CORRELAÇÃO ENTRE A LUBRICIDADE DE COMBUSTÍVEIS E A VIBRAÇÃO ORIUNDOS DO CONTATO ESFERA-DISCO PLANO DE AÇO AISI 52100
USANDO A TRANSFORMADA DE FOURIER
A.C.M. de Farias1; A.A.S. Medeiros; J.J. de Oliveira Junior; S.M. Alves,
Caixa Postal 1524. Campus Universitário, Lagoa Nova, Natal/RN, Brasil. CEP: 59125-340. 1
alinecmfarias@yahoo.com
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
RESUMO
No desenvolvimento do desgaste algumas características dinâmicas do sistema variam, resultando em desvios significativos nos padrões dos sinais de vibração. A aquisição e caracterização desses sinais representam ferramenta não intrusiva de avaliação da lubricidade, principalmente pelo o uso da Transformada Rápida de Fourier - FFT. Este trabalho objetivou a avaliação dinâmica de lubricidade de combustíveis diesel S50, éster metílico de soja e blendas B10 e B20, pelo contato de deslizamento alternado da esfera sobre o disco plano de aço AISI 52100, aplicando a FFT para análise de sinais de vibração e sua associação com os parâmetros disponibilizados pela norma ASTM D6079. Os resultados mostraram que a lubricidade, o espectro de frequência e os perfis superficiais das superfícies dos discos estão correlacionados entre eles e demonstraram ser influenciados pelo teor de biodiesel e, consequentemente, pela evolução da escara de desgaste devido ao tempo de uso prolongado desses combustíveis.
Palavras-chave: Lubricidade, biodiesel, vibração, FFT, Desgaste, Aço AISI 52100.
INTRODUÇÃO
O processo de hidrorrefino para obtenção do diesel de baixo teor de enxofre trouxe alguns problemas sérios nas suas propriedades, reduzindo outros compostos que auxiliam na lubricidade, tais como poliaromáticos, nitrogênio e oxigênio (1,2). Esta redução na lubricidade promoveu um efeito nocivo sobre os sistemas de injeção, fato que levou ao desenvolvimento de várias normas para assegurar níveis aceitáveis de lubricidade aos combustíveis. A aditivação do biodiesel ao diesel de baixo teor de enxofre foi importante para restaurar as propriedades lubrificantes, através do uso de suas blendas diesel-biodiesel.
A lubricidade é avaliada pelo diâmetro da escara do desgaste (WSD), em μm, medido nos eixos x e y, produzida pela esfera com deslizamento alternado contra o disco plano estacionário, de aço AISI 52100, imersos num fluido. Tal avaliação é
realizada na bancada HFRR (High Frequency Reciprocating Test Rig) (3). O método
HFRR é considerado um método simples, rápido e barato para determinar a lubricidade dos combustíveis diesel e biodiesel e por isto, tornou-se um método generalizado e aceito pela indústria automotiva/petrolífera (4).
Quanto maior a lubricidade, menor a escara do desgaste, assegurando eficácia ao filme lubrificante interfacial em sua ação de separação dessas superfícies (5). Para tanto foram estabelecidos valores máximos WSD permitidos pelas normas
americana e europeia de 520 μm (ASTM D 975) e 460 μm (EN 590) a 60 °C (6)
. No que tange à avaliação dos diversos combustíveis diesel e biodiesel, incluindo suas misturas volumétricas pelo método de lubricidade HFRR, a literatura é bastante extensa. Knothe (7) utilizou esse método para medir a lubricidade dos combustíveis EMS (éster metílico de óleo de soja) e ULSD (diesel de ultra baixo teor de enxofre), cujos respectivos WSD foram 141 µm e 651 µm; onde foi demonstrado que a lubricidade dos combustíveis biodiesel é superior a do diesel. Também, Moser
et al. (8) constatou que a adição de 2 % e 5 % de EMS ao ULSD melhorou sua lubricidade, que passou de 551 µm para 212 µm e 171 µm, respectivamente.
