PROJETO MANCAIS DE DESLIZAMENTO PAULO E NETO

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ELEMENTOS DE MÁQUINAS II
PROJETO DE MANCAIS DE DESLIZAMENTO
JOSÉ RIBEIRO FARIAS NETO - 11111475
PAULO ROBERTO OLIVEIRA DE CARVALHO JUNIOR - 11011241
João Pessoa, 20 de novembro de 2015
JOSÉ RIBEIRO FARIAS NETO
PAULO ROBERTO OLIVEIRA DE CARVALHO JUNIOR
PROJETO DE MANCAIS DE DESLIZAMENTO
	
Trabalho referente a disciplina de Elementos de Máquinas II, da Universidade federal da Paraíba.
Professor Orientador: José Carlos Júnior
João Pessoa
2015
INTRODUÇÃO
	
	Este trabalho tem como objetivo a resolução da questão 5.25, com alguns parâmetros alterados, do livro de Elementos de Máquinas de Shigley – Projeto de Engenharia Mecânica – 8ª Edição.
	Neste projeto dimensionaremos o eixo e posteriormente os mancais de deslizamento, o qual é o foco deste presente trabalho.
DEFINIÇÃO DE MANCAIS DE DESLIZAMENTO
	A função do mancal de deslizamento é servir de apoio para eixos girantes. Estes mancais estão sujeitos às forças de atrito devido a rotação do eixo, ou seja, o atrito ocorre devido ao contato da superfície do eixo com o mancal.
	Os mancais são constituídos de uma bucha fixada em um suporte e são utilizados em máquinas pesadas e em equipamentos de baixa rotação, porque a baixa velocidade evita o superaquecimento dos equipamentos expostos ao atrito. São simples de montar e desmontar. 
	O projeto de fabricação deverá prever os modos para os trabalhos de manutenção, conservação, limpeza, lubrificação, alinhamento e reposição, mas no caso de possíveis danos faz-se importante considerar as principais funções dos mancais de deslizamento que são: apoiar e guiar os eixos.
Figura 1. Esquema de um Mancal de Deslizamento
	Como podemos ver na Figura 1, as partes que compõem um mancal são: 
Base;
Buchas; 
Furo de eixo;
Tampa; 
Copo de lubrificação. 
	Geralmente a base do mancal é de ferro fundido ou podendo também ser de aço, dependendo de muitos fatores envolvidos no projeto do mancal. Para a confecção da bucha utiliza-se diversos materiais, dos quais destacam-se em ordem de emprego: Metal Patente; Ligas binárias de cobre e chumbo; Bronze; Alumínio; Prata; Ferro; Grafite e; Plásticos. 
	Podemos observar que a vida útil dos mancais de deslizamento poderá ser prolongada se alguns parâmetros de construção forem observados: 
Os materiais de construção dos mancais de deslizamento deverão ser bem selecionados e apropriados a partir da concepção do projeto de fabricação. O projeto de fabricação deverá prever as facilidades para os trabalhos de manutenção e reposição, considerando as principais funções dos mancais de deslizamento que são apoiar e guiar os eixos. 
Sendo elementos de máquinas sujeitos às forças de atrito, os mancais de deslizamento deverão apresentar um sistema de lubrificação eficiente. Lembremos que as forças de atrito geram desgastes e calor e, no caso dos mancais de deslizamento, opõem-se, também, ao deslocamento dos eixos. 
É importante que o projeto de construção dos mancais de deslizamento contemple a facilidade de desmontagem e troca de equipamentos, bem como a compatibilidade entre o dimensionamento dos mancais com as cargas que os sujeitarão. 
Na construção de mancais de deslizamento, o projeto deverá levar em conta, além das funções próprias desses elementos, o meio ambiente no qual eles trabalharão. Normalmente, o ambiente no qual os mancais de deslizamento trabalham é cheio de poeira e outros resíduos ou impurezas.
DESCRIÇÃO DO PROJETO
	De acordo com a figura abaixo, podemos extrair os dados relevantes para a resolução do projeto.
Figura 2. Questão 5.25 – Livro Elementos de Máquinas de Shigley – 8ª Ed.
	Temos que as forças de engrenagem mostradas acima atuam em planos paralelos ao plano yz. Devemos considerar também os mancais O e B como apoios simples.
	Dados:
DIMENSIONAMENTO DO EIXO
FORÇAS
Figura 3. Diagrama de Forças
	Determinando as forças, temos que:
	Para calcularmos a potência, utilizaremos a equação (1):
										 (1)
	Da equação (1) temos:
Como a engrenagem C está sob o mesmo eixo, sua potência e sua rotação será a mesma.
 Portanto, da equação (1):
SOMATÓRIO DAS FORÇAS
	
	Temos que:
SOMATÓRIO DOS MOMENTOS
Figura 4. Sentido i, j, k
	
	Calculando as reações, zerando o momento em 
DIAGRAMA DO MOMENTO FLETOR
PLANO YX
Figura 5. Diagrama do Momento Fletor – Plano YX
PLANO ZX
Figura 6. Diagrama do Momento Fletor – Plano ZX
	De acordo com os diagramas das Figuras 5 e 6, temos que observar qual o momento mais crítico.
Em A:
Em B:
	
	Portanto o momento é crítico em .
MATERIAL DO EIXO
	De acordo com a Tabela 1, escolheremos o Aço AISI 1040, usinado, temperado e revenido.
Tabela 1. Propriedades dos Aços AISI
	Portanto,
Resistência à tração = Sut = 779 MPa
Resistência ao escoamento = Sy = 593 MPa
Coeficiente de Segurança = 2,5
	
