Eficiência energética em óleos de engrenagens e hidráulicos

Case study

Eficiência energética em óleos de engrenagens e hidráulicos Pedro Vieira Responsável Técnico da Lubrigrupo

Muitas vezes na atividade empresarial

Estes benefícios podem ser obtidos através

e moentes de cambotas. Nestes casos as

em geral e na manutenção em

da melhoria dos processos de fabrico ao

peças estão permanentemente protegidas

particular apenas se vê a ponta do

nível energético, através de melhorias me-

por um “filme” de óleo. Uma parte signifi-

cânicas e térmicas.

cativa das perdas energéticas que ocorrem

iceberg. Alguns dos fatores de custo

nestes sistemas está relacionada com a

mais óbvios podem aparecer primeiro, mas muitos mais permanecem

Neste estudo são abordados três casos re-

viscosidade do óleo nas condições de tra-

escondidos abaixo da superfície,

levantes, o Mobil SHC TM 600, o Mobil SHC TM

balho (Figura 1).

começando pela otimização dos

Gear e o Mobil DTE 10 EXCELTM. Na lubrificação elástohidrodinâmica a prin-

processos e pela economia energética.

Nesta abordagem vamos debruçar-nos so-

cipal diferença relativamente à lubrificação

Para iniciarmos a aproximação que a

bre os diferentes regimes de lubrificação,

hidrodinâmica é a pressão no contacto. Este

ExxonMobil preconiza em termos de efici-

hidrodinâmica, elástohidrodinâmica (EHD),

tipo de regime de lubrificação está associa-

ência energética teremos de ter em linha

mista ou limite e os fundamentos da tração

do a componentes onde a carga é supor-

de conta que, para se avaliar qualquer

e a sua medição.

tada numa pequena área. Como exemplos de equipamentos onde este tipo de lubri-

melhoria é necessário, primeiro, termos uma referência em conjunção com a pos-

Começando pelos regimes de lubrificação

ficação acontece temos todos os tipos de

sibilidade de efetuar medições precisas.

existentes, a lubrificação hidrodinâmica

rolamentos, excêntricos (como os veios

Com base neste princípio é necessário pro-

existe em sistemas onde o contacto ocorre

excêntricos dos motores automóveis) e en-

ceder a testes rigorosos apoiados no tra-

numa área relativamente grande. As chu-

grenagens. Nestes contactos a carga é tão

tamento estatístico dos dados sem usar

maceiras que operam sobre este regime de

grande que a superfície deforma-se elasti-

extrapolações, para avaliar os benefícios

lubrificação podem ser encontradas numa

camente para formar uma pequena área de

energéticos obtidos com cerca de 95% de

larga gama de aplicações, tais como chu-

contacto. A película lubrificante é puxada

confiança.

maceiras de apoio, chumaceiras de impulso

para dentro dessa área, separando as su-

Lubrificação Hidrodinâmica

Figura 1

54

elevare

Lubrificação Elástohidrodinâmica (EHL)

Figura 2

Case study perfícies. O lubrificante é “cortado” nestas

Lubricação Mista e Limite

condições de alta pressão. As perdas energéticas são determinadas pela forma como o óleo se comporta nestas condições extremas (Figura 2).

Por fim temos a lubrificação limite, que acontece quando estamos em condições em que existe alguma fricção entre partes dos elementos em jogo. Neste caso podemos estar perante a situação observada na Figura 3.

1.

Se as superfícies metálicas se tocam, como se pode ver no Diagrama da Figura 3 em A, então é óbvio que não existe nenhum filme lubrificante entre as su-

Figura 3

perfícies; 2. Por outro lado, mesmo na ausência de lubrificantes, a camada de óxido for-

A Tração e os Óleos Base

mada na superfície de muitos metais, tal como se pode ver em B, confere propriedades físicas diferentes que irão alterar as caraterísticas de fricção e de desgaste dessas mesmas superfícies; 3. Para lidar com estas situações muitos lubrificantes têm na sua formulação aditivos antidesgaste ou aditivos de extrema pressão e, por vezes, também modificadores de fricção como se pode ver em C. Estes tipos de aditivos evitam que exista um contacto direto de metal com metal. Isto dá-se através da formação de um “filme” químico que previne o contacto direto metal com metal.

