BANCADA PARA AVALIAÇÃO DA RESPOSTA DE ÓLEO LUBRIFICANTE EM REDUTOR DE ENGRENAGENS CILÍNDRICAS DE DENTES HELICOIDAIS

V CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA V NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING

25 a 28 de agosto de 2008 – Salvador – Bahia - Brasil August 25 – 28, 2008 - Salvador – Bahia – Brazil

BANCADA PARA AVALIAÇÃO DA RESPOSTA DE ÓLEO

LUBRIFICANTE EM REDUTOR DE ENGRENAGENS CILÍNDRICAS DE

DENTES HELICOIDAIS

CON08-1724

Resumo:

Palavras-chave: Engrenagens, Lubrificantes, Desgaste, Ruído e Dissipação de Energia

1. INTRODUÇÃO

A utilização de Unidades de Bombeio do tipo cavalo mecânico é o método de elevação de petróleo mais comumente encontrado em campos terrestres da bacia Potiguar. Este equipamento transforma o movimento rotacional de um motor elétrico em movimento alternado (“reciprocating”) e para isto é utilizado um redutor de engrenagens para se conseguir velocidade e torque ideais. Problemas decorrentes de sua utilização dizem respeito ao desgaste devido ao contato entre os dentes das engrenagens, o que leva às vezes, a falhas do equipamento, gerando custo pela parada na produção e para substituição de peças ou equipamentos danificados, além do custo considerável de troca de óleo.

Em uma caixa redutora de unidades de bombeio de petróleo, as engrenagens estão sujeitas ao desgaste que pode ser provocado por diversos mecanismos como por exemplo, abrasão, em seus modos sulcamento (“ploughing”), corte (“cutting”), e formação de proa (“prow formation”) e adesão ou aderência, dentre outros.

Um lubrificante é utilizado para redução do coeficiente de atrito entre os pares de engrenagens. Sendo assim, a utilização de lubrificantes com viscosidade e demais propriedades adequadas proporcionam um funcionamento com maior eficiência das engrenagens que integram a caixa redutora.

O movimento relativo entre os dentes de engrenagens se dá de três formas, ora por deslizamento puro, ora por rolamento puro e ora por uma combinação de rolamento mais deslizamento. Segundo Medeiros (2002), no contato entre os dentes de um par de engrenagens, o ponto de tangência entre suas duas circunferências primitivas (c.p.) é o ponto primitivo. A cabeça do dente, ou addendum, situa-se acima da c.p. e o pé do dente, ou dedendum, abaixo da c.p. O contato entre dois dentes engrenados, dependendo da posição relativa do addendum de um e do dedendum do dente engrenado, pode envolver rolamento puro ou rolamento e deslizamento, como ilustra a Fig. (1). O sentido de rolamento é sempre o mesmo, mas há alternância no sentido de deslizamento para que o sistema mantenha-se em equilíbrio.

Na Fig. (1.a), constata-se que o rolamento tem sentido oposto ao do deslizamento no dedendum do dente da roda motora (diz-se deslizamento negativo) enquanto no addendum do dente da roda movida tem-se rolamento no mesmo sentido do deslizamento (diz-se que o deslizamento é positivo).

Na Fig. (1.b), o contato entre os dentes é feito à altura da c.p., tendo-se rolamento puro. À medida que o contato se afasta dessa condição, a velocidade de deslizamento aumenta e a Fig. (1.c) apresenta alternância no deslizamento em relação àquele da Fig. (1.a). Tricot (1976) assegura que o deslizamento negativo associa-se à condição mais severa de contato.

(a) (b) (c)

Figura 1. Esquema de alternância no sentido das solicitações de rolamento e deslizamento ao longo de um contato entre dois dentes de engrenagens cilíndricas, em relação à circunferência primitiva. (Medeiros, (2002), baseado em Tricot (1976)).

Nos contatos mecânicos, há conversões de energia que podem ocorrer de três formas distintas, ou por suas combinações. São elas: energia elástica de vibração, energia térmica dissipada e energia acústica liberada ao ambiente. O contato entre dois sólidos em uma determinada freqüência e pressão Hertziana provoca um determinado nível de pressão sonora (NPS), que poderá ser alterado caso haja modificações nas superfícies, seja por formação de trincas ou ocorrência de desgaste por diferentes mecanismos, Medeiros (2002).

