Chumaceiras de metal antifricção

Este artigo apresenta uma introdução às chumaceiras de metal antifricção e à sua lubrificação.

Este artigo pertence a uma série, que constitui o material de suporte do curso de análise de vibrações em turbomáquinas. As ligações para os outros artigos podem ser encontradas aqui.

1 –     Introdução

As chumaceiras são utilizadas para evitar o atrito entre peças durante o movimento relativo. Nas máquinas, dividem-se em duas categorias principais:

• Chumaceiras de rolamentos
• Chumaceiras de metal antifricção.

2 Função das chumaceiras

A principal função de uma chumaceira é transportar carga entre um rotor e a estrutura da máquina com o menor desgaste possível. Esta função da chumaceira existe em quase todas as ocorrências da vida quotidiana, desde o relógio no pulso, ao automóvel e à unidade do disco no computador. Na indústria, a utilização de chumaceiras de rolamentos é especializada em máquinas rotativas de baixa e alta velocidade.

Figura 1 – Funções da chumaceira

A tecnologia de lubrificação anda de mãos dadas com a compreensão das chumaceiras de metal antifricção e é parte integrante da conceção e aplicação das chumaceiras.

Uma vez que possuem uma película de fluído com amortecimento significativo, as chumaceiras de deslizamento têm um forte impacto nas características de vibração das máquinas. Os tipos de maquinaria em foco, vão desde pequenos fusos de alta velocidade a motores, sopradores, compressores, ventiladores e bombas a grandes turbinas e geradores a alguns rolos de fábricas de papel e outros grandes rotores de baixa velocidade.

3 Quando utilizar chumaceiras de metal antifricção

Existem muitas aplicações em que as chumaceiras de rolamentos são a melhor escolha. Normalmente, os motores mais pequenos, as bombas e os ventiladores utilizam chumaceiras de rolamentos. Os rolos da fábrica de papel utilizam frequentemente grandes rolamentos esféricos especializados. Claramente, as chumaceiras de rolamentos são os melhores para estas aplicações.

Figura 2 – A chumaceira de pelicula fluída

No entanto, quando o tamanho de uma bomba (ou ventilador ou motor, etc.) se torna suficientemente grande e rápido, entra-se numa zona cinzenta. Existem chumaceiras de rolamentos utilizados com sucesso, nestas condições, mas à medida que as velocidades aumentam e as temperaturas sobem, a dinâmica do rotor torna-se frequentemente uma preocupação e são encontradas velocidades críticas. É nesta altura que o amortecimento é necessário as chumaceiras de metal antifricção tornam-se cada vez mais necessárias.

Nas turbomáquinas deve-se considerar a utilização as chumaceiras de metal antifricção se funcionarem acima das 3000 rpm ou se a máquina exceder os 500 CV (375 Kw). A partir de 1000 HP (750 Kw), todas as máquinas, exceto em casos muito especiais, devem estar equipadas com chumaceiras de metal antifricção especificamente concebidos para esse serviço. Existem exceções, claro, e a decisão de onde aplicar que tipo de chumaceira é, em última análise, tomada para cada máquina individualmente com base em boas práticas de engenharia e experiência.

4 Vantagens das chumaceiras de metal antifricção

A principal vantagem de uma chumaceira de metal antifricção é, frequentemente, considerada como a ausência de contacto entre as peças rotativas e, por conseguinte, vida infinita. Num sentido estrito, isto é verdade, mas outras complicações fazem com que esta seja uma razão secundária para a utilização destas chumaceiras. Durante o arranque, há um contacto momentâneo de metal com metal e materiais estranhos no lubrificante ou vibração excessiva podem limitar a vida útil de uma chumaceira de metal antifricção. Por estas razões, é necessário ter um cuidado especial ao selecionar e implementar a lubrificação e devem ser aplicadas técnicas especiais de controlo das vibrações.

Figura 3 – Turbina a vapor de um grupo gerador

Os aspetos mais importantes da saúde e longevidade de uma chumaceira de metal antifricção são:

• a sua seleção,
• Instalação,
• Lubrificação
• As cargas hidrodinâmicas alternadas impostas à superfície da chumaceira pela vibração relativa entre o veio e a chumaceira.