Esta situação é, muitas vezes, chamada

Figura 4

de lubrificação limite.

4. Por fim as superfícies podem estar em alguns pontos separadas com uma fina

pouca influência ao não existir contacto di-

configuração nas respetivas eficiências.

reto entre as superfícies.

Verifica-se que a eficiência está relacionada

camada de lubrificante, não existindo assim contacto entre as superfícies.

com a proporção de deslizamento e as conO facto da tração estar dependente do óleo

dições de contacto entre os elementos das

base pode ser explicada através das dife-

engrenagens.

Por vezes existe alguma confusão entre os

rentes estruturas moleculares dos óleos

termos tração e fricção. Como se pode ver

minerais e dos óleos sintéticos, tal como se

Devido ao maior grau de deslizamento e à

na Figura 3 a fricção está geralmente as-

pode ver na Figura 4, através do seu com-

sua menor eficiência intrínseca, as engrena-

sociada às interações entre as superfícies,

portamento quando sujeitos às altas pres-

gens sem-fim são mais suscetíveis de be-

normalmente assumindo estarmos em

sões de corte existentes na lubrificação

neficiarem com a utilização de lubrificantes

presença de lubrificação limite. Por outro

elástohidrodinâmica.

sintéticos de menor coeficiente de tração.

lado a tração está geralmente relacionada

Este benefício pode verificar-se no gráfico

com a força desenvolvida pelo corte do fil-

Os vários tipos de engrenagens existentes

da Figura 6, onde se pode observar a gran-

me de óleo sob as altas pressões de con-

têm diferentes eficiências energéticas, de-

de diferença de coeficientes de tração entre

tacto existentes nas condições de lubrifica-

pendendo da quantidade de “deslizamentos”

um lubrificante mineral e um lubrificante

ção elástohidrodinâmica (EHL).

que carateriza cada um desses tipos de

sintético de base Polialfaolefina (PAO) na

engrenagens.

zona de trabalho de uma engrenagem sem-

Deste modo as propriedades de tração de-

-fim (zona A – grande deslizamento). No

pendem essencialmente da seleção do tipo

Na Figura 5 podem ver-se os diferentes ti-

caso dos restantes tipos de engrenagens a

de óleo base tendo os aditivos utilizados

pos de engrenagens e a influência da sua

sua eficiência é maior mas, também se pode

elevare 55

Case study verificar que existe um ganho significativo no coeficiente de tração nas suas zonas de trabalho (zona B) que vai do ponto inicial de contacto com deslizamento positivo, ponto de pressão na linha do diâmetro primitivo (deslizamento nulo) e deslizamento negativo no ponto de fuga.

Através da diferença das curvas do coeficiente de tração de um óleo base sintético (PAO) e de um óleo base mineral podemos verificar o aumento de eficiência energética demonstrado na área sombreada que corresponde à redução integrada das perdas.

Os ganhos estão sempre dependentes de vários fatores como o tipo de engrenagens,

Figura 5 Deslizamento e eficiência por tipo de engrenagem.

o ciclo de carga e as condições de lubrificação (mista/limite versus EHL). Nos casos das engrenagens de dentes em aço (veios paralelos ou cónicas), o ganho de eficiência, após a mudança de um lubrificante de base mineral para um lubrificante de base sintética, verificado experimentalmente e no campo, varia entre 0,25% e 0,5% por cada conjunto de engrenagens, pelo que quantos mais conjuntos uma caixa tiver, maiores serão os potenciais ganhos.

Os testes realizados pela ExxonMobil confirmaram ganhos significativos na eficiência energética de redutores sem-fim através da comprovação da diminuição da temperatura de funcionamento do mesmo redutor funcionando com um óleo de base

Figura 6 Coeficientes de Tração versus rácio Deslizamento-Rolamento.

mineral e o Mobil SHCTM Gear 460. A redução da temperatura do óleo no cárter foi de 16° C como se pode ver na Figura 7. Esta diminuição permite um decréscimo significativo no consumo energético (até 3,6%) face a um óleo convencional.