Sari e colaboradores (2007) estudaram o efeito da contaminação do lubrificante no desgaste de engrenagens. Segundo eles, é possível que o lubrificante seja contaminado antes mesmo de ser usado, e que a concentração de partículas sólidas no ambiente é de fundamental importância para a determinação da vida de funcionamento do sistema.

Yan Ding e Nenille (2003) estudaram o mecanismo de formação de spalling em engrenagens, segundo eles três etapas estão envolvidas na formação de um dano na superfície, a nucleação da trincas, a propagação desta e o arancamento de material, A trinca se forma a partir de um defeito pré-existente no material como: inclusões, partículas duras e outros tipos de defeitos. Depois da nucleada a trinca, as tensões cíclicas provocadas por um contado repetitivo de rolamento ou de deslizamento contribui para a propagação desta trinca, que caminha em direção da superfície, quando tais trincas chegam a superfície acontece o desprendimento do material, na forma de spaling ou pitting. A principal diferença entre eles é que o pitting tem uma profundidade da ordem de 10 µm, em quanto que o spaling, tem uma ordem de grandeza de 100 µm.

No presente trabalho, foram levados em conta vários fatores importantes como: os materiais das engrenagens, o óleo e o contaminante, a pressão de contato impressa nos dentes das engrenagens, o calor gerado no contato entre as engrenagens, a perda de espessura e a rugosidade das superfícies. A análise das superfícies dos dentes foi feita através do uso de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV).

2. MATERIAIS E MÉTODOS

A proposta é simular, de forma acelerada, as condições reais de uso de redutores em unidades de bombeamento de petróleo. Para isso, optou-se por redutores de velocidade de baixa potência que utilizam conjuntos de engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais.

Para realização dos ensaios, foram utilizados sistemas de aquisição de dados. Foram monitorados:

• Temperaturas [oC] do banho de óleo, do ambiente, das carcaças do motor e do redutor, do eixo-árvore de saída do redutor;

• Potência elétrica consumida [W] pelo sistema ( motor, redutor e carregamento); • Carga aplicada [N] no eixo-árvore de saída do redutor de velocidade;

• Nível de Pressão Sonora, NPS [dB]; • Amplitudes de vibração [μm];

• Velocidade do eixo-árvore de saída [m/s]; • Os danos ocorridos nos dentes das engrenagens.

Utilizou-se um conjunto motor-redutor com potência de 1/3 de CV (245 Watts), redução de 4:1 com dois pares de engrenagens de dentes helicoidais e torque de saída 5,2 N.m e, como carregamento, um freio de Prony, além da instrumentação como mostrada no desenho esquemático da Fig. 2.

Para uma minimização da influência do ambiente externo na coleta de dados do NPS [dB], o equipamento foi instalado em uma câmara de alvenaria, revestida com feltro, com dimensões 1,00 x 0,70 x 0,65 m.

Figura 2. Desenho esquemático da bancada com redutor de baixa potência. Alguns dos materiais e equipamentos que foram utilizados são:

• Motor elétrico trifásico de 1/3 CV (248 Watts);

• Redutor de velocidade, para motores de 1/3 CV, com dois pares de engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais e redução 4:1;

• Aparelho e Termopares; • Wattímetro;

• Carregamento (freio de Prony); • Célula de carga (balança); • Decibelímetro;

• Analisador portátil de vibração; • Banho Ultrassônico;

• Computador. 2.1 Construção da Bancada

2.1.1 Aquisição do motorredutor.

Tendo como objetivo avaliar a vida em serviço de óleos lubrificantes e redução do atrito entre as engrenagens de redutores de velocidades e, conseqüentemente, a redução de custos com manutenção e energia elétrica, idealizou-se a construção de uma bancada usando um motorredutor de baixa potência, e que se adequasse a alguns parâmetros encontrados nos redutores de unidade de bombeio, redução por engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais e mancais de rolamentos.

Devido às necessidades, foi selecionado um conjunto motorredutor de potência de 1/3 de CV (248 Watts), redução de 4:1 e torque de saída 0,52 kgf m. O redutor é constituído por dois pares de engrenagens de dentes helicoidais de relação de redução de 2:1, cada. Contém três eixo-árvores (entrada, intermediário e saída) como mostrado na Fig. 3, onde o árvore A representa a entrada da rotação que é entregue diretamente pelo motor o árvore B é o eixo-árvore intermediário, onde há duas engrenagens fixas, coroa primária e pinhão secundário e o eixo-eixo-árvore C de saída, coaxial ao Eixo-árvore A.

