Bomba centrífuga

Este exemplo mostra o processo de seleção de rolamentos em um caso de aplicação no qual é necessária uma modificação para uma bomba centrífuga.

O fabricante da bomba deseja melhorar a eficiência de uma bomba centrífuga existente modificante o rotor. Como resultado, as cargas do rolamento combinadas serão maiores e é necessário verificar se a seleção de rolamentos atual pode suportar a alteração. O desenho da aplicação é mostrado na fig. 1.

Cada etapa do exemplo é descrita em uma seção expansível/suspensa abaixo. As etapas no exemplo seguem a sequência no processo de seleção de rolamentos. Consulte o processo de seleção de rolamentos para obter uma descrição completa de cada etapa do processo.

Condições operacionais e desempenho
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting


As condições operacionais são:
  • velocidade de rotação: n = 3.000 rpm
  • Lubrificação:
    • método: banho de óleo
    • grau de viscosidade do óleo: ISO VG 68
  • para o suporte livre – um rolamento de rolos cilíndricos, NU 311 ECP:
    • carga radial máx.: Fr = 3,29 kN
    • temperatura operacional estimada: T = 70 °C (160 °F)
  • o suporte de fixação – um par de rolamentos de esferas de contato angular para pareamento universal, 7312 BECBP, dispostos em O:
    • carga radial máx.: Fr = 1,45kN
    • carga axial máx.: Fa = 11,5 kN
    • temperatura operacional estimada: T = 85 °C (185 °F)
Seguinte os padrões da indústria de bombas, a vida nominal básica L10h deve ser de pelo menos 16.000 h em condições de carga máxima.

Arranjo e tipo de rolamento
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

O rolamento de rolos cilíndricos é utilizado como suporte livre e um par de rolamentos de esferas de contato angular de uma carreira para pareamento universal é usado como suporte de fixação.

O rolamento de rolos cilíndricos, do tipo NU, é usado pelos motivos a seguir:
  • Ele pode acomodar, em si mesmo, a expansão térmica do eixo.
  • O anel interno é separável do anel externo, com rolos e gaiolas – isso simplifica a montagem da bomba e o uso de ajustes interferentes nos anéis interno e externo.
Para o par de rolamentos de uma carreira de esferas de contato angular para pareamento universal:
  • Rolamentos de esferas com um ângulo de 40°, são indicados para suportar cargas axiais altas e velocidades médias e altas.
  • Os rolamentos são dispostos em O, os anéis internos são presos e montados com um ajuste interferente no eixo. Como a folga do par é controlada pela fixação dos anéis internos, os anéis externos podem ser posicionados no mancal entre um ressalto da caixa e uma tampa, sem a necessidade de fixação precisa.
Ambos os assentos do mancal do rolamento são usinados em uma posição de fixação, que garante um bom alinhamento. O desalinhamento é inferior a 2 minutos de arco, o que está dentro dos limites aceitáveis de desalinhamento para o par de rolamentos de esferas de contato angular e o rolamento de rolos cilíndricos.

Conclusão

A seleção atual do tipo e do arranjo do rolamento é adequada para essa aplicação.

Tamanho do rolamento, suporte livre
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

As condições operacionais dadas e os efeitos da fadiga de contato rolante indicam que o tamanho do rolamento deve ser determinado, usando-se a vida nominal básica e a vida nominal SKF.

Especificações de produto para NU 311 ECP → detalhes do produto.

Vida nominal básica




De Cargas, P = Fr. Consequentemente, a relação de carga C/P = 156/3,29 = 47.



O rolamento está superdimensionado. 

