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Análise de falha de engenharia 118 (2020) 104885
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Análise de falha de engenharia
Página inicial do jornal:www.elsevier.com/locate/engfailanal
Desafios tribológicos e avanços em rolamentos de turbinas 
eólicas: uma revisão
Anil Dhanola, HC Garg⁎
Departamento de Engenharia Mecânica, Faculdade de Engenharia e Tecnologia, Guru Jambheshwar University of Science and Technology, Hisar 
125001, Haryana, Índia
ARTIGOINFO ABSTRATO
Palavras-chave:
Turbina de vento
Modos de falha de rolamentos de 
elementos rolantes
Rolamento de filme fluido
A geração de energia de parques eólicos está crescendo muito rápido em todo o mundo, e a energia eólica está 
desempenhando o papel mais significativo para ajudar no desenvolvimento sustentável desde a última década. No 
entanto, as indústrias eólicas estão enfrentando o problema de falha prematura dos principais componentes das 
turbinas eólicas, o que afeta diretamente os custos de manutenção, confiabilidade e operação (MRO) da turbina. Os 
custos de MRO estão associados aos componentes tribológicos da turbina eólica, e os mancais são um deles. Os 
rolamentos são um dos componentes essenciais da turbina, que ajudam a fornecer uma rotação suave ao sistema de 
transmissão, mas devido à carga operacional desigual e às condições ambientais, os rolamentos não são capazes de 
funcionar de forma confiável até o final de sua vida útil. Este artigo apresenta uma revisão abrangente e atualizada de 
questões tribológicas relacionadas a rolamentos de elementos rolantes amplamente utilizados em várias partes (eixo 
principal, caixa de engrenagens, passo, guinada e sistemas geradores) da turbina eólica. Os estudos recentes sobre o 
desenvolvimento do novo projeto de rolamentos, melhoria na engenharia de superfície dos rolamentos, uso de 
lubrificação avançada para a caixa de engrenagens e monitoramento contínuo das condições para detecção precoce 
de falhas dos rolamentos foram incorporados ao trabalho.
1. Introdução
A geração de energia através de recursos de base renovável aumentou 6,3% (380 Tetra Watt-hora) em 2017[1], e de acordo com a agência 
internacional de energia, a energia renovável deve crescer 40% globalmente até 2022. China e Estados Unidos são os principais países 
dominantes por contribuir com cerca de 50% do aumento na geração de energia renovável, seguidos pela Europa, Índia e Japão[2]. Todas as 
tecnologias de geração de energia renovável estão tentando aliviar a mudança climática[2,3]e também adicionar segurança no contexto do 
fornecimento de energia e medidas de proteção ambiental[4,5]. Várias tecnologias estão contribuindo para a geração de energia renovável, 
mas a energia eólica ocupa o segundo lugar depois da energia hidrelétrica em termos de rápido crescimento e capacidade instalada[6]. O 
mercado prevê que as novas instalações de turbinas eólicas aumentarão em cerca de 75 GW para levar a capacidade instalada acumulada 
para mais de 800 GW até o final de 2021, conforme ilustrado naFig. 1 [7].
A energia eólica é agora reconhecida como uma das fontes de energia renovável notáveis e de crescimento mais rápido globalmente. No entanto, as indústrias 
eólicas ainda enfrentam problemas devido à falha prematura de componentes, o que está afetando diretamente os custos de operação e manutenção[8]. Embora os 
sistemas de controle elétrico e eletrônico sejam os mais ambíguos entre todos os outros componentes, como sistema de inclinação, sistema de guinada, rolamentos 
do eixo principal, caixa de engrenagens e gerador, etc., devido ao seu tamanho pequeno, eles podem ser facilmente e
⁎Autor correspondente em: Departamento de Engenharia Mecânica, Guru Jambheshwar University of Science and Technology, Hisar 125001, Haryana, 
Índia.
Endereço de email:hcgarg@gmail.com (HC Garg).
https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2020.104885
Recebido em 23 de maio de 2020; Recebido no formulário revisado em 22 de agosto de 2020; Aceito em 26 de agosto de 2020 
Disponível online em 08 de setembro de 2020
1350-6307/ © 2020 Elsevier Ltd. Todos os direitos reservados.
Traduzido do Inglês para o Português - www.onlinedoctranslator.com
http://www.sciencedirect.com/science/journal/13506307
https://www.elsevier.com/locate/engfailanal
https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2020.104885
https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2020.104885
mailto:hcgarg@gmail.com
https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2020.104885
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A. Dhanola e HC Garg Análise de falha de engenharia 118 (2020) 104885
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
15,00%12,54% 12,20%
8,80%
11,20% 10,70% 10,70%
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7,60%
5,00%8,20%
6,20%
2,50% 0,00%
- 5,00%
- 10,00%
- 15,00%
- 20,00%
- 14,20%
Ano 2016 Ano 2017 Ano 2018 Ano 2019 Ano 2020 ano 2021
Capacidade instalada anual [GW] Taxa de 
crescimento anual da capacidade instalada %
Acumulado [GW]
taxa de crescimento de capacidade cumulativa
Figura 1.Previsão do mercado de energia eólica para 2016–2021[7].
menos dispendioso para restaurar na nacelle[9]. Conforme retratado emFigura 2, os sistemas de controle elétrico e eletrônico são os componentes 
menos confiáveis, com mais de 0,5 falhas por ano em comparação com outros sistemas (<0,25 falhas por ano), mas o tempo de inatividade da caixa de 
engrenagens e do gerador é maior do que os sistemas de controle elétrico e eletrônico[10].
O alto tempo de inatividade desses componentes afeta diretamente os custos de MRO da turbina eólica[11]e contribui significativamente para o 
custo total da energia eólica porque a manutenção desses componentes é um grande problema devido às suas massas pesadas, pois exigem guindastes 
e outros equipamentos caros para a manutenção.
Os rolamentos são o principal componente da turbina eólica[12]e são amplamente aplicados em vários tipos de dispositivos mecânicos: eixo 
principal, caixa de engrenagens, passo, guinada e sistemas geradores[13]. Com base na experiência de campo, verificou-se que os rolamentos usados 
no eixo principal, na caixa de engrenagens e no gerador são os mais propensos a falhas, e mais de 50% das falhas ocorrem na caixa de engrenagens 
devido à falha do rolamento [14,15]. A principal razão para a falha prematura dos rolamentos são as duras condições ambientais, como tensão mecânica 
variável, pressão do ar, velocidade do vento, temperatura e carga, que podem causar a ocorrência de falhas desses componentes muito antes da vida 
útil esperada de 20 anos[16,17]. Essas condições ambientais adversas impõem um impacto ruim nos componentes da turbina eólica, o que resulta em 
desalinhamento do trem de força e causa vários modos de falha nos rolamentos, como arranhões, micropitting, trincas de corrosão branca, corrosão por 
contato, etc.[18]. Para evitar tais falhas, é crucial detectar as causas raiz de tais falhas e desenvolver possíveis soluções para minimizar a ocorrência de 
falha desses componentes.
1.1. Turbina eólica e seus componentes
As turbinas eólicas podem ser classificadas como turbinas eólicas de eixo horizontal (HAWT) e turbinas eólicas de eixo vertical (VAWT). No entanto, 
várias configurações de turbinas eólicas estão disponíveis hoje em dia, principalmente o projeto de eixo horizontal contra o vento com três pás.
Figura 2.Taxa de falhas e paradas de componentes[10].
2
54
,6 48
6,
8
59
,4
54
6,
1
60
,9
60
7
64
,7
67
1,
7
70
74
1,
7
75
,3
81
7
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Lâmina do rotor
Anemômetro
Freio
Gerador de caixa de engrenagens Barquinha
Elétrico
controles
cubo do rotor
com lâmina
tom
mecanismo
Guinada
ao controle
Torre
Fundação Ligação à rede
Figura 3.Componentes de um típico HAWT upwind de três pás[21].
é usado devido à sua maior eficiência e potência[19,20]. Uma típica turbina eólica de eixo horizontal é mostradaemFig. 3 [21]com 
componentes principais: um rotor (pás, cubo e sistema de inclinação), nacela (eixo do rotor, caixa de engrenagens/gerador, freio mecânico e 
sistema de guinada), torre, fundação, sistemas elétricos e de controle. O rotor inclui cubo e pás, o que ajuda a transmitir a energia mecânica
que distância
p ótimo
entrada de energia ideal
motores de guinada para girar a nacele de acordo. Geralmente, os geradores usados em turbinas eólicas são: gerador síncrono de ímã permanente, 
gerador de sincronismo excitado eletricamente, gerador de indução tipo gaiola de esquilo, gerador de indução de rotor bobinado e gerador de indução 
duplamente alimentado.[22,23].T A maioria dos principais componentes da turbina eólica depende em grande parte dos tamanhos da turbina eólica e
configurações. No entanto, uma visão aproximada do custo associado a cada componente principal de uma turbina eólica típica de 2 MW pode ser vista 
emFig. 4 [24].
