Details

Introdução
Sistema de Teste de Vida de Rolamentos de Ultra-Alta Velocidade com Carga Combinada
Em sistemas críticos, os rolamentos são muitas vezes o ponto único mais frágil que pode levar toda a máquina à falha. Um rolamento travado em um motor aeronáutico, um rolamento danificado em uma caixa de engrenagens de alta velocidade ou um superaquecimento em um turboalimentador podem significar abortar a missão, uma parada não programada ou danos catastróficos. Ainda assim, na maioria dos programas, a vida útil do rolamento é prevista principalmente a partir de dados de catálogo, fatores de segurança e suposições.

O Banco de Teste de Endurance de Rolamentos de Alta Velocidade existe para eliminar essas suposições.

Este equipamento permite recriar o castigo real que seus rolamentos enfrentam em operação — velocidades extremas de até 70.000 rpm, cargas radiais e axiais combinadas, lubrificação controlada e temperaturas elevadas — e observar, em um ambiente controlado e instrumentado, como o rolamento realmente se comporta e falha. Em vez de confiar em valores teóricos de L10, você obtém evidências concretas: como o torque varia, quando a vibração aumenta, como a temperatura cresce e sob qual combinação exata de carga, velocidade e condição do óleo o rolamento chega ao fim de sua vida útil.

Para organizações que atuam nos setores aeroespacial, de defesa, automotivo e em máquinas rotativas avançadas, isto não é um “equipamento opcional de laboratório”. É uma ferramenta de redução de riscos: valida projetos antes de entrarem em serviço, revela fornecedores frágeis, reduz riscos de novos lubrificantes e revestimentos e fornece às equipes de certificação e confiabilidade dados que resistem à auditoria técnica.

Objetivo Funcional & Capacidade de Teste
O propósito central deste equipamento é responder a uma pergunta fundamental:
“Como os rolamentos de alta velocidade realmente se comportam ao longo de sua vida sob minhas condições específicas de operação?”

Para cumprir este propósito, o banco de testes é projetado para:
• Medir a vida útil de rolamentos sob:
  ▹ Carga radial variável
  ▹ Carga axial (empuxo) variável
  ▹ Velocidades desde baixa rotação até ~70.000 rpm
  ▹ Fluxo e pressão de lubrificação controlados
  ▹ Temperatura do óleo controlada, incluindo testes de endurance em alta temperatura

• Capturar e registrar indicadores-chave de performance ao longo do teste:
  ▹ Evolução de torque / fricção
  ▹ Velocidade e estabilidade de velocidade
  ▹ Níveis de carga radial e axial
  ▹ Pressão, temperatura e vazão do óleo
  ▹ Níveis de vibração (via entrada para analisador externo)

• Permitir cenários de teste realistas, tais como:
  ▹ Ensaios de endurance com carga e velocidade constantes
  ▹ Cargas em múltiplos estágios ou cargas progressivas em velocidade fixa
  ▹ Testes de vida acelerados por temperatura
  ▹ Ensaios comparativos para rolamentos, lubrificantes ou revestimentos
O sistema foi projetado para testes de longa duração, parcialmente não supervisionados, com intertravamentos e monitoramentos adequados para proteger tanto o operador quanto o equipamento.

Aplicações Típicas
Este equipamento é ideal para organizações que precisam qualificar, validar ou comparar rolamentos para aplicações exigentes:
• Rolamentos de eixos e caixas de acessórios de motores aeronáuticos
• Caixas de engrenagens de alta velocidade e turbomáquinas (defesa, aviação, industrial)
• Turboalimentadores, supercarregadores e rolamentos automotivos de alto desempenho
• Centros de P&D focados em fadiga, lubrificação e modos de falha
• Laboratórios de qualificação de novos projetos de rolamentos, fornecedores ou lotes de produção
Em muitos programas, é usado como bancada de qualificação e ensaio de tipo antes que os rolamentos sejam liberados para sistemas críticos.

