Determinação de características de desempenho de mancais radiais elípticos utilizando o método de elementos finitos
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Horacio Valadares Duarte
Perrin Smith Neto
Perrin Smith Neto
Resumo
Esse trabalho apresenta a determinação das características de desempenho de mancais radiais hidrodinâmicos de geometria fixa, com perfil elíptico, lubrificados a óleo, usando-se o método de elementos finitos. A partir da equação clássica de Reynolds para fluidosincompressíveis, desenvolve-se uma formulação de elementos finitos com base no método de Galerkin, para a solução das equações de lubrificação de ordem zero e de primeira ordem para mancais radiais elípticos. Obtém-se a distribuição de pressão hidrodinâmica no filmelubrificante do mancal e a partir daí a sua capacidade de carga. Um procedimento baseado no método de perturbação linear aplicado sobre a solução estacionária da Equação de Reynolds é implementado para a obtenção dos coeficientes dinâmicos dos mancais. Utilizam-se elementos isoparamétricos de quatro nós na modelagem da película do lubrificante. Estimam-se a força de reação, os coeficientes de rigidez e os coeficientes de amortecimento de mancais elípticos para diversas condições de trabalho. Curvas de características de desempenho estático e dinâmico, tais como capacidade de carga e coeficientes dinâmicos de força, são obtidas em função de parâmetros operacionais e do número de Sommerfeld. Os resultados obtidos nesse trabalhomostram que os mancais radiais elípticos apresentam rigidez superior à dos mancais cilíndricos sob baixa carga, indicando que a não cilindricidade tem influência positiva sobre a estabilidade do mancal.
Abstract
This work presents the determination of the performance characteristics of hydrodynamic oil lubricated journal bearings of fixed geometry, with elliptical profile using the finite element method. A finite element procedure based on the Galerkin weighted residual method is developed from the classical Reynolds Equation for incompressible fluids. Alinearized perturbation scheme is applied on the governing equation to render the zero-th and first-order lubrication equations, which permit to determine the bearing steady-state and dynamic performance characteristics of interest. The hydrodynamic pressure distribution on thefluid film is obtained by solving the zero-th order lubrication and is integrated over the fluid domain to render the bearing carrying-load capacity. The fluid film domain is modeled using four-node isoparametric finite elements. The fluid film reaction force and stiffness and dampingcoefficients are evaluated for elliptical journal bearings at several operating conditions. Performance characteristic curves, such as bearing load capacity and dynamic force coefficients, are obtained in relation to operating parameters and Sommerfeld number. The finite elementpredictions for elliptical journal bearing behavior show that non-cylindrical journal bearings present higher direct stiffness than that produced by cylindrical journal bearings, indicating that elliptical bearings are slightly more stable than cylindrical bearings.
Assunto
Método dos elementos finitos, Projetos mecânicos, Engenharia mecânica
Palavras-chave
Mancais elípticos, Elementos finitos, Mancais radiais