J.P.C. GUTIERREZ - MANUTENÇÃO INDUSTRIAL/ANÁLISE DE FALHAS EM REDUTORES DE VELOCIDADE - A
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| Micropitting on gear feeth |
Muitas engrenagens são afetadas por micropitting. Embora o micropitting não seja um fenômeno novo, seu significado não foi amplamente apreciado e, às vezes, foi considerado inofensivo. No entanto, agora é reconhecido como prejudicial à precisão do dente da engrenagem e, em alguns casos, um modo de falha primário. Micropitting é a fadiga superficial que ocorre em contatos hertzianos, causada por tensões de contato cíclicas e fluxo plástico na escala de aspereza.
Resulta em microfissuras, formação de micropites e perda de material. Micropitting também é referido como pontuação por fadiga, flecking, frosting, vitrificação, coloração cinza, microspalling, peeling e spalling superficial. No entanto, micropitting é o nome preferido porque descreve apropriadamente a aparência e o mecanismo.
Todas as engrenagens são suscetíveis a micropitting, incluindo externas, internas, retas, helicoidais e cônicas. Micropitting pode ocorrer com todos os tratamentos térmicos, incluindo endurecimento total, cementação, endurecimento por indução e nitretação. É comum com engrenagens cementadas e retificadas porque as cargas geralmente são altas e os dentes retificados são especialmente vulneráveis ao micropitting.
Atualmente, não há nenhum método analítico reconhecido para avaliar o risco de micropitting. No entanto, este artigo fornece diretrizes desenvolvidas a partir de experimentos e inspeções de engrenagens de laboratório e industriais para ajudar os engenheiros a selecionar e aplicar lubrificantes para evitar micropitting.
Aparência
A olho nu, os dentes da engrenagem parecem opacos, corroídos ou manchados com manchas de cor cinza. O micropitting é difícil de ver sob iluminação fluorescente difusa e é melhor observado com iluminação direcional intensa. Uma lanterna com um feixe concentrado mantido na direção correta ilumina efetivamente o micropitting. Com iluminação intensa, o micropitting pode brilhar ou aparecer salpicado.
Desenvolvimento do micropitting
O micropitting começa como contato superficial em pontos altos nas superfícies dos dentes da engrenagem, como cristas de ondulações, picos de vieiras de corte, sulcos de configuração de retificação e bordas de arranhões de retificação onde a rugosidade máxima pico a vale da superfície do dente pode ser de cerca de dois a quatro milímetros.
Micropitting pode ocorrer nas bordas dos dentes e nos limites dos defeitos da superfície, como arranhões e amassados. Também pode ocorrer adjacente a danos de outros modos de falha, como macropitting ou arranhões, e em qualquer lugar em que o filme lubrificante seja interrompido.
Múltiplas rachaduras se originam nesses locais e coalescem para formar micropoços ao longo de linhas que seguem pontos altos da topografia da superfície. Se as cristas forem periódicas, micropitting pode se formar em fileiras regularmente espaçadas. O micropitting geralmente progride até que os picos da superfície sejam removidos e pode continuar até que grandes áreas da superfície do dente pareçam porosas e continuamente rachadas.
Os dentes da engrenagem dedenda (a parte do dente abaixo do ponto médio ou linha de passo do dente) são vulneráveis a micropitting, especialmente ao longo do início do perfil ativo (SAP) e do ponto mais baixo de contato do dente único (LPSTC). No entanto, micropitting pode ocorrer em qualquer lugar nos flancos ativos.
Quando o dano por micropitting varia de dente para dente, geralmente significa que há variações na geometria do dente ou na rugosidade da superfície de dente para dente. Engrenagens com relações de transmissão não caçamba podem desenvolver padrões de micropitting que se repetem na frequência de um fator comum. Por exemplo, um conjunto de engrenagens com uma combinação de 20/45 dentes pode ter micropitting semelhante em cada quinto dente. Geralmente, a engrenagem com a superfície mais áspera causa micropitting na engrenagem de acoplamento, especialmente se for mais dura do que a engrenagem de acoplamento.
