Analysis of thrust bearings under hydrodynamic lubrication

Abstract

Orientador: Kátia Lucchesi Cavalca DediniDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A geração de pressão no fluido lubrificante presente na folga entre um mancal axial e o colar do eixo em rotação é de fundamental importância para evitar contato entre partes sólidas com movimento relativo. Qualquer contato existente poderá causar fricção, desgaste e, consequentemente, falha dos elementos de máquinas rotativas. Sendo assim, no projeto de um mancal eficaz, é importante conhecer o mecanismo pelo qual a pressão é gerada no filme de óleo e a magnitude da carga axial a ser transmitida do colar para o mancal através do fluido. Para isso, é necessário resolver a Equação de Reynolds, obtendo-se a distribuição de pressão no óleo. A partir disso, diversos parâmetros operacionais, tais como capacidade de carga, fluxos de fluido, posição do pico de pressão entre outros, podem ser obtidos. De maneira a avaliar o problema de lubrificação hidrodinâmica proposto, é obtida uma solução utilizando o Método dos Volumes Finitos em coordenadas polares. Utiliza-se este método para resolver o balanço de fluxo em cada volume de controle com auxílio da Equação de Bernoulli, permitindo a análise de descontinuidades do filme de óleo. Segmentos individuais e mancais compostos, incluindo as suas ranhuras, são analisados. A influência da gama de parâmetros envolvidos, como a área plana ao fim de cada segmento de mancal, espessura de fluido e viscosidade do fluido foi analisada, buscando-se valores ótimos destes parâmetros. Finalmente, foram calculados e analisados o coeficiente de rigidez e o coeficiente de amortecimento para este tipo de mancalAbstract: The pressure generation within the lubricant fluid present in the clearance between a thrust bearing and the collar attached to the shaft has a fundamental importance to avoid contact between solid parts with axial relative motion. Any existing contact can lead to friction, wear and, as a consequence, failure of elements on a rotating machine. Therefore, in order to design an effective bearing, it is important to know how the pressure is generated in the oil film and the magnitude of the load capacity transmitted from the collar to the bearing throughout the fluid. Thus, it is necessary to solve the Reynolds' Equation to obtain the pressure distribution on the sections under Hydrodynamic Lubrication. Afterwards, several operational parameters can be obtained, such as the total load capacity, lubricant fluid flow, position of the maximum pressure and so on. In order to evaluate this hydrodynamic lubrication problem, the solution of the Reynolds Equation by using the Finite Volume Method in polar coordinates is obtained. This method is used to solve the balance of fluid flow in each control volume with help from the Bernoulli Equation, allowing the analysis of the film thickness discontinuities. Individual pads and complete axial bearings, including its grooves, are analyzed. The influence of the set of parameters involved, such as area of the flat part of the pad, film thickness and viscosity of the fluid, on the results of the distribution of pressure and the calculated load capacity was evaluated, as well as the evaluation of the optimum dimensions for bearings. Finally, the stiffness and damping coefficients for such type of bearings were obtained and the obtained results were analyzedMestradoMecânica dos Sólidos e Projeto MecânicoMestre em Engenharia Mecânic