RELATÓRIO DO TRABALHO PRÁTICO DE TRIBOLOGIA

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RELATRIO DO TRABALHO PRTICO DE TRIBOLOGIA

MEDIO DA VISCOSIDADE DE UM LEO LUBRIFICANTE A VRIAS TEMPERATURAS

ANLISE DE UM LEO LUBRIFICANTE POR: - FERROGRAFIA DE LEITURA DIRECTA - FERROGRAFIA ANALTICA

ENGENHARIA DA PRODUO E MANUTENO INDUSTRIAL

ISVOUGA 2003

JORGE COSTA

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INTRODUOLUBRIFICANTES REQUISITOS BSICOS DE UM LUBRIFICANTE A finalidade da utilizao de um lubrificante reduzir o atrito e o desgaste entre duas superfcies contguas com movimento relativo. Assim, podemos dizer que, em princpio, qualquer substncia slida, lquida ou gasosa, interposta entre duas superfcies e que facilite o seu escorregamento um lubrificante potencial. No entanto, requerem-se normalmente outras caractersticas para os lubrificantes, umas inerentes, tais como uma reduzida resistncia ao corte, ou viscosidade, e uma boa condutividade trmica, e outras relacionadas com as superfcies com que vai estar em contacto, ou seja, proporcionar-lhes uma boa proteco contra a corroso que pode ocorrer mesmo com os rgos parados. A necessidade de preenchimento destes requisitos bsicos restringe a possibilidade de escolha de lubrificantes eficientes a um limitado nmero de materiais quer animais, quer vegetais ou minerais. Os lubrificantes base de leos minerais so porm os mais largamente usados. CARACTERSTICAS FSICAS E QUMICAS DOS LUBRIFICANTES Vrios ensaios laboratoriais permitem a obteno de valiosos elementos quanto s caractersticas fsicas e qumicas dos leos lubrificantes. Deve-se ter em mente, no entanto, que as caractersticas de comportamento em servio de um lubrificante no podem ser devidamente descritas, partindo apenas de resultados obtidos pela anlise das suas propriedades fsicas ou qumicas. por esta razo que os principais consumidores de lubrificantes exigem, nos cadernos de encargos, ensaios de rendimento efectivo alm das caractersticas fsicas e qumicas. As anlises para determinao destas ltimas propriedades tm uma importncia considervel ao assegurarem uniformidade aos produtos que a refinaria produz, ou como fonte de elementos comparativos destinados a determinar o grau das alteraes sofridas por lubrificantes j usados e, em certos casos, algumas das causas que os originaram.

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Indicam-se a seguir os ensaios laboratoriais mais correntes para a determinao de caractersticas fsicas e qumicas: Densidade Viscosidade ndice de Viscosidade Pontos de Inflamao e de Combusto Ponto de Congelao Resduo Carbonoso Cinzas Sulfatadas

VISCOSIDADE Provavelmente a propriedade mais importante de um leo lubrificante a sua viscosidade. Esta propriedade traduz o grau de atrito interno ou de resistncia que um lquido oferece ao escorregamento. Na Figura 1 est esquematicamente representada uma placa A que se move com a velocidade U sobre uma pelcula de lubrificante de espessura h. Supondo que a pelcula constituda por um empilhamento de camadas horizontais e que a fora F provoca a deformao da pilha por escorregamento de umas camadas sobre as outras, como num baralho de cartas. A camada em contacto com a placa move-se com velocidade U enquanto que aquela que est em contacto com a superfcie estacionria se supe ter uma velocidade nula. As camadas intermdias tm uma velocidade que depende da distncia a que esto da superfcie estacionria.

Figura 1

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A lei de NEWTON do escoamento viscoso estabelece que a tenso de corte no fludo proporcional taxa de variao da velocidade com y, ou seja:

em que uma constante de proporcionalidade definida por viscosidade absoluta. A derivada du/dy a taxa de variao da velocidade com a distncia e pode ser designada por taxa de corte ou gradiente da velocidade. A viscosidade portanto uma medida de resistncia interna de atrito do fludo. Admitindo que a taxa de corte constante tem-se:

de onde,

A unidade de viscosidade absoluta, tambm conhecida por viscosidade dinmica, medida em Pascal.Segundo (Pa*s) no Sistema Internacional. Esta unidade tambm conhecida por N.s/m .2

Quando se utiliza o efeito da gravidade para causar o escoamento do fludo, fala-se da viscosidade cinemtica (), que inversamente proporcional massa volmica do fludo (). Assim, a expresso2

fornece a viscosidade cinemtica em m /s, que por razes2

superiores, o mm /s corresponde exactamente a cSt (centistokes), que a unidade geralmente utilizada.

