DESENVOLVIMENTO DE UM TRIBÓMETROPARA ENSAIOS DE FRETTING

Marcelo Gaspar (1), A. Ramalho (2

(1) Escola Superior de Tecnologia; Instituto Politécnico de Castelo Branco(2) Departamento de Engenharia Mecânica; faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

O fretting é um fenómeno presente em grande parte dos equipamentos industriais sujeitos a

vibrações. Sendo um mecanismo de desgaste bastante nefasto torna-se premente a definição

de regras de projecto que permitam minimizar ou eliminar as suas consequências. O

objectivo do presente trabalho consiste em apresentar um equipamento protótipo de ensaios

de fretting desenvolvido e construído no Departamento de Engenharia Mecânica da

Universidade de Coimbra. Este equipamento tem em conta os principais parâmetros que

afectam este fenómeno e permite medir e/ou controlar os valores das suas principais

variáveis. Este tribómetro possibilita a realização de um vasto conjunto de ensaios de

fretting, considerando o efeito isolado de diversos parâmetros e permite ainda o estudo do

comportamento ao fretting de materiais usando diferentes geometrias e dimensões de

provetes.

1. INTRODUÇÃO

O fretting, mesmo actuandoisoladamente, é um mecanismo de desgastecom um efeito bastante nefasto que resulta,na maioria dos casos, do movimentooscilatório de pequena amplitude entresuperfícies em contacto. Este fenómenopode ocorrer não só em componentesmecânicos de equipamentos industriais [1],mas também em contactos eléctricos [21 eelectrónicos [3]. Sendo então estefenómeno de degradação bastante frequenteem inúmeras aplicações industriais urge arealização de estudos que permitam acriação de regras de projecto que prevejam

e minimizem este fenómeno de degradaçãoe que permitam a definição de paliativosque atenuem os seus efeitos.

Desta forma, apesar de o estudo dosfenómenos relacionados com o fretting nãose encontrarem normalizados, osinvestigadores que se dedicam ao seuestudo procuram criar bases• de trabalhocomuns que permitam uma mais efectivacaracterização deste fenómeno.

É nesta óptica que se desenvolveu opresente tribómetro, que permitirá então aoGrupo de Construções Mecânicas daUniversidade de Coimbra a realização deensaios de fretting com vista à

RESUMO

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caracterização deste fenómeno para um• vasto conjunto de materiais e de aplicações.

2. FACTORES QUE INFLUENCIAM OFRETTING

Numerosos trabalhos experimentaissuportados por modelos de análise teóricamostraram que a danificação por fretting éafectada por um vasto conjunto de factores,tendo Beard [4] sugerido que mais decinquenta parâmetros apresentam um papelimportante neste fenómeno. Bili [5], porseu turno, classificou estes parâmetros emtrês classes principais: condições decontacto, condições ambientais ecaracterísticas dos materiais. Uma síntesedesta classificação, bem como dos seusmodos de interacção, encontra-se ilustradana figural.

No que respeita às variáveis dejrettingclassificadas como pertencentes àscondições de contacto, destacam-se as quedizem respeito à geometria de contacto e àstensões nele geradas, por seremdeterminantes nos diversos regimes defretting. Pelo facto de o fretting ser umfenómeno de dano cumulativo, são dereferir ainda como parâmetros de especialrelevância, os que estão relacionados com aduração, a frequência e a amplitude do

movimento relativo entre as superfícies emcontacto.

• As condições do ambiente influenciamas taxas e os mecanismos de fretting,interagindo de forma combinada com asrestantes condições que afectam estefenómeno. A interferência com osmecanismos de fretting não se faz de formadirecta, todavia as condições ambientaisinfluem de sobremaneira nas propriedadesdos materiais e nas condições contacto queafectam oJretting.

A forma como o par de materiais emcontacto responde em situações de frettingé, à priori, difícil de prever, da mesmaforma que o é para qualquer contactotribológico. Todavia, aqui o problema põe-se com maior evidência pois, em função dascondições de interacção, o dano podeocorrer por fissúração, por desgaste ou poroxidação. Para cada um destes mecanismoshaverá, então, propriedades dos materiaisque sejam agentes propiciadores ouatenuadores.