O que causa micropitting
O micropitting ocorre sob filmes de óleo de lubrificação elastohidrodinâmica (EHL), onde a espessura do filme é da mesma ordem que a rugosidade da superfície composta, e a carga é suportada pelas asperezas da superfície e pelo lubrificante. Quando uma parte significativa da carga é transportada por asperezas, colisões entre asperezas em superfícies opostas causam deformação elástica ou plástica dependendo das cargas locais.
Incubação
Além da tensão de contato devido ao carregamento normal, o deslizamento entre os dentes da engrenagem causa forças de tração que sujeitam as asperezas a tensões de cisalhamento. Os primeiros 104 a 106 ciclos de tensão que ocorrem durante o amaciamento são um período de incubação durante o qual o dano consiste principalmente em deformação plástica nas asperezas.
O contato cíclico e as tensões de cisalhamento acumulam deformação plástica nas asperezas e em profundidades abaixo das asperezas. O fluxo plástico produz tensões residuais de tração e com ciclos suficientes, inicia trincas de fadiga.
Nucleação e Crescimento do micropitting
Após a incubação, os micropits rapidamente nucleam, crescem e coalescem. A microscopia mostra uma superfície continuamente rachada. A inspeção periódica dos perfis dos dentes com uma máquina de inspeção de engrenagens revela uma taxa constante de deterioração da superfície. O processo de deformação plástica, seguido de iniciação, crescimento e coalescência de trincas pode ser contínuo. Os danos podem ser extensos após apenas 106 ciclos.
O micropitting começa quando uma trinca de fadiga cresce a partir da superfície do dente da engrenagem em um ângulo com a superfície. Um micropit se forma quando uma trinca ramificada conecta a trinca principal do subsolo com a superfície e separa um pequeno pedaço de material. A depressão resultante pode ter apenas 10 mm e não ser resolvida a olho nu. As redes de trincas subterrâneas são geralmente mais extensas do que seria implícito nas feições da superfície.
A rachadura principal prejudica a superfície crescendo mais profundamente e se espalhando em forma de leque. Micropits aumentam à medida que as bordas traseiras dos pits racham e pequenos pedaços de material da superfície são desalojados. Os detritos do micropitting podem ser tão pequenos quanto 1 mm e não podem ser removidos por filtros. As partículas agem como agentes de polimento e o desgaste de polimento é freqüentemente encontrado em dentes de engrenagens com micropitting, tanto em áreas entre micropitting quanto em áreas sem micropitting.
Efeitos Lubrificantes
As propriedades do lubrificante, como base, aditivos químicos e viscosidade, afetam o micropitting. Os testes mostram que a resistência ao micropitting varia de lubrificante para lubrificante. Alguns lubrificantes podem ser capazes de interromper o micropitting depois de iniciado.
Propriedades do óleo base
O óleo solidifica sob alta pressão gerada nos contatos EHL, e a tensão de tração nas asperezas da superfície é limitada pela resistência ao cisalhamento do óleo solidificado. Pode haver diferenças significativas na pressão de solidificação e resistência ao cisalhamento entre vários lubrificantes e, portanto, existem diferenças em suas propriedades de tração.
Por exemplo, poliglicóis e ésteres têm moléculas com ligações de éter flexíveis e menor resistência ao cisalhamento do que os hidrocarbonetos. Os óleos minerais naftênicos têm moléculas relativamente rígidas e compactas que geram alta tração, enquanto os óleos minerais parafínicos e os óleos sintéticos de polialfaolefina (PAO) têm moléculas abertas e elásticas e baixos coeficientes de tração.
PAOs e óleos minerais refinados não convencionais têm coeficientes de tração significativamente mais baixos do que os óleos minerais refinados convencionalmente. Muitos óleos sintéticos PAO são misturados com ésteres para aumentar a solubilidade dos aditivos. Infelizmente, os ésteres têm afinidade com a água e resistência ao micropitting do PAO os óleos podem diminuir se contaminados com quantidades significativas de água.
Micropitting pode ocorrer com lubrificantes minerais ou sintéticos. Em altas temperaturas, os óleos sintéticos PAO e PAG têm filmes EHL mais espessos e maior resistência ao micropitting do que os óleos minerais com o mesmo grau de viscosidade ISO e aditivos. Para a temperatura do dente da engrenagem na faixa de 70°C a 90°C, há pouca diferença entre a espessura do filme EHL de lubrificantes minerais e PAO, enquanto os lubrificantes PAG têm filmes significativamente mais espessos.
