O que são rolamentos autolubrificantes? Tipos, usos e seleção

O que são rolamentos autolubrificantes e como funcionam

A característica definidora de um rolamento autolubrificante é a sua capacidade de gerar uma película lubrificante contínua a partir do próprio material do rolamento, sem qualquer fornecimento externo. Isso ocorre através de um dos três mecanismos principais:

Os rolamentos deslizantes são autolubrificantes?

Os mancais de deslizamento (também chamados de mancais lisos ou mancais de deslizamento) podem ser lubrificados convencionalmente ou autolubrificantes, dependendo do material de construção. A distinção é importante ao selecionar aplicações livres de manutenção.

Rolamentos deslizantes de bronze sinterizado são o tipo de rolamento autolubrificante mais amplamente utilizado. A ISO 2795 e a norma MPIF 35 definem os requisitos de teor de óleo para esses componentes — um grau padrão contém um mínimo de 19% de óleo por volume . Eles são encontrados em motores elétricos, eletrodomésticos, equipamentos de escritório e acionamentos auxiliares automotivos onde o acesso aos rolamentos é vedado ou difícil.

Rolamentos deslizantes de polímero sólido feitos de acetal (POM), náilon (PA6/PA66) ou PEEK com aditivos lubrificantes internos são outro formato de luva autolubrificante. Eles operam sem qualquer óleo, tornando-os adequados para processamento de alimentos, dispositivos médicos e aplicações subaquáticas onde a contaminação por óleo é proibida.

Mancais de deslizamento hidrodinâmicos com suporte de aço – como aqueles usados em grandes virabrequins e munhões de turbinas – não são autolubrificantes. Eles exigem um suprimento de óleo pressurizado o tempo todo para manter a cunha hidrodinâmica que separa o eixo do rolamento. A falha no fornecimento de óleo causa falha imediata do rolamento nesses projetos.

Os rolamentos cerâmicos são autolubrificantes?

Os rolamentos cerâmicos são frequentemente comercializados com a frase “funcionam a seco” – o que cria confusão sobre se eles são realmente autolubrificantes. A resposta precisa é: não, os rolamentos de cerâmica não são autolubrificantes , mas as propriedades do material reduzem significativamente os requisitos de lubrificação em comparação com o aço.

O nitreto de silício (Si3N4), o material cerâmico mais comum para rolamentos, possui diversas propriedades que reduzem a dependência do lubrificante:

• Dureza superficial de 1.400–1.600 AT versus 700–800 HV para aço de rolamento — reduzindo o desgaste adesivo em condições de lubrificação marginal
• Densidade de 3,2g/cm³ versus 7,8 g/cm³ para aço — gerando forças centrífugas mais baixas na pista em alta velocidade, permitindo que filmes lubrificantes mais finos mantenham a separação
• Baixo coeficiente de expansão térmica ( 3,2 × 10⁻⁶/°C ) — reduzindo a variação da folga interna com oscilações de temperatura que espremeriam o lubrificante em um rolamento de aço
• Não magnético e eletricamente não condutor — evitando a degradação do lubrificante por descarga eletrostática que ocorre em rolamentos de aço usados em aplicações de acionamento de frequência variável

Na prática, os rolamentos totalmente cerâmicos podem sobreviver a curtos períodos sem lubrificação em condições limpas e de baixa carga – particularmente em velocidades muito altas, onde o tempo de contato por revolução é extremamente curto. Mas para uma operação sustentada, ainda é necessário um lubrificante – mesmo que seja uma película seca mínima – para evitar a fadiga progressiva da superfície. Os rolamentos cerâmicos híbridos (esferas cerâmicas, anéis de aço) quase sempre requerem lubrificação convencional.

Os rolamentos convencionais precisam de lubrificação?

Sim – todos os rolamentos convencionais (rolamentos de esferas, rolamentos de rolos cilíndricos, rolamentos de rolos cônicos, rolamentos de agulhas) requerem lubrificação durante toda a sua vida útil. O lubrificante desempenha quatro funções que nenhuma geometria de rolamento por si só pode replicar:

• Formação de filme elastohidrodinâmico: Um filme pressurizado de 0,1 a 1,0 mícrons separa os corpos rolantes da pista sob carga, evitando o contato metal com metal
• Dissipação de calor: A circulação de óleo em rolamentos grandes remove o calor gerado pelo contato de rolamento e pelo arrasto da gaiola – crítico ao operar acima de 50% da carga dinâmica nominal do rolamento
• Proteção contra corrosão: Graxa e óleo deslocam a umidade das superfícies de contato; sem lubrificação, o aço do rolamento corrói em poucas horas em ambientes úmidos
• Exclusão de contaminantes: A graxa acumulada na cavidade do rolamento cria uma barreira física contra poeira e partículas abrasivas que, de outra forma, causariam desgaste nos três corpos

A consequência da lubrificação inadequada é grave: estudos da SKF e NSK indicam que mais de 36% das falhas prematuras de rolamentos são atribuíveis a problemas de lubrificação – incluindo quantidade insuficiente, tipo errado de lubrificante, lubrificante contaminado ou intervalos de relubrificação incorretos. Para efeito de comparação, as falhas por fadiga sob lubrificação correta são responsáveis ​​por apenas 14% das falhas em campo.

