Os rolamentos Babbitt têm sido um componente-chave das máquinas rotativas desde que Isaac Babbitt os patenteou pela primeira vez em 1839. Na indústria moderna, umRolamento Combinado Babbitt- rolamentos que descrevem uma fina camada de metal branco (Babbitt) colada a uma carcaça de aço, ferro fundido ou bronze - continuam sendo um dos projetos mais comuns para turbinas, grandes motores, geradores, motores de navios e compressores industriais pesados. A primeira pergunta que qualquer engenheiro deve fazer ao selecionar ou fixar tais rolamentos é simples: Qual deve ser a espessura da camada de Babbitt?
A resposta não é um número, mas um intervalo. Isso depende do tamanho do rolamento, da velocidade, da carga, do fluxo de óleo e de como o revestimento é fabricado. Compreender o que determina essa espessura é importante para qualquer pessoa que projete, repare ou estude falhas em rolamentos.
Anatomia dos rolamentos combinados
Um rolamento combinado Babbitt é baseado em uma ideia composta simples. material de suporte -- geralmente aço de formato sólido-de alta{4}}resistência ou ligas de cobre-cromo que exigem melhor transferência de calor - pode fornecer resistência estrutural e dimensões precisas para o alojamento do rolamento. A camada Babbitt é feita de ligas de metal branco à base de estanho ou chumbo de acordo com as regras ASTM B23 e fornece a superfície de atrito que toca o eixo rotativo.
Esta estrutura composta utiliza diferenças de materiais planejadas. O módulo de Young do suporte de aço é de cerca de 200 GPa, e o da camada de Babbitt é cerca de um{2}}décimo disso. Isso significa que a camada interna macia se dobra localmente sob a ação de pequenas partículas duras, de modo que pode capturá-las com segurança, em vez de deixá-las arranhar o eixo - um recurso chamado incorporação. Ao mesmo tempo, o Babbitt pode dobrar um pouco para acomodar pequenos desalinhamentos do eixo, uma massa conhecida como consistência. Nenhuma dessas tarefas importantes funcionará se a camada de Babbitt for muito fina para absorver e dispersar as tensões de contato locais.
Faixa típica de espessura da camada Babbitt
Para o rolamento combinado Babbitt, a espessura de todas as camadas Babbit processadas varia de 0,76 mm a 3,18 mm (0,030 a 0,125 polegadas). Dentro desta faixa, dependendo do tamanho e desempenho do rolamento, ocorre uma faixa menor:
Rolamentos pequenos e médios, como aqueles encontrados em motores comuns, bombas de água e ventiladores de velocidade média-, geralmente têm uma espessura Babbitt acabada de cerca de 0,76 mm a 2,29 mm (0,030 a 0,090 polegadas). Na extremidade inferior desta faixa - cerca de 0,030 a 0,050 polegadas, ou cerca de 0,75 a 1,25 milímetros - rolamentos são projetados para focar na rigidez e na transferência de calor. Uma camada mais fina de Babbitt reduz a resistência ao calor entre o eixo e a superfície de Babbit e o suporte de aço, que atua como dissipador de calor principal. Isto é importante para máquinas que estão em funcionamento porque precisam operar em alta temperatura para manter a espessura do óleo o suficiente.
Em modelos de nível médio-e superior-, as camadas Babbitt têm 0,060 a 0,090 polegadas (1,5 a 2,3 milímetros) de espaço-construído e integração. Esses rolamentos apresentam óleo sujo ou suporte de eixo menos rígido, portanto a capacidade de absorver detritos e desvios vale a temperatura de trabalho um pouco mais elevada, com mais resistência ao calor.
Rolamentos grandes e pesados, como turbinas a vapor, geradores hidrelétricos, eixos de transmissão de navios e rolamentos de acionamento de trituradores, geralmente exigem uma espessura final de Babbitt de 2,29 mm a 3,18 mm (0,090 a 0,125 polegadas). Neste tamanho, as camadas mais espessas de metal branco proporcionam uma boa tolerância ao desgaste para equipamentos que podem funcionar durante décadas entre revisões. A espessura extra também ajuda a dispersar cargas pesadas de condições de curto-prazo, como partida, fechamento e mudanças repentinas de carga. O amortecimento mecânico de uma camada de metal branco macio também ajuda a reduzir a vibração do eixo, especialmente em máquinas que se aproximam ou excedem a velocidade crítica para um rolamento combinado Babbitt deste tamanho.
