Conteúdo abordado:
- Qual é a definição de fator de velocidade em rolamentos?
- Qual é a diferença entre fator de velocidade e rotação?
- Como calcular o fator de velocidade em rolamentos?
- Como o fator de velocidade funciona nos lubrificantes?
- Quais são os impactos do fator de velocidade na lubrificação?
- Exemplo prático da importância de calcular o fator de velocidade.
Fator de velocidade, fator de velocidade linear, fator dn, fator NDm. Não importa como você chame, esse fator é extremamente importante quando se trata de lubrificação de rolamentos. Ele nos ajuda a entender a relação entre a rotação e o diâmetro do rolamento e como isso afeta a escolha da viscosidade correta do óleo base, os cálculos do fator kappa e a quantidade ideal de lubrificante a ser aplicada.
Qual é a definição de fator de velocidade em rolamentos?
Basicamente, o fator de velocidade é uma variável que expressa a relação entre a velocidade de rotação de um rolamento e o seu tamanho. Esse fator é tipicamente expresso em unidades de velocidade linear (ou seja, o deslocamento por unidade de tempo). Saber essa relação é importante, pois considerar apenas a rotação do rolamento de forma isolada pode levar a erros na escolha do lubrificante ideal para a aplicação. Usar apenas a rotação para dizer se é uma aplicação de baixa, média ou alta velocidade pode ser uma visão muito curta e deixar passar detalhes cruciais.
Qual é a diferença entre fator de velocidade e rotação?
Tecnicamente, o fator de velocidade corresponde a uma medida de velocidade linear (tangencial), enquanto a rotação se refere à velocidade angular (deslocamento angular por unidade de tempo). Na prática, os dois são mais comumente expressos como:
- Rotação (velocidade angular): rpm (rotações por minuto).
- Fator de velocidade: mm/min (milímetros por minuto).
Assim, numa análise simples de unidades de medida, a relação entre rotação e velocidade (fator de velocidade) pode ser definida, e ela depende de outra dimensão. Para explicar melhor, a Figura 1 mostra um rolamento com uma certa rotação ω, girando no sentido anti-horário.
(Figura 1 – Rolamento com rotação ω)
Ao selecionar dois pontos neste rolamento, alinhados com o centro de rotação, neste caso um ponto vermelho e um ponto verde (Figura 2), nota-se que o ponto vermelho está mais longe do centro do que o ponto verde. Ambos os pontos têm a mesma rotação ω, no entanto, posso dizer que eles têm a mesma velocidade linear? Ou seja, o ponto vermelho se move na mesma velocidade que o ponto verde? A resposta é não!
(Figura 2 – Posição dos pontos vermelho e verde no rolamento)
Ao projetar dois círculos concêntricos que passam cada um por um dos dois pontos, o ponto vermelho está posicionado em um diâmetro maior que o ponto verde, correto? Portanto, o ponto vermelho tem um perímetro maior para percorrer do que o ponto verde, mas ambos levam o mesmo tempo para completar a volta. Isso significa que o ponto vermelho viaja a uma velocidade linear maior, ou seja, mais rápido que o ponto verde.
Igualando essa relação, temos que o rolamento tem uma velocidade angular ω, que é a rotação. O ponto verde está em um raio R1, então terá uma velocidade V1. O ponto vermelho está posicionado no raio R2 e, portanto, terá uma velocidade proporcional V2. Daí a equação relaciona a velocidade angular (rotação) à velocidade linear através do diâmetro. A velocidade linear (tangencial) é igual à velocidade angular multiplicada pelo raio (que é equivalente ao diâmetro dividido por dois), como mostrado na Figura 3.
(Figura 3 – Relação entre velocidade linear e rotação)
E por que isso é importante? Porque o que realmente “cisalha” (corta ou força) o lubrificante é a velocidade linear. A energia transferida para o lubrificante depende da velocidade na qual ele é aplicado. É a velocidade linear que está diretamente relacionada à viscosidade, formação de filme e cisalhamento do lubrificante. Em outras palavras, descobrir a velocidade no ponto onde o lubrificante está realmente fazendo seu trabalho é essencial para determinar o produto ideal.
Essa equação nos mostra que, para a mesma rotação (fixando o ω), quanto maior o diâmetro, maior a velocidade linear. De uma forma mais técnica: Se dois pontos percorrem trajetórias concêntricas com a mesma velocidade angular (rotação), então o mais externo deve ter maior velocidade tangencial/linear. Isso significa que rolamentos maiores exibirão velocidade linear mais alta do que rolamentos menores. E isso impactará muito na definição do lubrificante ideal para o rolamento.