Algumas das principais vantagens das chumaceiras de metal antifricção são:

• Proporcionam amortecimento. O amortecimento é necessário para passar por uma velocidade crítica. O amortecimento também é necessário para suprimir instabilidades e vibrações subsíncronas;
• Capacidade de resistir a cargas de choque e outros abusos;
• Reduzir o ruído;
• Reduzir as vibrações transmitidas;
• Isolamento elétrico do rotor à terra;
• Vida útil muito longa em condições normais de carga;
• Grande variedade de tipos de chumaceiras para aplicações específicas.

O lubrificante utilizado fornece estas funções a todos as chumaceiras:

• Eliminar o calor gerado na chumaceira;
• Eliminar os detritos da área de carga.

Algumas desvantagens das chumaceiras de metal antifricção são:

• Maior atrito (perda de potência) do que nas de rolamentos;
• Suscetível à contaminação por partículas;
• Não pode funcionar durante um período prolongado se o lubrificante faltar, por exemplo, numa falha do sistema de lubrificação;
• Posicionamento radial do rotor menos preciso.

A utilização de casquilhos é também uma vantagem em muitas aplicações no que respeita à manutenção. A maioria das chumaceiras de metal antifricção são divididas e não é necessário remover o rotor para inspecionar e substituir. Embora também estejam disponíveis as chumaceiras de rolamentos divididos, são dispendiosas e não são comuns. Os danos por fadiga das chumaceiras de deslizamento são normalmente visíveis numa fase inicial e permitem um melhor diagnóstico dos modos de falha, de modo que possam ser tomadas medidas corretivas para evitar a recorrência.

5 Conceitos básicos de chumaceiras de metal antifricção  

Para ilustrar a nomenclatura básica, a geometria e introduzir as ideias de como funcionam as chumaceiras de metal antifricção, será analisada a chumaceira mais simples, denominada chumaceira de deslizamento lisa ou de casquilho. A figura a seguir é uma fotografia de uma chumaceira de deslizamento. Um material de base de aço é revestido com um material de babbitt e perfurado para um diâmetro circular igual ao diâmetro do veio mais a folga desejada. São cortadas ranhuras na linha de separação para admitir óleo.

Figura 4 – Chumaceira de deslizamento lisa ou de casquilho

A uma velocidade zero, o veio repousa sobre a chumaceira no ponto morto inferior. Assim que a rotação do veio começa, o veio “levanta-se” sobre uma camada de óleo. Nas chumaceiras de metal antifricção, a lubrificação é necessária entre um par de superfícies com movimento relativo. Existe sempre uma cunha convergente que se forma devido às velocidades relativas das superfícies e à viscosidade do lubrificante para suportar a carga aplicada. Desenvolve-se uma película de pressão de óleo com vetores de força iguais e opostos à carga aplicada. Uma superfície arrasta o lubrificante, normalmente um óleo, para uma fenda convergente. À medida que o espaço disponível nesta fenda diminui, o fluído desenvolve um gradiente de pressão, ou colina de pressão. Quando o fluído sai da fenda, a pressão elevada ajuda a expulsá-lo pelo outro lado. A figura a seguir apresenta um diagrama simples desta situação.

Figure 5 – Desenvolvimento da cunha de óleo entre o veio e a chumaceira

Os lubrificantes podem ser qualquer fluído, incluindo gases. Inicialmente, alguns dos lubrificantes usados eram o sebo, a banha (gordura animal), os óleos vegetais e os óleos de baleia e de peixe. Até a água pode ser utilizada em determinadas condições. Os óleos minerais do petróleo evoluíram de destilados simples para formulações complexas com aditivos especiais atualmente. Também foram desenvolvidos lubrificantes sintéticos, principalmente poilalfaolefinas e ésteres. Silicones, glicóis e outros fluídos são também utilizados em aplicações especiais. Não existe um lubrificante ideal ou universal, todos são compromissos que se adaptam a uma determinada situação. As aplicações vão desde cargas pesadas a baixa velocidade até cargas leves a alta velocidade. Num extremo, podem ser necessários lubrificantes sólidos e, no outro, podem ser necessárias chumaceiras de gás. Obviamente, a maioria das aplicações situa-se no meio, onde são utilizados lubrificantes de massa e óleo. Este artigo sobre chumaceiras de deslizamento, limitar-se à lubrificação com óleo leve encontrada na maioria das turbomáquinas.