Existem circunstâncias especiais além desses limites normais. Rolamentos finos-de motor de carro - - também são rolamentos combinados - podem ter camadas de sobreposição de Babbitt ou Babbitt, tão finas quanto 0,010 a 0,030 polegadas (0,25 a 0,76 mm). Essas camadas muito finas são feitas por fundição ou galvanização contínua e são projetadas para produção em massa. Eles também funcionam em condições de película de óleo, evitando que metais entrem em contato com metais quando estão funcionando corretamente.
Como-espessura fundida versus final da máquina: uma distinção crítica
Um erro comum na manutenção de rolamentos é confundir resíduos de fundição com espessura final de trabalho. Quando o casquilho do rolamento é re-revestido - seja por fundição centrífuga, vazamento estático ou spray de metal - Babbitt é prensado com mais espessura do que a especificação final exige. Essas peças fundidas podem ter 0,080 a 0,150 polegadas (2 a 3,8 mm) mais espessas do que a camada acabada, fornecendo material para perfuração subsequente, corte de ranhuras de óleo, usinagem de bolsões e acabamento superficial final.
Rolamento com revestimento muito grosso pode ser usado se o inspetor de qualidade medir o Babbitt na fase de fundição e usar esse tamanho como espessura de trabalho. Isto levanta duas questões. Primeiro, quanto mais espesso o Babbitt, maior será a diferença térmica entre toda a parede do rolamento, portanto, quanto mais quente for a superfície do eixo, mais fina será a película de óleo. Em segundo lugar, uma camada de Babbitt muito espessa tem maior probabilidade de quebrar sob cargas repetidas porque os metais macios se movem mais rapidamente sob as mesmas forças de flexão.
Por outro lado, se muito material for cortado, a camada final de Babbitt poderá ser mais fina do que o projeto original exige. Isso pode comprometer o encaixe, reduzir a capacidade do rolamento de suportar cargas nas bordas e, em casos graves, levar ao descascamento local da junta de aço Babbitt-. A fundição centrífuga é amplamente utilizada na fabricação e manutenção de grandes casquilhos de rolamentos combinados Babbitt. Ele pode controlar bem a espessura do primeiro revestimento e possui uma estrutura compacta-sem bolhas. Pesquisa em Cartas de Pesquisa de Materiais do Instituto de Física mostra que a fundição centrífuga tem uma melhor resistência de ligação da junta de aço Babbitt-do que outros métodos, como brasagem por arco de gás inerte metálico, portanto, quando a resistência de ligação é a consideração principal, a fundição centrífuga é a melhor opção.
Fatores que afetam a espessura ideal
Escolher a camada Babbitt certa para um rolamento composto Babbitt significa equilibrar vários fatores relevantes do projeto.
O diâmetro do rolamento e a relação de comprimento determinam as dimensões básicas. O rolamento com eixo de 300 mm tem uma camada de Babbitt mais espessa do que o rolamento com diâmetro de 100 mm, pois a expansão térmica real, a flexão do eixo e o caminho de sujeira aumentam com o tamanho do rolamento. Os especialistas acreditam que a espessura do Babbitt deve ser de cerca de 0,2% a 0,5% do diâmetro do eixo, mas isso é um ponto de partida, não uma regra fixa.
A carga específica do rolamento, mostrada em MPa ou psi, determina quanto a resistência à compressão do metal branco deve ser usada. Sob carga elevada, uma camada mais fina de Babbitt reduz a tensão no revestimento, fazendo com que o rolamento dure mais tempo. A Sociedade Americana de Testes e Materiais (ASTM B23) define a composição química e as propriedades mecânicas dos graus padrão da Babbitt. Classes à base de estanho, como ASTM Classe 2, também conhecidas como Babbitt "Gen-u-ine", têm maior resistência à compressão do que classes à base de-chumbo, o que pode tornar o revestimento um pouco mais fino para a mesma carga.