Arquitetura do Sistema – Visão Geral
O Banco de Teste de Endurance de Rolamentos de Alta Velocidade é construído em torno de um trem de acionamento de alta potência, uma caixa de engrenagens de alta velocidade de precisão, um dispositivo de aplicação de carga ao rolamento e sistemas independentes de lubrificação, todos integrados a um sistema de controle e aquisição de dados baseado em PC.

Os principais subsistemas são:
• Motor de acionamento de alta potência com controle vetorial
• Caixa de engrenagens mono-helicoidal de dois estágios para atingir 70.000 rpm
• Dispositivo de carga do rolamento com spindle e alojamento de precisão
• Aplicação de carga radial usando fole pneumático e célula de carga
• Aplicação de carga axial usando cilindros pneumáticos compactos e células de carga
• Unidade de lubrificação do rolamento com aquecimento e controle de vazão
• Sistema de lubrificação da caixa de engrenagens
• Instrumentação e aquisição de dados para torque, velocidade, cargas, pressão, temperatura e vazão
• Estrutura base em ferro fundido para rigidez e amortecimento de vibração
Cada subsistema é projetado para ser robusto, de fácil manutenção e adequado para operação contínua em alta velocidade.

Sistema de Acionamento & Caixa de Engrenagens de Alta Velocidade
No núcleo do equipamento está um sistema de acionamento potente e controlado em velocidade, que fornece as condições mecânicas necessárias para os testes de endurance.

Motor de Acionamento & Controle Vetorial
O equipamento utiliza um motor CA trifásico na classe de ~113 kW, combinado com um inversor industrial de controle vetorial:
• Potência aproximada: 113 kW
• Alimentação: 415 V, CA trifásico
• Velocidade nominal: ~2900 rpm, com capacidade até ~5000 rpm
• Realimentação por encoder para controle de velocidade em malha fechada
• Rampas configuráveis de aceleração/desaceleração para minimizar choques mecânicos

Este arranjo garante que a velocidade de teste possa ser definida, mantida e limitada com precisão, com monitoramento e limitação de torque integrados na lógica do inversor.

Caixa de Engrenagens de Alta Velocidade
Para alcançar velocidades de até 70.000 rpm no spindle, o motor aciona uma caixa de engrenagens dedicada e de alto desempenho:
• Velocidade de entrada (máx): 5000 rpm
• Velocidade de saída (máx): 70.000 rpm
• Relação de engrenagem: 14 : 1
• Construção: dois estágios, helicoidal simples, eixos paralelos
• Norma de projeto: AGMA 6011 I-03 (projeto de engrenagens de alta velocidade)
• Rolamentos: rolamentos hidrodinâmicos tipo mancal com corpo em aço e revestimento em metal branco
A caixa de engrenagens é projetada para operação contínua em alta velocidade, com forte foco em baixa vibração e alta confiabilidade.

Acoplamento & Limitação de Torque
Entre os elementos rotativos:
• Um acoplamento de segurança limitador de torque é instalado entre o motor e a caixa de engrenagens:
  ▹ Normalmente ajustado para deslizar em torno de 300 N•m, evitando danos em sobrecargas súbitas (ex.: travamento de rolamento ou bloqueio de eixo).
• Acoplamentos flexíveis de alta velocidade são usados entre a saída da caixa, o sensor de torque e o spindle de teste:
  ▹ Capazes de operar com segurança a 70.000 rpm
  ▹ Compensam pequenos desalinhamentos e reduzem vibrações transmitidas
Essa configuração fornece proteção mecânica e integridade de medição em altas velocidades.

Carcaça do Rolamento, Spindle & Estrutura Mecânica
O rolamento em teste é montado em um dispositivo dedicado que garante ajuste correto, alinhamento e introdução adequada de carga.

Base & Estrutura em Ferro Fundido
Todo o conjunto (motor, caixa de engrenagens, dispositivo de rolamento) é montado sobre uma base de ferro fundido:
• Alta rigidez à flexão para manter o alinhamento do eixo sob carga
• Excelente amortecimento de vibração devido às propriedades do ferro fundido
• Redução da transmissão de vibrações do acionamento e da caixa para os componentes de medição
Esse design de base é essencial para resultados repetíveis e longa vida útil dos componentes.