Aditivos
Aditivos antiscuff (EP) são frequentemente necessários, mas podem ser quimicamente agressivos e podem promover micropitting. Os óleos sem aditivos anti-riscos têm resistência máxima ao micropitting.
Os experimentos mostram resultados muito variados, e às vezes conflitantes, para a influência de aditivos no micropitting. Por exemplo, alguns testes mostram aditivos anti-scuff contendo enxofre e fósforo (S-P) promovem o micropitting, enquanto outros testes parecem provar que os aditivos S-P conferem resistência ao micropitting.
A temperatura de ativação do aditivo pode causar alguma variação se os testes forem conduzidos em temperaturas diferentes porque o desempenho do aditivo depende da temperatura de operação dos dentes da engrenagem. Por esta razão, a resistência ao micropitting de um lubrificante (base e composição aditiva) é melhor determinada a partir de testes de campo com engrenagens industriais. Testes de laboratório devem simular engrenagens industriais e condições reais de operação o mais próximo possível.
Viscosidade
A baixa viscosidade reduz a resistência à fadiga ao reduzir a espessura do filme EHL e promover a propagação hidráulica de trincas. Óleos de alta viscosidade têm maior resistência ao micropitting porque possuem filmes EHL mais espessos e menor tendência a promover a propagação hidráulica de trincas. No entanto, a viscosidade deve ser limitada porque uma viscosidade excessivamente alta pode causar alta temperatura, perda excessiva de energia ou alta taxa de oxidação sem um ganho significativo na viscosidade operacional.
A influência aditiva pode superar os efeitos da viscosidade. Portanto, aumentar a viscosidade pode não ajudar se o micropitting for promovido por aditivos agressivos.
Detritos
Detritos sólidos transportados por lubrificantes muito maiores do que a espessura do filme EHL podem ser arrastados entre os dentes da engrenagem devido à ação de rolamento. Uma vez no contato, os detritos são submetidos a uma enorme pressão. Os detritos quebradiços se fraturam em pedaços menores, com algumas partículas incrustadas nas superfícies dos dentes da engrenagem e outros fragmentos menores passando pelo contato. Detritos duros maiores do que a espessura do filme são capazes de passar através do contato pelos efeitos combinados do achatamento dos detritos e amassamento da superfície do dente.
As mossas causadas por detritos quebradiços tendem a ser relativamente pequenas em área, mas profundas, e as bordas das mossas são afiadas. Em contraste, as amolgadelas causadas por detritos duros tendem a ser relativamente grandes em área, rasas e com um piso liso. As bordas dos dentes são lisas e elevadas acima da superfície do dente, formando sulcos que contornam os dentes.
Dentes de detritos são depressões locais que causam perda de espessura do filme EHL e levam a concentrações de tensão ao redor das bordas dos dentes. Contatos cíclicos nesses locais geram picos de pressão, deformação plástica e tensões residuais de tração que eventualmente iniciam micropits.
Os detritos de fabricação não são removidos imediatamente pelos filtros. Amassados de detritos permanentes podem ocorrer durante o amaciamento, a menos que as caixas de engrenagens sejam montadas em um ambiente limpo e preenchidas com lubrificante limpo. Além disso, a limpeza deve ser mantida durante o serviço. A Tabela 1 fornece diretrizes para a limpeza do óleo projetadas para garantir a limpeza adequada do óleo novo, do conjunto da caixa de engrenagens e da operação da caixa de engrenagens.
Contaminação da água
Muitos experimentos mostraram que o óleo úmido promove micropitting. O mecanismo não foi comprovado, mas acredita-se que seja devido à fragilização por hidrogênio. Todos os lubrificantes são suscetíveis à contaminação por água, mas os lubrificantes à base de éster e os óleos minerais com aditivos antiarranhões são especialmente propensos à absorção de água e geralmente apresentam menor resistência à fadiga com alto teor de água.