3. TRIBÓMETROS PARA ENSAIOSDE FRETTING

Após a realização de uma pesquisa naliteratura actual dedicada ao estudo dasmanifestações de fretting, pode concluir-seque a maioria dos dispositivos dependemessencialmente do tipo de actuador. Esteactuador tem como função impor osdeslocamentos alternativos de pequenaamplitude característicos do fretting.Assim, existem essencialmente actuadoresdo tipo mecânico, servo-hidráulico eelectrodinârnico.

Os actuadores mecânicos caracterizam-se por terem um veio acoplado a um motoreléctrico e que pode estar associado adiferentes mecanismos. O mecanismo maisusual é o sistema biela-manivela que, poracção de um excêntrico regulável, promoveo movimento linear alternado de fretting aopar tribológico. Neste tipo de tribómetros(figura 2) a amplitude de deslocamento éregulada mecanicamente pelaexcentricidade imposta, enquanto que afrequência de ensaio é função da velocidade

Figura 1: Parâmetros que influenciam o fenómeno defretting. [5]

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Pelo exposto, estes tribómetros sãovocacionados para frequências de operaçãorelativamente baixas e amplitudes dedeslocamento definidas em. função domecanismo usado. No caso dos tribómetroscom sistema biela-manivela, apesar: deainda serem usados por alguns autores [6-8], estes apresentam como principal contra-indicação a impossibilidade de aplicação deum sistema de controlo electrónico em anelfechado que garanta com precisão ascondições impostas de deslocamento.

Em alguns estudos de fretting [14-19]faz-se uso de equipamentos com actuadoresservo-hidráulicos. A semelhança dostribómetros anteriormente referidos, estessão vocacionados para frequências deoperação baixas. No entanto, ao contráriodos mecânicos de excêntrico, estestribómetros permitem um controloelectrónico em anel fechado, representadoesquematicamente na figura 4.

Uma das vantagens evidentes destesequipamentos consiste na possibilidade de,com o mesmo equipamento, ser possívelrëalizar ensaios de fretting, de fadiga, defadigafretting e de deslizamento.

Os tribómetros de ftetting maisdifundidos são os que usam comoactuadores excitadores electrodinâmicos(figura 5), pelo facto de estes permitiremum controlo bastante preciso do movimentoimposto associado a frequências deoperação elevadas. Existem numerososestudos usando este tipo de equipamentosde. ensaio de fretting em que o actuador édo tipo electromagnético [20-291 ou aindado tipo piezoeléctrico [30J.

4. DESENVOLVIMENTO DO TRIBÓMETRO

Pelo facto de o número de parâmetrosque afectam o fenómeno de fretting serbastante elevado e das consequências dasua combinação serem muito difíceis deprever, toma-se útil que um tribómetro de

angular da árvore. Uma montagemalternativa caracteriza-se por fazer uso deum motor de passo de elevada precisãoacoplado a um veio roscado com passo finopara impor o movimento alternado defretting.

outros autoresactuadores domotores de passo

[10-13] utilizou comomovimento de frettingcom elevada precisão.

Na figura 3 encontra-se esquematizadoum tribómetro desenvolvido porMohrbacher et ai. [9], que, à semelhança de

(

Figura 3: Tnbómefro com acmadores do movimento defretting pormotores de passo com elevada precisão [9].

45

Figura 5: Tribómetro defretting com electromagnético,desenvolvido por Stachowiak eta!. [21].

fretting permita isolar cada uma dasvariáveis que o afectam, para assimdeterminar a influência, isolada - ecombinadamente, por forma a permitirestabelecer critérios de projecto quepermitam prever e minimizar a sua acçãonoS componentes em serviço.

Com base na classificação dosparâmetros de fretting realizada por Bill [5]e explicitada no parágrafo 2 procurou-sesistematizar a acção destes quanto àdefinição das características do tribómetro(figura 6). Assim, no que respeita àscondições de contacto dos ensaios, defretting, o tribómetro a desenvolver deveriasimular com exactidão as condições deensaio impostas mediante a afinação destasvariáveis através de soluções tecnológicasadequadas, permitindo uma vasta gama deformas de espécimes a ensaiar, como aindadiversas geometrias de contacto resultantes.

