Rolamentos híbridos – o próximo padrão da indústria.

Os rolamentos híbridos fornecem soluções para os desafios técnicos existentes e futuros. A combinação de anéis de aço e elementos rolantes cerâmico reduz o peso, o atrito e elimina a erosão elétrica ao mesmo tempo que aumenta a confiabilidade e a capacidade de velocidade.

O mundo está passando por um período de mudanças rápidas. As megatendências globais estão alterando a maneira como viajamos, fazemos negócios e como vivemos. A urbanização está trazendo um maior número de pessoas para as cidades, a digitalização e a automação estão acelerando nossas vidas pessoais e profissionais, e a sociedade está tendo que lidar com diversos desafios ambientais. Ao mesmo tempo, estamos vendo rápidos desenvolvimentos na eletrificação, especialmente em veículos elétricos, e uma mudança contínua para a globalização.

Essas megatendências globais são, por sua vez, uma mudança na área dos rolamentos. Muitas tecnologias emergentes exigem propriedades especiais nos rolamentos que utilizam, incluindo adequação para uso com acionamentos de velocidades variáveis, redução nos requisitos de manutenção, a capacidade de maior densidade de energia e uma redução do atrito.

Os rolamentos híbridos fornecem soluções promissoras para todos esses desafios técnicos existentes e futuros. Uma combinação de anéis externos e internos de aço com esferas ou rolos de cerâmica está dando aos rolamentos híbridos propriedades únicas, tornando-os adequados para uso em uma ampla gama de aplicações modernas. Os rolamentos híbridos da SKF fazem uso de elementos rolantes de nitreto de silício e estão disponíveis como rolamentos de esferas, rolamentos cilíndricos de rolos e em designs personalizados.

História dos rolamentos híbridos

O uso de cerâmica nos rolamentos não é novidade. A indústria aeroespacial global foi pioneira no uso do material entre os anos 1960 e 1980, atraído por suas propriedades leves e resistentes ao calor. No entanto, foi apenas na década de 1980 que o nitreto de silício foi comercializado. Desde a década de 1990, os modernos rolamentos híbridos têm sido usados dentro de inúmeras aplicações, incluindo ferramentas, geradores de turbinas eólicas, motores de tração ferroviária e elétrica, máquinas aeroespaciais e de fluídos, tais como compressores, bombas e bombas de vácuo.

Os elementos rolantes de nitreto de silício usados nos rolamentos híbridos da SKF têm propriedades distintas de seus equivalentes em aço padrão. O nitreto de silício tem uma força compressiva muito maior do que a do rolamento de aço, e seu módulo elástico é cerca de um terço maior, ajudando a reduzir o atrito no contato de rolagem.

É importante ressaltar que o nitreto de silício é duas vezes mais duro que o rolamento de aço, o que o torna ideal para condições de operação e lubrificação exigentes. É eletricamente isolante em contraste com o rolamento de aço, enquanto sua densidade é significativamente menor. Finalmente, seu coeficiente térmico de alongamento é muito mais baixo, o que permite um ajuste preciso de folga, mas precisa ser levado em consideração sob certas condições operacionais, incluindo aplicações de temperatura muito baixa.

Quando usado em rolamentos, o nitreto de silício fornece um upgrade no desempenho do rolamento, como excelente isolamento elétrico, redução de peso, desempenho tribológico superior e alta resistência ao desgaste. Além disso, a capacidade de velocidade é significativamente aumentada.

Então, como essas propriedades resolvem desafios específicos de aplicações? E por que os rolamentos híbridos provavelmente se tornarão tecnologia padrão em muitas indústrias nos próximos anos?

Prevenção da erosão elétrica em acionamento de velocidade variável

Uma aplicação chave, onde os rolamentos híbridos podem oferecer sua vantagem total, são os acionamentos de velocidade variável, que são usados para um controle otimizado de equipamentos rotativos, como bombas ou motores de tração. Esses acionamentos modulados de largura de pulso geram correntes de alta frequência prejudiciais ao rolamento. Quando a corrente passa por um rolamento, podem causar danos aos anéis e elementos rolantes, bem como ao lubrificante. Um aumento do nível de vibração é a consequência menos prejudicial, pois a erosão elétrica pode até levar a uma redução significativa da vida útil do rolamento e do lubrificante.

O uso de rolamentos híbridos nesta situação elimina o problema. O nitreto de silício é um isolante e impede a passagem de corrente entre os anéis de rolamento, mesmo para correntes de altíssimas frequências. As falhas subsequentes do rolamento podem ser completamente evitadas.

