Rolamento para alta velocidade: qual o melhor?

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O rolamento para alta velocidade é utilizado em equipamentos que exigem maior estabilidade e melhor performance, sem produzir ruídos. Melhora o desempenho e se apresenta como solução muito eficiente para economia de energia.

Algumas variantes de Rolamentos de rolos cilíndricos da SKF possuem a capacidade de alta velocidade, mas eles foram projetados para aplicações como caixas redutoras industriais, redutores de engrenagens para turbinas eólicas e equipamentos de mineração.

No entanto, em aplicações com compressores e bombas há uma tendência clara de aumentar a densidade de potência, com aumento da velocidade de rotação do rolamento.

Para atender essa necessidade a SKF desenvolveu uma nova linha de rolamentos de esferas.

Os objetivos foram três:

  1. aumentar a velocidade limite em 40%,
  2. reduzir os níveis de ruído e
  3. aumentar a robustez do rolamento em condições operacionais desfavoráveis ​​(cargas de choque, desalinhamento do eixo, etc.).

Além disso, a SKF está ajudando os fabricantes de equipamentos a atender às demandas dos clientes por níveis ainda mais altos de eficiência energética e confiabilidade.

Nova linha SKF de rolamentos para alta velocidade

Os rolamentos para alta velocidade da nova linha de rolamentos de esferas de contato angular de uma carreira SKF Explorer com ângulo de contato de 25°, equipados com uma nova gaiola de latão e uma geometria de pista aprimorada, podem suportar velocidades muito mais altas (até n×dm = 1.050.000 mm/min) e são mais robustos em condições operacionais severas em comparação com os rolamentos SKF de esferas de contato angular de uma carreira com ângulo de contato de 40°.

A nova variedade de ângulos de contato de 25° de diâmetro de furo de 15 mm até 70 mm na série 72 AC e de 17 mm a 70 mm na série 73 AC foi lançada em abril de 2017.

Devido ao projeto modular do rolamento de esferas de contato angular de uma carreira, os clientes podem escolher a gaiola, a vedação e o ângulo de contato mais adequados para projetar novas gerações de compressores mais eficientes e confiáveis, para reduzir os custos totais de propriedade para os operadores.

Com base em alguns estudos de conceito, os seguintes recursos foram desenvolvidos e implementados na nova linha de rolamentos para alta velocidade:

  • ângulo de contato de 25°,
  • novo design de gaiola, material de latão mais forte,
  • geometria da pista melhorada.
Compressor Centrífugo
Compressor Centrífugo

Por que ângulo de contato de 25° em rolamento para alta velocidade?

Os rolamentos de esferas de contato angular de uma carreira, como padrão, têm um ângulo de contato de 40°.

Em aplicações com altas demandas de rigidez axial, como acionamentos de parafuso de máquina-ferramenta, o comum é usar rolamentos de esferas de contato angular com ângulos de contato maiores (por exemplo, 62°).

Para rolamentos em aplicações de alta velocidade com cargas axiais moderadas, é preferível um ângulo de contato menor (por exemplo, 15° ou 25°).

Efeitos cinemáticos de diferentes ângulos de contato

Se um rolamento de esferas de contato angular de uma carreira for carregado puramente na direção axial, as forças de contato resultantes entre as esferas e os anéis tornam-se maiores com ângulos de contato menores.

Quando o rolamento gira, as forças centrífugas (Fc) causam mudanças no ângulo de contato.

Os pontos de contato entre o anel interno e as esferas, bem como entre o anel externo e as esferas, se moverão para fora. Este efeito provoca uma variação do ângulo de contato (∆α) e subsequente deslizamento entre esferas e anéis.

Ao aplicar a mesma carga axial em rolamentos de esferas de contato angular de uma carreira com diferentes ângulos de contato, a variação do ângulo de contato é muito menor para rolamentos com ângulos de contato menores.

Fig. 2: Efeitos cinemáticos em rolamentos com ângulos de contato de 40° e 25°.
Fig. 2: Efeitos cinemáticos em rolamentos com ângulos de contato de 40° e 25°.