NDICE DE VISCOSIDADE O ndice de viscosidade (VI) de um leo um valor emprico que estabelece uma relao entre a variao que a sua viscosidade sofre com a temperatura, e as variaes idnticas de dois leos de referncia, um relativamente sensvel (ndice de Viscosidade 0) e outro relativamente insensvel (ndice de Viscosidade 100), tomando-se como base as viscosidades medidas s temperaturas de 100 e 210 F (37,8 e 99C) (ver Figura 3).

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em que: L Viscosidade do leo Naftnico a 100 F; H - Viscosidade do leo Parafnico a 100 F; U Viscosidade do leo de que se determina o V.I. a 100 F.

Figura 2

No entanto, possvel produzir leos mais sensveis temperatura do que os que se encontram abrangidos pela referncia VI=0, ou outros menos sensveis do que os que figuram com a referncia VI=100, obtendo-se assim valores VI abaixo de zero ou acima de 100, respectivamente. A viscosidade de todos os leos diminui com o aumento da temperatura, mas a dos leos com um alto ndice de viscosidade no varia tanto como a dos que tm um baixo VI, para idnticas amplitudes de variao. ANLISE DE LUBRIFICANTES Qualquer sistema mecnico lubrificado acompanhado por um processo de desgaste progressivo dependente das condies de funcionamento a que submetido, das condies ambientais, assim como de outros factores (erros de projecto, de montagem, m utilizao, etc.).

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As partculas geradas nesse processo de desgaste vo sendo incorporadas no lubrificante e atravs da anlise desse lubrificante que se consegue acompanhar esse aumento progressivo do desgaste da mquina, assim como, determinar o estado da condio do lubrificante. Com equipamentos de anlise modernos e uma correcta interpretao dos seus resultados, a anlise de lubrificantes pode ser usada como uma tcnica eficiente de manuteno condicionada. A anlise de lubrificantes uma tcnica no destrutiva bastante eficiente em diagnosticar o estado de qualquer componente lubrificado, bem como em determinar e avaliar a aptido do lubrificante para continuar a exercer as suas funes originais. Existem essencialmente trs tipos de anlise de lubrificantes importantes a mencionar: Anlise das propriedades do lubrificante Este tipo de anlise refere-se determinao das propriedades fsico-qumicas do lubrificante e seus aditivos. Anlise de contaminao Os contaminantes so todo o material estranho que entra no sistema de lubrificao proveniente do ambiente exterior ou partculas geradas internamente. A contaminao compromete seriamente o bom funcionamento do equipamento e promove a degradao do lubrificante. A anlise do lubrificante permite controlar nveis de contaminao predefinidos. Anlise de partculas de desgaste A monitorizao e anlise das partculas de desgaste geradas no equipamento permitem a deteco e avaliao de condies anormais de funcionamento que deste modo podero ser atempadamente e efectivamente geridas pela manuteno. Na seguinte tabela encontram-se testes tpicos de anlise de lubrificantes e os seus benefcios:

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A eficincia da anlise de lubrificantes implica a satisfao dos seguintes requisitos: - a amostra do lubrificante deve ser representativa de todo o sistema - existe uma variedade de tcnicas de anlise complementares entre si - existe uma preciso na interpretao dos resultados - a informao adicional confirma os resultados obtidos Assim, a partir dos resultados das anlises de acompanhamento, possvel prever a ocorrncia de possveis avarias e evit-las, como tambm determinar o momento correcto para a mudana do lubrificante. ANLISE DA CONDIO DO LUBRIFICANTE A degradao de um lubrificante pode ser avaliada atravs da medio de algumas das suas propriedades, comparando os seus valores com os correspondentes ao lubrificante virgem. Uma srie de testes normalizados so frequentemente utilizados para obteno desses valores, nomeadamente a medio da viscosidade, acidez, teor em gua, grau de oxidao e contaminao. Viscosidade A diminuio da viscosidade de um leo est normalmente associada contaminao por um fludo de menor viscosidade (solvente, gua, combustvel). Por outro lado, um aumento de viscosidade poder ser o resultado da oxidao do prprio lubrificante ou da presena de produtos insolveis no leo. Os principais produtos insolveis que se podem encontrar num leo lubrificante so: a) carbono, resultante de uma combusto incompleta 8