6 Nomenclatura de chumaceiras

A terminologia aqui utilizada é apresentada esquematicamente na figura a seguir. A notação simbólica e as definições são as seguintes:

• R_j = Raio do moente do veio
• R_b = Raio da chumaceira
• C_b = Folga radial da chumaceira = R_b – R_j
• h = Folga radial em função da posição angular onde a folga é medida
• h_min = Espessura mínima da película de óleo
• e = Excentricidade – a distância entre o centro da chumaceira e o centro do veio
• e = e/C_b = Relação de Excentricidade – se for zero, o veio está centrado; se for 1, o veio toca no metal antifricção
• Linha de centros = Linha que liga o centro da chumaceira e o centro do veio
• φ= Ângulo de atitude = Ângulo do eixo -Y à linha de centros
• Ω ou ω = Direção de rotação e velocidade em rad/s
• W = Peso

Figura 6 – Nomenclatura de chumaceiras

No exemplo de chumaceiras de metal antifricção, a carga é suportada por uma região de óleo de alta pressão, como se mostra na figura anterior. Cada linha no perfil de pressão representa um vetor de pressão de óleo na linha central da chumaceira. A soma dos componentes verticais é igual à carga aplicada e os componentes horizontais anulam-se para o equilíbrio. Os orifícios de entrada de óleo são colocados em áreas de pressão mínima.

7 Desempenho da chumaceira

Desempenho da chumaceira – Rigidez e amortecimento

Embora a rigidez e o amortecimento proporcionados por uma chumaceira de metal antifricção sejam cruciais, existem outros fatores de conceção que devem ser considerados para compreender o seu funcionamento.

Figura -7 – Rigidez e amortecimento da chumaceira

Note-se que:

• Kxx é uma abreviatura para a rigidez horizontal
• Kyy significa rigidez vertical.

Desempenho da chumaceira – excentricidade

Por exemplo, se a excentricidade for demasiado elevada, existe o risco de contacto metal-metal e de serem transmitidas cargas dinâmicas mais elevadas ao Babbitt, causando fadiga prematura. Se a excentricidade for demasiado baixa (o moente está quase centrado), a máquina pode tornar-se mais facilmente instável. A excentricidade é uma função tanto da velocidade como da carga.

Desempenho da chumaceira – ângulo de atitude

O ângulo de atitude entre o eixo vertical na direção da carga e a linha de centros também se altera com a velocidade. Um gráfico deste ângulo com a excentricidade descreve um gráfico do local da linha de centro do veio à medida que a velocidade muda, como se pode ver na figura a seguir.

Figura 8 – Variação do ângulo de atitude entre o eixo vertical na direção da carga e a linha de centros¹

Desempenho da chumaceira – Temperatura

Um dos parâmetros mais importantes é a temperatura máxima que será gerada na película de óleo. Isto é consistente com as perdas de potência para uma determinada chumaceira e será um pouco maior do que a temperatura real medida com um RTD ou termopar no casquilho da chumaceira.

Embora seja possível operar chumaceiras de deslizamento acima de 90ºC, normalmente procura-se manter a temperatura máxima da película de óleo abaixo disso, devido à perda de resistência à fadiga do babbitt. Se possível, um bom projeto terá a temperatura máxima do filme de óleo menor que 80ºC para permitir alguma margem para eventos transitórios.

Figura 9 – Medição de temperatura de chumaceira

Desempenho da chumaceira – Espessura mínima da película

A espessura mínima da película de óleo, e um parâmetro muito importante. A seguir, o rácio h/C_b é representado como uma função da velocidade com uma carga constante. Esta relação é entre a espessura mínima da película como uma percentagem da folga da chumaceira. Se soubermos que a folga radial é de 5 mils (127 microns), então pode-se calcular a espessura mínima da película a qualquer velocidade. Para uma folga radial de 5 mils, neste caso, o h seria de cerca de 1 mil (25 microns) a 100 RPM e mais de 4 mils (100 microns) acima de 5000 RPM.

Figura 10 – A espessura mínima da película de óleo numa chumaceira lisa a carga constante¹

8 – Lubrificação

A viscosidade é o fator mais importante para as chumaceiras de metal antifricção.

Existem duas formas de terminologia de viscosidade e numerosas unidades associadas a estas medidas.