Como calcular o fator de velocidade em rolamentos?
Após essa explicação, chegamos ao cálculo do fator de velocidade, fator NDm ou fator de velocidade — qualquer termo que você prefira. Existe mais de uma maneira usada para calcular esse fator em rolamentos. Para nossos propósitos, apresentaremos o método mais comum, que é baseado no diâmetro médio.
O fator de velocidade é calculado como a rotação (em rpm) multiplicada pelo diâmetro médio: (diâmetro externo + diâmetro interno) dividido por 2, como mostrado na Figura 4. Isso ocorre porque é na zona do diâmetro médio onde o lubrificante é colocado para trabalhar.
(Figura 4 – Equação para calcular o fator de velocidade em rolamentos)
Qualquer semelhança dessa fórmula com a fórmula de velocidade linear, vista na Figura 3, não é mera coincidência. É praticamente a mesma equação. A única ressalva são as unidades, que aqui não consideram a conversão de unidades de rotações por minuto para radianos por segundo, e que o diâmetro é preferido em vez do raio. Nesta equação, são usadas as unidades comuns do dia a dia (rpm para velocidade e milímetros para diâmetro). Os resultados desse cálculo com essas unidades já são referências mundialmente conhecidas, publicadas na literatura e usadas na indústria.
Portanto, é o resultado do cálculo do fator de velocidade que será considerado para dizer se é uma aplicação de alta, média ou baixa velocidade, e não a rotação isoladamente.
Como o fator de velocidade funciona nos lubrificantes?
Tipicamente, as fichas técnicas de graxas especificam o fator de velocidade máximo que o lubrificante suporta. Esse valor máximo sugerido é uma forma de indicar o quão bem a graxa pode fluir, gerar filme lubrificante e preencher espaços no rolamento. Tipo e viscosidade do óleo base, tipo de espessante e aditivos são variáveis que desempenham um papel importante na definição do fator de velocidade da graxa lubrificante. Em geral, os fabricantes de lubrificantes consultam a literatura da indústria (baseada na viscosidade do óleo base e tipo de espessante) para determinar o limite do fator de velocidade mostrado na ficha técnica. Também pode ser feito por análise reométrica para ajudar a identificar a capacidade da graxa em suportar diferentes faixas de velocidade e como sua viscosidade dinâmica varia.
Viscosidade, em resumo, é a resistência de um fluido ao fluxo e ao cisalhamento. Quanto maior a viscosidade do óleo, maior sua resistência a essas forças. Quando um lubrificante de alta viscosidade é usado entre duas superfícies em alta velocidade tangencial (ou seja, sob alto cisalhamento), ele gera uma resistência proporcionalmente maior, o que reduz a eficiência e aumenta as temperaturas operacionais. Portanto, quanto maior a viscosidade do óleo base, menor será o fator de velocidade suportado.
O tipo de espessante e os aditivos também desempenham um papel importante nessa característica de suportar a velocidade e o cisalhamento. Alguns espessantes são “mais pesados” porque são adicionados em uma concentração maior na formulação da graxa. Por exemplo, uma graxa de complexo de sulfonato de cálcio pode ter cerca de 30% de espessante para atingir a consistência NLGI 2, enquanto uma graxa de complexo de lítio precisa de apenas cerca de 12%.
Alguns aditivos dão uma característica mais fibrosa à graxa. Esses aditivos são tipicamente adicionados para melhorar a aderência e evitar gotejamentos, e pode-se dividir basicamente em duas formas: fibras longas (com o aditivo) e fibras curtas (sem o aditivo). Em resumo, graxas com fibra curta têm uma textura mais suave, são mais bombeáveis e permitem um fator de velocidade mais alto. Graxas com fibra longa, por outro lado, oferecem maior resistência ao fluxo e têm pior bombeabilidade, o que se converte em um fator de velocidade suportado mais baixo.
Uma maneira muito simples de ver a diferença entre fibras curtas e longas na graxa é colocar uma pequena amostra de graxa entre o dedo indicador e o polegar, pressioná-los e separá-los. A graxa de fibra curta se rompe com pouco alongamento, enquanto a graxa de fibra longa tende a esticar mais em um único feixe de fibra, como mostrado na Figura 5. De qualquer forma, é um método trivial e fatores como viscosidade do óleo base e tipo de espessante podem dificultar a interpretação.
