TRIBOLOGIA DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS...P R AGENDA: Laboratório de Tribologia Numérica Giuseppe Pintaúde Julio Klein das Neves Carlos H. da Silva João L. do Vale (UTFPR/Londrina)

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR

TRIBOLOGIA DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS: ABORDAGENS EXPERIMENTAL E NUMÉRICA

Carlos Henrique da Silva (LASC)

09 de Setembro de 2015, Vitória/ES


AGENDA:

Laboratório de Tribologia Giuseppe Pintaúde Julio Klein das Neves Carlos H. da Silva

João L. do Vale

(UTFPR/Londrina)

Sumário

2

Laboratório de Mecânica Estrutural

Laboratório de Análise Numérica Marco Antonio

Luersen

Ana Paula Carvalho da Silva Ferreira

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Grau de realismo x Transferência (tribotestes)

3


Ferro Fundido Nodular (TUPY) Austempera / Tempera

Aços Liga (Têmpera / Cementação) Ensaios tipo FZG

Quantificação dos danos Análise de Imagem

Análise de Tensões Contato Flexão

Mecânica da Fratura Tenacidade a fratura (KIIC) Propagação de trincas

Elementos de Máquinas

Engrenagens

Mancal de Deslizamento

Pistão/Camisa/Anel

4


Mancal Polimérico PTFE Nylon / POM / UHMW / HDPE PTFE + (bronze e grafite) Biodegradável (Mamona)

Mancal Metálico Lubrificado Babbitt x Aço

Diluição por Gasolina Diluição por Biodíesel

Metodologia Runninig-in x Transições Mancal-Eixo x Pino-Disco


Engrenagens


Pistão/Camisa/Anel

5


Pistão – Cilindro Bomba de Injeção Diesel Desgaste x Análise Numérica

Anel - Camisa Motor de Combustão Folded Metal Ferro Fundido

Vermicular x Cinzento Anel - Camisa

Motor de Combustão Monocilindro EGR Análise do óleo


Engrenagens


Pistão/Camisa/Anel

6

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Engrenagens - ECDR

7

Ensaios padronizados por norma Estudo do lubrificante

Ensaios não-normalizados Estudo do comportamento das engrenagens

Material Acabamento Superficial Geometria Tratamento Superficial

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Ensaio FZG back-to-back

Vista Lateral

8

Motor Elétrico (10 kW)

Caixa Motor Caixa de Ensaio Eixo de aplicação de torque


Ensaio back-to-back FZG

9

Resistência elétrica

Caixa de ensaio

Sensor de temperatura - TIC


10

Fotografia da superfície de desgaste

BANCADA PARA AQUISIÇÃO DE IMAGENS DO FLANCO DOS DENTES o Iluminação e distância focal constantes

o Máquina fotográfica da marca SONY modelo DSC-H9

• 8,1 megapixels + zoom máximo de 8,5 x

o Software para análise de imagem (Rotina MATLAB) Prof. João Luiz do Vale, MSc.

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Ferramentas de análise de Imagem

11


12


13


14


15


16

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Análise Numérica

17

Tensões de Contato Tensões de Flexão


0,0E+00

2,0E-06

4,0E-06

6,0E-06

8,0E-06

1,0E-05

1,2E-05

1,4E-05

ADI 1 AISI 4140 ADI 2 AISI 8620

Dam

age

Rat

e [

A%

/N]

• Damage Rate

% pitting area number of load cicle

=

Fofo Nodular Austemperado

18

- Temperatura de austêmpera - Tamanho de nódulos - Distribuição de nódulos - Propriedades da matriz

ADI 1 ADI 2


ADI 1 versus ADI2

Size of graphite nodules

Stress Concentration (nucleation of cracks)

Crack branching mechanism (propagation of cracks) Greno et al., 1999

The state of stress in contacts with smaller nodules is less severe (propagation of cracks) Dommarco et al., 2006

19

Nódulos x Trincas


20

Concentração de Tensões

Submodelling

ou

Global-Local


21



JAQUELINE LAZZARON (BOLSISTA PIBIC – CNPq)



23

posição dos nódulos x concentração de tensões


24

Efeito da presença de nódulos vizinhos

HORIZONTAL

VERT I CAL


Re-meshing – incrementos de comprimento de trinca e atualização da malha

ESTUDO DE PROPAGAÇÃO

DE TRINCAS

Mecânica da Fratura

25


θ1 θ

3

Step 1 Step 2 Step 3

(ERDOGAN & SIH, 1963)


ESTUDO DE PROPAGAÇÃO

DE TRINCAS

mKCdN

da

26


CONSIDERAÇÕES DO MODELO

Bidimensional;

Estado plano de deformações (EPD);

Incrementos de comprimento de trinca constantes (∆a);

Elementos quadriláteros de segunda ordem;

Ponta de trinca

Elementos triangulares singulares tipo quarter-points (singularidade 1/r0,5 em tensão).