Spindle & Carcaça do Rolamento
O dispositivo de carga do rolamento consiste em:
• Um eixo spindle retificado de precisão, contendo:
  ▹ O rolamento em teste
  ▹ Rolamentos de apoio e discos conforme necessário
• Discos e espaçadores customizáveis para coincidir com a geometria do rolamento testado (ex.: 20 × 47 × 14 mm ou tamanhos específicos do usuário)
• Uma carcaça bipartida:
  ▹ A carcaça inferior sustenta os discos do rolamento e os fixa à base.
  ▹ A carcaça superior recebe as forças radial e axial dos mecanismos de carga e as transfere para o rolamento em teste.
A carcaça é projetada com canais de lubrificação e portas de sensores para que o óleo seja fornecido e monitorado precisamente nos pontos do rolamento.

Montagem & Desmontagem
Para evitar danos durante operações de montagem e desmontagem, é utilizado um dispositivo dedicado de acoplamento e remoção, garantindo:
• Alinhamento correto durante a instalação
• Forças de prensagem controladas
• Troca eficiente de rolamentos entre testes

Aplicação de Carga Radial & Axial
Para reproduzir condições reais de operação, o equipamento oferece controle independente de cargas radial e axial.

Carga Radial
A carga radial é gerada por um fole pneumático:
• Ar comprimido atua sobre o fole, produzindo uma força vertical controlável.
• Essa força é aplicada à carcaça superior através de um pino de carga radial, resultando na carga radial sobre o rolamento testado.
• Uma célula de carga radial no caminho da força mede a carga realmente aplicada.

Características principais:
• Capacidade de carga radial: até aproximadamente 25 kN (≈2,5 toneladas), dependendo da configuração
• Ajuste suave da carga variando a pressão do ar
• Verificação contínua da carga via célula de carga e indicador digital

Carga Axial
A carga axial (empuxo) é aplicada por cilindros pneumáticos compactos:
• Múltiplos cilindros são organizados de forma que sua força combinada atue em direção axial pura sobre o disco do rolamento.
• Uma ou mais células de carga axial medem a força aplicada com precisão.

Capacidades típicas:
• Capacidade de carga axial: até aproximadamente 2,5 kN, conforme quantidade e tamanho dos cilindros
• Configurável para cenários de carga radial pura, axial pura ou combinada

Controle Pneumático
O sistema pneumático inclui:
• Unidades filtro-reguladoras para garantir ar limpo e seco com pressão estável
• Reguladores eletropneumáticos (E/P) que convertem sinais elétricos em níveis precisos de pressão para os atuadores radial e axial
• Válvulas solenóides (5/2 e 3/2, 24 V CC) para aplicar ou liberar pressão e estender ou retrair cilindros
Isso permite criar perfis de carga bem definidos e possibilita estratégias de controle de carga manuais ou semiautomáticas.

Lubrificação & Gerenciamento Térmico
Lubrificação e controle térmico são fundamentais nos testes de vida de rolamentos, e o equipamento os trata como variáveis controladas primárias.

Unidade de Lubrificação dos Rolamentos
O sistema de lubrificação fornece óleo aos rolamentos de teste e apoio com:
• Pressão controlada
• Vazão controlada
• Temperatura controlada

Características principais:
• Reservatório de óleo, bomba, filtragem e linhas de retorno projetadas para operação contínua
• Aquecedor elétrico capaz de elevar a temperatura do óleo do ambiente (~35 °C) até cerca de 200 °C
• Válvula proporcional de controle de vazão para ajuste via comando elétrico

Parâmetros monitorados incluem:
• Pressão do óleo do rolamento (transmissor de pressão, 4–20 mA)
• Temperatura do óleo (transmissor de temperatura, normalmente PT100 + transmissor, 4–20 mA)
• Vazão de óleo (L/min), exibida localmente e adquirida pelo DAQ
Isso permite condições de teste que variam de baixa vazão e alta temperatura (testes acelerados) até corridas de endurance bem lubrificadas em temperatura moderada.