Este artigo de revisão discute os 
rolamentos e apresenta uma revisão 
abrangente. Além disso, o artigo deste artigo 
está categorizado da seguinte forma. Um em 
uma turbina eólica é fornecido em Set e as 
tendências de pesquisa atuais em rolamentos 
de gerador gea são apresentadas em
(CMS) para rolamentos e desafios onde o sistema é dado na seção 9. Por fim, as sugestões e conclusões são apresentadas na seção 
10 e 11, respectivamente.
através do eixo principal ou eixo de baixa velocidade (10–15 rpm
conectado ao gerador. O sistema de passo é o technolo
uction. Em contraste, o sistema de guinada mantém a podridão
t. Anemômetro is usado para monitorar o vitória recebida
) e a caixa de engrenagens ao eixo de alta velocidade (1200–1500 rpm) 
gy, que é usado para controlar o ângulo da lâmina para obter o
ou área varrida apontada para a direção do vento para receber a 
direção d. Depois de coletar as informações, o controlador se move
er c
dever
onn
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o
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t
f
ib
pr
ts
eu
io
b
S
isto
desafios lógicos associados aos rolamentos usados em componentes de turbinas eólicas. Este estudo também 
revela descobertas, problemas atuais e progressos recentes para mitigar os problemas tribológicos em direções 
futuras, que são essenciais para o avanço desta tecnologia. Esta revisão dos desafios enfrentados pela turbina 
eólica é fornecida na Seção 1. Vários rolamentos usados n 2. Modos de falha proeminentes em rolamentos de 
turbinas eólicas são detalhados na Seção 3. A falha causa rolamentos boi, sistema de lubrificação, rolamentos do 
eixo principal, guinada e rolamentos do sistema de passo e eções 4, 5, 6, 7 e 8, respectivamente. Uma breve 
introdução dos sistemas de monitoramento de condição
eu
o
c
r
3
A. Dhanola e HC Garg Análise de falha de engenharia 118 (2020) 104885
Figura 4.Custo associado a diferentes componentes de uma turbina eólica típica de 2 MW[24].
2. Vários rolamentos usados em turbinas eólicas
Os rolamentos são usados em vários sistemas mecânicos de uma turbina eólica, como o eixo principal, sistema de passo, sistema de guinada, caixa 
de engrenagens e gerador para fornecer suporte físico ao trem de força e permitir que ele gire com atrito e desgaste mínimos. Em uma configuração 
modular da turbina eólica, em geral, unidades de rolamento autocompensador de rolos (diâmetro > 1 m) são usadas no eixo principal (ou mancal do eixo 
do rotor) para suportar e transportar a carga do eixo principal, pois são capazes de suportar desalinhamentos entre o eixo e a carcaça [9,25].
Numerosas configurações de eixo principal estão disponíveis para uma turbina eólica típica. Algumas das configurações são mostradas emtabela 1
[26].
A configuração do tipo A é amplamente utilizada e consiste em dois rolamentos (um é o lado do eixo principal e o outro é o lado da caixa de engrenagens) para 
evitar o desalinhamento devido à vibração entre o eixo principal e a caixa de engrenagens. Um rolamento autocompensador de rolos também é usado para superar 
esse problema, enquanto para evitar carga axial, um rolamento cilíndrico completo é usado dentro da caixa de engrenagens. A configuração do tipo B tem dois 
rolamentos no lado do eixo principal. Essa configuração é usada principalmente para turbinas eólicas cuja capacidade de potência é superior a 2 MW. A configuração 
do tipo C é especialmente projetada para turbinas eólicas de acionamento direto. Na configuração de acionamento direto, o eixo principal é conectado diretamente 
ao gerador de ímã permanente sem usar uma caixa de engrenagens[9,23,26]. O gerador é colocado na superfície externa do rolamento e um outro anel externo 
ajuda a acionar o gerador.
A caixa de engrenagens é posicionada na nacele e é usada para aumentar a velocidade de rotação de 10 a 15 rpm (eixo do rotor de baixa velocidade) para 1200–
1500 rpm (eixo de alta velocidade). Além disso, o eixo de alta velocidade é conectado ao gerador elétrico por meio de uma série de engrenagens. O projeto da caixa 
de engrenagens de uma turbina eólica deve ser levado em consideração com seriedade, pois funciona sob condições ambientais adversas e conta como o 
componente de falha mais frequente da turbina eólica. As configurações de caixa de engrenagens de turbinas eólicas comumente usadas são selecionadas com base 
no padrão IEC 61400-4. As configurações típicas de caixa de engrenagens de turbinas eólicas consistem em um estágio de engrenagem planetária junto com dois 
estágios de engrenagem paralela ou dois estágios de engrenagem planetária junto com um estágio de engrenagem paralela. Uma caixa de engrenagens típica da 
turbina eólica consiste em um eixo intermediário, eixo de entrada, eixo de baixa velocidade, engrenagem planetária, e eixo de alta velocidade. A construção da caixa 
de engrenagens da turbina eólica é representada emFig. 5 [27–29]. O rolamento de rolos cilíndricos completo é usado como rolamento planetário em engrenagens 
planetárias. À medida que a velocidade de rotação aumenta a cada passo, os tipos de rolamentos também mudam de acordo.mesa 2resume os tipos de rolamentos, 
que são usados em vários locais da caixa de engrenagens. A seleção dos rolamentos da caixa de câmbio é feita com base em seu funcionamento ao longo da vida 
útil do projeto da caixa de câmbio[26,32]. Estes também são selecionados com base em classificações dinâmicas e estáticas. De acordo com a norma ISO 281, 
classificação de carga dinâmica (C1) mede a capacidade de rolamento sob fadiga de contato rolante[30]enquanto a classificação de carga estática (C0) mede a 
capacidade do rolamento de resistir a deformações permanentes sob carga máxima aplicada[31]. Classificação de carga dinâmica (C1) é usado na seguinte equação 
de classificação de vida padrão[30].
10
3C1
P
eunm= um1aISO (1)
onde um1= fator de modificação de vida para confiabilidade, umISO =Fator de modificação de vida integrado, contabilizando material, lubrificação e
4
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tabela 1
Configurações do eixo principal[26].
Layout do trem de força Lado da lâmina
consequência
Lado do gerador
consequência
Características
Tipo A SRB CRB
FCCRB
1. Gerador de indução com caixa de engrenagens.
2. O rolamento lateral do gerador também funciona como rolamento de entrada 
para a caixa de engrenagens.
Tipo B SRB
TRB
DTRB
SRB
TRB
CRB
1. Tipo de gerador de indução com caixa de engrenagens.
2. Dois rolamentos suportam o eixo principal.
Tipo C TRB
DTRB
TRB
CRB
1. Gerador síncrono sem caixa de engrenagens
2. Anel externo rotativo
SRB: Rolamento de rolos autocompensadores CRB: Rolamento de rolos cilíndricos FCCRB: Rolamento de rolos cilíndricos de complemento total TRB: Rolamento de rolos cônicos de 
carreira única DTRB: Rolamento de rolos cônicos de carreira dupla.
contaminação por partículas duras, Lnm= Vida nominal modificada em milhões de rotações, e P = Carga radial equivalente dinâmica.
Os rolamentos de passo e guinada contribuem com sua importância para garantir uma operação confiável com maior eficiência em condiçõesambientais desiguais e adversas[32]. Os rolamentos de passo também são conhecidos como rolamentos de giro ou lâmina e são adornados com orifícios 
de montagem, lubrificante e dispositivos de vedação para acomodar diferentes condições de trabalho. É aparafusado à raiz da pá de um lado e ao cubo 
do rotor do outro lado. O ângulo da pá é girado de forma otimizada de acordo com a velocidade do vento com a ajuda da hidráulica (ou motor elétrico) e 
rolamento de giro para alcançar o desempenho ideal das turbinas eólicas. Os critérios de projeto do rolamento devem ser suficientes tanto quanto 
possível para que a alta carga dinâmica nas pás do rotor possa ser dissipada com segurança através das pistas e das conexões roscadas no cubo do 
rotor. O sistema Yaw consiste em rolamentos de giro com dentes de engrenagens, que são acionados empregando um motor para girar o sistema.
[9,33,34]. Rolamentos de esferas de contato de quatro pontos e rolamentos de esferas de contato de oito pontos são capazes de resistir a cargas radiais 
e axiais devido a ranhuras de configuração de esferas de arco gótico em uma única linha e duas linhas de rolamentos de esferas de contato de quatro 
pontos e oito pontos, respectivamente. O rolamento de esferas de contato de oito pontos tem mais vantagens sobre o rolamento de contato de quatro 
pontos, como menos cargas de esferas; menos tensões de hertz menos profundidade de revestimento necessária e alta vida útil em fadiga[34]. O 
Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) publicou diretrizes para o projeto de mancais de guinada e inclinação de uma turbina eólica[34]. As 
instruções incluem várias equações para avaliar a vida dinâmica, a capacidade estática e a interface do modelo de caixa principal dos rolamentos. Nam et 
al.
[35]comparou a usabilidade de diretrizes com resultados analíticos em termos de vida dinâmica, carga estática e modelos de interface de núcleo de caso. 
Os resultados analíticos obtidos usando software comercial foram menos conservadores do que os valores medidos de acordo com as diretrizes do 
NREL.