b) produtos de oxidao do lubrificante (e/ou do combustvel) c) partculas resultantes do desgaste de componentes da mquina e) poeiras atmosfricas que atravessam os filtros de ar f) produtos da degradao dos aditivos do leo A viscosidade de um lubrificante pode ser medida utilizando vrios mtodos normalizados. Segundo a norma IP 212/92 (Mtodo de Engler), a viscosidade determinada medindo o tempo em segundos, necessrio para um determinado volume de lubrificante a uma dada temperatura controlada, fluir atravs de um orifcio e perfazer 200 ml de um balo graduado (ver Figura 3). Esse valor posteriormente convertido em grau Engler e, utilizando uma expresso, depois convertido em unidades de centistokes (cSt). O valor da viscosidade de um leo s vlido quando a temperatura qual se realizou a medio reportada, por exemplo, 32 cSt a 40C. A viscosidade afecta o funcionamento correcto de um equipamento, provoca perdas por atrito e interfere com a espessura de filme lubrificante num rolamento. A sua medio , por isso essencial, na anlise de um leo usado. Um aumento de viscosidade na ordem dos 10 a 20% considerado severo na maior parte das aplicaes correntes.

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Figura 3 Viscosmetro de ENGLER

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FerrografiaA tcnica da ferrografia envolve dois tipos de anlises: Ferrografia de Leitura Directa e Ferrografia Analtica Ferrografia de Leitura Directa (Ferrometria) O Ferrgrafo de Leitura Directa (DR) mede quantitativamente a concentrao de partculas ferrosas que um lubrificante contm. Cerca de 1 ml de amostra feita passar atravs de um tubo capilar, o qual est submetido a um forte campo magntico e dois feixes luminosos (ver figura 4). As partculas maiores que 5 m so depositadas primeiro e as de dimenses inferiores depositam-se 5 mm abaixo no tubo. A densidade do depsito medida por um sistema ptico, o qual quantifica a intensidade de luz que atravessa o tubo, que por sua vez inversamente proporcional densidade de partculas depositadas. Assim, so obtidos dois valores - Dl e Ds, que representam respectivamente a quantidade de partculas grandes e partculas pequenas. A partir destes valores possvel determinar dois ndices de desgaste:

Figura 4 Ferrgrafo de Leitura Directa

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onde d representa o factor diluio da amostra nos casos de excessiva contaminao. Atravs da curva de tendncia resultante da representao grfica dos valores obtidos em sucessivas amostras (ver Figura 5), possvel definir nveis de alerta e nveis de alarme, estipulando deste modo um perodo de tempo com uma margem de segurana para as intervenes preventivas da avaria (mudana do lubrificante, mudana de componentes, etc.).

Figura 5

Ferrografia Analtica A Ferrografia Analtica utilizada para obter informaes mais detalhadas das partculas contaminantes do lubrificante. As partculas so depositadas e fixadas segundo o mesmo princpio do ferrografo de leitura directa, mas neste caso sobre um substrato de vidro o ferrograma como se mostra na figura 6.

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Figura 6 Ferrgrafo Analtico

ndices de Desgaste

As partculas de maiores dimenses depositam-se entrada do ferrograma e vo diminuindo progressivamente em tamanho ao longo do mesmo. Embora esta tcnica seja mais eficiente na deteco de partculas ferrosas, algumas partculas com caractersticas no ferromagnticas, como por exemplo, ligas de cobre, alumnio, etc., tambm se depositam devido a adquirirem algum magnetismo como resultado do atrito com o ao, por ficarem presas entre os filamentos das partculas ferrosas, ou simplesmente por sedimentao. Preparado o ferrograma, a fase analtica ser ento realizada utilizando um microscpio bicromtico (com luz transmitida e luz reflectida), onde vrias caractersticas das partculas so observadas, tais como: dimenso, morfologia, cor, brilho, tipo de superfcie, tipo de bordos. Algumas destas caractersticas esto associadas aos diversos tipos de desgaste e outras identificao do material que est a ser desgastado. Deste modo possvel determinar qual o processo de desgaste (normal, fadiga, abrasivo, corrosivo, etc.) que se est a desenvolver no equipamento e nomeadamente, identificar o componente que se est a deteorar. A identificao do material normalmente acompanhada por um tratamento trmico do ferrograma a vrias temperaturas, o que permite identificar as vrias ligas de ao, cobre e alumnio, atravs das diversas alteraes de cor. 13

