Tribologia é a ciência do desgaste, fricção e lubrificação, e abrange como as superfícies de interação e outros tribo-elementos se comportam em movimento relativo em sistemas naturais e artificiais. Isso inclui o design e a lubrificação do rolamento.
Tribologia não é uma ciência isolada, mas sim um empreendimento complexo e multidisciplinar onde os avanços são feitos por esforços colaborativos de pesquisadores de áreas como engenharia mecânica, manufatura, ciência e engenharia de materiais, química e engenharia química, física, matemática, ciências biomédicas e engenharia, ciência da computação e muito mais.
QUAIS SÃO OS FUNDAMENTOS DA TRIBOLOGIA?
Um dos pilares mais importantes da tribologia é o pensamento analítico e relacionado ao sistema.
Sistemas tribológicos123
Atrito e desgaste não são propriedades do material. Eles são respostas a um sistema tribológico específico que normalmente inclui uma combinação de rolamento, eixo e lubrificante e, como tal, são influenciados por uma ampla gama de fatores. O subsistema tribológico na Figura 1 fornece uma visão geral dos fatores comuns que afetam os valores de atrito e desgaste:
Este sistema tribológico é composto pelo estresse coletivo / entradas operacionais, estrutura do sistema e as saídas funcionais e de perda. O estresse coletivo inclui os parâmetros de carga técnicos e físicos, incluindo carga, velocidade de deslizamento e duração, juntamente com as condições de movimento e temperatura que estressam o sistema. estrutura. A estrutura do sistema é determinada pelos perfis de propriedade dos elementos substanciais, incluindo a base, corpo oposto e ambiente e o meio intermediário.
1Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg + Teubner Verlag, 2010
2Theo Mang, Kirsten Bobzin, Thorsten Bartels: Tribologia Industrial: Tribossistemas, Fricção, Desgaste e Engenharia de Superfície, Lubrificação, Wiley-VCH, 2011
3Theo Mang et al .: Enciclopédia de Lubrificantes e Lubrificantes, Springer Verlag, 2014
QUAIS SÃO OS DESAFIOS PRIMÁRIOS QUE UM TRIBÓLOGO 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 uma bancada de teste tribológico para uma aplicação real. As comparações entre os valores medidos só são possíveis quando baseadas em um sistema tribológico muito semelhante. O comportamento tribológico dos materiais só pode ser estimado para aplicações específicas com base em modelagem e teste de simulação, desde que as condições operacionais específicas da aplicação e do ambiente de teste sejam as mesmas.
FRICÇÃO E DESGASTE (1) (2) (3)
O que é atrito?
Atritoé a força de resistência ao movimento entre dois corpos em contato. O atrito pode ser descrito no nível macroscópico pelas leis básicas do atrito dos físicos Guillaume Amontons e Charles-Augustin de Coulomb. Esses 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. É definido pela relação entre a força de atrito resultante e a força normal aplicada.
No entanto, o mecanismo real de atrito deslizante ocorre em um nível microscópico, o que significa que as teorias tribológicas sobre o atrito também envolvem a topografia das superfícies. O tribologista diferencia entre a área de contato real e a área de contato nominal (dimensões geométricas), que é responsável por 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:
O que é vestir?
O desgaste é definido como a perda irreversível de material de superfícies em interação. Os processos elementares físicos e químicos dentro da área de contato de um par de deslizamento que subsequentemente levam à mudança no material e na forma dos parceiros de atrito são conhecidos como mecanismos de desgaste. Esses mecanismos de desgaste incluem:
Os mecanismos de fricção e desgaste são fortemente afetados pela estrutura do sistema tribológico, bem como pelo estresse coletivo induzido:
µ=f (tribo-estrutura (t), estresse coletivo induzido (t))
w=f (tribo-estrutura (t), estresse coletivo induzido (t))
Os mecanismos de atrito e desgaste não ocorrem de forma isolada, mas sim por meio de uma sobreposição de mecanismos que é desafiador para quantificar e controlar. Essa sobreposição ocorre em sistemas tribotécnicos em proporções não detectáveis e em proporções que variam ao longo do tempo e do lugar, tornando quase impossível calcular os processos de atrito e desgaste em um contato tribo. É por isso que os testes tribológicos são tão cruciais para estimar o comportamento tribológico. Se quisermos interpretar e compreender dados medidos tribologicamente e pesquisas orientadas a mecanismos, precisamos de conhecimento completo dos mecanismos de atuação em um contato tribológico.