Os rolamentos rígidos de esferas preenchidos com graxa são usados em um gerador de turbina eólica. Os rolamentos rígidos de esferas sofrem altas tensões 
vibracionais e aumento de alta temperatura devido à alta velocidade do eixo do gerador, que causa um impacto adverso nas gaiolas dos rolamentos. Portanto, para 
superar esses problemas, a lubrificação adequada é extremamente necessária. O risco de vazamento de corrente que passa pelo eixo também é um problema que 
pode danificar as pistas dos rolamentos, o que é chamado de corrosão elétrica. Portanto, para evitar esse problema, rolamentos revestidos ou híbridos
b ng amplamente utilizado hoje em dia[33,36].aré ei
5
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Eixo de alta velocidade
Eixo de Entrada Eixo Intermediário
Eixo de baixa velocidade
: Rolamento de suporte
Operadora Planeta
Engrenagem Planetária
Figura 5.Construção da caixa de engrenagens[27-29].
mesa 2
Tipo de rolamento para caixa de engrenagens[26,32].
Área Tipo de rolamento
Alta velocidade
Haste
lado fixo
lado livre
SRB, CRB, TRB, BB, 4PCBB 
SRB, CRB, BB
Eixo intermediário lado fixo
lado livre
lado fixo
lado livre
SRB, CRB, FCCRB, TRB 
FCCRB, SRB, TRB
SRB, CRB, TRB, 4PCBB 
SRB, CRB
SRB, TRB
SRB, CRB, FCCRB
Eixo de baixa velocidade
Engrenagem planetária
Operadora
SRB: Rolamento autocompensador de rolos CRB: Rolamento de rolos cilíndricos FCCRB: Rolamento de rolos cilíndricos de 
complemento total TRB: Rolamento de rolos cônicos BB: Rolamento rígido de esferas 4PCVBB: Rolamento de quatro pontos de 
contato.
3. Modos de falha proeminentes em rolamentos de turbinas eólicas
Vida útil de rajadas de vento instáveis 
típicas de vento tur, variante de rolamentos 
são adequadamente lubrificados (30%), má 
instalação considerada como um dos cruc
Representante de estatísticas de turbinas eólicas
ou gerador[40]. Fai ime), o custo total 
de reparo dos rolamentos da caixa de 
engrenagens são os mais frequentes, os mais 
propensos a falhas são discutidos em um
agenda de m
flutuação, tendo
componentes. Tem
arranhões instantâneos,
lixeira
loa
e
d
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é
em
Perto de
condição
rde 20 a 25 anos,
ções e outras facções
em que
tors m
ich tem que executar de forma confiável e segura[37]. Mas, infelizmente, 
ake seus componentes não confiáveis[38]. Estima-se que apenas 10% do 
seu ciclo de vida, enquanto 90% das falhas de rolamentos incluem
g
fu um dsem nenhuma falha
, e defeitos de fabricação (20%)[39]. Falhas de rolamentos devido a problemas tribológicos são
até o dia
(40%)
ses de
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, reple
ial cau afetar
maioria de
argolas
ing the affo rdabilidade e confiabilidade da turbina eólica.
pertence a falhas de rolamentos, seja para a caixa de engrenagens, principal 
re
orted m o baixo eu
haste,
para baixo
atrair si não posso ser eu
nt de peças, etc. F
rolamentos seguidos pelos rolamentos do eixo principal e rolamentos de passo. Em contraste, gerador 
para os outros. Problemas tribológicos enfrentados pelos componentes da turbina eólica também EL, US 
Departm
f
gno d porque estes le urther, 
conforme relatado b
d a perdas na produção de eletricidade 
(devido a y Stein e Shi[41]em entrevista que oAceme
atrair
Paris
o NR
ost
ngs
seminar organizado por ent do Laboratório Nacional de Energia e Argonne em 2011. O principal 
verso das condições ambientais, como problemas de resistência à 
temperatura) e degradação do lubrificante em rolamentos de diferentes
desenvolvidos em rolamentos devido a essas 
condições, para trasfega, corrosão elétrica, etc.
o sistema posição m foi o contra apagar e
mentos (devido a
superfície f
ng, falso
s e impacto o de Anúncios
g esqui dding, corrosivo
relatou que var
desgaste pitti, mac
e ambiente
ioso
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moi
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Brinelling, superfície cce, micro ng,
6
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Figura 6.Exemplos de WECsem um rolamento de turbina eólica com falha[44,46].
modos de falha de superfície são resumidos abaixo[42]:
• Arranhãoé um modo de falha de superfície que desenvolve alta deformação plástica devido ao atrito de contato deslizante em duas superfícies de contato e que 
é causada principalmente por uma quantidade insuficiente de lubrificação. Quantidade inadequada de lubrificação ocorre principalmente devido ao projeto 
inadequado do rolamento, fornecimento de lubrificante e formulação de aditivo, etc. A adição de aditivos lubrificantes de extrema pressão (EP) ou revestimento 
de superfície pode ajudar a superar esse problema.
• Descarga elétrica (electro-pitting)danifica as superfícies do mancal quando a corrente elétrica passa pelo eixo para o mancal devido a 
isolamento defeituoso, efeitos de indução e aterramento inadequado. A corrente elétrica pode vazar de motores elétricos, 
instrumentação, etc. e pode produzir altas temperaturas no rolamento, o que é suficiente para derreter a superfície do rolamento. 
Microscopicamente, a superfície falha aparece como pequenas crateras hemisféricas e as bordas parecem lisas.
• Micropittingé caracterizada pela formação de trincas na superfície devido à tensão de cisalhamento tangencial causada pelo contato deslizante de rolamento. 
Rachaduras iniciadas causadas pela presença de pequenos pites permanecem sobre a superfície. Essa formação de pequenos pites é chamada de micropitting. 
Este modo de falha ocorre principalmente em engrenagens e rolamentos. No rolamento, é causado pelo deslizamento ou derrapagem dos rolos do rolamento 
durante condições operacionais variantes. Geralmente, esta falha se originou devido à espessura inadequada do filme EHL (lubrificação elasto-hidrodinâmica), 
rugosidade da superfície, condições de trabalho instáveis, aditivos lubrificantes antidesgaste, tensões de contato, etc.[43].
• Rachaduras de ataque branco (WECs)pode levar à falha prematura dos rolamentos por meio de descamação branca da microestrutura[44],micropitting e trinca axial[45]. No entanto, não é como o lascamento, que se desenvolve no material convencional causado pela fadiga do contato 
rolante (normalmente varia entre 1 e 20% do rolamento calculadoeu10vida). WECssão o modo de falha mais básico e menos compreendido na 
indústria eólica. Um exemplo típico de WECsrelatados em rolamentos de turbinas eólicas podem ser vistos emFig. 6 [44,46].
• Desgaste por atrito e brinell falsogeralmente ocorrem em peças de sistemas de inclinação e guinada, como engrenagens e rolamentos. Na maioria 
das vezes, esses sistemas enfrentam baixa amplitude e vibração estrutural, o que resulta na compressão de lubrificantes/graxas entre as superfícies 
de contato e perturba as camadas protetoras. Além disso, uma quantidade insuficiente de lubrificante leva ao desgaste e cria uma depressão nas 
pistas do rolamento. Além disso, o teor de umidade (desenvolvido devido à diferença de temperatura), chuva ácida, gás corrosivo e acidificação do 
lubrificante são outros fatores que levam à corrosão por contato.
De acordo com a experiência de campo, os rolamentos são os componentes mais críticos e danificados com mais frequência no sistema de transmissão de uma 
turbina eólica[41,47]. Tazi et ai.[48]estudou a Fault Tree Analysis (FTA) com todos os possíveis tipos de desgaste manifestados em rolamentos de turbinas eólicas. O 
FTA é uma das abordagens analíticas para rastrear os eventos que podem contribuir para um incidente ou outros eventos que causam prejuízo. Este método detecta 
a confiabilidade dos componentes[49,50]. Com base no FTA, os autores revelaram que o desgaste abrasivo, desgaste adesivo, desgaste corrosivo, desgaste erosivo, 
desgaste por atrito, brinell falso, micropitting e fadiga superficial são os modos de desgaste mais proeminentes existentes em rolamentos de turbinas eólicas. E a 
propagação do desgaste e das vibrações estruturais afetam muito a vida útil do rolamento.