Vida nominal SKF


 

1Condição de lubrificação – a relação de viscosidade, κ

κ = ν/ν1

Dado que:
  • grau de viscosidade = ISO VG 68
  • temperatura operacional = 70 °C (160 °F)
então, usando o diagrama 1, v = 20 mm2/s

Dado que:
  • n = 3.000 rpm
  • dm = 0,5 (55 + 120) = 87,5 mm

então, usando diagrama 2, V1 = 7 mm2/s

Consequente, κ = 20/7 = 2,8


2Fator de contaminação, ηc

Dado que:

  • as condições de contaminação sejam típicas (ou seja, rolamentos abertos, sem filtro, partículas desprendidas e ingresso do entorno)
  • dm = 87,5 mm
então, usando a tabela 1, ηc = 0,2

Dado que:
  • Pu = 18,6
  • P = Fr = 3,29 (→ Cargas)
então, ηc Pu/P = 0,2 x 18,6/3,29 = 1,13

3fator de modificação de vida SKF, aSKF

Dado que:
  • κ = 2,8
  • ηc Pu/P = 1,13
  • NU 311 ECP é um rolamento SKF Explorer
então, usando o diagrama 3, umSKF = 50

Dado que:
  • L10h > 1.000.000 h
então, L10 mh > 50 x 1.000.000 h

então, L10 mh >>1.000.000 h, indicando que o rolamento é superdimensionado para as condições operacionais.

Carga mínima

O fato de que a vida nominal básica e a vida nominal SKF são muito altas e acima da vida útil necessária do rolamento indica que o rolamento pode estar muito levemente carregado.

Usando a equação de carga mínima de Cargas, a carga radial mínima (Frm) necessária para evitar a derrapagem e o deslizamento de rolamento de rolos cilíndricos é dada por:

Dado que:
  • dm = 87,5 mm
  • kr = 0,15 
  • n = 3.000
  • nr = 6.000 
então:

Frm = 0,94 kN < Fr = 3,29 kN

Conclusão

O rolamento é superdimensionado/levemente carregado. As opções são:

  • Continue a usar o rolamento atual. Não há risco de que o rolamento será danificado por estar muito levemente carregado.
  • Reduza o rolamento e, dessa maneira, diminua os custos. Considere uma das opções seguintes:
    • Mantenha o mesmo diâmetro de eixo, mas use o rolamento menor da série NU 2, NU 211 ECP ( → detalhes do produto).
    • Reduza o diâmetro do eixo em um passo, desde o projeto d eixo permita (resistência e rigidez) e use o menor rolamento da série NU 2, NU 210 ECP ( → detalhes do produto).
    No entanto, essas duas ações de downsizing exigem modificações de projeto nos componentes adjacentes.
Tamanho do rolamento, suporte de fixação
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

As condições operacionais dadas e os efeitos da fadiga de contato rolante indicam que o tamanho do rolamento deve ser determinado usando a vida nominal básica e a vida nominal SKF.

Especificações de produto para 7312 BECBP → detalhes do produto.

Vida nominal básica




De Cargas → Capacidade de carga de pares de rolamentos:

C = 1,62 Crolamento individual = 1,62 x 104 = 168,5 

De Cargas, para pares de rolamentos dispostos em O:

Fa/Fr = 11,5/1,45 > 1,14

Então, use:

P = 0,57 Fr + 0,93 Fa = (0,57 x 1,45) + (0,93 x 11,5) = 11,52 kN

Consequentemente, a relação de carga C/P = 168,5/11,52 = 14,6. 



Vida nominal SKF




1Condição de lubrificação – a relação de viscosidade, κ

κ = ν/ν1

Dado que:
  • grau de viscosidade = ISO VG 68
  • temperatura operacional = 85 °C (185 °F)
então, usando o diagrama 1, v = 13 mm2/s

Dado que:
  • n = 3.000 rpm
  • dm = 0,5 (60 + 130) = 95 mm

então, usando diagrama 2, V1 = 7 mm2/s

Consequente, κ = 13/7 = 1,8

O grau de viscosidade mais alto seguinte, ISO VG 100, daria κ = 2,5. Porém, isso resultaria no rolamento NU 311 ECP tendo κ >4, que, particularmente durante partidas a frio, daria valores de k altos indesejados.