Sistema de Lubrificação da Caixa de Engrenagens
Uma unidade separada de lubrificação é usada para:
• Fornecer óleo às engrenagens e mancais hidrodinâmicos na pressão e vazão adequadas
• Manter um filme hidrodinâmico estável em alta rotação
• Proteger componentes da caixa contra desgaste e degradação térmica
O procedimento operacional garante que a lubrificação esteja estabelecida e estabilizada antes que a operação em alta rotação seja permitida.

Resfriamento & Rejeição de Calor
Dependendo das utilidades disponíveis no local, os sistemas de lubrificação podem ser conectados a:
• Um chiller externo, ou
• Um circuito de água de resfriamento
para remover o calor gerado e manter a temperatura desejada do óleo durante testes longos.

Instrumentação, Monitoramento & Aquisição de Dados
O equipamento é amplamente instrumentado para que cada teste seja totalmente documentado e rastreável.
Variáveis Medidas

Instrumentação típica inclui:
• Torque: Sensor de torque sem contato (0–50 N•m típico)
• Velocidade: Integrado ao sensor de torque ou captador dedicado (capacidade até 80.000 rpm)
• Carga radial: Medida por célula de carga radial (até ~25 kN)
• Carga axial: Medida por células de carga axial (até ~2,5 kN, conforme configuração)
• Pressão do óleo (bar): Para lubrificação do rolamento e, quando instrumentado, da caixa
• Temperatura do óleo (°C): Temperatura de entrada (e opcionalmente saída) dos rolamentos e temperatura da caixa
• Vazão (L/min): Vazão de lubrificação do rolamento
• Sinais digitais de status: Bomba LIGA/DESLIGA, aquecedor LIGA/DESLIGA, sensores de nível, fins de curso, paradas de emergência e intertravamentos

Indicadores Locais
No painel frontal/de controle, indicadores digitais exibem:
• Leitura em tempo real de torque, velocidade, carga radial e carga axial
• Exibição de pressão, temperatura e vazão do óleo
• Pontos de alarme configuráveis, permitindo lógica de desligamento local para valores inseguros

Aquisição de Dados Baseada em PC
Um PC ou PC industrial com hardware dedicado de aquisição:
• Coleta sinais analógicos e digitais de todos os transmissores e sensores
• Exibe valores e tendências em tempo real na IHM
• Registra todos os dados relevantes em arquivos, com carimbos de data e identificadores de teste

Isso cria um registro digital completo de cada teste, apoiando:
• Análises estatísticas de vida
• Investigações de falhas
• Comparações entre fornecedores
• Relatórios para equipes internas ou agências externas

Especificações Técnicas (Típicas)
A tabela abaixo resume as especificações técnicas típicas do Banco de Teste de Endurance de Rolamentos de Alta Velocidade. Os valores podem ser personalizados conforme os requisitos do usuário, mas representam uma configuração típica.

  

    

      
Parâmetro
      
Especificação (Típica)
    

    

      
Aplicação
      
Testes de endurance e desempenho de rolamentos de alta velocidade
    

    

      
Faixa de velocidade do rolamento testado
      
0 a 70.000 rpm (controle contínuo)
    

    

      
Potência do motor de acionamento
      
~113 kW, CA trifásico, 415 V
    

    

      
Velocidade nominal do motor
      
~2900 rpm (até aproximadamente 5000 rpm)
    

    

      
Controle de velocidade
      
Inversor de controle vetorial com realimentação por encoder
    

    

      
Tipo de caixa de engrenagens
      
Dois estágios, helicoidal simples, eixos paralelos
    

    

      
Relação da caixa de engrenagens
      
Aproximadamente 14 : 1
    

    

      
Velocidade de entrada da caixa (máx)
      
5000 rpm
    

    

      
Velocidade de saída da caixa (máx)
      
70.000 rpm
    

    