4. Causas de falha dos rolamentos da caixa de engrenagens e tendências de pesquisa atuais
A caixa de engrenagens da turbina eólica opera em condições ambientais adversas e transporta grandes quantidades de torque, e suas condições de trabalho 
são diferentes das outras caixas de engrenagens industriais; portanto, a caixa de engrenagens da turbina eólica precisa ser enorme em tamanho. Componentes 
pesados da caixa de engrenagens podem produzir desalinhamento da engrenagem e rolamentos. Quaisquer tipos de falhas na caixa de engrenagens são as avarias 
mais problemáticas em uma turbina eólica devido aos altos custos de substituição e manutenção envolvidos. Um custo de substituição ($ 250.000-$ 650.000) da caixa 
de engrenagens representa aproximadamente 10% do custo total da turbina eólica[51], e geralmente leva cerca de uma semana para a substituição da caixa de 
câmbio. A caixa de engrenagens é uma unidade crítica para turbinas eólicas offshore. De acordo com os padrões IEC 61400–4, a caixa de engrenagens é projetada de 
forma que pode funcionar por até 20 anos sem nenhuma falha, mas começa a falhar em sete anos [52,53]. Cerca de dois terços das caixas de engrenagens das 
turbinas eólicas falham devido à falha dos rolamentos[54]. Os rolamentos da caixa de engrenagens da turbina eólica falham principalmente em três locais: 
rolamentos de alta velocidade (transportam cargas mais baixas), rolamentos planetários (transportam cargas mais altas) e eixo intermediário
7
A. Dhanola e HC Garg Análise de falha de engenharia 118 (2020) 104885
Causas de falha
Fatores que afetam a confiabilidade Fadiga de contato
(descamação)
Contaminação Manchas
Modos de falhaBrinelling
Qualidade
Dano elétrico Perda de função
Velocidade do vento
trinca axial
Impróprio
lubrificação
Arranhão Barulho fora do normal
Acessibilidade para
manutenção Desgaste de contato
Deslizamento do anel de rolamento
Corrosivo
ambiente
Corrosão por atrito
Vibração Alinhamento
Aceleração da torre
Fratura no sulco
Temperatura Sobre
aquecimento/convulsão
falta de calor
remoção
Figura 7.Inter-relação entre diferentes fatores que afetam a confiabilidade, causas de falha e modos de falha para rolamentos de caixa de engrenagens de turbinas eólicas offshore
[58].
rolamentos. alta velocidade Os rolamentos d sofrem mais taxas de falha do que outros devido à alta taxa de carga axial para radial e baixo contato
ângulo. Os rolamentos da caixa de engrenagens falham devido a várias causas, como lubrificação inadequada, vedação defeituosa, montagem incorreta e carregamento
e durante o desligamento da turbina eólica (quando o rotor não está girando), o desgaste por atrito pode se desenvolver devido ao pequeno 
t al.[28]observou alguns problemas em relação à confiabilidade das caixas de câmbio: (1) a maioria dos problemas ocorreu
genérico, não pelo fabricante da turbina (2) as teorias de projetos aceitas não são responsáveis pelas falhas na turbina eólica
das falhas de caixas de engrenagens não começam com falhas de engrenagens (4) as falhas de caixas de engrenagens são iniciadas com rolamentos. 
realizou uma análise de confiabilidade de caixas de engrenagens de turbinas eólicas. O autor relatou que o desgaste por picadas e quebra de
dente da engrenagem raramente ocorrem, e desgaste e micropitting podem ser controlados através da lubrificação adequada. Em muitos casos, detritos de aço
reconhecido como a principal razão para os danos das engrenagens. Bhardwaj et ai.[58]estimou a análise de falha de uma caixa 
de engrenagens ne com base na literatura disponível. Eles identificaram os fatores que afetam a confiabilidade do arbox 
subsequente, como engrenagens, rolamentos e sistemas de lubrificação. Além disso, eles também resumiram uma inter-relação
entre fatores que afetam a confiabilidade, causas de falha e modo de falha para cada subconjunto. A inter-relação para os rolamentos da caixa de engrenagens é
condições[55,56],
vibrações. musical e
caixas de engrenagens (3) mais
Mcvittie[57]conduzir
os rolamentos foram reaproveitados 
turbi eólico offshore
subconjuntos de ge
mostrado emFig. 7.
anexando e de
caixas de velocidades, respetivas
Desconectar o gerador da rede elétrica pode levar a rápidas acelerações e desacelerações carregando rapidamente. 
Consequentemente, a energia potencial emerge e gera reversões de torque transientes e carrega um impacto maior
carga, o que é suficiente para falhar nas pistas dos rolamentos da caixa de engrenagens[59,60]. Geralmente, existem dois tipos de zonas de carga sob as quais o rolo
rform, a saber: carregado e descarregado. Em uma zona carregada, os rolos são ajustados regularmente e carregam alta tração 
da zona descarregada, as coisas são opostas à zona carregada. A zona carregada é influenciada pela ação de rápidas inversões 
de torque rom, o que causa a distribuição de altas tensões de contato sobre os rolos desalinhados ou deslizantes.
As inversões de torque podem produzir milhares de vezes/ano. Para evitar tais problemas, está sendo utilizado limitador de torque, que proporciona estabilidade
alguma medida. O limitador de torque retromontável é outra opção eficiente que a anterior porque
tem uma configuração diferente para frente e para trás[61].
rolamentos de elemento pe
forças enquanto no caso
carregamento no eixo f
contra o torque para
8
A. Dhanola e HC Garg Análise de falha de engenharia 118 (2020) 104885
Fatores operacionais
Insuficiente
lubrificação
Contaminação Alto/transitório
carregar
Alto cíclico
contar
Modos de sub-falha
Corrosão Amassados/corrosivos Brinelling/falso
brinell
Micropitting Rachaduras (sub-
rachadura)
Superfície
iniciado
Subsuperfície
iniciado
ESPALHAMENTO
Alta fricção/
temperatura
Vibração Convulsão
Figura 8.Processo de falha de rolamento por fadiga de contato rolante[69].
O novo padrão da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) agora exige que as caixas de engrenagens das turbinas eólicas sejam confiáveis e tenham uma 
vida útil de projeto igual à da turbina. A IEC está desenvolvendo um padrão para o requisito mínimode óleo na caixa de engrenagens de turbinas eólicas. Além disso, 
esta norma aborda todos os aspectos do projeto de caixas de engrenagens de turbinas eólicas em termos de lubrificação de óleo, filtragem, instalação, 
monitoramento de condição, manutenção, operação e serviço, rolamentos e engrenagens. A abordagem atual do projeto da caixa de engrenagens da turbina eólica 
é baseada nas diretrizes dos padrões IEC 61400-4. 61400-4 é um dos padrões industriais mais usados. Para cálculos de classificação de rolamentos, a IEC 61400-4 
atende a várias necessidades de projeto novas e bem definidas. Uma parte substancial da seção de design da caixa de engrenagens das atenções dos padrões sobre 
o design e a confiabilidade do rolamento. A norma informa que a qualidade do aço para rolamentos deve atender aos requisitos da ISO 683 em termos de 
composição química, limpeza do aço, processo de fabricação do aço, tratamento térmico e microestrutura. Além disso, a norma especifica que a probabilidade de 
falha permitida para cada rolamento não deve ser maioreu10sob condições de carregamento[53].
A fadiga de contato de rolamento representa a trinca iniciada na superfície ou subsuperfície do material devido às tensões repetitivas de contato de rolamento 
cíclico no componente. De acordo com a BS ISO 281:2007, a fadiga do contato rolante é responsável pela falha dos rolamentos[62], e os rolamentos são detectados 
como falhas devido a áreas de ataque branco, rachaduras axiais e corrosão superficial. Muitos pesquisadores estudaram esses modos de falha[63-68]. O processo de 
iniciação da falha da caixa de engrenagens através da fadiga do contato rolante é mostrado naFigura 8 [69]. Principalmente, áreas de ataque branco (WEAs) são o 
fator mais responsável pela falha prematura dos rolamentos da caixa de engrenagens[70-72]. Muitos estudos propuseram que a difusão de hidrogênio do 
lubrificante em materiais de rolamento pode ser a fonte de WECs, e a contaminação adicional da água existente impulsiona esse processo[73-76]. Considerando que, 
estudos experimentais investigaram que os domínios de deslizamento negativo são mais responsáveis do que os domínios de deslizamento positivo para 
desenvolver o WEAssob regime de lubrificação limite[77-79]. Evans[80]discutiu a falha nos rolamentos da caixa de engrenagens pela WEAs, mas alguns dos detalhes 
sobre WEAsainda não estavam claros. Janakiraman et ai.[81]e Luyckx[82] investigaram que a trinca axial ocorre no mancal da caixa de engrenagens devido à tensão 
circular, que produz um momento fletor nos mancais. Além disso, a corrosão superficial ocorre durante a fadiga de contato de rolamento com uma profundidade 
rasa de 20 μm, e micropites podem ser desenvolvidos devido à tensão de cisalhamento[83]. WECsestão associados à WEAsmas por falta de conhecimento sobre suas 
origens, eles fazem uma tarefa desafiadora para evitar que os rolamentos da caixa de engrenagens deles[84]. Greco et ai.[85]investigou a falha de contato de quatro 
segmentos de rolamento diferentes, que foram coletados aleatoriamente de turbinas eólicas de grande porte. A caracterização da superfície dos segmentos foi feita 
usando microscopia eletrônica de varredura (SEM), e várias teorias foram desenvolvidas no contexto da causação do WEAs. Os resultados gerais revelaram que 
apenas 18.000 horas de operação, três dos quatro rolamentos apresentaram rachaduras na superfície da pista. A análise metalúrgica mostrou que o WEAs
estavam presentes dentro de 1 mm da área de rolamento, e a dureza foi aumentada em 45% em relação ao resto da matriz. Fractrografia
9
A. Dhanola e HC Garg Análise de falha de engenharia 118 (2020) 104885