Figura 3. Morfologia do motor elétrico e do redutor desmontado. 2.1.2 Construção do freio de Prony (carregamento)

Fazia-se necessário, a esse conjunto para ensaio, a aplicação de um momento de torção como forma de carregamento do sistema na saída do redutor e, nesse caso, a alternativa que melhor se adaptava era o freio de Prony, que consiste de um tambor e uma cinta, envolvendo-o. Esse carregamento era quantificado em uma balança.

Um dos pontos críticos, nesta fase, foi a escolha adequada do material para tal função. A primeira idéia foi usar polímero, porém, observou-se que seria uma opção inadequada, pois o contato contínuo geraria calor suficiente para fundi-lo. Daí, a segunda idéia foi usar aço contra amianto, como nos freios e embreagens antigos, em geral. Il’yushchenko e colaboradores, (2006), relatam novos materiais feitos para isto, nos últimos anos, por Metalurgia do Pó. Já que o eixo-árvore que suporta o freio é o eixo-árvore de saída da caixa redutora e que a geração de calor é intensa, observou-se a necessidade de colocar-se um isolante térmico entre o freio e o eixo-árvore de saída, de forma a minimizar a influência do calor sensível, gerado pelo atrito na frenagem, sobre a temperatura de todo o sistema. 2.1.3 Preparação do ambiente

Como um método utilizado para a avaliação funcional do óleo lubrificante é a análise da assinatura acústica, através do Nível de Pressão Sonora, fez-se necessário um ambiente com redução da influência externa ao NPS. Para realizar tal isolamento, utilizou-se um armário de alvenaria, com portas de madeira, para instalar os equipamentos. Além disso, foram preenchidos os espaços vazios entre as portas e as paredes com gesso e colocados vidros nas portas do armário para facilitar a visualização dos equipamentos sem comprometer o isolamento acústico. Além disso, todo o interior do armário foi recoberto com feltro de aproximadamente dez milímetros (10 mm), reduzindo a ocorrência de reverberação. 2.1.4 Instrumentação

Alguns instrumentos foram utilizados para o monitoramento de parâmetros, como por exemplo: Tabela 1. Equipamentos utilizados para medições com suas funções e resolução.

Instrumento Fabricante Função Resolução

Balança digital Filizola Quantificar a carga aplicada 1 (um) grama-força

Decibelímetro Impac Quantificar o Nível Pressão Sonora NPS [dB] 0,1 dB

Wattímetro Minipa Medir a potência elétrica consumida em função

da carga 0,1 Watt

Placa de aquisição de temperatura

National Instrumentes

Medir a temperatura em diversos pontos do

sistema 10

-4

_ºC

ensaio 0,1 μm

Tacômetro a Laser N.I. Velocidade do eixo-árvore de saída da caixa

redutora 0,1 RPM

Engrenagem 01

Engrenagem 02

Engrenagem 03 Engrenagem 04

2.2 Metodologia dos ensaios

2.2.1 Preparação dos pares de engrenagens

Antes de fazer um ensaio, fazia-se necessária a preparação dos corpos de provas. As engrenagens e o óleo, objetos de estudo, necessitavam de uma preparação prévia. Para cada ensaio foi utilizado um novo conjunto de engrenagens. Quatro jogos de engrenagens de aço 8620 foram confeccionadas pelo sistema FRESA-MÓDULO.

Para não incorporar contaminantes no óleo, todos os componentes do redutor foram limpos em banho ultrassônico imersos em acetona, por uma hora e o óleo era armazenado em recipientes previamente limpos.

Todos os elementos a serem ensaiados eram pesados em balança analítica, com resolução de 10-4 _{gramas, de modo} a poder ser quantificada a taxa de desgaste através da equação de ARCHARD.

2.2.2 Montagem do redutor

Após todas as peças estarem limpas e secas, elas eram encaixadas em seus devidos lugares e montado o sistema com freio de Prony, balança, analisador de energia, analisador de vibração, medidores de temperaturas e decibelímetro. 2.2.3 Ensaios

Consistiram em (1) solicitar o sistema do redutor com carga associada a 70% do máximo torque, ou seja, 3,43 N.m e (2) medirem-se os diversos parâmetros mencionados. Como o braço do freio era de 0,71 m, a carga aplicada foi de 4,90 N, com uma flutuação de ±10%.