Aumentando os intervalos de manutenção através do aumento da vida útil do lubrificante

Uma segunda vantagem fundamental dos rolamentos híbridos vem na forma de intervalos de manutenção estendidos e aumento da vida útil. O uso de elementos de rolagem cerâmica em tais rolamentos aumenta muito a vida útil do lubrificante, o que significa que o rolamento pode continuar operando por mais tempo antes que a manutenção seja necessária. Os elementos de rolagem cerâmica permitem uma melhor distribuição de lubrificantes para o contato do rolamento, e como há menos atrito e erosão elétrica e posterior degradação térmica é eliminada, a lubrificação é mantida por um período mais longo.

Nos testes da SKF, a vida útil do lubrificante em um rolamento rígido de esferas híbrido foi pelo menos duas vezes e até quase sete vezes maior do que para o mesmo rolamento de aço. Em testes similares para rolamentos de rolos cilíndricos, o lubrificante no rolamento híbrido durou pelo menos o dobro e até quatro vezes mais tempo.

Maior densidade de energia devido a maiores velocidades de operação

Uma terceira vantagem dos rolamentos híbridos vem na forma de viabilizar velocidades de operação mais altas e, portanto, maior densidade de energia. Há uma tendência geral para os fabricantes de motores elétricos aumentarem a densidade de energia, especialmente para veículos como trens e veículos off-roads. Em termos simples, a energia é uma função de torque e velocidade. Se a velocidade em que um rolamento gira é aumentada, então a energia do motor também é.

Por que aumentar a densidade de energia?

• Mais energia do mesmo tamanho do motor elétrico
• A mesma energia de um motor elétrico menor

P = M • n

• Velocidade máxima (também) limitada por rolamentos.

Como os rolamentos híbridos têm uma massa menor do que os rolamentos de aço, sua capacidade de velocidade é até 25 % superior. Além disso, os rolamentos híbridos reduzem o atrito, o que, por sua vez, representa temperaturas de operação mais baixas e maior vida útil em altas velocidades. Adicionalmente, o aumento da rigidez do rolamento permite uma melhor precisão da máquina e menos risco de problemas dinâmicos do rotor.

Redução de atrito

Uma vantagem final dos rolamentos híbridos é a redução do atrito. A redução do atrito em um rolamento pode ajudar a reduzir o consumo de energia, o que é uma consideração fundamental para a indústria moderna. Os elementos de rolagem cerâmica em rolamentos híbridos têm um impacto direto no atrito gerado a partir de torques de rolagem e de deslizamento. As perdas de energia devido ao torque de rolamento são menores nos rolamentos híbridos por causa da menor elipse de contato, o que resulta de um módulo mais alto de Young. Além disso, o torque de atrito deslizante é reduzido devido à melhor qualidade da superfície dos elementos de rolagem cerâmica.

Nos testes da SKF, o torque de atrito tem se mostrado entre 5% e 8% mais baixo em altas velocidades com rolamentos híbridos em comparação com os rolamentos de aço. Enquanto isso, testes revelam que os rolamentos híbridos também lidam muito bem com uma redução nos volumes de lubrificantes e viscosidade, fatores que também podem ajudar a reduzir o atrito. Ao ajustar esses parâmetros de lubrificação e otimizar a aplicação, uma redução de atrito de até 50% pode se tornar realidade, sem comprometer a vida útil do rolamento.

Rolamentos híbridos – de solucionador de problemas à facilitador

O setor industrial e automotivo busca otimizar sua produção para enfrentar os desafios globais de sustentabilidade e acompanhar as tendências sociais e tecnológicas. Os rolamentos híbridos, utilizando elemento rolante cerâmico e anéis de aço, têm o potencial de resolver uma ampla gama de problemas de design e manutenção, resultando em maior confiabilidade. Além de sua capacidade de resolução de problemas, os rolamentos híbridos estão permitindo uma operação mais econômica e maior entrega de energia. Assim, é altamente provável que os rolamentos híbridos se tornem uma solução de rolamento padrão para uma ampla gama de aplicações e indústrias nos próximos anos.

Novas tecnologias de gaiola permitem velocidades rotacionais ainda maiores

Velocidades aumentadas são uma grande vantagem dos rolamentos híbridos em relação aos seus equivalentes em aço. Para aqueles que desejam aumentar ainda mais a velocidade de rotação, tecnologias avançadas de gaiola de rolamento podem ser interessantes.

A SKF introduziu um novo design inovador de gaiola adequado para rolamentos híbridos que é feito de polieteretercetona (PEEK), um material de polímero leve. O novo design da gaiola de duas peças acomoda a operação de alta velocidade, reduzindo a geração de calor e reduz a degradação do lubrificante em altas velocidades. Permite aumentos de velocidade de 60% em relação as gaiolas de latão e 100% sobre gaiolas convencionais de polímeros.