O que é a tribologia na engenharia?

POR Pedro Coelho

Publicado: quinta-feira, 9 de dezembro de 2021

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A tribologia na engenharia é o estudo da ciência e tecnologia de superfícies que interagem em movimento relativo e abrange o estudo e a aplicação de atrito, desgaste, lubrificação e os aspectos de design relacionados.

A tribologia é basicamente um estudo que une os conhecimentos dessas áreas do saber para poder predizer o comportamento de um sistema físico.

Para entender melhor a tribologia, é importante também entender as definições por trás do atrito, desgaste e lubrificação.

Entendendo a definição de atrito, desgaste e lubrificação

O atrito é a resistência ao movimento relativo entre dois corpos em contato. Isso não é uma propriedade material, mas sim uma propriedade do sistema. Os pesquisadores acreditam que isso ocorre devido à atração eletromagnética entre partículas carregadas em duas superfícies que se tocam.

Exemplo de tipo de atrito

Existem vários tipos de atrito, incluindo:

• Atrito estático, que ocorre quando dois objetos não se movem em relação um ao outro (ou seja, como uma cadeira no chão);
• Fricção de rolamento, que ocorre quando dois objetos se movem em relação um ao outro e um "rola" no outro (ou seja, as rodas de um carro no solo);
• Fricção cinética, que ocorre quando dois objetos se movem em relação um ao outro e se esfregam (ou seja, uma pessoa deslizando em um escorregador);
• Fricção deslizante, que ocorre quando dois objetos se esfregam (ou seja, colocar um livro sobre uma mesa e movê-lo); e
• Fricção de fluido, que ocorre quando um objeto sólido se move através de um líquido ou gás (ou seja, uma pipa se movendo pelo ar).

O atrito não é considerado uma força fundamental. Ele é basicamente uma força não conservadora, o que significa que o trabalho feito contra o atrito depende do caminho.

Já o desgaste é a remoção gradual, danificando ou deslocando o material em superfícies sólidas.

Exemplo de tipo de desgaste

Quando se trata de desgaste, os tipos mais comuns são:

• Desgaste abrasivo, que ocorre quando uma superfície dura e áspera desliza sobre uma superfície mais macia;
• Desgaste adesivo, que ocorre devido ao deslocamento indesejado e fixação de resíduos de desgaste de uma superfície para outra;
• Desgaste por atrito, que ocorre devido à fricção cíclica repetida entre duas superfícies;
• Desgaste por erosão, que ocorre quando partículas sólidas ou líquidas colidem com a superfície de um objeto;
• Fadiga de superfície, que ocorre quando a superfície de um material é enfraquecida por carregamento cíclico; e desgaste por corrosão / oxidação, que ocorre devido a reações químicas entre materiais desgastados e um meio corrosivo.

Dados esses vários tipos de desgaste, a tribologia também ilustra como esse desgaste pode sofrer muitas mudanças no tempo ou nas condições operacionais.

Na tribologia, a lubrificação é o controle de atrito e desgaste pela introdução de um filme redutor de atrito entre as superfícies móveis em contato. Este filme, também conhecido como lubrificante, pode ser uma substância sólida, fluida ou plástica, sendo o óleo e a graxa os mais comuns.

Os lubrificantes têm várias funções, incluindo redução do atrito, prevenção do desgaste, proteção do equipamento contra corrosão, controle da temperatura e contaminação, transmissão de energia e vedação do fluido.

Quando se trata de lubrificação, existem três tipos diferentes chamados de regimes: limite, filme misto e filme completo. A lubrificação de limite existe onde há partidas e paradas frequentes e também onde há condições de carga de choque.

Por exemplo, existem alguns óleos que contêm aditivos como os de extrema pressão (EP) ou antidesgaste (AD), para ajudar a proteger as superfícies caso os filmes inteiros não possam ser reconhecidos devido à carga, velocidade ou outros fatores.

Esses aditivos EP ou AD aderem às superfícies de metal para formar uma “camada sacrificial” que protege o metal do desgaste.

Lubrificação elasto-hidrodinâmica (LEH)

A lubrificação de filme completo existe em duas formas: hidrodinâmica e elasto-hidrodinâmica. A lubrificação hidrodinâmica (LH) ocorre quando duas superfícies em movimento deslizante são totalmente separadas por uma película de fluido. A lubrificação elasto-hidrodinâmica (LEH) é muito semelhante à LH, mas ocorre quando as superfícies estão em um movimento de rolamento (em relação uma à outra).

A LEH recebe o nome da propriedade do filme que deforma elasticamente a superfície de rolamento para lubrificá-la, e a camada de filme em condições de LEH é muito mais fina do que a de LH. Isso resulta em uma maior pressão no filme.