27


α = 0º

Valores de KII nulos ou dezprezíveis (inferiores a 0,05% de KI).

Direção de propagação nulos ou desprezíveis

(na ordem de 0,001 grau).

Observa-se um aumento de KI com a presença do nódulo.

KI aumenta progressivamente conforme a trinca se aproxima do nódulo.

Casos com maior diâmetro de nódulo (B) apresentam maiores valores de KI

Nódulo menor (A) Nódulo maior (B)

AUMENTO PERCENTUAL DE KI EM RELAÇÃO À AUSÊNCIA DE NÓDULO


28


α = 0º

Primeira iteração Última iteração Caso31A Caso31A

Caso31B Caso31B

Nó

du

lo m

aio

r (B

)

N

ód

ulo

men

or

(A)


CAMPO DE TENSOES (VON-MISES)

29


30

α = 30º

Nó

du

lo m

aio

r (B

)

Nó

du

lo m

eno

r (A

)

L = 1d L = 2d L = 3d

Caso12A Caso22A Caso32A

Caso12B Caso22B Caso32B


CAMPO DE TENSOES (VON-MISES)

30


Caso 22A

• KI e KII não são estritamente crescentes durante a propagação da trinca




31


32

Sem nódulo Distância = 4a Distância = 2a

Distância = 1a

Distância = 0,5a


Acompanhamento do campo de tensões e dos fatores KI e KII

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Mecânica da Fratura

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Tensões de Flexão

34

TCC – Victor Betim / Pedro Murilo - 2015 Profa Ana Paula Junqueira

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Tensões de Flexão

35

TCC – Victor Betim / Pedro Nunes - 2015 Profa Ana Paula Junqueira Geometria da Raiz Convergência Análises de parametros

• Módulo • Ângulo

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Mancal de deslizamento

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FILME DE ÓLEO COM DILUIÇÃO MANCAL POLIMÉRICO (autolubrificante)


Dissertação: João Luiz do Vale

PTFE (Mancal sobre Eixo)

37




38


Excelente aproximação com o modelo de atrito de Archard (1957)



39


Segundo Archard e Hirst (1956): Cada material tem um

coeficiente admensional de desgaste (PTFE: 2,5.10-5);

Aproximação satisfatória com o modelo; Mesmo com ensaios diferentes;


PTFE (mancal sobre Eixo)

40


41

Mecanismo de Desgaste: formação de filme



Estatisticamente iguais:

Não houve degradação do material.

Aumento do grau de cristalinidade

42

DSC



Ocorrência de substituições: de flúor por hidrogênio (H); de flúor por hidroxilas (OH); Possível formação de carbonila (C=O)

Causa mais provável dessas alterações: Presença de umidade e de oxigênio; Elevação de temperatura; Esforço mecânico envolvido durante o ensaio.

43

FTIR (Infra-Red Spectroscopy)



44

Mancal-Eixo Lubrificado


TCC: Eduardo Boasczyk, Leandro Taiatella e Thiago Martins

DILUIÇÃO POR GASOLINA

SAE 15W-40

45


Diagrama de coeficiente de atrito X

(Viscosidade)*(Velocidade)/Carga

Fonte: ASM Handbook, 2006


Diminui a viscosidade

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,0% 2,5% 5,0% 7,5% 10,0% 12,5% 15,0% 17,5% 20,0%

Co

efic

ien

te d

e A

trit

o C

inét

ico

,

Concentração de biodiesel B100, %

SAE 15W-40

46


SAE 15W-40


47

LUBRIFICANTE E CONTAMINAÇÃO

Viscosímetro Brookfield DV-II+ Pro



Força Normal = 709,91 gf Força Normal = 1970 gf

For

ça d

e A

trito

[gf]

For

ça d

e A

trito

[gf]