Para a definição da duração docontacto, sendo esta uma variável deensaio, deveria existir um controlador quepermitisse ao utilizador regular diferentesvalores para este parâmetro. Quanto àamplitude e frequência do movimento,assim como a carga máxima aplicada, estasdependem essencialmente dasespecificações de um gerador de impulsos aseleccionar. Como este gerador já estavaimposto à partida, por estar disponível noDepartamento de Engenharia Mecânica daF.C.T.U.C., o objectivo consistiu’ emoptimizar as suas características de forma apermitir uma gama mais vasta de condiçõesde ensaio.’

Com o intuito de avaliar as condiçõesambientais dos ensaios, o tribómetro de

fretting deveria permitir, no mínimo, apossibilidade de leitura dos valores dasvariáveis correspondentes às condições deambiente. O dispositivo deveria aíndagarantir a estabilidade dos valores dosparâmetros ao longo dos ensaios, sendodesejável a possibilidade de imposição porparte do utilizador do maior número decondições de ensaio. Deste modo, tomava-se relevante que o tribómetro a desenvolverpermitisse a imposição de diversastemperaturas e atmosferas de ensaio. Norespeitante à resistência de contacto, eraimportante que o equipamento permitisse asua medição durante a realização dosensaios. Por fim, o utilizador doequipamento deveria ainda poder aplicarlubrificação no contacto. No que toca àscaracterísticas dos materiais, tais como. aspropriedades que lhes são intrínsecas e asua resposta a certos tipos de solicitações,estes factores são affieios ao tribómetro quese pretendia desenvolver. Sendo oobjectivo dos ensaio de fretting acaracterização do comportamento dosmateriais quando sujeitos a determinadasacções, o tribómetro deveria ter ummecanismo simples de mudança dosespécimes a ensaiar por forma a facilitar asua fixação e remoção, evitando assim oseu dano, ou a perda das partículas dedesgaste geradas durante os ensaios.

— --. —‘-——-..

‘oscilador

senscír carga etectrodinãmjco

da força normal

provetes

VARIAVEIS DOSENSAIOS DEFRETTING

CONTACTO f CONDIÇÕESAMBIENTAIS

‘1CARACTERÍSTICAS:DOS MATERIAIS

um tipo de fixaçãoexpedita dos provetes por

forma a simplificar:

O Trlbdmetro deve permitir:

a regulação do teor dehumidade relativa

O Trlbómetro deve

o ensaio de diversasformas de provetes

o ensaio de diferentesgeometrias de contacto

a definição dodeslocamento relativo

entre os prsvetvs

a imposição datemperatura de ensaio

a utilização de diferentestipos de lubrificação no

contacto

o estudo das superficiesdesgastadas

a imposição de váriosvslsreu de carga ao

contacto

o estuds das partículasde desgaste

a regulaçãs da duração‘dou ensaios

a avaliação do potencialolectrsquimico dos

traz.LFigura 6: Principais requisitos de projecto impostos ao tribómetro de

&ettino. desenvolvido.

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5. SOLUÇÕES ADOPTADAS

O tribómetro para ensaios de frettingdesenvolvido (figura 7) é constituído portrês partes fundamentais: uma unidade decontrolo, uma unidade de ensaios e umaunidade de aquisição e processamento dedados.

A unidade de controlo tem comoobjectivo a definição e o controlo dosdiversos parâmetros de ensaio. A unidadede ensaios tem como função permitir arealização dos ensaios para as condiçõesimpostas, minimizando a influência defactores externos e permitindo o máximo deprecisão e repetibilidade. Por fim, com aunidade de aquisição e processamento dedados pretende adquirir-se todos os valoresrelevantes durante a realização dos ensaiose permitir o seu processamento.

Este equipamento foi projectado pelosautores deste trabalho, tendo sidoconstruído nas oficinas do Departamento deEngenharia Mecânica da Universidade deCoimbra.

A unidade de controlo tem comofunção permitir a definição das principaisvariáveis impostas à unidade de ensaios.Assim, a amplitude do movimento

alternativo entre os espécimes a testar édefinido por um controlador INSTRONMODEL N° 1342 que realiza um controloPID do deslocamento, sendo realimentadopor um transdutor linear (LVDT)SANGAMO TYPE SM1, comdeslocamento admissível de ±lmm, quetem como função realizar a leitura domovimento realizado pelo actuador.