A lubrificação mista é uma combinação entre a lubrificação de limite e hidrodinâmica, que ocorre quando "a maior parte das superfícies são separadas por uma camada lubrificante, e as asperezas ainda entram em contato umas com as outras".

Tal como acontece com a lubrificação de limite, a lubrificação mista também pode conter aditivos para criar uma camada protetora no metal.

Existem vários conceitos fundamentais em tribologia, como tribossistema, tribofilme e curva de Stribeck. Um tribossistema é definido como um sistema tribológico composto de pelo menos dois corpos em contato e qualquer fator ambiental que afete a sua interação.

Um especialista em tribologia (normalmente é um engenheiro mecânico) tem que entender muito bem os sistemas tribológicos, pois isso permite que ele crie e execute testes tribológicos. Um outro elemento importante do tribosistema gira em torno do uso de revestimentos tribológicos, no que se refere a materiais ferrosos e não ferrosos.

Por exemplo, um carbono semelhante a diamante ou revestimento de hidrocarboneto pode ser aplicado a um componente para reduzir o atrito e proteger contra o desgaste. O revestimento de deposição física de vapor é outro exemplo e envolve a produção de um revestimento fino, submetendo o material de uma fase condensada a uma fase de vapor, resultando em uma fase condensada de filme fino.

Isso é diferente da deposição de vapor químico, que produz materiais sólidos de alto desempenho sob vácuo. Outros revestimentos tribológicos incluem:

• Deposição de arco catódico
• Carbo-nitreto de titânio
• Nitreto de titânio
• Nitreto de titânio e alumínio
• Nitreto de cromo
• Nitreto de zircônio
• Diboreto de titânio
• Diamante policristalino

Os tribofilmes são filmes produzidos em superfícies e desempenham um papel fundamental na redução ou minimização do atrito e desgaste em sistemas lubrificados. Já a curva de Stribeck é um gráfico que mostra como o atrito em contatos lubrificados com fluido é uma função não linear da viscosidade do lubrificante, velocidade de arrastamento e carga de contato. 

O nome desse gráfico é uma homenagem a Richard Stribeck, que foi um engenheiro mecânico alemão que descreveu esse conceito pela primeira vez em 1902. 

História da Tribologia

A palavra “Tribologia” vem da palavra grega tribos que significa esfregar, logo essa palavra foi traduzida literalmente como “ciência de esfregar”. Já o uso de lubrificantes é algo que remonta a imagens de civilizações antigas na China e no Egito, mostrando a aplicação de lubrificantes para reduzir o atrito do arraste de pedras pesadas usadas na construção.

O conceito de tribologia remonta a Leonardo da Vinci (1452-1519) que foi nomeado o pai da tribologia moderna, pois foi o primeiro a estudar uma variedade incrível de subtópicos tribológicos, como: atrito, desgaste, materiais de rolamentos, rolamentos deslizantes, sistemas de lubrificação, engrenagens, parafusos macacos e rolamentos de corpos rolantes.

No entanto, a palavra "Tribologia" não foi amplamente usada até que Peter H. Jost, um engenheiro mecânico britânico, cunhou o termo em 9 de março de 1966 em um de seus relatórios.

Jost é considerado o fundador da disciplina de Tribologia e, a partir de seu relatório, um destaque maior foi colocado sobre o assunto. Ele solicitou o estabelecimento de Institutos de Tribologia, juntamente com a publicação de um manual sobre tribo-design e engenharia.

Logo após a publicação de seu relatório, um comitê de Tribologia foi formalmente estabelecido em 26 de setembro de 1966 e foi encarregado de várias funções, incluindo:

• Aconselhar o ministro da tecnologia sobre medidas para efetuar o progresso tecnológico e economias econômicas na esfera da tribologia
• Aconselhar departamentos governamentais e outros órgãos em questões associadas à tribologia
• Examinar e recomendar à indústria as técnicas mais recentes de tribologia

Esse Relatório anual sobre as próprias atividades, tendências e desenvolvimentos em tribologia foi considerado de grande importância tecnológica (ou econômica) para os ingleses naquela época.

A tribologia depois de um certo tempo se tornou uma área interdisciplinar ligada à biologia, química, engenharia, ciência dos materiais, matemática e física.

Aplicações dos diversos tipos de tribologia

Historicamente, a tribologia é algo que é normalmente aplicada aos componentes de rolamento ou deslizamento mais comuns, que são rolamentos, engrenagens, cames, freios e vedações.

Esses elementos comuns são usados em uma variedade de máquinas que têm movimento relativo e requerem algum movimento deslizante e / ou movimento rotacional. Esse foco inicial em melhorar a operação e estender a vida útil do maquinário industrial evoluiu para outras aplicações, onde teve um grande impacto em uma grande variedade de aplicações.