Os tribologistas classificam as condições de atrito, desgaste e lubrificação de acordo com os seguintes cronogramas:
Regime de atrito 0:Atrito sólido: o atrito é criado entre superfícies sólidas de contato direto sem qualquer lubrificante.
Regime de atrito I:Fricção limite: Fricção sólida, na qual as superfícies dos parceiros de fricção são cobertas por uma película de lubrificante molecular que não tem capacidade de carga. O lubrificante tem influência nas características de atrito e desgaste.
Regime de atrito II:Fricção mista: os regimes de fricção I e III coexistem. O valor de atrito é uma combinação de atrito sólido e hidrodinâmico. Uma película de fluido criada pelo lubrificante tem uma capacidade de carga.
Regime de atrito III:Atrito hidrodinâmico: O valor do atrito é determinado por cisalhamento no fluido. A capacidade de carga do filme fluido impede o contato 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:Valores de desgaste mais baixos devido a uma película de fluido molecular.
Regime de desgaste c:Desgaste leve devido à separação parcial das superfícies por meio de um filme fluido mais espesso.
Regime de desgaste d:“Zero desgaste”, resultante de filmes de fluido hidrodinâmico ou elasto-hidrodinâmico que evitam o contato direto das duas superfícies.
QUE RESULTADOS PODEM SER ALCANÇADOS APLICANDO A TRIBOLOGIA AO DESIGN DE ROLAMENTO?
Como a Tribologia pode levar a melhorias mensuráveis do produto?
Os testes tribológicos nos permitem obter informações sobre o tribo-desempenho de materiais para gerar novos e melhores designs de materiais. Podemos então direcionar as composições de materiais para alcançar propriedades tribológicas melhores e específicas.
Os resultados dos testes tribológicos e os métodos analíticos de superfície nos ajudam a estimar o tribo-desempenho, incluindo fricção e desgaste, mecanismos de falha, cinética de filmes de transferência de materiais existentes e novos protótipos com base em vários fatores e influências. Essas informações nos ajudam a ver e compreender variáveis como os efeitos de várias composições de materiais, incluindo enchimento, concentração de enchimento, efeitos sinérgicos de enchimentos, estrutura do material, bem como o impacto de outros elementos da estrutura do sistema.
Como o Tribology melhora a eficiência e estende a vida útil dos materiais dos rolamentos?
Superfícies de contato tribologicamente otimizadas
Identificar fatores críticos que influenciam o tribo-sistema
Identificar soluções para melhorar a eficiência e reduzir o desgaste, incluindo:
Uso de materiais com fricção e desgaste otimizados.
Otimizando pares de materiais, o que leva a baixos níveis de atrito e desgaste.
Selecionar e usar os lubrificantes corretos.
Chegando às mudanças de design que têm um impacto benéfico no desempenho geral do tribo-sistema.
Quais são alguns exemplos de avanços na tecnologia de rolamentos que a pesquisa tribológica proporcionou?
Para uma visão geral dos avanços históricos na tecnologia de rolamentos impulsionados pela tribo-pesquisa, leiaeste artigo na revista Eureka. Abrange rolamentos de rolos rudimentares usados pelos antigos egípcios, rolamentos de esferas usados pelos romanos 40BC, as funções de tratamento térmico de aço endurecido e cerâmicas à base de óxido. Ele também cobre o desenvolvimento do primeiro rolamento de polímero de metal liso autolubrificante da GGB.
Em quais setores e aplicações a tribologia é útil?
A tribologia desempenha um papel central em aplicações nas quais duas superfícies de contato se movem em relação uma à outra. Algumas indústrias colocam mais demandas em sistemas tribológicos devido à sua criticidade de missão, requisitos de operação contínua ou condições extremas.