2. Fator de contaminação, ηc

Dado que:

  • as condições de contaminação sejam típicas (ou seja, rolamentos abertos, sem filtro, partículas desprendidas e ingresso do entorno)
  • dm = 95 mm
então, usando a tabela 1, ηc = 0,2

Dado que:
  • Pu = 2 x 3,2 = 6,4 
  • P = 11,52 (→ Vida nominal básica, acima) 
então, ηc Pu/P = 0,2 x 6,4/11,52 = 0,11 


3fator de modificação de vida SKF, aSKF

Dado que:
  • κ = 1,8
  • ηc Pu/P = 0,11 
  • 7312 BECBP são rolamentos SKF Explorer 
então, usando o diagrama 4, umSKF = 5 

Dado que:
  • L10h = 17.400 h
então, L10 mh = 5 x 17.400 = 87.000 h


Conclusão:

O par de rolamentos SKF Explorer 7312 BECBP é de um tamanho apropriado.

Lubrificação
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

A bomba tem um banho de óleo. Isso é típico em bombas de processo devido à exigência de longos intervalos de manutenção. Nessa bomba, por uma questão de simplicidade, os rolamentos de suporte livre e fixo são lubrificados pelo mesmo banho de óleo.

Conforme determinado em etapas anteriores, κ é 1,8 para o par de rolamentos de esferas de contato angular e 2,8 para o rolamento de rolos cilíndricos. Portanto, o grau de viscosidade do óleo selecionado é adequado.

Velocidade e temperatura operacional
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Determine se uma análise térmica detalhada é necessária (→ Equilíbrio térmico) verificando se:
  • a velocidade de rotação é inferior a 50% da velocidade-limite do rolamento:
    • Isso é verdadeiro para o suporte livre.
    • Para o suporte de fixação, o valor é de 56%, o que está ligeiramente acima do limite. Ou seja, para um par de rolamentos de esferas de contato angular de uma carreira, o a velocidade-limite é reduzida em 20% (→ Velocidade permitida) e, portanto, 3.000/(0,8 x 6.700) = 0,56.
  • a relação de carga C/P > 10:
    • Isso é verdadeiro para os suportes livres e fixos.
  • não há uma entrada de calor externa pronunciada:
    • A bomba está em um ambiente onde a temperatura ambiente é de 20 a 30 °C (70 to 85 °F).
    • O meio da bomba está em temperatura ambiente e, portanto, nenhum calor adicional chega aos rolamentos.
Consequentemente, uma análise térmica adicional não é necessária.

Interfaces do rolamento
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Como as cargas nos rolamentos será maior, como resultado da modificação na bomba, verifique as tolerâncias do assento do rolamento para se certificar de que os rolamentos estejam montados com ajustes adequados.

Dados o eixo de aço padrão e a caixa de mancal de ferro fundido, as cargas, as velocidades e as temperaturas do rolamento, tudo dentro das condições padrão, você pode aplicar as Tolerâncias de assento para condições padrão.

Tolerâncias do eixo 
Você pode encontrar as tolerâncias do eixo para assentos dos rolamentos radiais de esferas na tabela 3 e dos rolamentos radiais de rolos na tabela 4 (em Tolerâncias de assento para condições padrão).

Dado que:
NU 311 ECP7312 BECBP
Condição da rotaçãocarga do anel interno rotativocarga do anel interno rotativo
relação P/C0,020,07
Diâmetro do furo 55 mm60 mm


Resultados:
 Assento do rolamento
 RolamentoTolerância
dimensional
Tolerância de desvio
radial total
Tolerância de desvio
axial total
Ra
NU 311 ECPk6ⒺIT5/2IT50,8 µm
7312 BECBPk5ⒺIT4/2IT40,8 µm


Tolerâncias de mancal
Qualquer desgaste que surja durante a manutenção pode provocar um desbalanceamento do rotor, levando a uma direção indeterminada da carga nos anéis externos dos dois rolamentos.

Você pode encontrar as tolerâncias dos assentos para mancais de aço e de ferro fundido para rolamentos radiais de esferas na tabela 5 (em Ajustes para condições padrão).