Lubrificação Elastohidrodinâmica (EHL)
Os dentes da engrenagem são lubrificados com sucesso por EHL porque os dentes se achatam elasticamente e a viscosidade do óleo aumenta exponencialmente sob alta pressão hertziana. O achatamento elástico cria uma zona convergente na entrada do contato. O óleo aderido aos dentes da engrenagem é arrastado para a zona de entrada e submetido a uma pressão crescente que aumenta drasticamente a viscosidade e forma uma película de óleo EHL.
Espessura do filme
A espessura da película de óleo é determinada pela resposta do óleo à forma, temperatura e velocidade das superfícies na entrada de contato. Uma carga mais alta causa maior achatamento elástico sem alterar significativamente a geometria de entrada. Portanto, a espessura do filme é insensível à carga e às propriedades elásticas dos dentes da engrenagem.
Em contraste, a espessura do filme depende fortemente da velocidade de arrastamento e da viscosidade do óleo. Embora flashes transitórios de temperatura ocorram na região central, a espessura do filme depende da temperatura de equilíbrio do dente da engrenagem e não da temperatura do flash.
A região central de contato é uma folga relativamente longa e fina que carrega a maior parte da carga. Uma vez na região central, o óleo não consegue escapar porque a viscosidade é muito alta, o gap é fino e o tempo de contato é extremamente curto. Essencialmente, todo o óleo arrastado percorre o contato como uma folha sólida de espessura uniforme. Na saída de contato, o óleo retorna às suas propriedades atmosféricas.
Um lubrificante de engrenagens ideal teria alta viscosidade, alto coeficiente de pressão-viscosidade (a) e baixo coeficiente de tração (m). Infelizmente, alta viscosidade aumenta o aquecimento friccional do óleo na entrada, o que tende a reduzir a viscosidade, e óleos com alto a tendem a ter alto m.
Micro-EHL
Computadores modernos, mapas 3-D da topografia da superfície e técnicas numéricas eficientes permitiram aos analistas explorar os efeitos da rugosidade da superfície nos contatos EHL. A topografia de superfície áspera de superfícies reais, incluindo retificada transversalmente, retificada longitudinalmente e uma superfície raspada com topografia quase isotrópica, foi investigada.
Os estudos mostram que a topografia e a orientação da superfície têm efeitos significativos na área de contato da aspereza e no compartilhamento da carga de aspereza, mas efeitos insignificantes na espessura média do filme. Portanto, a topografia da superfície influencia o micropitting principalmente por causar uma mudança na interação da aspereza, e não por alterar a espessura do filme de óleo.
Espessura específica do filme
A espessura específica do filme, l, é a razão entre a espessura do filme EHL e a rugosidade da superfície composta dos dentes da engrenagem, conforme definido pela equação a seguir. É um meio de estimar o regime de lubrificação e avaliar a gravidade do contato com aspereza.
Prevenção de Micropitting
As diretrizes a seguir resumem os métodos para mitigar e prevenir o micropitting. Nem todas as medidas podem ser alcançáveis ou aplicáveis a uma determinada aplicação, mas devem ser implementadas tantas quanto possível.
Maximizar a Espessura do Filme Específico Aumentar a Espessura do Filme de Óleo:
- Use a mais alta viscosidade de óleo prática.
- Execute as engrenagens em alta velocidade.
- Dentes de engrenagem legais.
- Use óleo sintético se a temperatura do dente da engrenagem for superior a 80°C.
- Reduzir a Rugosidade da Superfície:
- Cubra os dentes com fosfato de ferro-manganês, cobre ou prata.
- Run-in com lubrificante especial.
- t Pré-filtre o lubrificante e use um filtro fino (£ 6mm) durante o amaciamento.
- Mantenha o óleo resfriado durante o amaciamento.
Engrenagens de amaciamento usando uma série de cargas crescentes e velocidade apropriada.
- Drene o lubrificante e lave a caixa de engrenagens após o amaciamento e troque o filtro.
- Otimize as propriedades do lubrificante
- Use óleo com alta resistência a micropitting conforme determinado pelo teste.
- Use óleo com baixo coeficiente de tração.
- Use óleo com coeficiente de viscosidade de alta pressão.
- Evite óleos com aditivos antirriscos agressivos.
- Mantenha o óleo fresco.
- Mantenha o óleo livre de contaminantes sólidos.
- Mantenha o óleo seco.
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