O QUE UM ENGENHEIRO PRECISA PENSAR AO DESENHAR PRODUTOS OU EXPERIMENTOS DE FRICÇÃO / DESGASTE?
Isso depende muito do aplicativo. Algumas aplicações exigem baixa fricção (por exemplo, materiais de rolamentos), enquanto outras requerem alta fricção (por exemplo, sistemas de freio). Para a maioria das aplicações, o desgaste mínimo dos materiais é o objetivo principal. Para muitas aplicações, um ponto ideal definido entre os níveis de baixo atrito e bom desempenho de desgaste é frequentemente visado.
Ao projetar experimentos que descrevem o atrito e o desgaste, os testes tribológicos podem ser colocados em uma das seis categorias principais, desde testes de campo na Categoria I até os testes de modelo de laboratório mais simples da Categoria VI.
Categoria I:Um teste de campo é conduzido em condições operacionais normais, que podem incluir condições operacionais estendidas. Isso resulta em uma repetibilidade pobre, mas está próximo dos requisitos do mundo real que o sistema tribológico enfrentará.
Categoria II:Os experimentos são realizados com uma peça completa do equipamento em um ambiente de fábrica. Esses experimentos podem alcançar resultados próximos às condições normais de operação e podem ser conduzidos durante um período de tempo para replicar as condições de operação estendidas, limitando o impacto ambiental.
Categoria III:Componentes, subsistemas ou conjuntos são testados em um laboratório aproximando as condições normais de operação estendida, produzindo repetibilidade média
Categoria IV:Os testes de laboratório são conduzidos em componentes padrão seriais usando aparelhos de planta de teste em escala reduzida.
Categoria V:Os experimentos são conduzidos em uma amostra com equipamento de teste para fornecer condições operacionais próximas ao normal com excelente repetibilidade.
Categoria VI: Um teste de bancada é realizado com um equipamento simples de teste de laboratório.
É importante lembrar que nas categorias I a III, a estrutura do sistema do triboagregado original permanece consistente e apenas o estresse coletivo é simplificado. As categorias II e III oferecem tensões coletivas mais reproduzíveis 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 do teste para sistemas tribotécnicos práticos comparáveis. As categorias IV a VI oferecem melhor metrologia do subtribo-contato, menor custo e prazos de teste mais restritos.1Portanto, com uma ordem crescente das categorias de teste, o tempo e o custo do teste aumentam significativamente, mas a capacidade de transferência do resultado do teste também aumenta.
Como podemos aplicar as categorias de teste ao rolamento do sub-tribo sistema?
Os testes tribológicos de materiais de rolamentos podem ser divididos em quatro categorias principais:
Descrições de desempenho do produto, que incluiriam as categorias IV e III para garantir a transferibilidade dos resultados.
Monitoramento da Produção / Fabricação, incluindo as categorias VI a IV, com a categoria III também sendo uma possibilidade.
Os testes de rolamentos relacionados ao cliente podem incluir as categorias III a V, tendo em mente que a categoria V é relevante apenas se o teste puder ser adaptado o mais próximo possível da aplicação.
Todas as categorias podem ser usadas para apoiar designers de material, com categorias inferiores nos estágios iniciais de desenvolvimento para pré-seleção e categorias de numeração mais alta entrando em jogo conforme os subcomponentes e o produto final estão disponíveis.
1Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg + Teubner Verlag, 2010
QUAL É A ABORDAGEM DA GGB PARA DESENVOLVER SOLUÇÕES DE ROLAMENTOS ATRAVÉS DE ESPECIALIZAÇÃO TRIBOLÓGICA?
A GGB desenvolve materiais tribologicamente otimizados com base em resultados tribológicos. Combinamos este conhecimento da ciência dos materiais e desempenho com uma compreensão completa do desempenho tribológico de nossos produtos e como eles se alinham com os requisitos de aplicação de nossos clientes.
QUAIS SÃO ALGUMAS REALIZAÇÕES DA GGB NO CAMPO DA TRIBOLOGIA COMO SE APLICAM A SOLUÇÕES DE ROLAMENTO?