As aplicações da tribologia podem variar de escalas macro a nano. Embora tradicionalmente a aplicação da tribologia se concentre nos setores de transporte e manufatura, onde se tornou mais diversificado ao longo das décadas. Os campos de aplicação podem ser divididos nos seguintes campos:

Tribologia Clássica

A tribologia clássica se concentra no atrito e no desgaste dos elementos da máquina, como por exemplo, rolamentos do elemento rolante, engrenagens, rolamentos lisos, freios, embreagens, rodas, etc. Esse tipo de tribologia é muito aplicado nos processos de fabricação.

Biotribologia

A biotribologia se concentra na pesquisa de lubrificação em sistemas biológicos, como articulações do quadril e joelho humanos. Na verdade, um dos exemplos mais marcantes da Biotribologia são as substituições totais do quadril, que “substituem a articulação esférica natural do corpo por uma bola metálica muito lisa (aço inoxidável ou liga de cobalto-cromo) na cabeça do fêmur , articulando-se em um copo na pelve feito de polietileno que tem um ultra alto peso molecular ”.

Tribologia Verde

A tribologia verde é mais voltada área ambiental, pois busca minimizar o impacto ambiental, incluindo formas de reduzir as perdas tribológicas usando tecnologias com impacto mínimo ao meio ambiente.

Geotribologia

A geotribologia é um tipo de tribologia onde o foco é estudar o atrito, o desgaste e a lubrificação de sistemas geológicos como falhas e geleiras. Como uma nova faceta da tribologia, a geotribologia está ganhando impulso no mundo científico, especialmente em sua capacidade de analisar deslizamentos de falha geológica.

Nanotribologia

A nanotribologia é um tipo de tribologia que estuda fenômenos tribológicos em escala nanoscópica, que se refere a estruturas com uma escala de comprimento aplicável à nanotecnologia.

A nanotribologia vem ganhando força em suas pesquisas desde a invenção da microscopia de força atômica, que é uma forma de alta resolução de microscopia de varredura por sonda.

Tribotrônica

A tribologia tribotrônica é uma faceta da pesquisa tribológica que combina elementos de máquina e componentes eletrônicos para criar sistemas tribológicos ativos e aumentar a eficiência e a vida útil de uma máquina.

Tribologia Computacional

A tribologia computacional é um tipo de tribologia que é usada para modelar o comportamento de sistemas tribológicos combinando várias disciplinas, como mecânica de contato (estudo da deformação de sólidos que se tocam em um ou mais pontos), mecânica de fratura (estudo de proliferação de fissuras em materiais) e dinâmica de fluidos computacional (CFD), que já é uma área que usa análise numérica e estruturas de dados para resolver e analisar problemas envolvendo fluxos de fluido.

Tribologia Espacial

A tribologia espacial é usada para analisar os sistemas tribológicos com a capacidade de operar sob as condições ambientais adversas do espaço sideral, particularmente devido a mudanças extremas de temperatura.

Tribologia de sistema aberto

A tribologia de sistema aberto estuda os sistemas tribológicos expostos que são afetados pelo ambiente natural.

Uso da tribologia na escolha do lubrificante

Os lubrificantes são usados geralmente para separar duas superfícies deslizantes, minimizando o contato direto da superfície e reduzindo o desgaste da ferramenta e os requisitos de energia.

Além disso, eles também conduzem calor e contaminantes para longe da interface. A maioria dos lubrificantes são líquidos, compostos de óleo e aditivos, mas em alguns casos os lubrificantes são gases ou sólidos.

Antes de selecionar o lubrificante adequado, o sistema tribológico precisa ser identificado, e os marcadores de identificação (ou parâmetros) incluem o tipo de movimento, velocidade, temperaturas, carga e ambiente operacional.

O tipo de movimento é o primeiro parâmetro do sistema tribológico. O movimento pode ser deslizante, que requer a teoria da lubrificação hidrodinâmica (LH) para análise, ou de rolamento, que requer a teoria da lubrificação elasto-hidrodinâmica (LEH).

A diferença entre os dois é simples; A teoria do LH se concentra na redução do atrito e / ou desgaste dos sólidos em fricção, adicionando o lubrificante adequado que vai entre os sólidos em fricção, cria se um filme fino de líquido.

Como já vimos acima, o LEH é um tipo de LH onde ocorre uma deformação elástica significativa da superfície, alterando drasticamente a forma e a espessura do filme lubrificante de separação .

Em alguns casos, o movimento é uma combinação de deslizamento e rolamento, que ocorre em certos rolamentos de elemento rolante, como o rolamento de rolos cônicos. Neste caso, a química do lubrificante precisaria ser ajustada para um desempenho ideal.

