Publicada em

25/08/2017

Lorival Antunes Da Silva Junior

231 – Estudo da viabilidade técnica da utilização de materiais poliméricos autolubrificantes no uso de mancais de pequenas unidades geradoras horizontais

Resumo

As turbinas e os geradores de usinas hidrelétricas são sustentados por mancais, elementos mecânicos que fornecem apoio a um eixo em rotação. No sentido de mitigar o efeito do atrito, os mancais são continuamente lubrificados e o lubrificante, além de ser exposto ao calor, apresenta turbilhonamento e parte de seu volume passa para o estado de vapor, o que podem causar vários problemas devido a condensação fora das cubas dos mancais, dentre eles: ambiental devido ao  lançamento de alíquotas de lubrificantes nos rios pelo canal de fuga; técnicos como a  reposição de óleo, danos na isolação elétrica do gerador, obstrução dos canais de ventilação do estator e custo com equipe de operação e manutenção; econômica devido aumento de custo do homem x hora, possíveis autuações da ANEEL e maior consumo de óleo; de segurança do trabalho devido a acidentes de trabalho por queda e escorregamento. Uma alternativa para minimizar esses problemas é a utilização de mancais do tipo autolubrificantes. Com essa premissa o presente estudo consiste na avaliação do comportamento tribológico de compostos poliméricos comerciais a fim de estudar a viabilidade técnica de se aplicar esses materiais em mancais de pequenas unidades geradoras horizontais. Para isso foram selecionados três compostos poliméricos, os quais tiveram sua composição química preponderante identificada como: poliéster para o material 1 e poliuretano para os materiais 2 e 3. Estes foram avaliados pela técnica de caracterização de EDS (análise de energia dispersiva de raios X), DSC (calorimetria diferencial de varredura), FTIR (espectroscopia de Infravermelho), TGA (análise termogravimétrica), dureza Shore D, ensaios de rugosidade, determinação de densidade e o ensaio tribológico propriamente dito.

Foram realizados ensaios de atrito, do tipo pino contra disco, para isso foram produzidos corpos de prova, dos materiais estudados, em formatos de pinos que foram submetidos ao atrito contra um substrato rotatório de aço inoxidável AISI 304. As amostras foram ensaiadas em distâncias e carga aplicada constante e três velocidades tangenciais diferentes. Foram realizadas medições do coeficiente de atrito cinético, da temperatura no contato e do desgaste. Esses procedimentos permitiram traçar o comportamento dos materiais, permitindo uma comparação entre as amostras.

Os materiais 1 e 3 não sofreram alterações no coeficiente de atrito quando aumentada a velocidade tangencial. O material 3 apresentou o menor coeficiente de atrito dentre os materiais estudados. Os lubrificantes sólidos desprendidos dos materiais 2 e 3 tenderam a aderir à pista de ensaio formando um filme lubrificante. O material 1 teve a sua lubrificação feita imediatamente no momento do contato e não através da formação constante de filme.

Para a aplicação proposta, o material 3 aparenta ser o mais indicado dentre os materiais estudados, devido a estabilidade e menores valores de coeficiente de atrito. Porém, considerando a severidade da aplicação é necessário fazer maiores estudos sobre o desgaste deste material.

Abstract

The turbines and generators of hydroelectric plants are supported by bearings, mechanical elements that provide support to an axis in rotation. In order to mitigate the effect of friction, the bearings are continuously lubricated and the lubricant, besides being exposed to the heat, does whirl and part of its volume passes to the vapor state, which can cause several problems due to condensation outside the bearing housings. The problems can be of environmental matters, due to the leakage of aliquots of lubricants in the rivers; technical due the replacement of oil, damage to the electrical insulation of the generator, obstruction of stator ventilation channels and cost with operation and maintenance staff; economic due the increase of the cost of the man x hour, possible fines of ANEEL and greater consumption of oil; workplace safety due to work accidents by falling and slipping. An alternative to minimize these problems is the use of self-lubricating bearings. With this premise the present study consists in the evaluation of the tribological behavior of polymeric compounds in order to study the technical feasibility of applying these materials to small horizontal generating units. To that end, three polymer compounds were selected, which had preponderant composition identified as: polyester  to Material 1 and polyurethane to materials 2 and 3. These materials were assessed by the EDS characterization technique, DSC (differential scanning calorimetry), FTIR (infrared spectroscopy), thermogravimetry, Shore D hardness, roughness tests, density determination and the tribological test itself.

Friction tests, pin-to-disk, were carried out. For this purpose, test specimens of the studied materials were produced in pin shapes that were submited to friction against an AISI 304 stainless steel rotating substrate. Samples were tested at constant distances and load at three different speeds. Kinetic friction coefficient, contact temperature and wear were measured. These procedures allow tracing the behavior of the materials, allowing a comparison between the samples.

Materials 1 and 3 did not change the coefficient of friction when the tangential velocity was increased. Material 3 presented the lowest coefficient of friction among the studied materials. The solid lubricants released from materials 2 and 3 tended to adhere to the test lane forming a lubricating film. Material 1 had its lubrication done immediately upon contact and not through constant film formation.

For the proposed application, material 3 appears to be the most suitable among the materials studied, due to stability and lower coefficient of friction values. However, considering the severity of the application it is necessary to make further studies on the wear of this material.

Data da defesa: 25/08/2017

Banca Examinadora

Orientador (a): Marilda Munaro (Lactec)
Membro da Banca: Guilherme Cunha da Silva (Lactec)
Membro da Banca: Tiago Cousseau (UTFPR)

Palavra(s)-Chave: Atrito; Coeficiente de Atrito; Desgaste; Poliéster; Poliuretano.

Keywords: Friction; Coefficient of friction; Wear; Polyester; Polyurethane.

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