Análise de mancais de rolamento com falha localizada utilizando métodos de elementos finitos
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Claysson Bruno Santos Vimieiro
Pedro Américo Almeida Magalhães Júnior
Pedro Américo Almeida Magalhães Júnior
Resumo
Os rolamentos de esferas são componentes essenciais para o funcionamento eficiente de máquinas e equipamentos. No entanto, para garantir sua longevidade e desempenho, é crucial realizar uma manutenção adequada, incluindo lubrificação regular, inspeções periódicas e montagem correta. A identificação precoce de sinais de desgaste ou falha pode prevenir paradas não planejadas e custos de reparo elevados. Este trabalho tem como objetivo fornecer um referencial teórico sobre falhas em rolamento, dinâmica vibratória envolvendo estes elementos de máquinas, a influência de uma falha localizada na pista externa de um mancal de rolamento por meio de análise linear estática através de simulação por elementos finitos e por cálculos analíticos bem como a análise das suas frequências naturais a distribuição de tensões. Inicialmente no referido estudo com base em dados experimentais obtidos no referencial teórico focado em falhas de rolamento e a partir de um modelo de Rolamento Rígido de esferas – 6205 RS, obtido no site da fabricante de rolamento SKF, semelhante ao do referencial teórico. O mesmo tendo o diâmetro da pista interna de d_i=25mm, diâmetro da pista externa d_o=52mm , diâmetro de passo d_m=39,0098mm, diâmetro da esfera D=7,94004mm, tendo um total de esfera igual a nove. Ainda possuindo o ângulo de contato 0° grau, assumindo uma velocidade do rolamento como sendo ω_r=1797 r/min, frequência de 12hz, carga-deflexão de 〖1.5779 〗^* (10^10.5 ) N⁄m^(3⁄2) . Em seguida, afim de validar os dados experimentais do referencial teórico junto a isso uma metodologia analítica e numérica pelo metodo dos elementos finitos fora empregada focada nos principais parâmetros do processo, como por exemplo vibrações e análise modal dados os avanços contínuos nas aplicações de máquinas rotativas. O estudo realizado, foi feito para o modelo do rolamento sem defeito de acordo com as especificações supracitadas acima, e com defeito na pista externa. A falha realizada na pista externa para a realização do estudo tem formato cilíndrico, tendo as seguintes especificações: Diâmetro da falha de 0.1778 mm, e profundidade da falha de 0.2794 mm. Os valores das frequências do modelo do referencial para o modelo semelhante obtido no site da fabricante SKF realizado de forma analítica fora validado utilizando o Smath solver. Onde os valores obtidos foram: Frequência de Passagem da Esfera na Pista Externa (BPFO) no modelo teórico foi de 107,5009 Hz, enquanto no modelo do rolamento 6205-2RS foi de 109,0385 Hz, representando um aumento de 1,43%. Esse aumento pode ser atribuído a diferenças nas propriedades materiais ou nas condições de contato entre os modelos. Na análise linear estática através de simulação por elementos finitos, para validar o modelo, foi utilizado a simulação computacional, o software de elementos finitos Ansys. Essa modelagem considerou as deformações, tensões de von Mises, tensões nos contatos e as frequências dos seis primeiros modos de vibração do rolamento, sob uma rotação de 60 rpm para a análise modal. A tensão máxima calculada foi de 29,46 MPa, valor significativamente inferior aos limites de escoamento do aço comum (250 MPa) e do aço SAE 52100 (360 MPa), indicando que o rolamento opera dentro de limites seguros de tensão. No modelo teórico, o modo de falha na pista externa ocorre na amplitude 2, que corresponde ao segundo modo de vibração do rolamento com defeito na simulação realizada no Ansys. Já para das vibrações realizada do modelo foi utilizado 6 modos de vibrar, pois, faz-se referência aos 6 modos de vibração uma vez que eles constituem os graus de liberdade de um corpo rígido no espaço tridimensional. Por fim, o estudo realizado serviu de valia para compreensão dos mecanismos de vibração não linear em rolamentos com defeitos, e ao mesmo tempo validou um modelo teórico por meio de comparações com dados reais e simulações computacionais, demonstrando desta forma, sua importância e aplicabilidade em cenários práticos de engenharia.
Abstract
Ball bearings are essential components for the efficient operation of machinery and equipment. However, to ensure their longevity and performance, proper maintenance is crucial, including regular lubrication, periodic inspections, and correct assembly. Early identification of wear or failure signs can prevent unplanned downtime and high repair costs. This study aims to provide a theoretical reference on bearing failures, vibrational dynamics involving these machine elements, and the influence of a localized failure on the outer race of a bearing housing through static linear analysis using finite element simulation and analytical calculations, as well as the analysis of its naturais frequencies and stress distribution. Initially, this study is based on experimental data obtained from theoretical references focused on bearing failures and a model of a Deep Groove Ball Bearing – 6205 RS, sourced from the SKF bearing manufacturer’s website, similar to the theoretical reference. The bearing features an inner race diameter of d_i=25mm, Outer race diameter d_o=52mm , Pitch diameter d_m=39,0098mm, Ball diameter D=7,94004mm, having a total of nine balls, with a contact angle of 0°, assuming a bearing speed of ω_r=1797 r/min, Sampling frequency 12hz, Load–deflection fator of 〖1.5779 〗^* (10^10.5 ) N⁄m^(3⁄2) . Next, to validate the experimental data from the theoretical reference, an analytical and numerical methodology using the finite element method (FEM) was employed, focusing on the key process parameters such as vibrations and modal analysis, given the continuous advancements in rotating machinery applications. The study was conducted for the bearing model without defects, according to the specifications mentioned above, as well as for a model with an outer race defect. The failure introduced in the outer race for the study has a cylindrical shape with the following specifications: failure diameter of 0.1778 mm and failure depth of 0.2794 mm. The frequency values of the reference model for the similar model obtained from the SKF manufacturer’s website were validated analytically using Smath Solver. The obtained values were as follows: the Ball Pass Frequency of the Outer Race (BPFO) in the theoretical model was 107.5009 Hz, whereas in the 6205-2RS bearing model, it was 109.0385 Hz, representing a 1.43% increase. This increase can be attributed to differences in material properties or contact conditions between the models. In the static linear analysis using finite element simulation, computational simulation was conducted in the Ansys finite element software to validate the model. This modeling considered deformations, von Mises stresses, contact stresses, and the frequencies of the first six vibration modes of the bearing under a rotational speed of 60 rpm for the modal analysis. The maximum calculated stress was 29.46 MPa, significantly lower than the yield limits of common steel (250 MPa) and SAE 52100 steel (360 MPa), indicating that the bearing operates within safe stress limits. In the theoretical model, the outer race failure mode occurs at amplitude 2, corresponding to the second vibration mode of the defective bearing in the Ansys simulation. The vibration analysis considered six vibration modes, as these six modes correspond to the degrees of freedom of a rigid body in three-dimensional space. Finally, the study contributed to the understanding of nonlinear vibration mechanisms in defective bearings while also validating a theoretical model through comparisons with real data and computational simulations. This highlights its importance and applicability in practical engineering scenarios.
Assunto
Engenharia mecânica, Análise modal, Mancais, Rolamentos, Método dos elementos finitos
Palavras-chave
Mancal de rolamento, Dinâmica vibratória, Análise modal, Elementos finitos
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