Tipos de rolamentos autolubrificantes comparados

A seleção do tipo correto de rolamento autolubrificante requer a adequação das condições operacionais às capacidades específicas do material. A tabela abaixo resume os principais parâmetros de desempenho:

Onde os rolamentos autolubrificantes superam as alternativas lubrificadas

Existem ambientes operacionais específicos onde mudar para rolamentos autolubrificantes oferece vantagens mensuráveis em relação aos rolamentos lubrificados convencionalmente:

• Aplicações oscilantes e de rotação lenta: Rolamentos lubrificados com graxa sob movimento oscilante lento (menos de 1 rpm) nunca geram um filme hidrodinâmico - eles funcionam, na melhor das hipóteses, com lubrificação limite. Os rolamentos com lubrificante sólido lidam com essas condições com coeficientes de atrito de 0,05 a 0,15, sem alteração do mecanismo de desgaste em baixa velocidade.
• Ambientes lavados e submersos: Linhas de processamento de alimentos, equipamentos de lavagem de carros e ferragens marítimas sujeitam os rolamentos à entrada de água que dilui a graxa. Os rolamentos de polímero sinterizado e o bronze obturado com grafite eliminam totalmente esse modo de falha.
• Zonas de alta temperatura: As graxas convencionais degradam acima de 180°C; graxas sintéticas estendem isso até aproximadamente 260°C. Os rolamentos de bronze obstruídos com grafite operam continuamente em até 400ºC em rodas de vagões de forno, rolos transportadores e equipamentos de fornos de recozimento de vidro.
• Ambientes de vácuo e salas limpas: A graxa libera gases no vácuo, contaminando instrumentos ópticos e equipamentos semicondutores. Os rolamentos de filme seco à base de PTFE são padrão em mecanismos de satélite e estágios de microscópio eletrônico onde a pressão de vapor está abaixo 10⁻⁸ Pa é necessário.
• Redução de custos do ciclo de vida: Um estudo dos programas de substituição de rolamentos de estações de tratamento de água municipais descobriu que a troca das buchas das válvulas de gaveta de bronze lubrificado para rolamentos impregnados de grafite reduziu os custos de mão de obra de manutenção em 62% durante um período de 10 anos, eliminando rodadas trimestrais de relubrificação.

Parâmetros de seleção chave e erros comuns de dimensionamento

O valor PV — o produto da pressão do rolamento (P, em MPa) e da velocidade de deslizamento (V, em m/s) — é o principal parâmetro de seleção para rótulas autolubrificantes. Cada material de rolamento tem uma classificação PV máxima acima da qual a película lubrificante não pode ser sustentada e a temperatura da superfície do rolamento sobe para níveis destrutivos.

Três erros de dimensionamento são responsáveis pela maioria das falhas prematuras de rolamentos autolubrificantes no campo:

• Ignorando o limite PV sob condições de pico de carga: Um rolamento com classificação PV = 0,10 MPa·m/s pode ser dimensionado corretamente para operação normal, mas falhar durante a partida ou carga de choque se a PV instantânea nesses momentos não for verificada. Os valores de pico de PV podem ser de 3 a 5 vezes o valor de estado estacionário em máquinas alternativas.
• Especificação incorreta do acabamento da superfície do eixo: Rolamentos autolubrificantes require a shaft roughness of Ra 0,4 a 0,8 mícrons para formação ideal de filme de transferência. Eixos polidos abaixo de Ra 0,2 mícron não fornecem textura de aspereza suficiente para ancoragem do PTFE ou grafite, retardando a formação de filme e aumentando o desgaste precoce. Eixos mais ásperos que Ra 1,6 mícrons desgastam a superfície do rolamento antes que o filme possa se formar.
• Subestimando os efeitos da expansão térmica na folga: Os mancais de polímero têm coeficientes de expansão térmica 5 a 10 vezes maiores que os mancais de aço. Um rolamento PEEK com folga diametral de 0,05 mm a 20°C pode ter folga zero — ou interferência — a 150°C se a relação entre o diâmetro da carcaça e o rolamento e a combinação de materiais não forem calculadas corretamente na fase de projeto.