Tribology

TRIBOLOGIA

O Estudo de Superfícies em Movimento Relativo e suas Interações

O QUE É TRIBOLOGIA?

A tribologia é a ciência do desgaste, atrito e lubrificação, abordando como superfícies em interação ou triboelementos se comportam em movimento relativo dentro de sistemas naturais e artificiais. Isso inclui o projeto e lubrificação de mancais.

 

A tribologia não é uma ciência isolada, mas sim uma jornada complexa e multidisciplinar, onde os avanços são feitos por esforços colaborativos de pesquisadores de áreas como engenharia mecânica, manufatura, ciência dos materiais, química e engenharia química, física, matemática, ciência e engenharia biomédica, ciência da computação e muito mais.

Quais são os Fundamentos da Tribologia?

Um dos pilares mais importantes da tribologia é o sistema analítico e toda a análise em torno deste.

Sistemas Tribológicos  123

Atrito e desgaste não são propriedades dos materiais. São respostas a um sistema tribológico específico que tipicamente inclui uma combinação de mancal, eixo e lubrificante e, como tal, são influenciados por uma grande variedade de fatores. O subsistema tribológico da Figura 1 fornece uma visão geral dos fatores comuns que afetam os valores de atrito e desgaste:
 

Função dos tribosistemas
Estrutura
Tensão coletiva

 

Este sistema tribológico é composto por tensões coletivas / entradas operacionais, estrutura do sistema e saídas funcionais e de perdas. As tensões coletivas incluem os parâmetros técnicos e físicos do carregamento, incluindo carga, velocidade de deslizamento e duração, juntamente com as condições de movimento e temperatura, que tensionam a estrutura do sistema. A estrutura do sistema é determinada pelos perfis de propriedade dos elementos substanciais incluindo a base, o a contra-peça, o ambiente e o meio intermediário. 

 

1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg+Teubner Verlag, 2010
2 Theo Mang, Kirsten Bobzin, Thorsten Bartels: Industrial Tribology: Tribosystems, Friction, Wear and Surface Engineering, Lubrication, Wiley-VCH, 2011
3 Theo Mang et al.: Encyclopedia of Lubricants and Lubrication, Springer Verlag, 2014

Quais são os Principais Desafios que um Tribologista Enfrenta?

O maior desafio é que os valores de atrito e desgaste não podem ser facilmente transferidos de um sistema para outro, por exemplo, de um equipamento de teste tribológico para uma aplicação real. Comparações entre os valores medidos só são viáveis quando baseados em um sistema tribológico muito semelhante. O comportamento tribológico dos materiais só pode ser estimado para aplicações específicas com base em ensaios de modelos e simulação, desde que as condições operacionais específicas do ambiente de aplicação e do ensaio sejam as mesmas.

Atrito e Desgaste (1) (2) (3)

O que é atrito?

O atrito é a força de resistência ao movimento entre dois corpos em contato. O atrito pode ser descrito em nível macroscópico pelas leis básicas de atrito dos físicos Guillaume Amontons e Charles-Augustin de Coulomb. Estes físicos encontraram uma relação linear entre a força de atrito resultante e a carga normal aplicada. Com base nisso, um parâmetro principal adimensional pode ser derivado, chamado de coeficiente de atrito. Ele é definido pela relação entre a força de atrito resultante e a força normal aplicada.

No entanto, o mecanismo real de atrito de deslizamento ocorre a um nível microscópico, o que significa teorias tribológicas sobre atrito que também envolvem a topografia das superfícies. O tribologista diferencia entre a área de contato real e a área de contato nominal (dimensões geométricas), o que leva em consideração quaisquer vazios ou porções sem contato de um elemento sólido. Os mecanismos responsáveis pelo processo de transformação de energia na área próxima à superfície incluem:

Iniciação, transformação, dissipação energética

 

O que é desgaste?

