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Eficiência de contactos tribológicos e eficiência energética são duas faces da mesma moeda

22 abril 2021

Artigo de Pedro Marques, Investigador do INEGI, especialista em tribologia de transmissões mecânicas por engrenagens


Os sistemas mecânicos estão presentes em todos os campos da vida moderna, nomeadamente nas atividades industriais fundamentais e características da sociedade contemporânea. Desde o transporte, à geração energética e manufatura, estas atividades dependem de máquinas e maquinismos, cujos órgãos constituintes têm superfícies que interagem por contacto, como rolamentos, engrenagens, elementos alternativos, entre muitos outros.

A duração, fiabilidade e eficiência destes sistemas mecânicos está intimamente ligada aos fenómenos de lubrificação, atrito e desgaste que ocorrem entre as superfícies em contacto. O ramo da ciência responsável pelo estudo destes mesmos fenómenos é a Tribologia.

Estudos recentes demonstram que aproximadamente 23% de toda a energia produzida mundialmente é gasta com os fenómenos de interação entre superfícies de contacto em sistemas mecânicos (contactos tribológicos). Desta fatia, 20% são necessários para suprir o atrito inerente ao funcionamento dos sistemas mecânicos e 3% são usados para a reparação, fabrico e substituição dos componentes desgastados/avariados por falhas nos contactos tribológicos [1].

Avanços alcançados no INEGI diminuem o desperdício de energia

Estes dados indicam que o impacto dos fenómenos de atrito e desgaste não é desprezável, quer ao nível económico, quer ao nível ambiental. Isto, aliado ao seu uso transversal em todos os ramos da indústria e dos transportes, levou o INEGI a apostar no desenvolvimento de estudos de eficiência e fiabilidade em engrenagens rolamentos e transmissões mecânicas.

Através deste trabalho, foi possível, por exemplo, criar a geometria fundamental de engrenagens capazes de reduzir a potência dissipada por atrito em 65% (tendo por referência um dentado helicoidal) [2].

Destaca-se também, o estudo do papel dos lubrificantes na eficiência e fiabilidade de transmissões mecânicas de turbinas eólicas. Além de concluir que a natureza do lubrificante afeta a fiabilidade de todo o sistema, obtivemos diminuições até 45% no atrito entre os flancos dos dentes das engrenagens [2], a par de diminuições do atrito até 40% com testes em rolamentos [3].

No âmbito deste trabalho, além dos resultados práticos e objetivos, estabelecemos e validamos os modelos físicos necessários ao desenvolvimento de transmissões mecânicas fiáveis e altamente eficientes.

Maior eficiência traduz-se em ganhos económicos e ambientais

A eficiência e a fiabilidade andam muitas das vezes de mãos dadas, uma vez que uma maior eficiência mecânica significa menor energia dissipada nos contactos tribológicos. Isto, por sua vez, traduz-se numa redução das temperaturas nas superfícies de contacto e, por conseguinte, numa diminuição da probabilidade de falha dessas mesmas superfícies.

Uma maior eficiência diminui ainda as temperaturas de funcionamento do lubrificante, diminuindo a sua taxa de oxidação ao longo do tempo e potenciando intervalos de manutenção mais longos. Por haver menos energia dissipada, requer-se menos potência dos sistemas de gestão térmica.

Deste modo, os ganhos associados a sistemas mecânicos com contactos tribológicos eficientes vão muito para além de uma redução na fatura energética.

O acumular destes ganhos de eficiência significa que a tribologia tem, e terá nos próximos anos, um papel preponderante no que à redução das emissões de dióxido de carbono (CO2) diz respeito. Em termos concretos, estima-se a otimização dos fenómenos tribológicos se traduza, a longo prazo (cerca de 15 anos), numa potencial diminuição das emissões de CO2 na casa das 3140 milhões de toneladas por ano [1].

Um impacto relevante, que me leva a afirmar que a Tribologia é uma ciência importante para o nosso futuro.




Referências

[1] - K. Holmberg, A. Erdemir, Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction 5, 263–284 (2017). https://doi.org/10.1007/s40544-017-0183-5

[2] - Carlos M.C.G. Fernandes, Pedro M.T. Marques, Ramiro C. Martins, Jorge H.O. Seabra, Gearbox power loss. Part II: Friction losses in gears, Tribology International, Volume 88, 2015, Pages 309-316, ISSN 0301-679X. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2014.12.004

[3] - Carlos M.C.G. Fernandes, Pedro M.T. Marques, Ramiro C. Martins, Jorge H.O. Seabra, Gearbox power loss. Part I: Losses in rolling bearings, Tribology International, Volume 88, 2015, Pages 298-308, ISSN 0301-679X. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2014.11.017