A figura 3 mostra a variação do ângulo de contato dos rolamentos de uma carreira tipo 7313 com ângulo de contato de 40° e 25° em diferentes velocidades.

A menor variação do ângulo de contato não apenas resulta em menos deslizamento entre as esferas e os anéis, mas também resulta em forças reduzidas no bolsão da gaiola.

Esta é porque os rolamentos com ângulo de contato de 25° podem operar com velocidades mais altas sem fratura da gaiola.

Variação do ângulo de contato em diferentes velocidades.
Fig. 3: Variação do ângulo de contato em diferentes velocidades.

Design otimizado da gaiola de latão em rolamento para alta velocidade

Em aplicações de alta velocidade, a gaiola é um componente crucial do rolamento.

Portanto, para rolamento de alta velocidade com ângulo de contato de 25°, foi desenvolvida uma nova gaiola de latão com as seguintes melhorias de design:

  • forma toroidal dos bolsos da gaiola (fig. 4)
  • redução do ângulo do eixo do bolsão da gaiola
  • folga otimizada do bolso da gaiola
  • bolsos de gaiola ovais
  • forma otimizada do contorno externo
  • novo material de latão com propriedades mecânicas melhoradas e menor teor de chumbo.
Corte transversal através de um bolsão de gaiola; esquerda: desenho anterior, combinação de cilindro (1) e cone (2); à direita: novo design, combinação de cilindro (3) e toro misto (4).
Fig. 4: Corte transversal através de um bolsão de gaiola; esquerda: desenho anterior, combinação de cilindro (1) e cone (2); à direita: novo design, combinação de cilindro (3) e toro misto (4).

Definiu-se a geometria do bolsão da gaiola com base na análise de elementos finitos. Todas as simulações foram feitas com o BEAST, um software proprietário de simulação de rolamentos da SKF de última geração. Analisando as forças de contato entre gaiola e esferas para diferentes condições de operação e com diversas geometrias de bolsões.

Também foram feitas análises de elementos finitos para comparar diferentes variantes de projeto. Mas para uma verificação abrangente de novos produtos, testes físicos são essenciais. Além dos testes de robustez e atrito, um grande número de testes de alta velocidade foi feito para verificar o desempenho da gaiola. Com base nos resultados positivos do teste, a velocidade limite para a gaiola de latão recém-desenvolvida foi aumentada em aproximadamente 30% (fig. 5).

Comparação de velocidade limite.
Fig. 5: Comparação de velocidade limite.

Devido a um contato bola-gaiola otimizado (formato toroidal), o comportamento da temperatura em altas velocidades é mais estável e melhora a formação do filme lubrificante.

Com base no design do compartimento da gaiola oval, onde a folga na direção axial é menor, os níveis de ruído e vibração caíram em 15%.

Geometria da pista também ficou melhor no rolamento para alta velocidade

O perfil da pista dos rolamentos de esferas geralmente é um arco circular. Em condições severas de operação com cargas de choque axial e desalinhamento do eixo pode acontecer que a elipse de contato atinja a borda do ressalto (truncamento), o que causa altos picos de tensão.

Essas cargas desfavoráveis ​​podem ser um motivo para danos e falhas prematuras no rolamento. Para reduzir este risco, a geometria da pista para rolamentos com ângulo de contato de 25° sofreu melhorias, adicionando um segundo arco circular (r 2) com maior osculação (fig. 6).

Geometria da pista em rolamento de alta velocidade
Fig. 6: Novo desenho: Geometria da pista.

Assim, com a nova geometria da pista, o risco de truncamento da elipse ficou significativamente menor. Os rolamentos de esferas de contato angular de uma carreira com a nova geometria de pista podem acomodar forças axiais até aproximadamente três vezes maiores sem truncamento de elipse, em comparação com rolamentos com um raio de pista constante.

Devido a esta nova geometria da pista, a pressão de contato é ligeiramente maior porque a área de contato reduziu. Este aumento da pressão de contato depende das cargas axiais e radiais que atuam no rolamento. Para condições de aplicação típicas, os aumentos de pressão de contato são sempre inferiores a 1%.

Conteúdo adaptado de: https://evolution.skf.com/new-bearings-for-high-speed-applications/

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