      
Norma de projeto da caixa
      
AGMA 6011 I-03
    

    

      
Rolamentos da caixa
      
Mancais hidrodinâmicos com corpo de aço e revestimento em metal branco
    

    

      
Capacidade de carga radial
      
Até ~25 kN (≈2,5 toneladas), via fole pneumático + célula de carga
    

    

      
Capacidade de carga axial
      
Até ~2,5 kN, via cilindros pneumáticos compactos + células de carga
    

    

      
Atuação da carga radial
      
Fole pneumático de convolução simples com regulador E/P
    

    

      
Atuação da carga axial
      
Múltiplos cilindros pneumáticos compactos com regulador E/P
    

    

      
Temperatura do óleo de lubrificação do rolamento
      
Aprox. 35 °C a 200 °C (ajustável)
    

    

      
Fluxo de lubrificação do rolamento
      
Ajustável via válvula proporcional de controle de vazão (faixa em L/min conforme especificado)
    

    

      
Lubrificação da caixa
      
Unidade separada com bomba, filtragem e resfriamento
    

    

      
Faixa de medição de torque
      
Aprox. 0–50 N·m, sensor de torque sem contato
    

    

      
Faixa de medição de velocidade
      
0–80.000 rpm (capacidade do sensor)
    

    

      
Variáveis medidas
      
Torque, velocidade, carga radial, carga axial, pressão do óleo, temperatura do óleo, vazão
    

    

      
Estrutura base
      
Base em ferro fundido para alta rigidez e amortecimento de vibração
    

    

      
Aquisição de dados
      
DAQ baseado em PC/IPC com entradas analógicas e digitais multicanais
    

    

      
Registro de dados
      
Registro contínuo com marcação de tempo e identificação do teste
    

    

      
Alimentação principal
      
415 V, trifásico para acionamento & bombas
    

    

      
Alimentação auxiliar
      
230 V CA monofásico para controles, auxiliares e indicadores
    

    

      
Fornecimento pneumático
      
Ar comprimido limpo e seco (pressão conforme requisitos dos atuadores)
    
  


Filosofia de Segurança & Operação
Devido às altas velocidades e à energia armazenada, o equipamento é projetado com um conceito de segurança em múltiplas camadas:
• Proteções mecânicas ao redor de todos os componentes rotativos e partes móveis
• Circuitos de parada de emergência:
  ▹ E-stop do acionamento para cortar a alimentação do motor e desacelerar o sistema
  ▹ E-stop do sistema para desligar com segurança a lubrificação e sistemas auxiliares, se necessário

• Intertravamentos que impedem o início do teste caso:
  ▹ A pressão ou o fluxo de lubrificação sejam insuficientes
  ▹ As temperaturas do óleo estejam fora da faixa aceitável
  ▹ A pressão pneumática para aplicação de carga não esteja disponível
  ▹ Qualquer alarme crítico esteja ativo

Os procedimentos de operação exigem:
• Iniciar e estabilizar os sistemas de lubrificação antes de aplicar velocidade/carga
• Respeitar os tempos definidos de aquecimento
• Evitar qualquer intervenção manual enquanto o teste estiver em execução ou existirem componentes em rotação
O princípio geral é que nenhuma operação em alta velocidade é permitida a menos que lubrificação, carga e condições de segurança estejam confirmadas como adequadas.

Principais Benefícios
Do ponto de vista do usuário, o Banco de Teste de Endurance de Rolamentos de Alta Velocidade oferece:
• Dados de endurance realistas e de alta fidelidade sob condições combinadas de velocidade, carga e temperatura
• Forte repetibilidade, proporcionada por uma estrutura mecânica rígida e controle preciso de lubrificação e cargas
• Percepções profundas sobre o comportamento do rolamento, permitindo melhores decisões de projeto e gestão de fornecedores
• Registros digitais completos que apoiam qualificação, certificação e solução de problemas
• Flexibilidade para se adaptar a diferentes tamanhos de rolamentos, níveis de carga e conceitos de teste