A viscosidade absoluta ou dinâmica é a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento resultante à medida que um fluído flui. Quanto mais um fluído resiste ao cisalhamento, mais espesso ele é e maior é a viscosidade absoluta. Esta é medida em Poise (ou Centipoise).

A viscosidade cinemática é a viscosidade absoluta dividida pela gravidade específica. A unidade de medida mais comum é o Centistoke, abreviado cSt.

Gamas de viscosidade

A Tabela 2 é uma lista de aplicações típicas e as gamas de viscosidade encontradas em diversas aplicações. Esta lista não está de modo algum completa nem pretende excluir outros óleos em serviços semelhantes. A viscosidade varia significativamente com a temperatura e a variação é altamente não-linear. Muitas vezes é efetuada, a mistura de bases de óleo para reduzir estes efeitos

Tabela 1 – Gamas de viscosidade típicas para várias aplicações

Aplicação	Gama de viscosidades (cSt)
Relógios, Instrumentos ligeiros, Fusos de alta velocidade	2-20
Turbomáquinas – Turbinas, compressores, etc.	4-30
Rolamentos	8-300
Chumaceiras de pelicula de óleo de cargas elevadas e baixa velocidade	8-100
Motores e compressores alternativos	10-300
Engrenagens de alta velocidade	50-150
Engrenagens de baixa velocidade	50-600
Engrenagem sem-fim	200-1000

Regimes de lubrificação

O fator de atrito (e, consequentemente, a perda de potência) é uma função da viscosidade, da carga e da velocidade. Este fator foi quantificado por Richard Stribeck, um engenheiro alemão que efetuou testes de atrito exaustivos em 1902. Nessa altura, houve muita investigação para tentar encontrar as melhores combinações de materiais e lubrificantes que proporcionassem o menor coeficiente de atrito. O fator de atrito é representado como uma função de ZN/P, em que Z é a viscosidade, N é a velocidade e P é a carga. Esta é uma equação não dimensional.

Figura 11 – Curva de Stribeck que relaciona o fator de atrito com a viscosidade, a velocidade e a carga

Normalmente, pretende-se minimizar o atrito, por isso quere-se estar algures na região central da curva de Stribeck, em lubrificação hidrodinâmica. Uma vez que a velocidade e a carga são frequentemente fixas para uma determinada máquina, tem de se escolher uma viscosidade de lubrificante adequada. Outros fatores que afetam esta decisão incluem a temperatura e a pressão de alimentação, a geração e remoção de calor, a resistência à corrosão e a compatibilidade dos materiais.

9 – Materiais das chumaceiras de metal antifricção

Uma vez que a chumaceira é normalmente muito menos dispendiosa do que o veio, é considerada sacrificial, se necessário. Além disso, um baixo coeficiente de atrito de deslizamento a seco entre o veio e o material da chumaceira, é importante para as condições de arranque e paragem.

Praticamente todos os materiais de engenharia concebíveis foram experimentados como material de apoio. O homem primitivo utilizava madeira ou mesmo pedra. Mais tarde, o ferro, o cobre e o couro foram aplicados em veios de velocidade relativamente baixa. No século XVII, Robert Hooke defendeu a utilização de veios de aço com casquilhos de “metal de sino”, essencialmente bronze, para substituir a prática de utilizar blocos de madeira em ferro fundido. Tem havido uma extensa investigação sobre o melhor material de deslizamento a utilizar.

Em 1839, Isaac Babbitt patenteou várias ligas com alto teor de estanho e chumbo que são semelhantes às formulações modernas. É claro, o seu nome é normalmente utilizado para descrever muitos materiais de suporte diferentes. O carbono, a grafite, a cerâmica, os plásticos e os materiais compósitos são todos utilizados atualmente em algumas aplicações. As ligas de chumbo foram praticamente eliminadas nas devido a uma menor resistência e a considerações ambientais. O material de revestimento de chumaceiras de película fluida mais comum utilizado em turbomáquinas atualmente é o Babbitt com alto teor de estanho.

Estas formulações são aplicadas a um material de base, tipicamente aço, quer por moldagem num suporte fixo, quer por fundição por rotação. A fundição por rotação é suposta criar uma melhor ligação com o substrato, mas foi determinado que as impurezas no Babbitt fundido podem migrar para a linha de ligação Babbitt-metal de base durante este processo e enfraquecer essa ligação. Embora o Babbitt não derreta até que a temperatura esteja muito alta, perdeu quase metade da sua resistência à tração à temperatura ambiente, quando atinge a temperatura de 100ºC.