O desgaste é definido como a perda material irreversível de superfícies que interagem. Processos elementares físicos e químicos na área de contato de um par deslizante, que subsequentemente conduzem à alteração no material e forma dos parceiros de atrito, são conhecidos como mecanismos de desgaste. Estes mecanismos de desgaste incluem:

 

Mecanismos de desgaste

Os mecanismos de atrito e desgaste são fortemente influenciados pela estrutura do sistema tribológico, bem como pela tensão coletiva induzidao:

 

 µ= f(tribo-estrutura (t), tensão coletiva induzida (t))

 w= f(tribo-estrutura (t), tensão coletiva induzida (t))

 

Os mecanismos de atrito e desgaste não ocorrem isoladamente, mas sim através de uma superposição de mecanismos cuja quantificação e controle são um desafio a parte. Esta superposição ocorre em sistemas tribo-técnicos em proporções não detectáveis e em proporções que variam ao longo do tempo e lugar, tornando quase impossível calcular os processos de atrito e desgaste em um tribo-contato. É por isso que os testes tribológicos são tão cruciais para estimar o comportamento tribológico. Se quisermos interpretar e entender dados tribologicamente medidos e pesquisas orientadas a mecanismos, precisamos de um conhecimento completo dos mecanismos atuantes em um tribo-contato.

 

Os tribologistas classificam atrito, desgaste e condiçoes de lubrificação de acordo com o seguinte esquema:

 

  • Regime de Atrito 0: Atrito sólido: O atrito é criado entre superfícies sólidas em contato direto sem qualquer lubrificante.
  • Regime de Atrito I: Atrito na Camada Limite: Atrito sólido, no qual as superfícies dos parceiros de atrito são cobertas por um filme de lubrificante molecular que não tem capacidade de carga. O lubrificante influencia as características de atrito e desgaste
  • Regime de Atrito II: Atrito misto: O regime de atrito I e III coexistem. O valor de atrito é uma combinação de atrito sólido e hidrodinâmico. O filme fluido criada pelo lubrificante tem capacidade de carga.
  • Regime de Atrito III: Atrito hidrodinâmico: O valor de atrito é determinado pelo cisalhamento do fluido. A capacidade de carga do filme de fluido impede o contacto direto entre as duas superfícies sólidas.
  • Regime de desgaste a: altas taxas de desgaste devido ao atrito sólido e ao contato direto das superfícies.
  • Regime de desgaste b: menores valores de desgaste devido ao filme de fluido molecular.
  • Regime de desgaste c: desgaste moderado devido a uma separação parcial das superfícies através de um filme de fluído mais espesso.
  • Regime de desgaste d: "Desgaste zero", resultante de filmes hidrodinâmicos ou elastohidrodinâmicos que impedem o contato direto das duas superfícies.

 

Regimes de atrito Sistema tribológico

 

Medidas de desgaste  Regimes de desgaste

 

Quais Benefícios podem ser Alcançados ao Aplicar-se a Tribologia ao Projeto de um Mancal?

Como a Tribologia pode levar a uma melhoria mensurável do produto?

Testes tribológicos nos permitem obter informações sobre o tribodesempenho de materiais para conduzir novos e melhores projetos de materiais. Dessa forma podemos priorizar determinadas composições de materiais para atingir propriedades tribológicas específicas e melhoradas.

Os resultados de testes tribológicos e os métodos analíticos de superfície ajudam-nos a estimar o tribodesempenho, incluindo atrito e desgaste, mecanismos de falha, cinética dos filmes de transferência dos materiais existentes e novos protótipos baseados em diversos fatores e relações. Estas informações ajudam-nos a ver e compreender variáveis como os efeitos de variadas composições materiais, incluindo aditivos, concentração de aditivos, efeitos sinérgicos de diferentes aditivos, estrutura do material, bem como o impacto de outros elementos na estrutura do sistema.

 

Como a Tribologia melhora a eficiência e prolonga a vida útil dos materiais dos mancais?

Superfícies de contato tribologicamente melhoradas

  • Identificar os fatores críticos que influenciam o tribosistema
  • Identificar soluções para melhorar a eficiência e reduzir o desgaste, incluindo:
    • O uso de materiais otimizados para atrito e desgaste.
    • Otimizar os pares de materiais, resultando em baixos níveis de atrito e desgaste.
    • Selecionar e usar os lubrificantes adequados.
    • Chegar a alterações de projeto que tenham um impacto benéfico no desempenho geral do tribosistema.

 

Quais são alguns exemplos de avanços tecnológicos de mancais que a pesquisa tribológica tem produzido?

Para uma visão geral dos avanços históricos na tecnologia de mancais impulsionados por tribo-pesquisa, leia este artigo da Eureka Magazine. Ele abrange os rolamentos de rolos rudimentares usados pelos antigos egípcios, rolamentos de esferas usados pelos romanos 40AC, o papel do tratamento térmico nos aços tratáveis e as cerâmicas à base de óxido. Ele também discorre sobre o desenvolvimento do primeiro mancal autolubrificante de metal polímero pela GGB.