Em 2015, lançou oHPMB®Rolamento de filamento autolubrificante enrolado com revestimentos usináveise aRolamentos bimetálicos sem chumbo GGB-SZ.
Lançou uma série de rolamentos autolubrificantes de bronze sinterizado e ferro sinterizado em 2014, incluindo oGGB-BP25,GGB-FP20eGGB-SO16.
Os rolamentos do GGB tiveram um papel importante na aterrissagem na lua de 2012 do NASA Curiosity Rover. oDU autolubrificante®rolamentos de metal polímeroservem como componentes primários de suspensão para o eixo de perfuração do rover.
Em 2010, lançou materiais para desempenho superior sob condições de lubrificação marginal ou seca, incluindo os materiais de polímero de metal sem chumboDP10eDP11.
Lançou uma linha de produtos enrolados com filamentos para os mercados europeu e asiático em 2009, incluindo uma estrutura forte e estável para requisitos de alta carga e baixo desgaste.
NovoDX®10 rolamentossão reconhecidos ao ganhar o 2008 North American Frost& Prêmio Sullivan de Inovação de Produto do Ano na categoria de rolamentos de caminhão da classe 7-8, concedido pela excelência em novos produtos e tecnologias na indústria.
Em 2003, introduziu omaterial de polímero metálico DP31 sem chumbocom melhor desempenho sob condições lubrificadas e menor atrito, melhor resistência ao desgaste e maior resistência à fadiga.
LançadoEPTM, uma nova linha de rolamentos de polímero sólido termoplástico moldados por injeção.
Em 1995, introduziu omaterial de polímero metálico DP4 sem chumbo com revestimento de açopara satisfazer as necessidades de amortecedores automotivos e outras aplicações hidráulicas.
Assumiu aplicações de alta temperatura com o lançamento de 1986 doHI-EX®material de rolamento.
Lançou a primeira linha de produtos enrolados em filamentos nos EUA, incluindoGAR-MAX®, suportando altas cargas estáticas e dinâmicas.
Em 1965, lançou oDX marginalmente lubrificado®material de metal-polímeropara aplicações lubrificadas com graxa ou óleo.
Em 1956, a GGB introduziu oDU®, o primeiro material de rolamento de polímero metálico com suporte de aço com revestimento de bronze e PTFEpara excelente baixa fricção e resistência ao desgaste. Nesse mesmo ano, a empresa lançou o DU-B, com base de bronze para maior resistência à corrosão.
Em 1887, Olin J. Garlock patenteou seu primeiro sistema de vedação industrial para vedar hastes de pistão em motores industriais a vapor.
COMO PODE A TRIBOLOGIA REDUZIR OU ELIMINAR A NECESSIDADE DE LUBRIFICANTES LÍQUIDOS?
Lubrificantes fazem parte da tribologia, mas em alguns casos a lubrificação pode ser incorporada ao material dos componentes do tribo-sistema.
Os projetistas de materiais, portanto, criam materiais específicos para condições de lubrificação a seco, alcançando um desempenho tribológico superior em relação ao atrito e desgaste com redução ou eliminação de lubrificantes líquidos.
COMO A CONDIÇÃO DE UM EIXO E A CAMADA DE TRANSFERÊNCIA IMPACTAM NO DESEMPENHO TRIBOLÓGICO?
Porque o eixo é um elemento essencial da estrutura do sistema tribológico do subsistema de rolamentos. Suas propriedades têm um impacto direto sobre o atrito e o desgaste, bem como em todas as outras ocorrências no contato abearing / 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 DEVEM SER CONSIDERADOS NA SELEÇÃO DE ROLAMENTOS? COMO ESTES FATORES AFETAM A SELEÇÃO DE ROLAMENTOS?
O escopo do sistema tribológico é de importância essencial na seleção de rolamentos. Uma visão geral de alto nível das considerações incluiria o seguinte
1. O estresse coletivo induzido, incluindo:
Natureza da carga
Natureza do movimento
Temperaturas
Fator tempo
2. O parceiro de acasalamento:
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.