(Figura 5 – Comparação de graxas de fibra longa e curta)
Para mostrar alguns exemplos de fichas técnicas de graxas, nas Figuras 6 e 7 temos, respectivamente, a Interplex, com 1000 cSt de óleo base, espessante de complexo de sulfonato de cálcio e fator de velocidade de 150.000, e a Sintaplex, com um óleo base de 32 cSt, espessante de complexo de lítio e fator de velocidade de 1 milhão.
(Figura 6 – Ficha técnica da Interplex)
(Figura 7 – Ficha técnica da Sintaplex)
Exemplo de cálculo: Um rolamento 22338, diâmetro externo de 400 mm, diâmetro do furo de 190 mm e velocidade de rotação de 1800 rpm. Usando a fórmula apresentada na Figura 4, poderia ser calculado um fator de velocidade de 531.000 mm/min, ou seja, uma aplicação de alta velocidade. Qual das graxas mostradas acima você selecionaria? A resposta é: Sintaplex. A razão para essa escolha é que a Sintaplex suporta até 1.000.000 de fator de velocidade. A Interplex suporta apenas 150.000. Se colocássemos a Interplex em um rolamento com fator de velocidade de 531.000, certamente observaríamos um aumento na temperatura do rolamento e possível centrifugação da graxa (separação do óleo).
Quais são os impactos do fator de velocidade na lubrificação?
Vimos que calcular o fator de velocidade do rolamento é extremamente importante para determinar a viscosidade ideal do óleo base. No entanto, além disso, o fator de velocidade impacta outros fatores que são decisivos para uma lubrificação de classe mundial, incluindo: fator kappa, quantidade ideal de graxa aplicada e intervalo de relubrificação.
O fator kappa é uma maneira de determinar a viscosidade ideal do óleo base com base na velocidade de rotação. Em geral, de acordo com a ISO 281:2007, o fator kappa é a divisão entre a viscosidade do óleo na temperatura de operação e a viscosidade de referência definida de acordo com as dimensões do rolamento e sua rotação (ou seja, seu fator de velocidade). O fator kappa bem selecionado, ou seja, com valores entre 1 e 4, sugere que um filme lubrificante de espessura ideal será formado entre as partes em contato, isto é, nem muito grosso para aumentar o atrito fluido e a temperatura, nem muito fino para permitir o contato metal-metal.
O fator de velocidade também é altamente importante na determinação do volume de preenchimento de graxa. Em geral, quanto maior o fator de velocidade, menor o volume de graxa que deve ser aplicado.
Para explicar isso com uma analogia, podemos usar o exemplo de um carro sendo dirigido em uma estrada com a janela aberta. O fluido (neste caso, o ar) gera uma certa resistência ao veículo e, com a janela aberta, essa resistência é ainda maior. À medida que a velocidade do veículo aumenta, a resistência imposta pelo ar também aumenta. Em uma certa velocidade, a resistência do ar é tão alta que faz sentido fechar as janelas e ligar o ar condicionado porque, mesmo fazendo isso, você verá um menor consumo geral de energia (neste caso, combustível). Nesta analogia, fica claro que a velocidade está diretamente relacionada à resistência gerada pelo fluido.
Outra analogia que pode ser usada para explicar esse efeito é quando estamos em uma piscina e tentamos nos mover. Quanto mais fundo estivermos submersos na água, mais difícil será nos mover e mais energia gastaremos. E quanto mais rápido tentarmos nos mover, maior será a resistência da água ao nosso movimento.
Seguindo essa linha de pensamento, quanto mais rápido um rolamento gira, maior a resistência que o lubrificante (neste caso, graxa) apresentará ao movimento. Portanto, uma quantidade excessiva de graxa em um rolamento de alta velocidade pode gerar resistência extrema ao movimento, aumentando o consumo de energia e a temperatura de operação.
É comum ver recomendações gerais para preencher 1/3 do espaço livre do rolamento de empresas como SKF e FAG. Essa é realmente uma boa aproximação, mas apenas para rolamentos em velocidades médias. Geralmente, a quantidade ideal de graxa deve ser determinada por dados como a faixa do fator de velocidade, conforme mostrado na Figura 8. Rolamentos em baixa velocidade podem ser preenchidos com graxa porque as perdas por agitação serão quase insignificantes. Rolamentos em alta velocidade devem ser preenchidos com uma quantidade menor, sugerida aqui como 10 a 15% do espaço livre do rolamento.