Nota-se que a lubricidade é dependente dos teores de enxofre e de biodiesel, porém, é necessário rever outros aspectos. No trabalho de Farias et al. (9) foram determinadas a lubricidade dos combustíveis (diesel, blendas B5 e B20 de ésteres etílicos de óleos de soja e girassol) e sua correlação com parâmetros de avaliação das superfícies do desgaste dos discos em micro e nanoescala usando o MEV, rugosímetro e AFM. Com base nos seus resultados, eles concluíram que o uso
destas técnicas pode complementar o método de avaliação sugerido pela ASTM (3).
Segundo Zhu et al. (10), os sinais de atrito e vibração contem muitas informações que podem refletir em características e comportamentos do sistema tribológico, os quais são obtidos no processo corrente e podem ser analisados por diversas técnicas de processamento de sinais, as quais podem auxiliar na avaliação da lubricidade. Souza (11) analisou os espectros de tempo e frequência dos sinais da vibração emitida por motores novos e defeituosos. Nesta avaliação foi possível definir uma assinatura mecânica padrão na identificação de defeitos funcionais de motores, pois a sua frequência foi diferente da emitida pelos motores novos.
Sugerindo um novo método de avaliação de lubricidade, este trabalho visa estabelecer correlações entre o desgaste, o atrito e a vibração oriundos do sistema tribológico esfera-disco plano de aço AISI 52100 em contato lubrificado com combustíveis (diesel, biodiesel e blendas B10 e B20), analisando os espectros de frequência da vibração através da técnica FFT e a evolução do desgaste pela análise de perfis das escaras de desgaste.
MATERIAIS E MÉTODOS
A presente pesquisa utilizou-se dos fluidos combustíveis diesel S50 (B0S50, cedido pela ALESAT Combustíveis S.A. localizada em Natal/RN), biodiesel éster metílico de óleo de soja, B100-SB (obtido no Laboratório de Química da ECT/ UFRN) e suas blendas B10-SB e B20-SB, as quais foram preparadas pela adição das respectivas proporções volumétricas de 10 % e 20 % do biodiesel ao diesel.
Os materiais de aço AISI 52100 utilizados para avaliação da lubricidade dos combustíveis são compostos pela esfera (ø = 6 mm, Ra = 0,05 µm e dureza =
62 HRC) e por disco plano de dureza HV30 = 200±10, quais foram cedidos pela INA
Rolamentos. O disco foi usinado nas dimensões de ø de 10 mm e espessura de 3 mm, lixado e polido com solução abrasiva de alumina (ø 0,3 µm), obtendo rugosidade Ra de ≈ 0,008 µm. Sua composição química (Tab. 1) foi determinada por Fluorescência de Raios-X (EDX-720 da Shimadzu, disponível no NEPGN/ UFRN).
Tabela 1 – Composição Química do Aço AISI 52100
%Ferro % Cromo % Manganês % Silício % Carbono % Alumínio
96,87 1,36 0,38 0,33 0,99(Bal.) 0,07
Os ensaios tribológicos foram realizados em triplicatas no equipamento HFRR
da PCS Instruments® equipado com placa de aquisição de dados da National
Instruments (NI cDAQ-9172) disponível no Laboratório de Tribologia e Dinâmica/ UFRN. Nestes foi aplicado o deslizamento alternado (1 mm a 10 Hz, 0,02 m/s) da esfera com carga de 10 N sobre o disco plano a seco, ou emergidos em 2 mL de fluido, todos aquecidos a 60 C. A Tab. 2 exibe as demais condições dos ensaios.