Exemplos de situações já comprovadas na indústria em situações reais: >

1 – Mobil SHC TM 632 – Setor: fabrico de papel;

>

Operação: Caixa de engrenagens de fábrica de papel (prensa);

>

Melhoria da eficiência versus óleo mineral – 6,5%;

>

Queda de 8° C na temperatura de operação da caixa;

>

>3300 horas de Operação;

>

Sem sinais de oxidação;

>

Metais de desgaste ≤2 ppm;

56

elevare

Figura 7 Coeficientes de Tração versus rácio Deslizamento-Rolamento.

Case study de de se otimizar o seu desempenho ener-

e superar as perdas por atrito dos fluidos é

gético, relativamente aos sistemas hidráuli-

despendida energia que faz baixar a eficiên-

cos, sabe-se que para se obter uma máxima

cia energética (Figura 10).

eficiência, a viscosidade do óleo tem de ser consistente numa gama alargada de tem-

Verifica-se que, devido a um melhor fluxo, à

peraturas de funcionamento e terá de estar

medida que a temperatura aumenta, a efici-

de acordo com a viscosidade para a qual o

ência mecânica melhora. Simultaneamente

sistema foi projetado para trabalhar.

acontece o oposto à eficiência volumétrica que piora devido ao aumento das perdas

Figura 8

Analisando o problema da eficiência ener-

com o aumento da temperatura (Figura 11).

gética observa-se que as perdas nos siste>

2 – MobilTM Gear 220 – Setor: Mineração

mas hidráulicos podem ser mecânicas ou

A conclusão que se pode retirar destes

– Mina de Taconite (minério de ferro

volumétricas.

factos é que ao mantermos a viscosidade

> 15% Fe); >

estável numa ampla gama de temperatura

Detalhes do equipamento:

Relativamente às perdas volumétricas sa-

aumentamos a eficiência do sistema. Para

>

Transportador Primário de minério;

bemos que todas as bombas têm peque-

isto é necessário termos fluidos hidráulicos

>

Entrada: 1150 Hp, 1792 RPM;

nas fugas internas. Nas bombas de pistões

de alto índice de viscosidade estáveis ao

>

Redução: 39.4:1;

axiais existem sempre pequenas fugas en-

“corte”, como é o caso do novo Mobil DTE

>

Saída: ~45 RPM.

tre o cilindro e o pistão. Para girar a bomba

10 ExcelTM.

CONCLUSÕES: >

Horas de operação: >5000 horas;

>

Condição do óleo: Excelente, sem sinais de oxidação;

> >

Metais de desgaste ≤2 ppm; Melhoria da Eficiência versus óleo mineral – 3,6% com um intervalo de confiança de 95% ±1,3%.

Condições de teste de Eficiência Energética: >

As medições do consumo foram feitas por uma empresa independente de serviços de engenharia elétrica;

>

O Mobil SHCTM Gear 220 foi comparado com um óleo de engrenagens ISO VG 220 de base mineral, utilizando uma sequên-

Figura 10 Bomba de Pistões axiais.

cia de teste A-B-A-B; >

A ExxonMobil Research & Engineering fez uma análise estatística das medições de potência para os dois óleos com carga total e em vazio.

Figura 9

SISTEMAS HIDRÁULICOS Aplicando o mesmo princípio com que antes analisámos as engrenagens e a possibilida-

Figura 11 Eficiência.

elevare 57

Case study Em testes (Denison T6C) realizados com o

Bomba de Palhetas Denison T6C

Mobil DTE 10 ExcelTM (IV 161) face a óleos hidráulicos (Figura 12) de tecnologia convencional pode ser comprovado um aumento significativo da eficiência sob várias condições de funcionamento.