O controlo do início e do final dosensaios é realizado pelo soflware deaquisição e processamento de dados. Epossível ainda com esta unidade efectuar ocontrolo da frequência de ensaio, da forçanormal aplicada ao contacto, datemperatura de ensaio e da humidade doambiente de ensaio.

A unidade de ensaios do tribómetro defretting (figura 8) foi dividida em trêsgrupos distintos: o sistema de aplicação domovimento, o sÏstema de aplicação da carganormal e o sistema de medição da força deatrito.

Para projectar a unidade de ensaiospartiu-se do gerador do movimento jáexistente. Trata-se de um osciladorelectrodinâmico da marca PHILLIPS, e docorrespondente amplificador de sinal. Este

L2fr-

Figura 7: Tribómetro defretting desenvolvido e executado no Departàmento de EngenhariaMecânica da faculdade de Ciências e Tecnologia da Unïversidade de Coimbra

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actuador, tem como característicasprincipais permitir movimentos numa gamade O até 10kHz numa amplitude de ±4mm.A força máxima que este conjunto permiteaplicar é de 23.7N, com uma distorção daforça mínima de 0,5%.

Um outro aspecto, de especialrelevância na definição das característicasdo equipamento desenvolvido, diz respeitoà forma e às dimensões dos espécimes atestar. Neste equipamento são ensaiadosdois provetes, de materiais semelhantes oudistintos, com movimento relativo detranslação alternada e sujeitos a uma forçanormal de compressão. De modo a conferir

maior versatilidade a este equipamento,procurou-se que fosse possível ensaiar umavasta gama de formas de provetes, comoainda diferentes geometrias de contacto.Isto conseguiu-se graças ao tipo de porta-amostras usado, que permite uma vastagama se soluções de fixação de provetesdas mais diversas geometrias e dimensões

Figura 8: Unidade de ensaios do tribómetro defretting

Na figura 9 estão ilustradas algumassoluções implementadas para provetes decontacto pontual, respectivamente, do tipoesfera-plano e do tipo cilindros cruzados,sendo possível ensaiar ainda diversasgeometrias distintas das apresentadas. E dereferir também que nestas soluções o portaprovetes superior permite, geralmente, a

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realização de um único ensaio por provete, inferior, o dispositivo de aquecimento daenquanto que o porta-provetes inferior pode zona de ensaios e ainda o sistema depermitir a realização de múltiplos ensaios alinhamento da célula de leitura da forçacom um mesmo provete. tangencial de atrito, resultante do

Tendo-se verificado ser essencial que odispositivo permitisse um movimento linearalternativo entre os provetes, optou-se pormanter um provete estático impondo omovimento somente ao provete superior. Omovimento alternativo é obtido por meio doactuador electrodinâmico que está ligadorigidamente ao porta-provetes superior.Este sistema de aplicação do movimentopode visualizar-se na figura 10. Aamplitude do movimento é medida atravésde um transdutor linear (LVDT)directamente acoplado à parte móvel doactuador electrodinâmico.

O sistema de aplicação da carga normal(figura 11) permite impor uma força decompressão aos provetes e é aplicada porum sistema de fuso vertical. Este sistemaestá apoiado em duas bases suportadas porquatro colunas e utiliza uma molahelicoidal de compressão actuada por umfuso de rosca fina por forma a garantir amanutenção do valor da força.Uma célula de carga com uma gama deleitura de 1000N, rigidamente intercaladaneste sistema, permite a leitura da força decompressão aplicada ao contacto.

A terceira parte da unidade de ensaios,a que se chamou sistema de medição daforça de atrito (figura 12), engloba osistema de fixação do porta-provetes

1—4_

Figura 10: Sistema de aplicação de movimento da unidade de ensaios do tribómetro desenvolvido.

Figura 11: Sistema de aplicação da carga normal da unidadede ensaios do tribómetro desenvolvido.

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deslocamento. A força tangencial é medidaatravés da força equilibrante do provetefixo com o auxílio de uma célula de cargade tracção/compressão piezoeléctrica comuma gama de leitura de 250N.

Esta célula encontra-se rigidamentefixa entre o dispositivo porta-provetesinferior e um apoio rígido solidário com abase do equipamento. O apoio permiteainda a sua regulação em altura paradiferentes posições de contacto entreprovetes, por forma a garantir oalinhamento entre a força de atrito e areacção equilibrante. O sistema de fixaçãodos provetes inferiores está unido com abase do equipamento por intermédio de umconjunto de lâminas que têm como funçãorestringir todos os graus de liberdade, comexcepção do deslocamento horizontal, nadirecção do movimento imposto.