REALIZAO DO TRABALHO1 - MEDIO DA VISCOSIDADE DE UM LEO LUBRIFICANTE A VRIAS TEMPERATURAS Objectivo Medir a Viscosidade de um leo lubrificante, a vrias temperaturas e determinar as constantes para as expresses da variao de Viscosidade Cinemtica com a temperatura Equipamento utilizado Viscosmetro de Engler O Viscosmetro de Engler constitudo por um recipiente onde introduzida a amostra de lubrificante a analisar, que tem um orifcio na base que se obstrui ou abre atravs de um ponteiro de madeira. Para aquecer e manter o lubrificante a uma determinada temperatura, este recipiente englobado por outro que contm um lquido (gua ou leo) que aquecido atravs de uma resistncia elctrica. Estes dois recipientes encontram-se apoiados num trip que permite nivelar o aparelho. Existem dois termmetros para controlar a temperatura (um para o banho e outro para o lubrificante). Elementos necessrios realizao do trabalho Viscosmetro de Engler Recipiente graduado (at 200 ml) Cronmetro (resoluo mnima de 0.1 s) 250 ml do lubrificante a analisar leo novo RENOLIN B32 HUI

Etapas do trabalho 1. 2. 3. 4. Cronometrar o tempo de escoamento de 200 ml de gua a 20C Cronometrar o tempo de escoamento de 200 ml do lubrificante s Converter os tempos em graus ENGLER e posteriormente em cSt Determinar as constantes para a expresso ASTM D341 do lubrificante temperaturas de 40, 70 e 100C (centiStoke)

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ANLISE DOS RESULTADOSTempo de escoamento de 200 ml de gua a 20C = 51 s Tempo de escoamento de 200 ml de lubrificante a vrias temperaturas: Temperatura [C] 41 66 99 Converso dos tempos em graus ENGLER Graus ENGLER (E) = tempo de escoamento lubrificante / tempo de escoamento gua E (41C) = 208.35 / 51 E (41C) = 4.090 E (66C) = 102.04 / 51 E (66C) = 2.001 E (99C) = 76.06 / 51 E (99C) = 1.491 Converso dos graus ENGLER em cSt ( centiStoke) cSt = k1 x E + [k2 / (E + k3)] em que, E < 3 ento k1 = 14.867; k2 = 75.568; k3 = -6.198 E 3 ento k1 = 7.624; k2 = -2.717; k3 = -1.522 cSt (41C) = 7.624 x 4.090 + [-2.717 / [4.090 + (-1.522)]] cSt (41C) = 30.124 mm2/s Tempo [s] 208.35 102.04 76.06

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cSt (66C) = 14.867 x 2.001 + [75.568 / [2.001 + (-6.198)]] cSt (66C) = 11.744 mm2/s cSt (99C) = 14.867 x 1.491 + [75.568 / [1.491 + (-6.198)]] cSt (99C) = 6.112 mm2/s Determinao das constantes para a expresso ASTM D341 do lubrificante Log Log ( + c) = m n Log (T) viscosidade (em cSt) temperatura T (em Kelvin - k = C + 273.15) c = 0.7 (leos minerais) m e n - determinam-se normalmente com as viscosidades medidas para as temperaturas de 40C e 100C para 41C 41 + 273.15 = 314.15 k = 30.124 mm2/s Log Log (30.124 + 0.7) = m n Log (314.15) para 99C 99 + 273.15 = 372.15 k = 6.112 mm2/s Log Log (6.112 + 0.7) = m n Log (372.15) ento, Log Log (30.124 + 0.7) = m n Log (314.15) Log Log (6.112 + 0.7) = m n Log (372.15) 0.173 = m 2.497 n ----m = 0.173 + 2.497 n -----0.252 = -0.074 n

-0.079 = 0.173 + 2.497 n 2.571 n m = 8.675 n = 3.405

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Determinadas as constantes m e n, podemos substitui-las na frmula. Atribuindo valores de temperatura diferentes poderemos obter outros valores de viscosidade: Temperatura [C] 10 20 30 41 50 66 70 80 90 99 110 120 130 Temperatura [k] 283.15 293.15 303.15 314.15 323.15 339.15 343.15 353.15 363.15 372.15 383.15 393.15 403.15 Viscosidade [mm2/s] 131.16 76.16 47.71 30.68 22.41 13.98 12.61 9.96 8.08 6.84 5.70 4.93 4.32

Variao da ViscosidadeViscosidade (mm2/s) 140 120 100 80 60 40 20 05 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 28 3,1 29 3,1 30 3,1 31 4,1 32 3,1 33 9,1 34 3,1 35 3,1 36 3,1 37 2,1 38 3,1 39 3,1 5 40 3, 1 5

Temperatura (k)

Pela anlise do grfico, podemos concluir que a viscosidade diminui com o aumento da temperatura.