resultados revelaram que o WEAsexistiam nas fissuras axiais. Gould e Greco[78,86]realizou uma série de testes em bancada e constatou que as altas 
tensões de contato estavam associadas ao deslizamento dos corpos rolantes, responsáveis pelo WECs. Gould et ai.[87]tentou descobrir WEAse a 
localização do WECsiniciação em rolamentos com falha da turbina eólica testando tomografia de raios X de alta energia. Eles observaram que essas 
rachaduras foram encontradas em torno de inclusões nos rolamentos. Ooi et al.[88]examinou a influência do hidrogênio e da pressão de contato em 
rolamentos com WEAs. As microestruturas dos rolamentos mostraram que a existência de hidrogênio e alta pressão de contato levam a falhas precoces 
nos rolamentos da caixa de engrenagens. Paladugu et ai.[89]investigou o papel dos lubrificantes com e sem aditivos no desenvolvimento do WEAsem 
rolamentos axiais de rolos cilíndricos. Os resultados revelaram que a vida útil do rolamento lubrificado com aditivo foi inferior a 5% em comparação ao 
óleo lubrificante sem aditivo, e a morfologia das superfícies de contato do rolamento indicou que as trincas foram mais profundas usando aditivos no 
lubrificante. Sreeraj e Ramkumar[90]estabeleceu uma técnica para controlar a formação de WEAsem um curto espaço de tempo. Um tribômetro de pino 
sobre disco de carga dinâmica personalizado ao longo da metodologia de lubrificação por hidrogenação em tempo real também foi usado para conduzir 
os experimentos em aços de rolamento. Al-Tameemi et al.[91] identificou várias inclusões responsáveis pelo início do dano por microfissuras e analisou 
seu efeito no rolamento planetário defeituoso da caixa de engrenagens. Os resultados apresentados mostraram que, na maioria dos casos, a inclusão de 
borboletas foi observada entre WEAs
e ponta de inclusão, e também o comprimento das inclusões foi diretamente proporcional ao comprimento das borboletas. A superfície projetada dos rolos com 
revestimento WC/aC:H (carbono tipo diamante reforçado com carboneto de tungstênio) pode reduzir o efeito das tensões de cisalhamento e eliminar o papel dessas 
tensões que desempenham um papel significativo na formação de WEAse descamação quebradiça. No entanto, esses modos de falha não expressam o motivo da 
vida útil reduzida. Portanto, confirma-se que existem outras causas responsáveis pela falha dos rolamentos da caixa de engrenagens.[92,93]. Greco et ai.[94]
estudou o tratamento de superfície de engrenagens com boro eletroquímico misturado com aditivos lubrificantes nanocoloidal à base de boro. O desempenho foi 
avaliado em condições de deslizamento e fricção, e comparado com engrenagens tratadas com cementação tradicional. Os resultados revelaram que o boro 
eletroquímico proporcionou maior dureza na faixa de 1500–2200 HV (dureza Vickers) sobre a superfície do aço 9310 para engrenagens. Os aditivos de nitreto de boro 
nanocoloidal forneceram um tribofilme protetor para resistir ao desgaste. Eles descobriram que as engrenagens tratadas com superfície de boro eletroquímico eram 
menos afetadas pelo desgaste do que as engrenagens tratadas com cementação tradicional. Shankar et ai.[95]investigou a análise de falha dos rolamentos da caixa 
de engrenagens. Os resultados confirmaram que o rolamento falhou devido à alta fadiga cíclica, pico contínuo de geração de energia durante fortes rajadas de vento 
e presença de óxido de alumínio, óxidos de cálcio e óxidos de silício no óleo da caixa de engrenagens. Os autores também revelaram, analisando imagens 
metalográficas, que a origem da falha no rolamento não dependia do material e do processo de tratamento térmico. Igba et al.[96]investigou uma abordagem para 
melhorar os custos operacionais e de desempenho da turbina eólica. A manutenção preventiva foi implementada usando o módulo de alta velocidade de dados de 
falha de campo na caixa de engrenagens da turbina eólica Vestas de 2 MW e validada com a abordagem investigada. A análise revelou que o comportamento do 
módulo de alta velocidade ajuda no planejamento da operação e manutenção com bastante antecedência e reduz o requisito logístico para o reparo ou manutenção, 
reduzindo assim o tempo de inatividade e os custos. Calderon et ai.[97]examinou a influência de diferentes configurações de rolamento planetário (rolamento de 
rolos cilíndricos e rolamentode rolos cônicos) na caixa de engrenagens da turbina eólica para uma verificação de confiabilidade. A ferramenta de simulação de 
transmissão eletromecânica foi implementada em um modelo de rolamento apresentado por
[98]. Eles revelaram que não havia diversidade entre os dois modelos no contexto da confiabilidade. Ainda assim, o rolamento de rolos cônicos teve mais danos do 
que o rolamento de rolos cilíndricos devido ao maior valor de rigidez no modelo. Guo e Keller[99]estudou o funcionamento do rolamento do eixo de alta velocidade 
da caixa de engrenagens em diferentes condições de operação (frenagem e perda de grade). Os resultados mostraram que o torque da caixa de engrenagens foi 
aumentado em 70% durante a condição de frenagem, o que produziu altas tensões no rolamento. Em contraste, os resultados encontraram o oposto do evento de 
frenagem durante a perda de grade. Calderon et ai.[100]investigou o impacto de eventos extremos, como passagem de baixa tensão, parada de emergência e 
parada normal em rolamentos planetários de uma caixa de engrenagens de turbina eólica de 5 MW. Os resultados revelaram que o freio de emergência teve o maior 
impacto nos rolamentos para todas as velocidades do vento do que outros casos.
De acordo com as teorias disponíveis sobre a formação de WEAs, WECs, e descamação de estrutura branca (WEF) pode ser concluído brevemente em Fig. 9.
Gong et ai.[101]estudou a análise de falha (devido ao desgaste anormal) dos anéis internos de rolos desgastados e rolos cilíndricos de vento
Fatores de influência: Material, 
ambiente de carregamento e outros 
(Montagem, transporte etc.
(a) (b) (c)
Figura 9.De acordo com as teorias disponíveis na literatura, (a) alguns fatores externos alteram a microestrutura em WEAs, (b) origem de (c) 
descamação da estrutura branca (WSF) causada pela propagação da trinca atinge a pista do rolamento.
WECsatravés da WEAs,
10
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Figura 10.(a) desgaste das superfícies do rolamento de rolos com falha, (b) rolos cilíndricos[101].
rolamentos da caixa de engrenagens da turbina fornecidos no local (consulteFig. 10). Uma investigação foi feita em materiais de base, mídia de 
processo, morfologias de superfície e condições de ambientes de serviço e tentou descobrir a causa raiz do desgaste anormal. Os resultados revelaram 
que os materiais de base e os lubrificantes não foram responsáveis pelo desgaste. A causa raiz do desgaste anormal foi o desgaste abrasivo de três 
corpos, alguns dos detritos metálicos agem como três corpos (quebrados da engrenagem), que se entretêm entre as pistas e o rolo, conforme mostrado 
naFig. 11. Por fim, os autores também identificaram que a menor dureza do material do anel interno foi outro fator responsável por gerar esse 
problema. Wasilczuk et ai.[102]estudou a análise de falha anterior de rolamentos de alta velocidade da caixa de engrenagens de turbinas eólicas de 1,5 
MW com base no mecanismo de falha potencial e também propôs algumas soluções para eles. Seu estudo revelou que a aderência devido ao 
deslizamento dos rolos sobre a pista pode ser a razão potencial para a falha prematura dos rolamentos de alta velocidade. Além disso, os autores 
sugeriram, com base na literatura disponível, que o rolamento de rolos cônicos pré-carregado pode superar esse problema. Garabedian et ai.[103]
estudaram as contribuições de carga e descarga com um entalhe para falhar os rolamentos da caixa de engrenagens prematuramente e observaram 
que ambas as condições de carga desempenham um papel significativo na falha do rolamento planetário. Além disso, com base nos resultados, os 
autores sugeriram alguns planos para prolongar a vida útil do rolamento. Manieri et ai.[104]estudou a origem de rachaduras de ataque branco com 
evidência experimental. Amostras de aço para rolamentos AISI 52100 foram testadas em um equipamento de teste de fadiga de contato rolante de disco 
triplo sob uma ampla gama de condições de contato. Seus resultados revelaram que a qualidade dos lubrificantes não foi responsável por gerar trincas 
brancas, e estas podem ser formadas sob condições de contato lubrificado e fricção seca. Kock et ai.[105]realizou um teste de robustez de rolamentos 
para caixas de engrenagens, como rolamentos planetários e de eixo rápido em situações reais. Eles sugeriram que o teste de robustez dos rolamentos 
pode ser feito em um estágio anterior para aumentar a vida útil do rolamento. Al-Tameemi e Long[106]examinou a caracterização da superfície de um 
mancal planetário revestido de óxido preto com falha de uma caixa de engrenagens de turbina eólica multi-Mega Watt e observou que o dano 
microestrutural era semelhante ao do mancal não revestido. Portanto, o revestimento de óxido preto não foi capaz de prevenir o dano microestrutural 
de micro trincas e trincas borboleta formadas por inclusão não metálica.
Geralmente, um rolamento composto de três componentes: os rolos, uma pista interna presa ao eixo e uma pista externa que é pressionada no furo da 
engrenagem. Froese[107]discutiram os recursos do projeto de rolamento integrado para a caixa de engrenagens da turbina eólica e o sugeriram como uma opção 
alternativa para rolamentos planetários de caixas de engrenagens cilíndricas e cônicas. A falha do rolamento de alta velocidade ocorre mais
Figura 11.Presença de detritos metálicos no rolamento de rolos[101].