10 – Parâmetros de projeto de chumaceiras de metal antifricção

A conceção de uma chumaceira de deslizamento para uma aplicação específica envolve muitas considerações:

• Espaço disponível
• Atrito e geração de calor
• Carga específica constante
• Velocidade da superfície
• Carga dinâmica (vibrações)
• Relação L/D
• Folga
• Material de base
• Ranhuras

11 – Conceção das chumaceiras de metal antifricção

A forma mais simples de uma chumaceira de metal antifricçãoé um casquilho circular liso com um diâmetro interno ligeiramente superior ao diâmetro externo do veio. As primeiras chumaceiras eram muitas vezes feitas despejando o Babbitt ou o metal branco diretamente numa manga que continha o veio real ou um mandril do mesmo tamanho. Em seguida, a superfície do Babbitt era raspada para proporcionar a folga desejada. O sucesso deste procedimento depende muito da perícia do mecânico. Atualmente, a raspagem da chumaceira é estritamente proibida na maioria das fábricas e não é recomendada. No último século, foram inventadas muitas conceções diferentes de perfis de chumaceiras, mas as geometrias básicas são principalmente limitadas pelo custo e pela facilidade de fabrico. Circunstâncias especiais podem exigir soluções únicas.

Pré-carga

Para além da folga, o segundo fator mais importante de uma chumaceira é a pré-carga. Uma chumaceira com pré-carga significa simplesmente que o centro de curvatura do veio não coincide com o centro geométrico da chumaceira. A pré-carga pode ser considerada como a percentagem de redução da folga. Sem pré-carga significa, com um eixo centrado, uma folga uniforme em toda a volta e 50% de pré-carga reduziria a folga para metade no ponto mais próximo. As chumaceiras industriais típicas têm pré-cargas na gama de zero a 50%. A pré-carga é fácil e barata de adicionar a uma chumaceira circular lisa. É bom evitar aproximar-se demasiado da pré-carga zero para que as tolerâncias não levem a acabar com uma pré-carga negativa. A pré-carga negativa comprime a entrada e a saída dos patins, provocando um efeito de raspagem que privará a chumaceira de lubrificação.

Figura 12 – Pré-carga de uma chumaceira

Desvio

O outro parâmetro geométrico que é controlado é o desvio. Quando a folga mais próxima se situa a meio do arco da chumaceira, esta é a situação mais comum e designa-se por desvio de 50%. O desvio pode ser aumentado para além dos 50%, mas os desvios inferiores a 50% não são normais e não são recomendados. O desvio é facilmente fabricado e difícil de detetar. Uma condição de desvio pode ser muito útil para controlar as características de rigidez e amortecimento, bem como para reduzir as temperaturas de funcionamento. O aumento do desvio abre o lado de entrada da chumaceira, admitindo mais óleo. As chumaceiras com desvio superior a 50% não devem ser rodadas para trás, uma vez que isto cria essencialmente um desvio inferior a 50%. Na prática, as chumaceiras com desvio incluem sempre uma pré-carga positiva.

Figura 13 – Desvio de uma chumaceira

12 – Tipos de chumaceiras de metal antifricção

Como já foi referido, a geometria de chumaceira mais simples é um casquilho circular. Acontece que isso é adequado para muitas máquinas, mas mau para muitas outras aplicações.

A seguir referem-se alguns tipos de chumaceiras.

Figura 14 – Alguns tipos de chumaceiras

Chumaceira de arco parcial

Este é uma chumaceira sem uma metade superior. Utilizada com cargas unidirecionais conhecidas e para poupar energia. Tem amortecimento reduzido e menos capacidade de resistir às vibrações do que uma chumaceira completa. Este tipo não é normalmente uma boa escolha. Por vezes, estes são utilizados para minimizar o atrito e são mais frequentemente encontrados em motores elétricos.

Chumaceira de ranhura axial

Na sua forma mais simples, trata-se de um casquilho circular liso com duas ou mais ranhuras axiais para distribuição de óleo. Normalmente, o modelo de quatro almofadas, mas pode ser utilizado um maior número de almofadas. Pode ser utilizado quando o ângulo de carga muda consoante as variáveis operacionais. Esta conceção tem uma estabilidade ligeiramente superior à de uma chumaceira lisa sem ranhuras.