TCC: Alexandre Shimni e Rahael Maximiano LUBRIFICANTE PURO

Estudo do efeito da carga na curva de Stribeck

SAE 15W-40 48



Alunos: FELIPE FERNANDO BOUTIN + LUCAS PRADO CAETANO ROCHA - 2015 ORIENTADORES: JOÃO L. DO VALE, CARLOS HENRIQUE DA SILVA

49

TCC: AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO TRIBOLÓGICO DO POLITETRAFLUORETILENO CONTRA AÇO INOXIDÁVEL SEM LUBRIFICAÇÃO EM ENSAIO PINO SOBRE DISCO


UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Tribologia de Polímeros

TCC: Estudo Do Comportamento Tribológico De Polímeros De Engenharia Em Deslizamento Sem Lubrificação Contra Aço Inoxidável (MATEUS BOBECK ISHIDA +MATHEUS TERPLAK BEÊ) - 2015

ORIENTADORES: JOÃO L. DO VALE, CARLOS HENRIQUE DA SILVA

50

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Tribotestes: Metodologia

51

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Tribotestes: Metodologia

52

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Anel/Camisa/Pistão

53


Para atender aos níveis de emissão impostos pelas regulamentações, novas tecnologias e sistemas vem sendo desenvolvidos.

54

EGR (Exhaust Gas Recirculation) DPF (Diesel Particulate Filter) SCR (Selective Catalytic Reduction)

EGR: Diminui a temperatura de combustão e reduz a concentração de oxigênio do fluido de trabalho que é admitido na câmara de combustão, reduzindo dessa forma a formação de NOx (ZHENG, 2004).

Ensaio em motor

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Justificativa

55

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Dissertação de Marco Muraro

Motor Diesel x EGR x Análise de óleo

56

[%]

[%] [%]ratiopuro

ExaustãoEGR

Exaustão Ar

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Definição dos Parâmetros de Ensaio

57

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

0,0% 5,0% 10,0% 15,0% 20,0% 25,0% 30,0%

Po

ntê

nci

a [C

V]

Título do Eixo

0

500

1000

1500

2000

2500

0,0% 5,0% 10,0% 15,0% 20,0% 25,0% 30,0% R

ota

ção

[rp

m]

% EGR

[EGR x Rotação Máxima]

Motor monocilindro – 4CV

Modelo Yanmar B7

Combustível: Diesel

Pistão com 5 Anéis

Óleo Lubrificante 15W40

ANÁLISE DE ÓLEO Viscosidade

Oxidação

TAN

Contaminação por água

Contagem de partículas

Soot (Cinzas)

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Bomba de Combustível: pistão x cilindro

58

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Metodologia da Análise Numérica

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Archard

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Bomba de Combustível: Pistão x Cilindro

60


61

Bomba de Combustível: Pistão x Cilindro

Desalinhamentos: 2º , 5º e 10º Ensaio: a seco


62

Bomba de Combustível: Pistão x Cilindro


63

Resultados de Doutorado

INFLUÊNCIA DA MICROESTRUTURA DE FERROS FUNDIDOS NA OCORRÊNCIA DE FOLDED METAL E NO COEFICIENTE DE ATRITO EM SUPERFÍCIES BRUNIDAS Aluno: João Luiz do Vale Orientador: Giuseppe Pintaúde Co-orientador: Carlos Henrique da Silva

Folded metal: Porções de material dobrado que cobrem os sulcos; Causado por deformação plástica;

Aluno: João Luiz do Vale


Adaptação Porta-anel

Fixação amostra

Anel

Termopares de controle e monitoramento

Cuba

Amostra do CILINDRO Resistor

Fluxograma para preparação das amostras


Aluno: João Luiz do Vale 64

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Resultados de Doutorado



Planejamento com condições favoráveis e não favoráveis à formação de filme

Constante

Grande variação de frequência




Triboscopia:

FN = 25 e 100 N.

COF

Posição

(-5 a 5 mm)

Tempo

(0 a 65 s)



Aluno: João Luiz do Vale

Para f=0.05 Hz

COF constante ao longo de todo ensaio;

Relação com a Força normal (aumento da área de contato real);

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Curva de Stribeck

↓ Força normal ↓ COFm

Altos valores de R2 para as curvas

Tendência de mesclagem das curvas para FN > 50N

69

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR Considerações Finais

70

Elementos de

Máquina

Subsistemas:

Geometria x Carregamento

Análise Numérica:

Tensão x Mecanica da Fraura x Desgaste

Análises Química:

Debris x Óleo Lubificante

Ensaios bancada:

Montagem x Aquisição de

dados


Obrigado

71

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