11
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Tabela 3
Tabela de resumo para rolamentos de caixas de engrenagens.
Número de referência Autor(es), Ano Principais descobertas
[57] Mcvittie, 2006 A análise de confiabilidade da caixa de engrenagens da turbina eólica e também sugeriu que a lubrificação adequada pode controlar o 
micropitting.
Afirmou alguns problemas em relação à confiabilidade da caixa de engrenagens, como falha da caixa de engrenagens iniciada por falha de rolamentos e 
não de engrenagens.
Os aditivos lubrificantes à base de boro nanocoloidal forneceram melhor tribo-filme para resistir ao desgaste e protegeram as engrenagens e os 
rolamentos da caixa de engrenagens contra o desgaste.
Razões identificadas para falhas nos rolamentos da caixa de engrenagens, como alta fadiga cíclica, geração contínua de pico de energia 
durante fortes rajadas de vento e presença de óxido de alumínio, óxidos de cálcio e óxidos de silício no óleo da caixa de engrenagens.
A tensão circular é responsável pela fissuração axial.
Dureza aumentada em 45% em relação ao resto da matriz em torno do WEAs.
Módulo de alta velocidade desenvolvido que ajudou no planejamento operacional e de manutenção com bastante 
antecedência. O rolamento de rolos cônicos ganha mais danos do que o rolamento de rolos cilíndricos devido ao maior valor 
de rigidez. Pitting superficial desenvolvido durante fadiga de contato rolante com profundidade rasa de 20 μm.
A alta tensão de contato associada ao deslizamento dos corpos rolantes foi responsável pelo WECs. WEA 
descobertose a localização do início do WEC. Falhas discutidas na caixa de engrenagens devido a WEAs.
A presença de hidrogênio e a alta pressão de contato levam a falhas precoces nos rolamentos da caixa de engrenagens.
Durante a condição de frenagem, o torque da caixa de engrenagens aumentou abruptamente em 70%, o que resulta em altas tensões no 
rolamento.
O freio de emergência tem o maior impacto nos rolamentos para todas as velocidades do 
vento. Materiais de base e lubrificantes não foram responsáveis pelo desgaste anormal. Efeito 
de aditivos lubrificantes no desenvolvimento de WEAs.
Desenvolveu uma abordagem para controlar a formação de WEAsem um período de tempo muito curto. 
Inclusão de borboleta foi observada entre WEAse ponta de inclusão.
O desempenho do rolamento de rolos cônicos pré-carregado foi considerado bom para superar a falha dos rolamentos. Influência do 
carregamento e descarregamento na falha do rolamento.
Qualidade dos lubrificantes não é fator responsável pela formaçãode WECs. 
Sugerido para teste de robustez de rolamentos
Nenhum efeito significativo do revestimento de óxido preto para evitar danos microestruturais 
Discutido sobre os recursos do projeto de rolamento integrado.
Identificou os fatores que afetam a confiabilidade de rolamentos, engrenagens e sistema de lubrificação.
[28] Musial e outros, 2007
[94] Greco e outros, 2011
[95] Shankar e outros, 2012
[82]
[85]
[96]
[97]
[81]
[7886]
[87]
[80]
[88]
[99]
Luyckx, 2012
Greco et al., 2013 Igba et al., 
2014 Calderon et al., 2015 
Janakiraman et al., 2015 
Gould e Greco, 2015, 2016 
Gould et al., 2016
Evans, 2016
Ooi et al., 2017 Guo e 
Keller, 2017
[100]
[101]
[89]
[90]
[91]
[102]
[103]
[104]
[105]
[106]
[107]
[58]
Calderon et al., 2017 
Gong et al. 2017
Paladugu et al., 2018 Sreeraj 
e Ramkumar, 2018 Al-
Tameemi et al., 2018 
Wasilczuk et al., 2018
Garabedian et al., 2018 
Manieri et al., 2018
Kock et al., 2018
Al-Tameemi e Long, 2019 
Froese, 2018
Bhardwaj et al., 2019
frequentemente, e a falha dos rolamentos planetários e de baixa velocidade é mais dispendiosa. Normalmente, é necessário um guindaste no local e, 
potencialmente, uma reconstrução completa da caixa de engrenagens. Para resolver o problema, a indústria eólica está trabalhando para mitigar falhas e evitar 
serviços de reparo caros. Portanto, as empresas de rolamentos se concentram em rolamentos integrados nos quais o eixo é considerado como uma pista interna e o 
furo da caixa de engrenagens como uma pista externa. Além disso, os principais benefícios desse rolamento são: redução do número total de componentes da caixa 
de engrenagens da turbina eólica, melhoria da repetibilidade, redução das dispersões geométricas e dimensionais e controle do impacto térmico no torque de atrito. 
A análise de rolamentos baseada no método de elementos finitos também desempenha um papel essencial nos propósitos de projeto de rolamentos, como 
modelagem de contatos de rolos e pistas e pressão de deformação dentro dos rolamentos. Grujicic et ai.[108]desenvolveu uma estrutura computacional multifísica 
para avaliar o motivo da falha prematura dos rolamentos da caixa de engrenagens e prever a vida útil do rolamento usando modelagem de análise de elementos 
finitos. A análise foi feita levando-se em consideração o espalhamento e ramificação intergranular da trinca superficial assistida por fragilização por hidrogênio e 
efeitos de corrosão. Em seu trabalho extenso, os autores examinaram o papel das rachaduras de corrosão branca para falhar prematuramente no rolamento da 
caixa de engrenagens usando a mesma metodologia computacional. Os resultados obtidos mostraram que a inclusão de trincas brancas e fragmentos de tamanho 
maior podem levar à falha do rolamento[109]. Jiang et ai.[110]realizou um estudo de fadiga de longo prazo do rolamento da caixa de engrenagens (ou seja, 
rolamento do elemento rolante). Para avaliar a distribuição interna da carga do mancal, um modelo avançado de mecânica finita/de contato foi adotado. Os 
resultados indicaram que a distribuição da velocidade do vento afeta notavelmente as cargas do rolamento e a vida em fadiga de contato. Al-Tameemi e Long[111]
estudou os fatores que influenciam a geração de danos no subsolo a partir de inclusões não metálicas usando uma abordagem baseada em elementos finitos. O 
modelo foi desenvolvido com base nas dimensões do mancal planetário do aerogerador NREL 750 KW. Os resultados gerais mostraram que a direção da tração da 
superfície e o carregamento ou descarregamento tiveram um efeito adverso na concentração de tensões.
Os estudos realizados pelos pesquisadores sobre rolamentos de caixas de câmbio estão resumidos emTabela 3.
5. Causas de falha do sistema de lubrificação e tendências de pesquisa atuais
Para manter o desempenho ideal dos componentes da turbina eólica sob condições extremas de carga e ambiente, o fornecimento de óleos e 
graxas deve ser contínuo. Além disso, eles devem atender a padrões mais elevados em comparação com outros lubrificantes usados em diferentes 
indústrias. Normalmente, os rolamentos dos sistemas de guinada, passo e eixo principal são lubrificados com graxa enquanto a caixa de engrenagens é 
lubrificada com óleos. Um único lubrificante é usado em toda a caixa de engrenagens e a espessura do lubrificante varia de um local para outro. Além 
disso, manter o desempenho dos óleos por um longo período sob as duras condições de operação também é uma tarefa desafiadora. Por exemplo, as 
turbinas eólicas terrestres apresentam problemas de poeira. Em contraste, as turbinas eólicas offshore e nearshore
12
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Fatores que afetam a confiabilidade
Frequência de
manutenção
Causas de falha
Falha do filtro de óleo
Corrosivo
ambiente
Óleo ruim/alterado
qualidadeContaminação
Modos de falha
Qualidade Destroços
Perda de lubrificação
Temperatura falta de calor
remoção
Impróprio
lubrificação
óleo inadequado
Acessibilidade de
manutenção
Perda da bomba
Figura 12.Inter-relação entre diferentes fatores que afetam a confiabilidade, causas de falha e modos de falha para um sistema de lubrificação de caixa de engrenagens de turbina 
eólica offshore[58].
experimentam problemas de alta umidade, o que resulta na degradação da qualidade e eficiência do lubrificante também. Portanto, os pesquisadores e as empresas 
de fabricação de lubrificantes estão levando isso muito a sério e tentando melhorar as tecnologias de lubrificantes, para que a confiabilidade dos componentes possa 
ser mantida por muito tempo. O óleo lubrificante da caixa de engrenagens é degradado devido à corrosão, água e contaminantes de detritos, que afetam ainda mais 
o desempenho da caixa de engrenagens, bem como da turbina eólica[112]. Uma inter-relação entre fatores que afetam a confiabilidade, causas de falha e modo de 
falha para o sistema de lubrificação de uma caixa de engrenagens de turbina eólica offshore é mostrada em Fig. 12 [58]. Na maioria das vezes, a falha das 
engrenagens não leva à falha das caixas de câmbio; frequentemente, começa com a erosão dos rolamentos que expelem detritos para os dentes da engrenagem. Em 
caixas de engrenagens pesadas, há chances de entrada de detritos no lubrificante. Os detritos podem entrar nas caixas de engrenagens durante a fabricação ou 
durante a manutenção descuidada.