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2 ANLISE DE UM LEO LUBRIFICANTE POR FERROLOGIA DE LEITURA DIRECTA Objectivo Quantificar o desgaste de um lubrificante atravs da anlise do leo lubrificante pelo mtodo da Ferrologia de Leitura Directa Equipamento utilizado Ferrgrafo de Leitura Directa (fig. 4) Elementos necessrios realizao do trabalho Forno elctrico para aquecimento da amostra Material de laboratrio (pipetas, tubos de ensaio, etc.) Fixer / oil (consumvel solvente para a preparao da amostra) Tubo de plstico DR III (consumvel)

Etapas do trabalho 1. Preparao da amostra a analisar 2. Realizao da analise 3. Registo dos ndices obtidos (Dl e Ds) 4. Calculo dos ndices de desgaste (CPUC e ISUC) e sua interpretao

ANLISE DOS RESULTADOSRegisto dos ndices Dl e Ds Concluda a anlise, o Ferrgrafo de Leitura Directa deu-nos os valores: Dl = 73.1 Ds = 27.8 Estes valores vo ser utilizados no clculo dos ndices de desgaste: CPUC = (Dl + Ds) / d = (73.1 + 27.8) / 1 = 2.63 ISUC = (Dl2 + Ds2) / d = (5343.61 + 772.84) / 1 = 6116.45 Dl quantidade de partculas de grande dimenso Ds - quantidade de partculas de pequena dimenso d factor de diluio da amostra (neste caso = 1) 18

3 ANLISE DE UM LEO LUBRIFICANTE POR FERROLOGIA ANALTICA Objectivo Identificao do tipo de desgaste presente num equipamento atravs da anlise detalhada das partculas de desgaste geradas e contidas numa amostra de leo lubrificante, pelo mtodo da Ferrologia Analtica Equipamento utilizado Ferrgrafo Analtico (fig. 6) Microscpio ptico bicromtico Placa trmica Elementos necessrios realizao do trabalho Forno elctrico para aquecimento da amostra Material de laboratrio (pipetas, tubos de ensaio, etc.) Fixer / oil (consumvel solvente para a preparao da amostra) Tubo de plstico FM III e lamela de vidro (consumveis) Rolo fotogrfico Termmetro de superfcie 3 ml de leo

Etapas do trabalho 1. Preparao da amostra a analisar 2. Preparao do Ferrograma 3. Anlise do ferrograma ao microscpio ptico e registo da informao sobre o tipo de partculas de desgaste observadas 4. Realizao de algumas microfotografias 5. Realizao do tratamento trmico do ferrograma 6. Observao do ferrograma aps tratamento trmico e registo das alteraes ocorridas na cor das partculas

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ANLISE DOS RESULTADOS

Foto 1 Ampliao: 200 Diluio: 1 Luz ambiente Localizao: Ncleo Observaes: Partculas ferrosas (eventualmente fadiga) alinhadas segundo o campo magntico, algumas de grande dimenso e bastante oxidadas.

Foto 2 Ampliao: 200 Diluio: 1 Luz polarizada Localizao: Ncleo Observaes: Partculas ferrosas (eventualmente fadiga), no entanto, com a presena de partculas contaminantes (fibras e poeiras).

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Foto 3 Ampliao: 1000 Diluio: 1 Luz ambiente Localizao: Ncleo Observaes: Observa-se na parte central uma partcula no oxidada (no ferrosa). Todo o resto xido podendo encontrar-se partculas esfricas.

Foto 4 Ampliao: 1000 Diluio: 1 Luz ambiente Localizao: Ncleo Observaes: Igual a foto 3, mas aps tratamento trmico. Os tons azulados so partculas em ao de baixa liga ou ao-carbono.

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BibliografiaGraa, B.; Seabra, J.; "Anlise de Lubrificantes Princpios Bsicos", Novembro de 2002 Graa, B.; Castro, J.; Seabra, J.; Trabalhos Prticos de Tribologia, 2001

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