(Figura 8 – Fator de velocidade e quantidade sugerida de graxa)
Obviamente, o fator de velocidade é apenas um dos fatores que influenciam a determinação da quantidade ideal de graxa. As condições de contaminação, por exemplo, também podem impactar essa quantidade e, portanto, devemos considerar todas as condições operacionais e ambientais da aplicação para definir o volume ideal.
Finalmente, o fator de velocidade também impacta a vida útil da graxa em operação, ou seja, o intervalo de lubrificação para o rolamento. A maioria dos rolamentos em aplicações críticas deve ser relubrificada e, por mais que novas técnicas de lubrificação baseadas na condição estejam surgindo e possam demonstrar alta eficiência, ainda existem muitos casos onde a lubrificação é feita preventivamente (baseada no tempo).
Como já mencionado, a graxa no rolamento é repetidamente cisalhada (cortada) e se degrada com o tempo. Quanto mais rápido o rolamento gira, mais ciclos de trabalho a graxa deve suportar e maior o estresse de cisalhamento apresentado. Assim, quanto maior a velocidade, mais rápido a graxa perderá consistência, perderá óleo e perderá outras propriedades essenciais. A soma dessas perdas representa a degradação da graxa e da lubrificação do rolamento. Em aplicações de alta velocidade, é inevitável que tenhamos que substituir a graxa em intervalos mais curtos do que em aplicações de baixa velocidade.
Novamente, inúmeros outros fatores impactarão o intervalo de lubrificação da graxa, não apenas o fator de velocidade. Portanto, considerar todas as condições às quais o rolamento está sujeito é a maneira mais correta de alcançar uma lubrificação de classe mundial.
Exemplo prático da importância de calcular o fator de velocidade
Considere dois rolamentos de diâmetros diferentes, mas ambos com a mesma rotação, exemplificada aqui como 400 rpm. Como explicado anteriormente, sabe-se que a velocidade linear de cada um será diferente no ponto onde o lubrificante será colocado. Em outras palavras, a velocidade linear no ponto do diâmetro médio será maior no rolamento com o diâmetro maior.
Neste exemplo, o rolamento menor tem um diâmetro médio de 90 mm, enquanto o rolamento maior tem um diâmetro médio de 550 mm. O resultado do cálculo do fator de velocidade será 36.000 e 220.000 mm/min para o rolamento menor e o rolamento maior, respectivamente, conforme mostrado na Figura 9.
(Figura 9 – Cálculos do exemplo prático)
Portanto, existem rolamentos com a mesma rotação que trabalham o lubrificante com velocidades diferentes e podem precisar usar lubrificantes diferentes, aplicados em quantidades diferentes e em intervalos de lubrificação diferentes para alcançar a lubrificação ideal.
Dando um exemplo relacionado às quantidades aplicadas de graxa, usando as referências na tabela da Figura 9, o rolamento maior (NDm = 220.000 mm/min) está em uma faixa de velocidade média, preenchendo 30 a 40% do espaço vazio do rolamento. O rolamento menor (NDm = 36.000 mm/min) está em uma faixa de velocidade muito baixa, com um preenchimento recomendado de 70 a 100% do espaço vazio do rolamento.
Portanto, ao selecionar lubrificantes para rolamentos e especificar o volume de preenchimento, não se deve confiar apenas no rpm. Por exemplo, 400 rpm sozinho não indica o regime de lubrificação se o tamanho do rolamento for desconhecido.
O ponto fraco dessa teoria é que ela não considera um fator muito importante: a temperatura. Então, o próximo passo será considerar essa variável através da teoria do fator kappa.
Conclusão
Em resumo, o fator de velocidade é o elo chave entre a rotação de um rolamento, seu diâmetro e o comportamento do lubrificante. Ele determina a velocidade linear no ponto onde a graxa trabalha, guia a seleção da viscosidade do óleo base e dita o volume ideal de graxa e o intervalo de relubrificação. Rolamentos de tamanhos diferentes, mas com rotações idênticas, experimentam velocidades lineares muito diferentes, tornando o fator de velocidade essencial para um planejamento de lubrificação preciso. Ignorá-lo em favor apenas da rotação traz o risco de escolha inadequada do lubrificante, cisalhamento excessivo, temperaturas mais altas e vida útil reduzida do rolamento. Calcular e aplicar com precisão o fator de velocidade garante que a lubrificação seja adaptada às condições reais de trabalho, alcançando eficiência, confiabilidade e longevidade.