Inicialmente foi estimado um tempo de ensaio de sete dias, escolhidos para que a coroa de saída atingisse 4,2 Megaciclos, tendo como base a vida e a rotação de redutores em campo.

Através do sistema de aquisição de dados, foram feitas aquisições em tempo real das temperaturas, NPS, carga imposta pelo freio e potência elétrica demandada pelo motor de acionamento. Todas as grandezas anteriores, com exceção do NPS, foram adquiridas a uma taxa de aquisição de 1 Hz. Já para o NPS [dB], foram realizadas leituras em janelas de aquisição de 200 segundos, tomadas em intervalos de 30 minutos de ensaio para comparação das assinaturas.

Leituras como a velocidade de rotação e amplitudes de vibração foram realizadas e anotadas em planilhas, previamente elaboradas, durante cada ensaio.

O ensaio 01 foi realizado com o óleo LUBRIFICANTE CONVENCIONAL, e o ensaio 02 com o óleo LUBRIFICANTE DE ALTO DESEMPENHO.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Ao comparar as curvas de temperatura do banho de óleo, pode-se verificar que a curva referente ao ensaio com o óleo LUBRIFICANTE CONVENCIONAL, ao longo de todo o ensaio permaneceu superior a do óleo LUBRIFICANTE DE ALTO DESEMPENHO. Como se sabe que o óleo LUBRIFICANTE DE ALTO DESEMPENHO possui aditivos sólidos que podem auxiliar na lubrificação, essa menor elevação em sua temperatura, cerca de 10% menor, induz a uma possível redução no atrito. Sendo assim, o equipamento se mostrou eficiente quanto à captação das variações na temperatura do óleo lubrificante ensaiado. Essa comparação entre os dois ensaios mencionados pode ser vista na Fig. 4 onde é esboçada a curva de temperatura em relação ao tempo de ensaio.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 30 40 50 60 T e m p e ta tu ra ( 0 C ) Tempo (horas) Lubrificante convencional Lubrificante de alto desempenho

Regiões de baixa temperatura mostradas no gráfico – aproximadamente, 4 horas para o ensaio com o óleo LUBRIFICANTE CONVENCIONAL, em preto, e 22 horas para o ensaio com óleo LUBRIFICANTE DE ALTO DESEMPENHO, em vermelho – são referentes a paradas não programadas ocorridas devido ao descolamento da sapata de freio e à quebra do eixo de saída do redutor, respectivamente. Pela análise do gráfico para cada uma dessas situações pode-se aceitar que essas paradas não foram prejudiciais ao ensaio, já que ao ser retomado, as temperaturas retornaram ao mesmo patamar.

Visualizando-se a Fig. 5, verifica-se que não houve variação significativa da carga aplicada durante todo o ensaio, tanto para o óleo LUBRIFICANTE CONVENCIONAL quanto para o ensaio com o óleo LUBRIFICANTE DE ALTO DESEMPENHO, e entre eles. Verifica-se que a carga aplicada sobre o eixo de saída do redutor, em forma de momento de torção, situa-se na faixa de 4,90 N ±10 %. Pode-se afirmar que tal flutuação na carga normal, medida na balança, para os dois lubrificantes usados, não se associa linearmente às inflexões da curva de potência consumida pelo motor, cujos dados estão na Fig. 6.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 C ar ga ( K g) Tempo (horas) Lubrificante convencional Lubrificante de alto desempenho

Figura 5. Gráfico comparando as curvas de carga normal devido ao torque aplicado nos ensaios 01 e 02. Na Figura 6, verifica-se que a potência variou bastante, tanto no ensaio 01 quanto no ensaio 02. Observa-se que, no início dos ensaios, o óleo que apresenta o melhor resultado quanto a energia consumida é o óleo LUBRIFICANTE CONVENCIONAL, tendo a maior diferença entre a 6ª e a 8ª hora de ensaio. Porém, após 16 horas de ensaio, o óleo LUBRIFICANTE DE ALTO DESEMPENHO o supera, com melhora até completar 24 horas.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 150 200 250 P o tê n ci a (W ) Tempo (horas) Lubrificante convencional Lubrificante de alto desempenho

No gráfico da Fig. 7, pode-se observar que o ensaio 01 apresentou, durante todo o tempo, NPS [dB] mais elevados quando comparados àqueles do ensaio 02. A este instante, novos ensaios estão sendo executados para que se possam reunir um conjunto de evidências experimentais mais sólido para que se extraiam conclusões baseadas em novos dados.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 82 84 86 88 90 N P S ( d B C ) Tempo (horas) Lubrificante convencional Lubrificante de alto desempenho

Figura 7. Gráfico comparando as curvas de nível de pressão sonora (NPS) nos ensaios 01 e 02.

