São Paulo, 16 de maio de 2022

29/01/2022

Impacto da pré-carga na vida útil das guias lineares

(*) J.C.M. Fernandes

(16/01/2022) – Cada vez mais os sistemas de movimentação linear da indústria moderna necessitam de alta eficiência, velocidade e capacidade de carga e folga zero sem perder a precisão de posicionamento. As guias lineares utilizam elementos rolantes, tais como esferas ou rolos para movimentação linear. Ao utilizar a recirculação de elementos rolantes para o transporte do “bloco sob o trilho”, se obtém movimento linear de alta precisão. Comparado a um sistema tradicional, o coeficiente de atrito das guias lineares pode ser até 50 vezes menor. Devido ao efeito de pré-carga e disposição de contato entre os trilhos e os blocos, os trilhos lineares podem suportar cargas em diversas direções.

Com esses recursos, os trilhos de guias lineares podem aumentar consideravelmente a precisão, principalmente, quando acompanhadas com sistemas de fusos de esferas. Como forma de melhorar ainda mais a rigidez do conjunto de movimentação, é aplicada uma pré-carga nos blocos, fazendo com que seja eliminada a folga interna entre o bloco e o trilho. Porém, a pré-carga tem influência direta na vida útil do conjunto de blocos e trilhos. Dessa forma, este artigo tem o objetivo de mostrar a influência da variação da pré-carga do bloco na vida útil do conjunto.

Pré-carga aplicada nos blocos das guias lineares – A pré-carga é a eliminação da folga interna entre o trilho e o bloco. Isso torna o sistema mais rígido, criando uma carga na guia linear, o que reduz a deflexão quando uma força externa é aplicada. Porém, o aumento da pré-carga nem sempre é visto como uma vantagem para o sistema de movimentação utilizando guias lineares. Excesso de pré-carga exigirá mais força para mover o bloco, o que, no caso, não só aumenta a geração de calor dentro do bloco, mas também aumenta o desgaste, reduzindo assim a vida útil geral do conjunto.

Existem diversos fabricantes de guias lineares, a Hiwin (representada pela Mectrol no Brasil), por exemplo, fabrica blocos com 3 classes de pré-cargas diferentes e os valores dependem diretamente da carga dinâmica (𝐶) de cada bloco. A figura 1 mostra as 3 classes de pré-carga que são representadas por: ZO (pré-carga leve), ZA (pré-carga média) e ZB (pré-carga pesada).

Um bloco com pré-carga oferece uma resistência ao movimento, essa força de atrito dinâmica (𝐹) depende da pré-carga do bloco (𝑃) e do coeficiente de atrito de contato (µ), que para guias lineares de esferas esse valor é considerado como 0.004. Portanto, a força de atrito dinâmica de guias lineares pode ser obtida dada pela equação 1, e fica na forma: 𝐹 = 𝑃. µ (1)

Essa força de atrito se torna maior à medida que se aumenta a classe de pré-carga do bloco, logo a vida útil e o fator de segurança estático diminuem.

Análise da vida útil x classe de Pré-carga – Quando o recirculador e os elementos rolantes de uma guia linear são submetidos a pressões continuas, a superfície do canal de passagem das esferas apresentará fadiga e ao longo do tempo ocorrerá o desgaste.

A vida útil de uma guia linear é definida pela distância total percorrida até que haja o desgaste, que pode ocorrer no recirculador ou nos elementos rolantes (Hiwin, 2021). A vida útil nominal, geralmente é estabelecida em distância ou em horas. O valor estimado de vida útil pode variar, isso se deve às questões relacionadas com o processo de fabricação ou também por questões de condições da aplicação. Por esta razão, vida nominal é usada como critério para prever a vida útil de movimentação de uma guia linear.

De acordo com a Hiwin, a vida nominal é definida como a distância que 90% do total de um grupo de sistemas de movimentação linear utilizando trilhos idênticos, que opera em condições idênticas, funcionam sem apresentar desgaste. Quando a carga dinâmica básica nominal é aplicada a um trilho de guia linear, a vida nominal esperada é de 50 km.

Se os fatores externos são tomados em consideração, a vida nominal é influenciada pelas condições de movimentação, a dureza da pista, e a temperatura da guia linear. A relação entre esses fatores é mostrada na equação 2, e é dada por:

sendo que 𝐿 a vida útil nominal, 𝑓ℎ é o fator de dureza, 𝐶 é a carga dinâmica básica, 𝑓𝑡 é o fator de temperatura, 𝑃𝑐 é a carga dinâmica equivalente total calculada e 𝑓𝑤 é o fator de carga.