 

Em quais indústrias e aplicações a tribologia é útil?

A Tribologia desempenha um papel central em aplicações em que duas superfícies em contato movem-se entre elas. Algumas indústrias colocam demandas mais altas em sistemas tribológicos devido à sua criticalidade, requisitos de operação contínua ou condições extremas.

O que um engenheiro precisa pensar quando projeta produtos ou experimentos antiatrito/desgaste?

Isso depende bastante da aplicação. Algumas aplicações requerem baixo atrito (por exemplo materiais de mancais) enquanto outras requerem alto atrito (por exemplo, sistemas de freios). Para a maioria das aplicações, o desgaste mínimo dos materiais envolvidos é o objetivo principal. Para muitas aplicações, um ponto de equilíbrio definido entre baixos níveis de atrito e bom desempenho de desgaste é freqüentemente o objetivo a ser alcançado.  

Ao projetar experimentos descrevendo atrito e desgaste, testes tribológicos podem ser colocados em uma das seis categorias principais, desde testes de campo na categoria I até o mais simples modelo de laboratório na Categoria VI.

Categoria I:        Um ensaio de campo é conduzido sob condições normais de operação, o que pode incluir condições de operação prolongadas. Isso resulta em pouca repetibilidade, mas é o caso que mais se aproxima das exigências do mundo real que o sistema tribológico enfrentará.

Categoria II:       Experimentos são realizados com uma peça completa de equipamento em um ambiente de protótipo. Estas experiências podem atingir resultados próximos das condições normais de funcionamento e podem ser conduzidas ao longo de um período de tempo para replicar as condições de funcionamento prolongadas enquanto se limita o impacto ambiental.

Categoria III:     Os componentes, subsistemas ou conjuntos são testados num laboratório que se aproxima das condições normais de funcionamento prolongado, proporcionando uma repetibilidade média

Categoria IV:     Os ensaios laboratoriais são efetuados em componentes normalizados em série, utilizando aparelhos de ensaio a escala reduzida.

Categoria V:      Os experimentos são conduzidos em uma amostra com equipamento de teste para fornecer condições operacionais próximas às normais com excelente repetibilidade.

Categoria VI:     Um teste de bancada é conduzido com equipamento simples de teste em laboratório.

 

Categorias de consideração

 

É importante lembrar que nas categorias de I a III, a estrutura do sistema tribológico original permanece consistente e somente o carregamento coletivo é simplificado. As categorias II e III oferecem carregamentos coletivos mais reprodutíveis do que a categoria I. Em contraste, nas categorias IV a VI, a estrutura do sistema é simplificada, com a desvantagem de diminuir a previsibilidade na transferibilidade dos resultados dos testes para sistemas técnicos tribológicos comparáveis. As categorias IV a VI oferecem melhor metrologia do sub-tribo-contato, menor custo e um período de teste mais rápido.1 Assim, em ordem crescente das categorias de teste está o tempo de teste bem como o aumento significativo do custo, mas a transferibilidade do resultado do teste também aumenta.

 

Como podemos aplicar as categorias de teste ao sub-tribo-sistema dos mancais?

Testes tribológicos de materiais de mancais podem ser divididos em quatro categorias principais:

  • Descrições de desempenho do produto, que incluirão as categorias IV e III para assegurar a transferibilidade dos resultados.
  • Acompanhamento da Produção / Fabricação, incluindo as categorias VI a IV, sendo a categoria III também uma possibilidade.
  • Os testes dos mancais pelo cliente podem incluir as categorias III a V, tendo em mente que a categoria V só é relevante se o teste puder ser adaptado o mais próximo possível da aplicação.
  • Todas as categorias podem ser usadas para apoiar designers de materiais, com categorias mais baixas nos estágios iniciais de desenvolvimento para a pré-seleção e categorias de números mais elevados entrando em jogo quando os subcomponentes e o produto final estão disponíveis. 

 

 

1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg+Teubner Verlag, 2010

Qual é a proposta da GGB para desenvolver soluções de mancais através da experiência tribológica?

A GGB desenvolve materiais tribologicamente otimizados baseando-se em resultados tribológicos. Combinamos esse conhecimento de ciência de materiais e desempenho com um conhecimento profundo do desempenho tribológico de nossos produtos e como eles se alinham com os requisitos da aplicação final de nossos clientes.