Detritos de partículas duras em óleos lubrificantes podem danificar as superfícies de contato das engrenagens e rolamentos. Esse problema também contribui 
para que ocorra a falha prematura das caixas de câmbio. Alguns dos autores estudaram o efeito da contaminação por partículas em superfícies de contato. Eles 
descobriram que as superfícies têm amassados de detritos duros, que levam a micropitting nos rolamentos e engrenagens da caixa de engrenagens.[113–115], e o 
início de trincas e lascamento por fadiga. Partículas contaminadas podem ser geradas durante a inicialização do ambiente ou internamente. O micropitting também é 
desenvolvido devido ao lubrificante contaminado com os detritos de ferro (conhecido como desgaste acelerado). Errichello e Muller[116]sugeriram o uso de um filtro 
de 3 μm para filtração durante o preenchimento inicial, e também indicaram que o novo óleo deveria
atender ao padrão ISO.
A água é outro c 
problemas devido à água
ulprit para promover o desgaste em componentes da caixa de engrenagens de turbinas eólicas off e nearshore[117–119]. Típica
contaminação são tabulados emTabela 4 [120]. O American National Standards Institute forneceu alguns
possíveis fatores responsáveis que levam à contaminação da água[121]. Os operadores observaram que a contaminação da água em
degrada a eficácia dos lubrificantes e também cria um obstáculo para o desenvolvimento de um filme adequado paracaixa de velocidades significativamente
Tabela 4
Contaminação da água pr oblems em uma caixa de engrenagens de turbina eólica[120].
Problema Descrição
Corrosão
Descarte de aditivo
Correntes iônicas em solução aquosa;corrosão; vazamento, quebra
Esgotamento de aditivos hidrofílicos polares, quebrando também suspensões coloidais de partículas aditivas; perda de aditivos, incrustação de 
peças
Colonização de óleos por bactérias e ou/ fungos; ácidos, lamas incrustantes; questão de saúde
Decomposição de fluidos e aditivos à base de ésteres; perda das propriedades do óleo, ácido e, às vezes, formação de gel Especialmente se houver resíduos de 
desgaste de metal, a taxa de oxidação do óleo aumenta em duas ordens de grandeza; tique-taque do óleo, acidez A água se dissocia em O2e H2nas pontas das 
trincas em propagação. H2atenua e enfraquece o aço por fragilização por hidrogênio; as rachaduras se espalham mais rapidamente, reduzindo a vida útil dos 
elementos rolantes, resultando em poços e crateras na superfície
crescimento microbiano
Hidrólise
Oxidação acelerada do óleo
Lascamento por fadiga iniciado na superfície
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A. Dhanola e HC Garg Análise de falha de engenharia 118 (2020) 104885
contato de lubrificação elasto-hidro. Além disso, também leva à corrosão da parte interna ou reage com aditivos lubrificantes para perder o desempenho 
do lubrificante. Promove o desgaste por atrito entre os contatos de metal com metal sob condições de deslizamento e rolamento[122–124]. Este efeito 
pode ser minimizado garantindo que a área onde os componentes são fabricados esteja limpa e seca, e os componentes devem ser cobertos com o selo 
à prova d'água antes de instalá-los no local. No entanto, as turbinas eólicas ainda enfrentam esse problema devido às condições de operação do 
ambiente.[125]. Cantely[126]forneceu a equação para a vida em fadiga do rolamento devido à entrada de água lubrificante. É expresso como
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onde LF é um fator de vida devido à contaminação da água e X representa a quantidade de água no lubrificante (ppm). O autor também investigou o efeito de 
diferentes concentrações de água (25 ppm, 100 ppm e 400 ppm) no óleo SAE 20 na resistência à fadiga do rolamento de rolos cônicos. Os resultados revelaram que a 
capacidade de absorção de água é altamente dependente da composição química dos óleos. Os lubrificantes sintéticos contêm mais água, enquanto os óleos 
minerais com aditivos absorvem mais água do que os óleos sem aditivos. Além disso, essas propriedades inerentes aos lubrificantes podem afetar a resistência à 
fadiga dos rolamentos. Needleman et ai.[127]tentou mitigar o problema de contaminação da água usando uma manta de ar no reservatório de lubrificante e sugeriu 
filtros secadores regenerativos para remover o ar úmido. Este secador pode reduzir o nível da água de 400 a 500 ppm para 175 ppm. Soltanahmadi et ai.[128]
investigou as consequências tribocorrosivas e as umidades relativas de diferentes concentrações de água misturadas com diferentes lubrificantes formulados em 
diferentes condições de temperatura. Além disso, o micropitting e o desgaste abrasivo foram examinados sob contatos de rolamento ou deslizamento. Os resultados 
revelaram que o micropitting e o desgaste abrasivo aumentaram com o aumento da concentração de água no lubrificante e a espessura do triboflim de zincodialquil-
ditiofosfato (ZDDP) diminuiu com o aumento da concentração de água. Mia et ai.[129]investigou o comportamento em baixa temperatura, propriedades a granel, 
coeficiente de fricção e comportamento ao desgaste de várias amostras de polialfaolefina sintética (PAO) e óleos minerais (MINR). Os resultados concluíram que os 
óleos PAO apresentaram resultados benéficos no contexto de desgaste, coeficiente de atrito e alto índice de viscosidade, o que é essencial para engrenagens e 
rolamentos de caixas de engrenagens de turbinas eólicas. Torresmos[130] investigou e comparou propriedades essenciais (como coeficiente de pressão-viscosidade 
e valores de tração) de lubrificante para turbinas eólicas à base de PAO e dois lubrificantes à base de polialquileno glicóis (PAGD). Os resultados indicaram que ambos 
os lubrificantes à base de PAGD apresentaram menores valores de coeficiente de pressão-viscosidade e tração, e também, a espessura do filme elastohidrodinâmico 
foi 25% mais espesso do que o lubrificante à base de PAO. Fernandes e cols.[131]caracterizou o desempenho tribológico de cinco óleos diferentes para engrenagens 
de turbinas eólicas: à base de éster (ESTF e ESTR), (MINR), PAGD e PAOR em um rolamento axial de rolos cilíndricos contra uma carga axial e diferentes velocidades de 
150 rpm a 1500 rpm. Concluiu-se que o mancal axial lubrificado com óleo mineral apresentou maior torque de atrito enquanto o óleo ESTF apresentou menor torque 
de atrito. Além disso, o óleo mineral apresentou um alto coeficiente de deslizamento de atrito do que os outros lubrificantes, geralmente a 500 rpm e acima. Os 
autores[132]caracterizou ainda mais o desempenho tribológico dos mesmos cinco óleos de engrenagem de turbina eólica (ESTF, ESTR, MINR, PAGD e PAOR) em um 
rolamento axial de esferas contra uma carga axial e diferentes velocidades (150 rpm a 1500 rpm). Eles concluíram que o torque de atrito diminuiu com o aumento da 
velocidade (acima de 500 rpm) devido ao aumento da temperatura, para os casos de ESTF, ESTR, PAGD e PAOR. Além disso, os rolamentos axiais de esferas estavam 
trabalhando em um regime de lubrificação de filme misto e nenhum óleo foi considerado o melhor em alta velocidade. Em seu extenso trabalho de pesquisa, os 
autores[133]investigaram as propriedades físicas de seis óleos de engrenagens de turbinas eólicas (MINR, ESTR, PAOR, ESTF, MINE e PAGD) em rolamentos axiais de 
esferas a temperatura constante (80 °C) sob velocidades de 75 rpm e 1200 rpm e cargas de 700 N e 7000 N. Os resultados revelaram que a espessura do filme de 
fluido lubrificante e o torque de atrito aumentaram com o aumento da velocidade e carga para todos os casos. MINR gerou o maior torque de fricção em velocidades 
mais baixas, enquanto o óleo PAGD mostrou em velocidades mais altas. Mais adiante, os autores[134]investigaram as propriedades físicas de seis óleos de 
engrenagens de turbinas eólicas [MINR, ESTR, PAOR, ESTF, MINE (mineral + PAMA) e PAGD] em mancais axiais cilíndricos a temperatura constante (80 °C) nas 
velocidades de 75 rpm e 1200 rpm e cargas de 700 N e 7000 N. Verificou-se que o torque de atrito e o coeficiente de atrito na carga 7000 N diminuíram com o 
aumento da velocidade enquanto essas tendências não foram encontradas na carga 700. Gonçalves et al.[135]investigou as propriedades físicas e as perdas de 
torque de quatro diferentes óleos de engrenagem ISO VG 320 totalmente formulados para turbinas eólicas (MINR, PAO, ESTR e PAG) em diferentes condições 
operacionais (temperatura, velocidade e torque) em uma caixa de engrenagens multiplicadora de dois estágios. Os resultados mostraram que o óleo de engrenagem 
à base de PAG teve a maior perda de potência entre todos os outros óleos, enquanto o óleo de base mineral teve o pior desempenho nas condições de teste. 