Tabela 2 – Condições de ensaio de lubricidade HFRR
Parâmetros N1 N2 N3
Duração do ensaio (segundo) 4500 7200 10800
Número de megaciclos 0,045 0,072 0,108
Durante o ensaio, foram capturados os sinais de atrito e de vibração, cujos tipo e posição dos sensores estão descritos a seguir:
Transdudor piezoelétrico de força: localizado na parte inferior ao
suporte do disco para determinar o coeficiente de atrito;
Sensor de vibração uniaxial tipo 4518-001 da Brüel & Kjaer, sensibilidade de 9,931 mv/g, fixado ao suporte da esfera para medir a vibração na direção do deslizamento (eixo X), acoplado ao módulo de vibração (NI9233). Os sinais do coeficiente de atrito foram obtidos pelo software HFRPC do sistema HFRR, os quais foram importados e processados no software Origin 8,0.A aquisição dos sinais foi obtida pelo software LabView e importando para o ambiente da plataforma Matlab para aplicação da FFT ao sinal. E após ensaio HFRR, foi medido o WSD da esfera por microscopia óptica (ampliação de 100 X), enquanto os perfis superfiais da região desgastada do disco foram obtidos por rugosímetro portátil Surtronic 25 da Taylor Hobson® e analisados via software Talyprofile Silver.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os coeficientes de atrito gerados pelo contato esfera-disco de aço AISI 52100 lubrificados pelos combustíveis supracitados estão apresentados no gráfico da Fig. 1(a), bem como as escaras de desgaste das esferas (Fig. 1b) medidas após ensaios com as condições N1, N2 e N3 (Tab.2).
Figura 1 – (a) Coeficiente de atrito decorrente do contato esfera-disco lubrificado usando os parâmetros estabelecidos na condição N3 e (b) média das escaras de desgaste
Conforme pode ser observado na Fig. 1, o coeficiente de atrito apresentou uma relação inversa ao desgaste gerado. Além disto, o aumento do teor de biodiesel influenciou positivamente na lubricidade, proporcionando a geração escaras e coeficientes de atrito menores que as geradas com o uso do B0S50 (diesel). Portanto considera-se que os combustíveis biodiesel de soja (B100SB) se suas blendas B10SB e B20SB possuem maior habilidade de proteger as superfícies das peças que o diesel B0S50.
Sukjit e Dearn (12) atribuíram essa habilidade ao maior conteúdo de compostos oxigenados e ácidos graxos presentes no biodiesel, o qual pode promover o surgimento acelerado, na região do contato, do filme Fe3O4, também considerado
bom lubrificante. Já o baixo desempenho de lubricidade do B0S50 foi causado principalmente pelo processo de dessulfurização, o qual promoveu a eliminação dos compostos inerentes à auto lubrificação do diesel (1,2). Entretanto, a condição de contato esfera-disco a seco (ausência de fluido) foi considerada a mais severa, uma vez que os valores de atrito e desgaste foram aproximadamente uma ordem de grandeza mais elevada que na condição lubrificada. O que permite sugerir que o uso de um fluido com lubricidade muito baixa pode gerar um comportamento semelhante ao apresentado pela condição a seco.
A análise dos perfis das escaras de desgaste dos discos, Fig. 2, permite perceber um comportamento semelhante ao demonstrado pelo atrito e o desgaste da Fig. 1, onde as profundidades máximas (Maximum depth, µm) e as áreas das escaras (area of the hole, µm2), obtidos no eixo longitudinal ao deslizamento, aumentaram em função da redução do teor de biodiesel e do prolongamento do tempo de ensaio estabelecidos por N1, N2 e N3. Assim, notou-se uma evolução do desgaste, onde a profundidade e área da escaras foram se intensificando em decorrência do uso do fluido mais lubrificante (B100SB) para o menos lubrificante (B0S50) e contato a seco. Esta característica também foi percebida nos trabalhos realizados por Sulek et al. (13) e por Farias et al. (14), onde o coeficiente de atrito e o parâmetro de rugosidade Ra e perfis das escaras diminuíam com o uso de blendas com teor de biodiesel mais elevado e biodiesel puro.
