cloro e fósforo, ou combinações desses elementos (olefinas sulfurizadas, ésteres sulfurizados etc.) são agentes típicos de EP. Antidesgaste Existem casos em que a lubrificação não pode ser mantida, o que resulta em contato direto entre as partes. Para evitar danos a essas superfícies, faz-se necessário melhorar características antidesgaste do lubrificante. De acordo com Runge et al (1994), compostos de fósforo, como o dialquil ditiofosfato de zinco (mais tradicional), são utilizados como aditivo antidesgaste Inibidores de corrosão Segundo Runge et al (1994), são aqueles que protegem o metal do ataque de contaminantes corrosivos presentes no lubrificante. Fazem isso formando uma película química protetora sobre as partes envolvidas. Entre os compostos mais comuns utilizados encontram-se os sulfonatos de metal, aditivos coloidais com elevado número de neutralização, ésteres de álcool e fenol. Formulação (Blending): A preparação do lubrificante consiste em se misturarem bases (minerais, sintéticas etc.) a aditivos. Essas misturas são processadas em unidades industriais denominadas “Planta de Mistura e Envasamento”. O processo consiste basicamente em homogeneizar os componentes em um recipiente, pela agitação provocada pelo borbulhamento de ar no fundo do recipiente. Características físico-químicas (Runge, Duarte e Gemperlé (1994), Moura e Carreteiro (1987) Cor ou aparência Metodologias básicas: Colorímetro ASTM, seguindo-se o procedimento ABNT 351 (ASTM D-155): O resultado é apresentado numa escala que varia de 0 a 8 comvalores intermediários. Observação direta: Esse método é utilizado para a análise de óleos usados, com o objetivo de se encontrarem contaminantes, como a água, que forma emulsões de aparência turva. Odor: Exame bastante subjetivo. Depende diretamente dos sentidos do analista. Os óleos lubrificantes geralmente apresentam odores característicos. A presença de odores fortes ou odores diferentes do habitual pode indicar a presença de aditivos ou contaminação, como o combustível. Densidade Razão entre a sua massa e o seu volume. Runge et al (1994) consideram típicos os seguintes valores de densidade: •Óleos minerais parafínicos: aproximadamente 0,870 • Óleos minerais naftênicos: aproximadamente 0,950 • Óleos sintéticos e aromáticos: acima de 1,000 No entanto, deve-se lembrar que é possível encontrar óleos parafínicos pesados (cylinder oil) com densidades próximas a 0,95 assim como, óleos naftênicos leves (como os óleos para transformador) com densidades próximas a 0,850. Segundo os mesmos autores, o aumento da densidade de um óleo, pode ser atribuída a: • Deterioração do óleo (oxidação); • Presença de contaminantes insolúveis; • Presença de água formando emulsão; • Uso de óleo de maior densidade nas reposições; • Presença de lubrificante de base sintética; • Contaminação. Viscosidade Dificuldade que um líquido encontra para escoar. Sua origem encontra-se no atrito interno, isto é, nas forças de coesão entre as moléculas. A viscosidade tende a diminuir com o aumento da temperatura, pois, à medida que se tem um aumento da energia cinética média das moléculas, tem-se uma diminuição do intervalo de tempo que elas passam umas junto das outras, tornando menos efetivas as forças intermoleculares. “Princípio de Aderência”: “as partículas de um fluído em contato com pontos de uma superfície sólida, têm a mesma velocidade desses pontos”. Viscosímetro Cinemático: cSt (Centistoke) Devido a uma tendência mundial em se padronizar a medida de viscosidade pelo método cinemático, em face da simplificação da linguagem técnica das especificações e características de produtos, além de proporcionar uma série de vantagens em relação aos demais (precisão, simplicidade de operação e rapidez), será dada, a seguir, uma ênfase ao viscosímetro cinemático. No Brasil, o ensaio de viscosidade cinemática mais utilizado se dá de acordo com a norma ABNT 293 (ASTM D445). Durante o ensaio, o viscosímetro permanece mergulhado em um banho de óleo (geralmente óleo de silicone), no qual a temperatura é de 40°C ou 100°C. Portanto pode se determinar a viscosidade em duas temperaturas diferentes. De uma maneira geral, um óleo não deve permanecer em serviço se o valor da sua viscosidade variar mais do que 20% (para mais ou para menos) do que valor especificado (óleo novo). O aumento da viscosidade com o uso, geralmente indica: • Reposição feita com óleo de maior viscosidade; • Presença de contaminantes (insolúveis); • Oxidação excessiva; • Perda por evaporação das frações mais leves; • Presença de emulsão decorrente da contaminação com água; • Inadequação ou insuficiência dos sistemas de purificação ocasionando incapacidade de retirar os materiais contaminantes; • Quantidade insuficiente de óleo em circulação favorecendo o processo de oxidação. Já a diminuição da viscosidade pode ter as seguintes causas: • Reposição feita com óleo de menor viscosidade; • Contaminação por combustível (diluição) ou pelo uso de óleo de lavagem; • Cisalhamento dos aditivos melhoradores de índice de viscosidade presentes nos óleos multiviscosos. Classificação da viscosidade Existem várias metodologias para se classificar a viscosidade, de acordo com a aplicação do óleo lubrificante. As mais conhecidas são: • Classificação SAE (Society of Automotive Engineers): Para óleos de motores e engrenagens automotivos; • Classificação ISO (International