Dado que:
NU 311 ECP7312 BECBP
Condição da rotaçãodireção indeterminada da cargadireção indeterminada da carga
relação P/C0,020,07
Diâmetro externo 120 mm130 mm


Resultados:
 Assento do rolamento
 RolamentoTolerância
dimensional
Tolerância de desvio
radial total
Tolerância de desvio
axial total
Ra
NU 311 ECP
K7ⒺIT6/2IT63,2 µm
7312 BECBPK7ⒺIT6/2IT63,2 µm


Fixação axial 
O design atual tem uma fixação axial adequada. Certifique-se de que a porca que fixa os anéis internos dos rolamentos de esferas de contato angular esteja suficientemente apertada. Aplique a força de fixação uniformemente ao redor da circunferência e respeite as dimensões do encosto (→ detalhes do produto). Para evitar a distorção dos anéis internos e obter a folga axial desejada no par de rolamentos, limite a força de fixação. Para bombas centrífugas, uma força de fixação de C0/4 (19 kN) é recomendada.

Execução do rolamento
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Verificação da folga interna inicial

O design atual usa rolamentos com folga inicial Normal. Os ajustes dos anéis interno e externo e uma diferença de temperatura entre os anéis interno e externo de 10 °C (20 °F) reduzem a folga interna. Outras influências na folga interna são negligenciáveis.

1. Folga interna inicial

NU 311 ECPPar de 7312 BECBP
mín./méd./máx.40 / 55 / 70 μm22 / 32 / 27 μm
 → Especificação do rolamento. Valores obtidos da tabela 6.→ Especificação do rolamento. Valores obtidos da tabela 7, convertidos para radial (axial x tan 40°).


2. Redução de folga causada por ajustes interferentes

Use: 

Δrajuste = Δ1 f1 + Δ2 f2Redução de folga causada por ajustes interferentes

Obter valores para:
  • fatores, f1 e f2 → diagrama 6
  • ajustes prováveis para eixos, Δ1 → tabela 8 
  • ajustes prováveis para caixas de mancal, Δ2 → tabela 9

Resultados:



NU 311 ECP Par de 7312 BECBP
d/D
0,46 0,46
f1

0,78 0,78
f2

0,86 0,86
Δ1mín./méd./máx.-32/-19/-6 μm -26/-16/-6 μm
Δ2mín./méd./máx.-20/0/20 μm -21/1/23 μm
Δrajustemín./méd./máx.-42 / -15 / -5 μm -38 / -12 / -5 μm


3. Redução de folga causada pela diferença de temperatura

Use: 

Δrtemp = ΔT dm x 12 x 10-6 → Redução de folga causada pela diferença de temperatura entre o eixo, os anéis do rolamento e a caixa de mancal

Resultados:

NU 311 ECP Par de 7312 BECBP
dm87,5 mm 95 mm
Δrtemp -11 μm -11 μm


4. Folga operacional 

NU 311 ECP Par de 7312 BECBP
mín./méd./máx.
-13 / 30 / 55 μm
 -27 / 17 / 4 μm


Para um rolamento de rolos cilíndricos, uma folga negativa (ou seja, pré-carga) geralmente não é recomendada.

Pares de rolamentos de esferas de contato angular devem ter uma folga operacional média próxima de zero (que varia entre uma folga pequena e uma pré-carga leve), particularmente quando o par for carregado predominantemente de modo axial. Uma pequena faixa é necessária para:
  • limitar a pré-carga – para diminuir o atrito (maior atrito resulta em temperaturas mais elevadas e, consequentemente, viscosidade e vida útil do rolamento reduzidas)
  • limitar a folga – para evitar derrapagem de esferas
Esse cálculo manual não considera a suavização das superfícies conjugadas, a deflexão elástica sob carga nem a probabilidade de valores extremos ocorrerem ao mesmo tempo.