Figura 15 – Chumaceira de ranhura axial

Chumaceira elíptica (ou com furo de limão)

As chumaceiras elípticas são muito comuns. Em algumas aplicações, é especificado o “esmagamento” da chumaceira, que transforma um casquilho circular numa disposição elíptica. Esta chumaceira tem melhores características dinâmicas do que uma chumaceira lisa e é mais estável. Normalmente, a folga horizontal é de 1,5 vezes a duas vezes a folga vertical (33 a 50% de pré-carga). O ângulo da divisão entre as metades pode ser reorientado para obter a melhor capacidade de carga e amortecimento. Dinamicamente, este é uma chumaceira altamente assimétrica. A rigidez na direção da maior folga é frequentemente uma ordem de grandeza inferior à da direção da folga apertada. O amortecimento é também significativamente menor na direção da folga máxima.

Chumaceira de lóbulos

As chumaceiras de lóbulos podem referir-se a qualquer número de lóbulos com o projetista a tirar partido da capacidade de controlar a geometria de cada almofada. Isto significa normalmente ajustar a pré-carga e o desvio para cada almofada. O ângulo de carga também pode ser selecionado para condições ótimas. A chumaceira de três lóbulos é a configuração mais popular, mas o seu fabrico pode ser dispendioso. O projetista pode selecionar a folga, a pré-carga e o desvio de cada almofada, bem como a orientação da carga na almofada, entre as almofadas ou algures no meio. A configuração ideal dependerá da dinâmica do rotor. As chumaceiras de lóbulos como estas são muito úteis em máquinas verticais.

Figura 16 – Chumaceira de lóbulos

Meia chumaceira deslocada

Este é uma chumaceira muito simples e muito eficaz nalgumas aplicações. É um multi-lóbulo de 2 pastilhas com 100% de desvio. As almofadas também estão quase sempre pré-carregadas. É fácil de fabricar perfurando um casquilho liso descentrado e virando a metade superior. Esta chumaceira não tolera a rotação inversa.

Figura 17 – Meia chumaceira deslocada

Chumaceira de barreira de pressão

As chumaceiras de barreira de pressão, por vezes designados por chumaceiras de bolso ou de degrau, são chumaceiras lisas que podem (raramente) ter pré-carga e até mesmo deslocamento. Normalmente, são chumaceiras de dois lóbulos com uma ranhura cortada na metade superior (ou metade sem carga) que cria uma barreira de óleo. A pressão de velocidade circunferencial do óleo que é, subitamente, impedida pela barreira, é convertida em pressão. Esta pressão impõe uma carga descendente no veio que aumentará a excentricidade e poderá estabilizar o sistema. Esta conceção também aumenta significativamente a rigidez da chumaceira e pode fazer com que a amplitude à velocidade crítica e o fator de amplificação aumentem. Esta é, muitas vezes, uma excelente primeira modificação de projeto se o turbilhão de óleo (oil whirl) for encontrado com chumaceiras lisas. A altura da barreira deve ser aproximadamente a mesma que a folga diametral da chumaceira e até três vezes essa folga. Uma ranhura mais profunda terá um efeito significativamente reduzido. Se esta chumaceiras se desgastar e a folga aumentar, a eficácia da barreira será reduzida. Alguns projetos agora usam múltiplas ranhuras, particularmente em máquinas verticais onde não há carga da gravidade. Esta chumaceira também é unidirecional em rotação.

Figura 18 – Chumaceira de barreira de pressão

Chumaceira de patim basculante

As chumaceiras de patim basculante estão a tornar-se o projeto favorito para turbomáquinas. São muito robustas, capazes de serem projetados para otimizar a dinâmica do rotor e amplamente aceites como a melhor chumaceira que se pode obter. Estas chumaceiras também não têm acoplamento cruzado desestabilizador significativo. Podem ser dispendiosas e podem nem sempre ser a melhor escolha quando todos os fatores são considerados. A figura a seguir mostra uma chumaceira de patim basculante moderna típico.