Figura 2 – Perfis longitudinais das escaras de desgaste dos discos evidenciando sua evolução em função dos combustíveis e das condições N1, N2 e N3 aplicados
As assinaturas dos sinais de vibração (m/s2), obtidos durante o contato esfera-disco plano, foram processados para a geração de gráficos (Fig. 3) em função do tempo e em função dos espetros de frequência. Conforme e percebido na Fig. 3a, a análise temporal mostra que há uma variação mais acentuada da vibração com o uso do B0S50, em relação ao comportamento da vibração com o uso B100SB e suas blendas B10SB e B20, sendo que estes últimos demonstraram ser semelhantes entre eles. Tais resultados corroboram o comportamento do atrito. A
análise do espectros de frequência, obtido pela técnica FFT (Fig. 3b), demonstrou que a variação mais intensa na vibração (m/s2) influencia na atenuação do pico de frequência de 10 Hz (frequência do ensaio), o que pode ser atribuído ao maior atrito oferecido durante o contato.
Figura 3 – Gráficos de vibração na escala do tempo, à esquerda, e na escala da frequência, à direita obtidos a partir de ensaios em bancada HFRR segundo as condições N3.
No caso da condição a seco, a amplitude da frequência foi influenciada tanto pela intensidade da aceleração (Fig. 3a), como pelos maiores coeficientes de atrito (Fig.1a) e ruídos decorrentes desta condição severa, onde a amplitude do espectro de 10 Hz foi de aproximadamente duas ordens de grandeza em relação aos espectros obtidos para a condição lubrificada; além disto ainda foi possível perceber que todos os espectros múltiplos de 10 Hz foram bastante intensificados, principalmente o espectro de frequência 20 Hz, o qual pode ter relação com a vibração induzida por atrito; que, segundo os estudos de Chen e Zhou (15), é atribuída às mudanças significantes ocorridas na topografia da interface de contato.
CONCLUSÕES
A partir da análise dos resultados experimentais, pode-se concluir:
(1) O uso dos combustíveis B100SB, B20SB e B10 apresentaram maior lubricidade pela geração de escaras de desgaste da esfera e coeficientes de atrito menores e mais estáveis que os apresentados para o uso do diesel B0S50.
(2) Através da análise do perfis das escara de desgaste nos discos foi possível observar que o desgaste evoluiu, principalmente, em função do prolongamento do ensaio estabelecidos pelas condições N1, N2, N3 e pela diminuição do teor de biodiesel presente, comprovando o baixo desempenho do B0S50. Todavia, a condição a seco foi ainda mais severa, sugerindo que o comportamento ocorrido pelo uso de combustível com lubricidade muito baixa.
(3) A análise temporal e espectral do sinal de vibração mostrou que houve um comportamento semelhante para o uso dos combustíveis contendo biodiesel, cujos valores das intensidades dos espectros de frequências são praticamente iguais. Devido a maior variação e elevação do atrito mais durante o uso do B10S50, este apresentou maior variação no sinal de vibração e menor amplitude do pico de 10 Hz.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao apoio financeiro da CAPES e do CNPq, ao PPGEM/ UFRN, Ina Rolamentos, ALESAT Combustíveis S.A., aos técnicos e coordenadores dos laboratórios da UFRN (Tribologia e Dinâmica, Química Tecnológica, NUPEG II, DEMat e LCL) pela disponibilidade dos equipamentos.
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CORRELATION BETWEEN THE FUEL LUBRICITY AND VIBRATION FROM BALL - FLAT DISC OF AISI 52100 STEEL CONTACT USING FOURIER TRANSFORM
ABSTRACT
In developing of the wear some dynamic characteristics of the system vary, that results in significant changes in patterns of vibration signals. The acquisition and characterization of these signs are considered non-intrusive tools for evaluating of the lubricity, mainly by the use of Fast Fourier Transform FFT. This study aimed to dynamic evaluation of the lubricity of fuels (diesel S50, soybean methyl ester and B10 and B20 blends) by the reciprocating sliding of the ball against the flat disc (AISI 52100 steel) and applying the FFT to analyze vibration signals and their association with parameters supplied by ASTM D6079. The results showed that lubricity, frequency spectrum and parameters of profiles from worn disc surface are correlated between them. Also, they were influenced by the biodiesel content, hence by evolution of the wear scar due to prolonged use these fuels.