Excelente estabilidade de temperatura foi encontrada para óleo à base de éster e à base de PAO em uma faixa de temperatura mais alta. Martins e cols.[136]
investigou a natureza de cinco óleos de engrenagens de turbinas eólicas totalmente formulados [MINR, ESTR, PAOR, MINE (mineral + PAMA), PAGD]. O desempenho 
do óleo foi avaliado por meio de testes de rolamentos e engrenagens. Os resultados mostraram que o comportamento relativo dos lubrificantes muda de acordo 
com o tipo de contato (não significa que o melhor lubrificante para rolamento também será o melhor para engrenagens). O óleo MINR teve a maior perda de torque 
em alta carga e baixa velocidade para rolamentos e todas as engrenagens. O óleo PAGD teve a maior viscosidade em alta temperatura operacional, carga e baixa 
velocidade. Fernandes e cols.[137]investigou o comportamento tribológico de óleos formulados para engrenagens de turbinas eólicas com e sem aditivos de [BMP] 
[NTf2] líquidos iônicos usando equipamento de teste de rolamento. Para as perdas de torque, o banco de ensaio de engrenagensFZG foi utilizado em diferentes 
condições. Os resultados concluíram que menores perdas de potência, menor torque e maior eficiência da caixa de engrenagens foram observados para óleos de 
engrenagens com aditivos. Monge et ai.[138]examinou o comportamento de desgaste e fricção de dois óleos de engrenagens totalmente formulados: polialfaolefina 
e à base de minerais com aditivos [Colina] [NTf2] e [BMP] [NTf2], respectivamente na concentração de 5%. Os resultados mostraram que os aditivos iônicos foram 
bons modificadores de atrito, mas o óleo com [BMP] [NTf2] teve boa capacidade de redução de desgaste do que o óleo com [colina] [NTf2]. Haque et ai.[139]investigou 
o desempenho de dois óleos formulados diferentes misturados com aditivos metálicos e aditivos não metálicos usando um equipamento de teste de rolamento axial. 
O resultado confirmou que o óleo contendo aditivos metálicos leva a um alto atrito e fornece tribofilme insuficiente, o que pode criar chances de WECs e entrada de 
água no lubrificante. Nutakor et ai.[140]estudou a caracterização do atrito de lubrificantes de caixas de engrenagens de turbinas eólicas, como polialfaolefina (PAO) e 
VG 320, usando rolos e discos. Com base nos resultados experimentais, os autores propuseram uma fórmula de regressão com o mínimo
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A. Dhanola e HC Garg Análise de falha de engenharia 118 (2020) 104885
Começo de
desgaste por micropitting
Avançado
desgaste por micropitting
Figura 13.Desgaste por micropitting no rolamento autocompensador de rolos da série 230/600 do eixo principal[9].
margem de desvio. As fórmulas regredidas previstas foram capazes de prever simulando valores de atrito de contato. Gould et ai.
[141]investigaram a influência da mistura de diferentes aditivos em óleos de referência ruim na formação de WECs usando 
diferentes tribômetros. Os resultados indicaram que o óleo contendo ZDDP sozinho produziu WECsmais cedo do que outros óleos 
formulados. Além disso, eles sugeriram que o teor de água no óleo não é o principal contribuinte para a formação de WECs.
Tabela 5descreve o resumo dos estudos de lubrificação avançada investigados pelos pesquisadores.
6. Causas de falha dos rolamentos do eixo principal e tendências de pesquisa atuais
O eixo principal de uma turbina eólica requer rolamentos confiáveis para uma operação suave. Geralmente, os rolamentos do eixo principal falham muito antes 
de sua vida operacional esperada, o que resulta em altos custos de manutenção e reparo. O projeto do rolamento deve ser atualizado e incorporado para maximizar 
a confiabilidade e a estabilidade do eixo principal. Os rolamentos autocompensadores de rolos são comumente usados como rolamentos do eixo principal para 
suportar a carga do eixo principal e evitar que a caixa de engrenagens sofra cargas axiais e radiais, de modo que essas forças não sejam transmitidas para a caixa de 
engrenagens e afetem seu desempenho. Esses rolamentos também mantêm o alinhamento entre o eixo e a bucha do mancal sob condições operacionais adversas. 
Infelizmente, a experiência de campo mostrou que os rolamentos encontram problemas de desgaste muito antes da vida útil esperada. Esses problemas de desgaste 
não apenas levam ao desligamento do sistema, mas também afetam a confiabilidade da turbina eólica e levam a perdas na produção de energia. A substituição dos 
rolamentos do eixo principal pode custar até $ 450.000. O desgaste do rolamento autocompensador de rolos simples do eixo principal afeta a vida útil e é causado 
principalmente por micropitting, não por fadiga clássica de contato rolante[9]. Micropitting causado principalmente pelo deslizamento ou derrapagem dos rolos 
sobre a pista durante a operação instável. Devido a que altas tensões se desenvolvem em parte. Além disso, ocorre uma interação direta das asperezas dos rolos e da 
pista devido a uma quantidade inadequada de lubrificante[142–145]. A ocorrência de desgaste devido a essa interação é conhecida como micropitting de baixo ciclo. 
Uma fotografia física do desgaste por micropitting no rolamento autocompensador de rolos da série 230/600 do eixo principal é mostrada emFig. 13 [9]. Uma 
empresa líder em rolamentos (TIMKEN) estudou o desgaste por micropitting de baixo ciclo experimentando rolamentos autocompensadores de rolos do eixo 
principal da série 230/600. Os resultados mostraram que a carga completa foi suportada por uma linha a favor do vento, enquanto a linha a montante foi 
descarregada. Essa carga desigual e a distribuição de tensão na pista interna afetaram a linha contra o vento e o arco completo de 360° carregado dos rolos, o que 
levou a micropitting
[146]. Os rolamentos autocompensadores de rolos também enfrentam deslizamento de revestimento grosso, causado por restrições geométricas, mas não é 
necessário que todos os rolamentos autocompensadores de rolos apresentem micropitting. A baixa velocidade do eixo principal (25–35 rpm) também pode levar ao 
micropitting porque não é capaz de gerar filme lubrificante significativo para separar as asperezas de contato entre os rolos e as pistas[9]. Algumas das indústrias 
estão tentando melhorar as estratégias de projeto e manutenção de rolamentos autocompensadores de rolos problemáticos do eixo principal. Por exemplo, 
rolamentos autocompensadores de rolos da série 240/600 estão sendo usados em vez da série 230/600 em uma turbina eólica típica de 1,5–2 MW. Eles têm rolos 
mais longos e podem espalhar a carga na pista e ter uma boa resistência à fadiga. No entanto, conforme discutido acima, a vida útil do rolamento é afetada por 
micropitting em vez de fadiga. Os dados mostram que os rolamentos autocompensadores de rolos da série 240/600 são mais propensos a micropitting do que os da 
série 230/600 porque a série 240/600 tem rolos mais longos e maior deslizamento entre o rolo e a pista do que a série 230/600; portanto, a série 240/600 apresenta 
mais deslizamentos e tensões de cisalhamento do heatcoat que levam a micropitting.
Empresas e pesquisadores estão tentando superar esses problemas de desgaste melhorando o projeto do rolamento. Por exemplo, o deslizamento ou 
derrapagem dos rolos sobre as pistas pode ser controlado usando rolamentos de rolos cônicos de pré-carga em vez de rolamentos autocompensadores de rolos. 
Esses rolamentos têm excelentes características para melhorar o desempenho geral, a rigidez do sistema, a estabilidade, o compartilhamento de carga entre as 
fileiras e as interações previstas de rolo para corrida[147]. Algumas indústrias ainda estão usando rolamentos autocompensadores de rolos com tecnologia de 
superfície projetada na qual os rolos regulares são substituídos por rolos revestidos. Se o revestimento for suficiente, o rolamento autocompensador de rolos não 
sofrerá desgaste por micropitting. O revestimento também ajuda a reduzir as asperezas dos contatos[59]. O tratamento de superfície é uma tecnologia na qual as 
superfícies metálicas são tratadas quimicamente para melhorar o desempenho tribológico, a resistência à corrosão e a vida útil de uma superfície metálica
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A. Dhanola e HC Garg Análise de falha de engenharia 118 (2020) 104885
Figura 14.Imagens topográficas da superfície do rolamento após o teste (a) rolo não revestido em anéis não revestidos, (b) rolo revestido H-DLC em anéis não 
revestidos, (c) rolo não revestido em anéis H-DLC, (d) rolo revestido H-DLC em H -anéis DLC[158].
[148]. O rolamento do elemento rolante revestido com carbono amorfo funciona extremamente bem sem danificar precocemente as superfícies do 
rolamento do elemento rolante[149,150]. Rolamento revestido de óxido preto oferece proteção contra ataque químico, a passagem de hidrogênio e 
reduz o teor de umidade[151]. Outro revestimento de WC/ac: H provou a história do desempenho tribológico em sistemas mecânicos. Evans e outros.
[152]descreveu o mecanismo de deposição deste revestimento. Rolamentos de rolos revestidos WC/ac:H têm mais resistência à fadiga do que 
rolamentos de aço não revestidos. Também pode sofrer uma certa quantidade de danos contaminantes sem afetareu10vida útil do rolamento (eu10a vida 
é definida como a vida de 90% das esferas em um rolamento não pode falhar até que a vida nominal do rolamento seja atingida). Esses rolamentos 
também são altamente resistentes a arranhões e micropitting[153,154].