Figura 19 – Chumaceira de patim basculante

Além da folga, da pré-carga e do deslocamento, o projetista pode escolher o número de patins, diferentes arranjos de pivô, diferentes tipos de vedações de extremidade e orientação de carga. Ao escolher chumaceiras de patim basculante de cinco almofadas com carga diretamente sobre uma almofada, a rigidez horizontal e vertical será significativamente diferente de um projeto de quatro almofadas com carga entre pivôs que terá características simétricas.

Note-se que:

• Kxx é uma abreviatura para a rigidez horizontal
• Kyy significa rigidez vertical.

Assim, para uma determinada máquina, os vários fatores podem ser ajustados para obter a frequência pretendida das velocidades críticas, a resposta de amplitude de velocidade crítica mais baixa, a vibração de velocidade de funcionamento mais baixa e a melhor estabilidade do rotor.

A figura a seguir, onde se vêm resultados dos cálculos, indica que a rigidez da chumaceira de 5 almofadas, com carga entre pivots (LOP), terá uma rigidez horizontal inferior a 1000000 LB/IN (17858 Kg/mm) e uma rigidez vertical superior a 2500000 LB/IN (44645 kg/mm). No entanto, se for selecionado uma chumaceira de 4 pastilhas com carga entre pivots (LBP), as rigidezes horizontais e verticais são iguais a cerca de 2000000 LB/IN (35716 kg/mm) em toda a gama de velocidades.

Figura 20 – Afinação da rigidez da chumaceira através da orientação da carga e do número de patins para afinar a rigidez da chumaceira¹

Vantagens

• Hidro-dinamicamente estável a altas velocidades
• Adapta-se a condições variáveis
• Menos sensíveis à direção da carga ou ao desalinhamento do veio do que as chumaceiras de perfil fixo
• Lubrificação otimizada para minimizar a perda de potência e a temperatura das almofadas
• Estão disponíveis modelos compactos de chumaceiras axiais e de moentes combinados
• Materiais avançados disponíveis para suportar altas velocidades, cargas e temperaturas de funcionamento, bem como requisitos especiais de lubrificantes

Chumaceiras especiais

Existem muitos outros tipos de chumaceiras. Ainda hoje são anunciados com alguma regularidade novos avanços em matéria de chumaceiras. Muitos deles são variações de conceitos bastante antigos. As chumaceiras especiais preenchem nichos de mercado onde são necessárias determinadas características dinâmicas ou o espaço é limitado, etc.

13 Comparação dos resultados dos cálculos de desempenho de chumaceiras de metal antifricção – Velocidades críticas

A primeira velocidade crítica de uma máquina deve frequentemente ser ultrapassada até se atingir a velocidade de funcionamento. Assim, as amplitudes de vibrações do rotor e o fator de amplificação são importantes, especialmente nos locais onde ocorrem as amplitudes mais elevadas e onde as fricções são mais prováveis.

Para ilustrar o desempenho de diferentes chumaceiras numa turbomáquina, cada um dos tipos comuns de chumaceiras de perfil fixo foi analisado na vizinhança da primeira velocidade crítica e os resultados são apresentados na figura a seguir. Em todos os casos, a relação L/D da chumaceiras, a folga e a carga foram mantidas constantes. As chumaceiras lisas, elípticas, de 3 lóbulos e de meia-lua deslocada apresentaram amplitudes semelhantes, enquanto a chumaceira de barreira de pressão, muito mais rígida, não teve qualquer desempenho. A Tabela a seguir é um resumo dos resultados para as chumaceiras de perfil fixo.

Tabela 2 – Resultados dos cálculos de desempenho de velocidade crítica para diversas chumaceiras de perfil fixo¹

Tipo de chumaceira	Velocidade critica, RPM	Amplitude máxima mils p-p	Fator de amplificação
Cilíndrica	4200	3,3	11,6
Elíptica	4100	2,8	9,2
Cilíndrica desajustada	4075	2,9	9,2
3 lobos	4000	3,2	11,4
Barreira de pressão	4250	9,0	30,0

Com um rotor muito flexível, como o deste exemplo, a mudança do tipo de chumaceira resulta numa alteração da frequência de velocidade crítica de apenas cerca de ± 3 por cento.