Quais são algumas das realizações da GGB no âmbito da tribologia aplicada a soluções em mancais?

  • Em 2015, lançamento do mancal de enrolamento de filamentar autolubrificante HPMB® com revestimentos usináveis e os mancais bimetálicos GGB-SZ sem chumbo.
  • Lançamento de uma série de mancais de ferro sinterizado e bronze sinterizado autolubrificantes em 2014, incluindo os GGB-BP25, GGB-FP20 e GGB-SO16.
  • Os mancais GGB desempenharam um papel na aterrissagem em Marte pela NASA Curiosity Rover em 2012. Os mancais de metal-polímero DU® autolubrificantes servem como componentes de suspensão primários para o fuso de perfuração da sonda.
  • Em 2010, lançamento de materiais para desempenho superior em condições ligeiramente lubrificadas ou secas, incluindo os materiais de metal polímero sem chumbo DP10 e DP11.
  • Lançamento de uma gama de produtos de enrolamento filamentar para os mercados europeu e asiático em 2009, incluindo uma estrutura forte e estável para requisitos de alta carga e baixo desgaste.
  • Os novos mancais DX®10 são reconhecidos ao ganhar o Prêmio Frost & Sullivan de 2008 para o Prêmio de Inovação de Produto do Ano 2008 na categoria de mancais de caminhão Classe 7-8, com base na excelência em novos produtos e tecnologias no setor.
  • Em 2003, lançou o mancal metal polímero DP31 sem chumbo, com desempenho melhorado sob condições lubrificadas e menor atrito, melhor resistência ao desgaste e maior resistência à fadiga.
  • Lançamento do EP, uma nova gama de mancais termoplásticos de engenharia moldados por injeção.
  • Em 1995, lançou o mancal metal polímero DP4 sem chumbo e com suporte de aço para satisfazer as necessidades dos amortecedores automotivos e outras aplicações hidráulicas.
  • Entrada em aplicações de alta temperatura com o lançamento do mancal HI-EX® em 1986.
  • Lançamento da primeira linha de produtos de enrolamento filamentar nos EUA, incluindo GAR-MAX®, suportando altas cargas estáticas e dinâmicas.
  • Em 1965, lançamento do material metal polímero DX® marginalmente lubrificado para aplicações lubrificadas com graxa ou óleo.
  • Em 1956, a GGB lançou o DU®, o primeiro material metal polímero com suporte em aço e revestimento em bronze e PTFE para excelente resistência ao atrito e desgaste. No mesmo ano, a empresa lançou o DU-B, com suporte de bronze para melhor resistência à corrosão.
  • Em 1887, Olin J. Garlock patenteou seu primeiro sistema de vedação industrial para selar pistões em máquinas industriais a vapor.

Como a tribologia pode reduzir ou eliminar a necessidade de lubrificantes líquidos?

Os lubrificantes são parte da tribologia, mas em alguns casos a lubrificação pode ser incorporada nos materiais dos componentes do sistema tribológico.

Os engenheiros de produto criam para este fim materiais específicos para condições de lubrificação a seco, conseguindo um desempenho tribológico superior relacionado ao atrito e ao desgaste com redução ou eliminação de lubrificantes líquidos.

Como a condição de um eixo e da camada de transferência impacta o desempenho tribológico?

Como o eixo é um elemento essencial da estrutura do sistema tribológico do sub-sistema de mancais, suas propriedades têm um impacto direto no atrito e no desgaste, bem como em todas as outras ocorrências no contato do mancal/eixo. As propriedades essenciais do eixo incluem:

  • Materiais e suas propriedades químicas e físicas
  • Propriedades geométricas, incluindo topografia e relação de contato.

Que fatores tribológicos precisamos considerar na seleção de mancais? Como estes fatores afetam a seleção dos mancais?

O escopo do sistema tribológico é de importância crucial na seleção de mancais. De maneira geral e simplificada, devemos considerar o seguinte:

1. O carregamento coletivo induzido, incluindo:

  • Natureza da carga
  • Natureza do movimento
  • Temperaturas
  • Fator de tempo

2.  A contrapeça:

  • Materiais, incluindo propriedades físicas e químicas
  • Características geométricas, incluindo a relação de contato e topografia (rugosidade, isotropia e anisotropia)

3.  O meio interfacial e seu perfil de propriedade

4.  O meio ambiente e suas propriedades

5.  Condutividade térmica da construção.

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