Uma análise utilizando o software SKF mais avançado proporciona resultados sobre a folga operacional:


NU 311 ECP Par de 7312 BECBP
mín./méd./máx. 
3 / 34 / 59 μm 
 -10 / 11 / 24 μm 


Esses resultados indicam que a folga interna Normal é apropriada.

Seleção de gaiola

Dada uma temperatura operacional estimada de 85 °C (ou seja, a temperatura mais alta dos dois rolamentos), a velocidades bem abaixo da velocidade-limite e considerando a disponibilidade e o preço, as gaiolas de poliamida guiadas por elementos rolantes padrão foram confirmadas como adequadas.

Por motivos históricos, em algumas regiões geográficas, as gaiolas de latão são preferidas para rolamentos de esferas de contato angular. Elas estão disponíveis como padrão na SKF. Isso também se aplica aos rolamentos de rolos cilíndricos.

Conclusão


Suporte livre:

O rolamento NU 311 ECP em uso na bomba centrífuga atualmente é adequado. Como uma alternativa, o rolamento NU 311 ECM pode ser utilizado. Um "downsizing" do rolamento é possível. 

A execução do rolamento é descrita pelos sufixos na designação do rolamento (→ Sistema de designação).

Sufixos de designação:

SufixoDescrição
Design internoECdesign interno otimizado que contém rolos maiores e/ou em maior quantidade e com contato modificado entre o flange e a extremidade do rolo desenvolvido para minimizar o atrito
Design da gaiolaPgaiola PA66 reforçada com fibra de vidro, centrada nos rolos

Mgaiola de latão usinado, rebitada, centrada nos rolos
Classe de folgaNormal


Suporte de fixação: 

O par de rolamentos 7312 BECBP para pareamento universal atualmente em uso na bomba centrífuga é adequado. Como uma alternativa, o rolamento 7312 BECBM pode ser utilizado.

A execução do rolamento é descrita pelos sufixos na designação do rolamento (→ Sistema de designação).

Sufixos de designação:

SufixoDescrição
Design internoBÂngulo de contato de 40°

EDesign interno otimizado – conjunto de elementos rolantes reforçados
Design externo/classe de folgaCBrolamento para pareamento universal; dois rolamentos dispostos em O ou em X; com folga interna axial Normal
Design da gaiolaPgaiola PA66 reforçada com fibra de vidro, centrada nas esferas

Mgaiola de latão usinado, centrada nas esferas


Vedação, montagem e desmontagem
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Vedação

O design atual da bomba usa vedações de eixo radiais para manter o lubrificante do banho de óleo na bomba e para proteger os rolamentos contra contaminação (fig. 1).

Você pode usar as vedações SKF HMS5 (fig. 2) e HMSA10 (fig. 3) (→ Vedações HMS5 e HMSA10). Eles são apropriados para aplicações lubrificadas com graxa e óleo. A faixa de temperaturas e a capacidade de velocidade do composto de borracha nitrílica usado para essas vedações é suficiente para as condições operacionais da bomba.

Para obter mais informações sobre a especificação do eixo e do furo da caixa de mancal, consulte Requisitos de eixo e Requisitos do furo do mancal.

Se a superfície de apoio da vedação ficas desgastadas, você pode repare o eixo com uma bucha de desgaste, como a SKF Speedi-Sleeve.

Montagem a quente dos rolamentos

Geralmente, os rolamentos são montados com um ajuste interferente no eixo e um ajuste de transição no mancal. É possível montar os rolamentos facilmente aquecendo os anéis internos a 100 °C (210 °F) e os assentos do mancal a 50 °C (160 °F). Para aquecer os anéis internos, use um aquecedor por indução SKF ou uma placa de aquecimento elétrica (→ Aquecedores de rolamentos). 

Alinhamento de eixo

Para maximizar a vida útil da bomba, a bomba e seu motor elétrico precisam estar bem alinhados (→ Ferramentas de alinhamento).

Conclusões gerais
Os rolamentos existentes podem ser usados em combinação com o novo modelo de rotor.

É recomendado o downsizing do rolamento de rolos cilíndricos.

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