Figure 21 – Cálculo de velocidades críticas para diversas chumaceiras de perfil fixo¹

A figura a seguir compara os resultados dos cálculos de desempenho da velocidade crítica com três variações de chumaceiras de deslizamento. Tal como anteriormente, a folga e a relação L/D foram fixas. Cada chumaceira de patim basculante tinha uma pré-carga nominal de 20 por cento. A resposta do chumaceira liso é incluída para comparação. Qualquer uma das conceções de patim basculante é significativamente melhor do que a chumaceira lisa ou qualquer um dos outros chumaceira de perfil fixo.

Figura 22 – Cálculo de desempenho de velocidade crítica para diversas chumaceiras de patins basculantes¹

A tabela a seguir é o resumo dos resultados. A conceção de 4-almofadas tem, de facto, um fator de amplificação abaixo do limite em que a API considera este pico de resposta como uma velocidade crítica.

Tabela 3 – Cálculo de desempenho de velocidade crítica para diversas chumaceiras de patins basculantes¹

Tipo de chumaceira	Velocidade crítica RPM	Amplitude máxima mils p-p	Fator de amplificação
Cilíndrica	4200	3,3	11,6
5 patins basculantes, LOP	4125	2,1	4,5
5 patins basculantes, LBP	4325	1,8	3,2
4 patins basculantes, LBP	4525	1,5	2,4

• LOP – carga no pivô
• LBP – carga entre pivôs.

14 Comparação de características de chumaceiras de metal antifricção

Na tabela a seguir apresentada pode-se ver uma comparação das diversas características de algumas das chumaceiras referidas.

Tabela 4 – Comparação de características de chumaceira de metal antifricção

Numa escala de 1 a 5: 1=Baixo, 5 =Alta

1. Exceto cargas baixas
2. A capacidade de carga depende da velocidade; Carga unitária típica, Mpa
3. O limite de velocidade depende do peso do veio.

15 Estabilidade do conjunto chumaceira de metal antifricção-rotor

É importante ver a estabilidade dinâmica do rotor em conjunto com as chumaceiras. O turbilhão de óleo (oil whirl) e o chicote de óleo (oil whip) são fenómenos relativamente comuns. Instabilidade geralmente significa altos níveis de vibração subsíncrona. Muitas vezes, uma chumaceira de patim inclinada é instalada para resolver o problema, mas isso nem sempre funciona. As chumaceiras basculantes não contribuem para a instabilidade, mas um rotor pode, ainda assim, tornar-se instável se o amortecimento disponível não for suficiente para contrariar as forças desestabilizadoras geradas pelos vedantes e pelos efeitos aerodinâmicos.

Qualquer mudança de chumaceira numa máquina deve ser cuidadosamente avaliada quanto à resposta ao desequilíbrio, estabilidade, temperatura e considerações de manutenção. Existem agora parágrafos padrão da API no RP684 para a estabilidade de turbomáquinas.

Se assumirmos que a velocidade de operação de um compressor fictício é de 9000 RPM e calcularmos a estabilidade com cada tipo de chumaceira discutido, os resultados na tabela a seguir indicam que será necessária uma chumaceira de patim basculante. Com alguns ajustes, os projetos de meia chumaceira deslocada e de 3 lóbulos poderiam possivelmente tornar-se estáveis, mas apenas um pouco e nem perto da estabilidade proporcionada pelos projetos de chumaceira de almofada basculante, todos os quais são muito estáveis e poderiam suportar um acoplamento cruzado significativo. É de notar que todos os de chumaceira de patim basculante listados aqui, têm os seus pivôs no centro de cada almofada. Se fosse introduzido o deslocamento do pivô, como às vezes é feito para o controle de temperatura da chumaceira, a estabilidade diminuiria significativamente porque o deslocamento do pivô aumenta significativamente a rigidez da chumaceira e reduz o amortecimento efetivo. Todos os aspetos da roto-dinâmica de uma máquina devem ser considerados ao selecionar as chumaceiras.

Tabela 5 – Comparação da estabilidade de diferentes tipos de chumaceiras de película fluída¹

Tipo de chumaceira	Redução logarítmica
Cilíndrica	0,38
Elíptica	0,13
Cilíndrica desajustada	0,03
3 lobos	0,07
Barreira de pressão	0,21
5 patins basculantes, LOP	1,12
5 patins basculantes, LBP	1,05
4 patins basculantes, LBP	1,04

Referências

1. Understanding Journal Bearings, Malcolm E. Leader, P.E., Applied Machinery Dynamics Co.