Em relação às condições ambientais, odispositivo de ensaio permite impor aosprovetes diferentes temperaturas, assimcomo a realização de ensaios com diversasatmosferas de ambiente. Aquecedoresresistivos, alimentados por um controlador,permitem o aquecimento do provete inferioraté temperaturas de aproximadamente600°C. Uma câmara envolvente emmaterial acrifico permite ocondicionamento dos testes para diversosambientes de ensaio, tais como a imposiçãode atmosferas com diferentes teores de

existente no sistema porta-provetes inferiorrealiza não só o isolamento térmico doporta provetes inferior, como permite aindaa monitorização da resistência eléctrica docontacto entre ambos os provetes.

Por fim, a unidade de aquisição eprocessamento de dados tem como funçãomonitorizar os ensaios deftetting realizadosno tribómetro mediante a aquisição earmazenamento de todos os valores que seconsiderem relevantes para a suacaracterização. Esta unidade ainda permiteo envio de instruções de arranque e deparagem de ensaios.

Para a aquisição de valores dos ensaiosfoi desenvolvida uma aplicação usando osoftware de programação TestPoint[Keythley Instmments, mc.], que permite,em conjunção com uma placa de aquisiçãode dado, a leitura do movimento do provetesuperior e do valor da força de atrito aolongo do ensaio. E possível definir ascondições de aquisição e de armazenamentode dados, como ainda estabelecer oarranque e paragem dos ensaios. Paraauxiliar o processo de monitorização eestudo dos ensaios realizados utiliza-se umosciloscópio digital com memória. Todosos dados adquiridos são annazenados numformato compatível com a maioria dossoftwares comerciais de processamento dedados, de maneira a simplificar a tarefa deprocessamento e análise de valoresresultantes dos ensaios.

Figura 12: Sistema de medicão da forca de atrito da unidade de ensaios do tribómetro.

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6. POTENCIALIDADES DO TRIBÓMETRO

O tribómetro atrás descrito, pelo factode apresentar bastante versatilidade narealização de diferentes ensaios de fretting,permite um grande número de variantes decondições de ensaio.

No tribómetro desenvolvido, para alémdos materiais seleccionados para osespécimes a estudar, é possível definir eregular as seguintes variáveis de ensaio:

- a força aplicada sobre o contacto;

- a amplitude de deslocamento;

- a frequência do movimento;

- a humidade do ambiente de ensaio;

- a temperatura de ensaio;

- a duração dos ensaios.

Os dados que se podem adquirirdurante os ensaios são aqueles queprocuram caracterizar da melhor formapossível o comportamento ao fretting dospares tribológicos seleccionados. Destaforma, é possível adquirir e armazenardurante os ensaios os seguintes valores devariáveis tribológicas:

- a força de atrito no contacto;

- o deslocamento imposto ao provetesuperior;

- a força normal aplicada ao contacto;

- a temperatura do contacto;

- o teor em humidade na câmara deensaio;

- a variação da resistência eléctrica docontacto.

O estudo do comportamento ao frettingde diversos pares tribológicos deve sercomplementado com um estudo decaracterização dos materiais antes e após osensaios, sendo de destacar:

- o estudo das tensões e das dimensõesdos contactos;

- o estudo por perfilometria dassuperfícies;

- o estudo das partículas de desgasteresultantes dos ensaios.

Com base nestes valores, bem como naanálise das superfícies de desgaste e daspartículas geradas, é possível realizar umacaracterização mais completa do seucomportamento aofretting.

7. CONCLUSÃO

O presente trabalho permitiudesenvolver um equipamento adequado àrealização de ensaios de fretting e criar osprocedimentos de tratamento dosresultados. Assim, quanto ao equipamentodesenvolvido e às ferramentas detratamento de resultados, conclui-se que oequipamento desenvolvido revelou-seadequado à realização de estudos defretfing, apresentando, contudo, algumaslimitações inerentes ao actuadorelectrodinâmico que circunscreveu a gamade trabalho a forças normais até 50N comamplitudes de deslocamento até l20jim,valores de referência para aços macios.

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