O segundo parâmetro do sistema tribológico é a velocidade, que pode ser dividida em três categorias: rápida, moderada e lenta. Para determinar as faixas das categorias de velocidade, é essencial conhecer bem a curva de Stribeck e como calculá-la.

Como já vimos acima, a Curva de Stribeck é um gráfico que mostra como o atrito em contatos lubrificados por fluido é uma função não linear da viscosidade do lubrificante, velocidade de arraste e carga de contato.

Conhecendo a velocidade do contato, o lubrificante adequado pode ser selecionado para reduzir o atrito.

A temperatura é o terceiro parâmetro tribológico e vital, pois todos os lubrificantes têm faixas de temperatura específicas para desempenho e eficácia ideais. Devido à sua química, alguns lubrificantes operam em uma ampla faixa de temperatura, enquanto outros têm um desempenho ideal em temperaturas mais baixas.

Ao identificar a temperatura do sistema tribológico, o engenheiro mecânico é capaz de selecionar com precisão um lubrificante que permitirá a uma máquina atingir uma vida operacional e desempenho ideais.

Em seguida nessa lista está a carga, que é um componente importante que afeta a necessidade de lubrificante. Se houver uma carga leve, um lubrificante liquido para minimizar o atrito de metal com metal ainda é necessário, pois ainda vai existir esse atrito que pode comprometer a estrutura.

Vendo por outro lado, se houver a aplicação de uma carga pesada, seria necessário selecionar um bom lubrificante contendo aditivos específicos para proteger contra desgaste extremo e corrosão.

O parâmetro final é o ambiente operacional. Se o tribossistema estiver operando em um ambiente sujeito a umidade ou água, o lubrificante necessário deve ser resistente à lavagem com água ou contaminação, bem como fornecer boas propriedades anticorrosivas.

Quando a aplicação é feita em um ambiente contendo líquidos e vapores químicos, o lubrificante necessário deve ser resistente a esses produtos químicos e vapores.

Se o ambiente da aplicação estiver em vácuo ou vácuo parcial, a pressão atmosférica da aplicação deve estar dentro dos limites operacionais do lubrificante e acima de sua pressão de vapor na temperatura operacional.

Depois de identificar o sistema e seus parâmetros, o engenheiro de lubrificação emprega diferentes químicos de lubrificantes para determinar o lubrificante ideal para a aplicação.

Além de escolher lubrificantes com base na química, o engenheiro de lubrificação também precisa analisar a aplicação com base no sistema tribológico, que inclui uma análise dos fatores de velocidade, lubrificação elastohidrodinâmica (LEH), cálculos de vida útil dos rolamentos, lubrificação de extrema pressão, lubrificação de emergência e outros requisitos de aplicações especiais.

Importância da Tribologia na indústria e na economia

No início, a pesquisa em Tribologia se concentrava no projeto e na lubrificação eficaz de componentes de máquinas, como rolamentos. Com o tempo, houve uma mudança no foco da tribologia para incluir vários aspectos da tecnologia moderna.

As aplicações tradicionais, que se enquadram na Tribologia Clássica, destacam a importância da tribologia no que se refere às superfícies deslizantes na maioria dos componentes mecânicos, que são essenciais para a eficiência energética e a expectativa de vida máxima desses componentes.

Na indústria de transporte, a pesquisa tradicional de tribologia se concentrava na confiabilidade, mas, nos tempos mais modernos, o foco mudou para o consumo de energia e o aumento da eficiência, resultando em lubrificantes mais complexos.

Por exemplo, a Tribologia pode reduzir as emissões de dióxido de carbono aumentando a eficiência energética. Além da indústria de transporte, a tribologia tem desempenhado um papel vital no setor de manufatura, particularmente nas operações de conformação de metal. Compreender a tribologia na fabricação é importante, pois pode aumentar a produtividade e, ao mesmo tempo, reduzir os custos.

Dois outros setores onde a tribologia tem importância significativa são a geração de energia e residencial. A tribologia é uma ciência que ajuda na economia e na competitividade do mundo empresarial no fornecimento de soluções para problemas técnicos críticos em vários setores.

Referências

• https://www.britannica.com/science/tribology (acessado em 02/12/2021 as 16:34)
• https://www.machinerylubrication.com/tribology-31340 (acessado em 02/12/2021 as 16:43)
• https://tribology.com/ (acessado em 03/12/2021 as 20:24)

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico, engenheiro de segurança do trabalho e Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, também sou estudante de engenharia civil, e em parte de minhas horas vagas me dedico a escrever artigos aqui no ENGQUIMICASANTOSSP, para ajudar estudantes de Engenharia Química e de áreas correlatas. Se você está curtindo essa postagem, siga-nos através de nossas paginas nas redes sociais e compartilhe com seus amigos para eles curtirem também :)