DIÂMETRO PELO CRITÉRIO ESTÁTICO
	Utilizando a Equação (2), utilizando a Teoria de Energia de Distorção, encontramos o diâmetro estático do eixo:
					 (2)
	Temos que o Torque é: 
	
	Da Equação (2), temos:
DIÂMETRO POR GERBER
	De posse dos valores encontrados na seção 3.1.6, podemos obter também o limite de resistência de uma peça de máquina nas condições de uso, ou . 
	Para tanto devemos obter as constantes e o valor de .
Fator de Modificação de Condição de Superfície
	Considerando o eixo como usinado, temos:
 									 (3)
Tabela 2. Parâmetros para a modificação do fator superficial de Marin
	Encontrando o a e b pela tabela acima, temos:
= 0,7725
Fator de Modificação de Tamanho
 				 (4)
Fator de Modificação de Carga
	Considerando no eixo temos flexão rotativa + torção, temos:
Fator de Modificação de Temperatura
	Através da tabela temos:
 
3. Efeito da Temperatura de Operação 
	Considerando uma temperatura ambiente de funcionamento (20ºC), temos:
Fator de Confiabilidade) 
	Através da tabela, temos:
Tabela 4. Fator de Confiabilidade)
	Considerando uma confiabilidade de 99%, temos:
Fator de Modificação por Efeitos Variados
Limite de Resistência à Fadiga
 			 						 (5)
	Temos então que:
 					 (6)
Fator de Concentração de Tensão 
	Como temos engrenagens neste eixo, devemos fixar ao eixo por meio de algum artificio como chavetas. Portanto, temos que:
 									 (7)
 								 (8)
Onde,
, sensibilidade ao entalhe
, sensibilidade ao entalhe, flexão e torção
	Os valores de são retirados das seguintes figuras, onde r é a profundidade da ranhura da chaveta. Considerando um raio de entalhe igual a 1,5mm, temos:
 Figura 7. Sensibilidade ao entalhe em Flexão
 Figura 8. Sensibilidade ao entalhe em Torção
Figura 9. Fatores de Concentração de Tensão Para Chavetas
	Portanto, ao encontramos estes valores nos gráficos, calcularemos os fatores de concentração de tensão:
		Por fim, calcularemos o diâmetro por GERBER:
OBS: Para um eixo rodando com torção e flexão constantes, a tensão de flexão é completamente reversa e a torção é estável. Assim, as Equações (9, 10 e 11) podem ser simplificadas colocando-se e , igual a zero.
	Utilizando 
						 (9)
 							 (10)
 						 	 (11)
	Portanto,
	Substituindo (8) e (9) em (7), temos:
DIMENSIONAMENTO DOS MANCAIS DE DESLIZAMENTO
	Deve-se determinar o número característico:
									 (10)
Onde:
= Viscosidade;
= Rotação;
= Pressão;
= Folga Radial.
	Através do Gráfico (1), escolhemos a viscosidade do fluído lubrificante:
Gráfico 1. Gráfico Viscosidade-Temperatura em SI
Portanto,ao escolhermos 50ºC, e 
Para calcularmos a pressão, utilizaremos a equação abaixo:
								 	 (11)
	Calculando a força resultante entre os mancais, utilizaremos a força resultante em B, que tem maior modulo, portanto:
	A área será dada por: 
	Onde, o intervalo ideal .
	
	Portanto, considerando , e , temos que , dentro do intervalo ideal.
	Encontrando a pressão através da Equação (11):
	
	Escolheremos o material através da tabela abaixo para descobrirmos a relação :
Tabela 5. Materiais para Mancais com lubrificação de contorno
	Escolheremos o Babbitt à base de estanho, com razão de folga de 600-1000.
	Portanto,.
	Para calcularmos o número característico, precisamos variar a razão de folga até encontrarmos ótimo.
	
	Variando a razão de folga em relação a folga, temos através do gráfico:
––
Gráfico 2. Ho x Folga c
	Portanto, temos que o , para uma folga , e , assim .
	Então, da Equação (10), temos que o número característico é:
CONSIDERAÇÕES FINAIS
	Para que este projeto funcione corretamente deveremos ter um eixo de 76 mm, Aço AISI 1040, usinado, temperado e revenido, e os mancais de deslizamento devem ser de Habbitt à base de estanho, com relação de folga de 600, e número característico 0,29395.
	Se necessário, é possível a tentativa de diminuição de custos deste projeto, comprando um aço mais barato, porém menos resistente. Isto implicaria em um diâmetro de eixo maior, assim como nova seleção de mancais. Sendo assim, um novo estudo deve ser feito para ver sua viabilidade.
REFERÊNCIAS
[1] Shigley, J.E., Mischke, C.R. e Budynas, R.G., 2005, “Projeto de Engenharia Mecânica”, 7ª Edição, Porto Alegre, Brasil, pp. 834-841.
[2] Conceitos Essenciais sobre Mancais de Rolamento e Deslizamento. http://fatecgarca.edu.br/revista/Volume2/Artigo_8_Volume_2.pdf. Acesso em: 15 de novembro de 2015.
[3] Mancais de Deslizamento. http://www.essel.com.br/cursos/material/01/Manutencao/21manu2.pdf. Acesso em: 15 de novembro de 2015.