Quando uma pré-carga é aplicada em um bloco, a força resultante nos blocos (𝑃𝑐𝑝) é calculada de acordo com a equação 3, e fica na forma:

No entanto, quando a força dinâmica resultante, levando em consideração a pré-carga (𝑃𝑐𝑝), é maior do que a força dinâmica resultante na qual a pré-carga é removida

Pré-carga e rigidez das guias lineares – A eliminação da folga entre o trilho e os elementos rolantes elimina a folga mecânica do sistema de guia linear. Quando uma pré-carga é aplicada, a questão da deformação nas guias lineares devido à carga vertical externa é melhorada, aumentando assim a rigidez do sistema. Cada classe de pré-carga (Z0, ZA e ZB) apresenta diferentes valores de deformação no conjunto, como consequência, o aumento na rigidez devido ao aumento da pré-carga resulta em menor deformação. A relação entre a rigidez (𝑘) e a deformação (𝛿) é dada pela equação (4), e é definida como:

Dessa forma, como exemplo, a figura 2 mostra a influência da força dinâmica resultante (𝑃𝑐) e da rigidez (𝑘) na deformação (𝛿) para diferentes valores de pré-carga (𝑃). Vale ressaltar que a força resultante (𝑃𝑐) é a soma da força resultante da aplicação somada à força de atrito dinâmica do bloco (𝐹). Nesse caso, é verificado que pequenos valores de força apresentam comportamento linear de deformação e a medida que se aumenta a força o decréscimo na deformação é bastante significativo e apresenta comportamento exponencial.

Exemplo de aplicação – Como forma de exemplificar a influência da pré-carga na vida útil do conjunto de blocos, será considerado o sistema mostrado na figura 3. A figura 3-a apresenta o arranjo de montagem horizontal, sendo que o conjunto de 4 blocos movimenta uma carga (𝑚1), está sofrendo uma força vertical (𝐹3) e desenvolve 2 ciclos por minuto (𝑛).

O bloco escolhido para esse sistema foi o bloco HGW25-CA-XX-C da Hiwin, sendo que a carga dinâmica (𝐶) e estática (𝐶0) básicas foram obtidas a partir do catálogo do fabricante. Vale ressaltar que o “XX” no código do bloco representa a classe de pré-carga e nesse caso a vida útil será avaliada com diferentes classes(Z0, ZA e ZB). As características dinâmicas de movimento são mostradas na figura 3-b e os demais parâmetros e dimensões considerados na simulação estão apresentados na tabela 1.

Aplicando o dimensionamento adequado ao sistema mostrado na figura 3, foi obtida uma curva de força dinâmica resultante (𝑃𝑐), conforme mostrado na figura 4. A curva crescente mostra que existe um impacto significativo no esforço exercido nos blocos.

A figura 5 apresenta a influência das classes de pré-carga na vida útil dos blocos Hiwin. Observa-se que existe uma queda exponencial na curva de vida útil à medida que se aumenta o valor da pré-carga. Nesse caso, a diferença entre a vida útil de um bloco com pré-carga ZB (𝑃 = 0.11𝐶) e pré-carga Z0 (𝑃 = 0.015 𝐶) é de aproximadamente 97%. Isso demonstra que existe uma redução significativa na vida útil do conjunto.

O fator de segurança estática também segue as mesmas características de diminuição exponencial, conforme mostrado na figura 6.

Conclusões – Nesse artigo, foi apresentada a influência da pré-carga dos blocos de guias lineares na vida útil do conjunto. Foi verificado que a escolha da pré-carga impacta diretamente na vida útil e no fator de segurança estática. Apesar de algumas aplicações operarem melhor com o bloco pré-carregado, é necessário verificar se a vida útil estimada está dentro da vida útil esperada para o funcionamento do sistema como um todo.

O aumento da pré-carga está diretamente ligado à rigidez, isso faz com que seja reduzida a deformação do sistema. Além disso, questões de temperatura de operação e lubrificação também são características importantes a serem consideradas no dimensionamento de sistemas de movimentação linear utilizando blocos de esferas.

Referências bibliográficas – Hiwin Technologies Corporation. Linear Guideway product list, 2021. Disponível em: https://mectrol.com.br/catalogos-guias-lineares-hiwin. Acesso em: 29/12/2021

(*) Júlio César M. Fernandes é doutor em Engenharia Mecânica na área de projetos mecânicos e atua no Departamento de Engenharia de Aplicação na Mectrol Hiwin do Brasil e como professor substituto no curso de Engenharia Mecânica da Unesp – Bauru.

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