Através das imagens térmicas (Figura 13) podemos verificar as diferenças de temperatura da mesma bomba funcionando com os dois tipos de fluidos, permitindo uma melhor perceção da eficiência dos mesmos face à temperatura que geram (Figura 14).

Para corroborar estas primeiras conclusões também foram feitos testes de

Figura 12 Teste de eficiência hidráulica Mobil DTE 10 ExcelTM.

campo. Nestes testes tentou-se sempre seguir uma metodologia que permitisse retirar conclusões válidas e realmente comparáveis das variáveis monitorizadas (Figura 15): >

Fazer os testes no mesmo equipamento, com o mesmo operador, a mesma operação, nas mesmas condições de temperatura ambiente, temperatura do equipamento e do óleo, pressão do óleo, caudal do óleo, carga e taxa de produção constantes;

>

Foram feitos os procedimentos de flushing e de enchimento cuidadosos para não haver contaminações cruzadas, nomeadamente foram feitas análises ao óleo do flushing;

>

Projeto estatístico dos testes e da análi-

Figura 13 Análise termográfica.

se dos seus dados; >

Sequência de testes Óleo A, Óleo B, Óleo A, Óleo B, de maneira a minimizar a variabilidade do ensaio e/ou o seu desvio;

>

Recolha e registo de dados de alta qualidade;

>

Dados recolhidos de medidores de energia e de medidores de fluxo de combustível de grande precisão;

>

Análise estatística dos resultados obtidos com intervalos de confiança de 95%.

Testes feitos: 1.

Economia de combustível – Chassis Dyno Lab Sarnia, Canada: >

O benefício de usar o Mobil DTE 10

Figura 14 Circuito hidráulico simples sem arrefecer.

ExcelTM 46 (IV 161) face ao Mobil DTE 15M (IV 141) numa carregado-

>

Escavadora executando uma série

trabalho

aumento de 4% na sua eficiência,

D320, Carolina do Norte, USA (Figura 16)

>

Apenas um Operator;

traduzida na redução do consumo

>

Mobil DTE 10 ExcelTM 46 versus óleo

>

Lote único de combustível;

hidráulico 10 W;

>

Flushing entre os óleos de teste;

de combustível.

58

2. Economia de combustível em ciclo de

ra de rodas (Bobcat) saldou-se no

elevare

de

escavadora

prescrita de movimentos;

Caterpillar

Case study >

Teste alternado dos produtos para evitar desvios (A-B-A);

>

Consumo de combustível por ciclo e

>

Resultados:

-

Média no decréscimo no consumo

-

Média da melhoria no tempo do ci-

tempo para completar o ciclo.

de combustível – 6%; clo – 5% (5,45% versus Cat HYDO, 3,63% versus Cat HYDO Advanced); -

Redução no tempo do ciclo: Óleo Hidráulico 10 W = 64,02s; Mobil DTE 10 ExcelTM 46 = 60,53s;

-

Poupança no custo do combustível baseada no consumo de 20 lt/h, 12 h/

Figura 15 Mobil DTE 10 ExcelTM 46 Versus Mobil DTE 10 M.

dia, 260 dias/ano, 1,3 €/lt e 6% de redução de combustível – 4,867€.

3. Economia de combustível em fábrica de injeção de plástico em Illinois, USA >

Extrusora Van Dorn Caliber, Modelo 1430;

>

Motores Elétricos: 1 - 100 HP, 2 - 75 HP;

>

Bombas hidráulicas: 4 bombas de palhetas de volume fixo, 1 bomba axial de pistões de volume variável;

>

Reservatório de 1250 litros;

>

Analisador de potência Fluke 1760, alimentação 500 Amp, 480 VAC;

>

Figura 16 Extrusora Van Dorn Caliber – ciclo energético.

Teste alternado dos produtos para evitar desvios (A-B-A);

>

Teste feito comparando o Mobil

>

Resultados:

DTE 10 ExcelTM com óleo hidráuli-

-

Poupança de energia em operação contínua – até 2,2% (+/- 0,3%)*

co mineral Mobil DTE 25.

-

Poupança de 1700€/ano em eletricidade.

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