Standard Organization): Para lubrificantes industriais; • Classificação AGMA (American Gear Manufactures Association): Para óleo de engrenagens de uso industrial. Classificação SAE A classificação SAE é destinada a classificar óleos para motor. Faz uso de uma escala que vai de 0 a 60 graus SAE. É baseada nas viscosidades medidas tanto em altas como em baixas temperaturas. Para as altas temperaturas, os valores de viscosidade são atualmente medidos, em centistokes, segundo a norma ASTM D 445 (viscosidade cinemática). Para as baixas temperaturas, a metodologia utilizada é diferente. O equipamento utilizado é um viscosímetro Brookfield, sendo o ensaio realizado segundo a norma ASTM D 2983-T. A viscosidade encontrada é expressa em centipoises (cP). A letra W (winter - inverno) indica os óleos lubrificantes adequados para baixas temperaturas. Dentro dessa classificação, um mesmo óleo pode atender a dois graus de viscosidade SAE. Neste caso, o óleo é denominado Multiviscoso. Exemplo: 15W40. Em temperaturas baixas, este óleo se comporta como um óleo de grau SAE 15W: Apresenta uma viscosidade de 3500 cP a -15°C e uma temperatura limite de bombeamento de -20°C. Já a 100°C, é um óleo de grau SAE 40, apresentando uma viscosidade cinemática entre 12,5 e 16,3 cSt. Classificação de óleos para engrenagens: Índice de Viscosidade (IV) Ponto de Fulgor Menor temperatura na qual o vapor desprendido, na presença de ar, inflama-se momentaneamente, formando um breve lampejo (flash), ao ser posto em contato com uma chama. Para os lubrificantes sem uso, o processo mais utilizado é o ABNT 48 (ASTM D92), que utiliza um equipamento de vaso aberto tipo COC (Cleveland Open Cup). Para os lubrificantes usados ou em uso, o método mais atualmente utilizado é o ABNT 48 (ASTM D93), que utiliza o equipamento de vaso fechado tipo Pensky-Martens, que impede a perda por evaporação das frações mais leves provenientes da contaminação por combustível. Pontos de fluidez e névoa Número de neutralização (TAN / TBN) Classificação por categoria de serviço O American Petroleun Institute (API) desenvolveu a primeira classificação, em relação ao desempenho que o lubrificante deveria apresentar, de acordo com a aplicação, estabelecendo três categorias básicas: • Regular: óleo mineral puro para motores a ciclo Otto, desempenhando serviços muito leves; • Premium: óleo mineral acrescido de aditivos antioxidantes, anticorrosivos e antiespumantes, destinado a motores ciclo Otto sujeitos a condições normais de trabalho; • Heavy Duty (HD): óleo Premium acrescido de aditivos detergentes metálicos, destinado a motores ciclo Otto, sujeitos a condições severas de trabalho e motores ciclo Diesel. O desenvolvimento de novos aditivos e a necessidade de produzir lubrificantes com diversos níveis de detergência tornaram essa classificação obsoleta. Por essa razão, a API promoveu revisões em 1952 e 1955. Assim, gerou-se uma nova classificação que continha três categorias de serviço para motores ciclo Otto e mais três para motores ciclo Diesel: • ML: serviço típico dos motores ciclo Otto, operando em condições leves e favoráveis, não apresentando exigências especiais de lubrificação, nem características de projeto sensíveis à formação de depósitos; MM: serviço típico dos motores ciclo Otto, operando em condições moderadas e severas, porém apresentando problemas de formação de depósitos ou controle da corrosão de mancais quando a temperatura do lubrificante se eleva; • MS: serviço típico dos motores ciclo Otto, operando sob condições em que há requisitos especiais de controle do desgaste, formação de depósitos ou corrosão. A severidade das exigências especiais de lubrificação varia de acordo com o combustível, as características específicas do projeto e, sobretudo, com as condições específicas de operação; • DG: serviço típico dos motores ciclo Diesel, operando em condições em que não há exigências especiais delubrificação (controle de desgaste), nem características de projeto sensíveis à formação de depósitos; • DM: serviço típico dos motores ciclo Diesel, operando em condições severas, ou utilizando combustível que tem tendência a formardepósitos e causar desgaste, mas com características de projeto ou condições de operação que podem fazer com que o motor fique menos sensível aos efeitos do combustível e mais sensível aos resíduos do lubrificante; • DS: serviço típico dos motores ciclo Diesel, operando em condições muito severas, ou possuindo características de projeto que tende a causar desgastes, ou mesmo, utilizando combustível que tende a formar depósitos excessivos. Mesmo assim, o valor dessa nova classificação continuava muito limitado, devido a sua imprecisão e da não qualificação dos produtos. No início da década de 1970, a API, juntamente com a SAE e a ASTM, criaram uma nova classificação baseada no desempenho do lubrificante, quando submetido a uma bateria de testes (“sequência de testes”), realizados sob condições controladas em motores padronizados. Classificação motores Otto Classificação motores Diesel Classificação ACEA Automóveis. Atualmente suas categorias mais elevadas são: A5/B5 (óleo para motores ciclo Otto e Diesel leves) e E9 (óleo para motores Diesel pesados). A classificação ACEA sempre recomenda a consulta ao manual do proprietário ou do fabricante do veículo, em caso de dúvidas.
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