Nas Fig. 8, 9 e 10, ilustram-se a morfologia da superfície de um dente da engrenagem respectivamente de um conjunto novo, de um conjunto ensaiado com óleo LUBRIFICANTE CONVENCIONAL e de um conjunto ensaiado com óleo LUBRIFICANTE DE ALTO DESEMPENHO. As Figuras 9 e 10 ilustram danos de desgaste das engrenagens que, de acordo com Yan Ding (2003) e Medeiros (2002), consistem no mecanismo de dano por spalling.

a)

b)

c)

Figura 8. Morfologia da superfície dos dentes das engrenagens novas.

a)

b)

c)

Figura 8. Morfologia do dano ocorrido na superfície de um dente da engrenagem 03 no ensaio com o óleo Lubrificante convencional.

a)

b)

c)

Figura 9. Morfologia do dano ocorrido na superfície de um dente da engrenagem 03 no ensaio com o óleo Lubrificante de alto desempenho.

4. CONCLUSÕES

1. O uso de um Freio de Prony apresentou eficácia em cumprir seus objetivos de aplicar e quantificar a carga ao conjunto motor-redutor.

2. A utilização da balança digital de resolução 1 grama com interface com computador possibilitou a avaliação da flutuação desse sinal com o da potência consumida;

3. As medidas de temperatura realizadas apresentaram boa sensibilidade a pequenas variações na temperatura do óleo lubrificante decorrente da variação do atrito no contato entre as engrenagens do redutor;

4. A analise da textura superficial de um dente de engrenagem por microscopia óptica de varredura (MEV), ratificou o exposto por Ding (2003) e Medeiros (2002), identificando o mecanismo de desgaste por spalling;

5. A comparação de assinaturas do NPS [dB] demonstrou uma tendência clara da sua utilidade na avaliação do desgaste associado aos dentes em contato lubrificado, ratificando o exposto por Medeiros (2002).

5. REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO

A. F. Il’yushchenko, E. V. Zvonarev, L. P. Pilinevich, and V. V. 2006 , “Savich. Exchange of experience: New technologies in powder metallurgy and ceramics developed in Belarus.” A survey. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 45 (1-2), 2006: 98-108.

Medeiros, J. T. N. de, 2002, “Fadiga de contato de discos metálicos não-conformes submetidos a ensaios a seco de rolamento cíclico”, Tese de Doutorado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, V.1

Sari, M. R., Haiahem, A., Flamand, L., 2007, “Effect of Lubricant Contamination on Gear Wear”, Springer Science+Business Media, v. 27, pag 119–126. Apud Medeiros, J. T. N. de, 2002

Y. Ding, Reiger F.N.,2003 , “Spaling formation mechanism for gears.” Wear 254(2003) 1307- 1317 6. DIREITOS AUTORAIS

A test rig to evaluate the response of two lubricant oils in a gearbox

CON08-1724

Abstract: A new approach is presented to evaluate a lubricant of high performance to be used in a gearbox of a

jackpump used in the Petroleum Industry. The test rig is composed by an electrical motor coupled with a speed reducer constituted of two sets of helical gears. The power transmitted is 248 W (1/3 cv) under a 4:1 speed reduction. The electric power consumed is monitored as also as the dissipated energies – thermal, vibrational elastic and acoustic energy. The magnitude of temperatures, sound pressure level and vibration parameters are an indicative of the system efficiency, including the role of lubricant during the operational conditions. The worn surfaces of gear teeth and two lubricants have been analyzed, before and after to be used in the gearbox. The normal load application in the output shaft of the gearbox was controlled using a Prony’s brake. The obtained results are discussed and the wear of the surfaces are analyzed to reveal the main gear wear mechanisms associated with the use of two different lubricants .