A velocidade de rotação e o fluxo de óleo são igualmente importantes. Em condições de óleo híbrido e de fronteira - ligado e desligado - Babbitt deve lidar com toques curtos e ásperos sem ser pego. Um Babbitt mais grosso fornece mais espaço entre o eixo e o suporte rígido, de modo que é improvável que marcas de desgaste passem por todo o revestimento e alcancem o aço.
O controle de calor traz necessidades diferentes. A condutividade térmica do Babbitt-baseado em estanho é de cerca de 50 W/m·K e a do aço é de cerca de 45 W/m·K. Embora os dois números estejam próximos, a camada de Babbitt ainda é um gargalo de calor porque todo o calor de fricção deve passar através dela para alcançar o suporte, depois a caixa do mancal e o tanque de óleo. Em uma máquina típica de velocidade-média, para cada aumento de 0,5 mm na espessura extra de Babbitt, a diferença térmica-em estado estacionário de toda a parede do rolamento aumenta em cerca de 3 a 5 graus. É por isso que rolamentos de alta-velocidade com fluxo de óleo constante tendem a usar a extremidade mais fina da faixa de espessura.
Considerações práticas de reconciliação
Quando um rolamento antigo é enviado para reparo, o prestador de serviços geralmente corta o Babbitt - desgastado ou pelo menos a camada superficial danificada-por fadiga - e o substitui por um novo revestimento. Escolher a espessura de fundição e conclusão do novo Babbitt não é apenas replicar o tamanho original, pois a caixa do rolamento pode ter dobrado ou mudado de formato durante o uso.
Se o furo na carcaça ficar maior, o técnico de serviço pode precisar alterar a espessura do molde para fixá-lo, de modo que o tamanho final do furo e a folga de óleo estejam dentro da faixa permitida pelo fabricante original. É aqui que a técnica encontra a medição cuidadosa. Testes ultrassônicos podem ser usados para examinar a qualidade da ligação entre o novo babbit e o revestimento ou para procurar buracos ocultos que possam danificar a espessura real do suporte de carga-do revestimento.
Diretrizes resumidas de espessura
Para referência de engenharia, a tabela a seguir captura a espessura típica da camada Babbitt nas categorias de aplicação comumente usadas:
| Categoria de aplicativo | Espessura Final Típica de Babbitt (polegadas) | Espessura Final Típica de Babbitt (mm) |
|---|---|---|
| Rolamentos finos-para motores automotivos | 0.010 – 0.030 | 0.25 – 0.76 |
| Rolamentos industriais de pequeno e médio porte (bombas, motores, ventiladores) | 0.030 – 0.090 | 0.76 – 2.29 |
| Grandes rolamentos pesados (turbinas, geradores, navios) | 0.090 – 0.125 | 2.29 – 3.18 |
Os dados vêm do bom senso da indústria, não de regras escritas. Para qualquer rolamento específico, o desenho original do fabricante é a fonte primária. Se os desenhos estiverem faltando - como acontece frequentemente com equipamentos mais antigos - a faixa de espessura acima fornece um bom ponto de partida para reparos, desde que sejam verificados em relação às condições de operação da máquina e ao histórico de falhas.
Portanto, a espessura da camada Babbitt em um rolamento combinado não é selecionada aleatoriamente. É um equilíbrio cuidadoso entre resistência mecânica, controle de calor, resistência à fadiga e desgaste das bordas. Acertar significa que os rolamentos podem funcionar silenciosamente por décadas ou falhar meses após a partida.
Referência
- ASTM Internacional. ASTM B23-20: Especificação padrão para ligas de metal branco (conhecida comercialmente como "Babbitmetal"). West Conshohocken, PA: ASTM Internacional, 2020.
- Instituto de Física (IOP). A camada SnSb12Cu6 Babbitt foi preparada por brasagem a arco MIG e fundição centrífuga, e sua microestrutura e resistência de ligação foram melhoradas. Vol. 6, 2019, Materials Research Express.
- Associação Americana de Fabricantes de Rolamentos (ABMA). Guia para projeto de rolamentos e aplicação de rolamentos de filme de fluido hidrodinâmico. Publicação Técnica ABMA.