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ananile mec
Tipologia: Notas de estudo
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A manutenção é uma função estratégica dentro de uma organização e assim o seu desempenho afeta, diretamente, o desempenho de uma empresa (Xavier, 1998). Algumas tentativas de estabelecimento de uma terminologia padrão têm sido feitas: a) Manutenção é uma combinação de ações conduzidas para substituir, reparar, revisar ou modificar componentes ou grupos identificáveis de componentes de uma fábrica, de modo que esta opere dentro de uma disponibilidade especificada, em um intervalo de tempo também especificado (Kelly & Harris, 1980). b) Manutenção é o conjunto de ações que permitem manter ou restabelecer um bem a um estado específico ou, ainda, assegurar um determinado serviço (Mirshawaka, 1991). c) Manutenção é todas as ações necessárias para que um item seja conservado ou restaurado de modo a poder permanecer de acordo com uma condição especificada (ABNT-P-TB116, 1975).
Nas definições propostas não existem muitas divergências quanto ao significado da palavra Manutenção como "ato ou efeito de manter" e/ou "medidas necessárias para conservação ou permanência de alguma coisa ou de uma situação" (Holanda, 1975). Os órgãos de Normatização Técnica, os grupos coordenadores dos diversos ramos industriais, a organização das Nações Unidas e os Comitês Internacionais, têm proposto
alternativas de caracterização das subdivisões da manutenção, visando o intercâmbio de informações, entretanto sem conseguir atingir esta meta (Tavares, 1987). Segundo a ABNT, pode-se subdividir a manutenção em corretiva e preventiva. A manutenção corretiva é efetuada após a pane ou avaria. A quebra não prevista traduz-se por uma parada brusca, geralmente levando a grandes prejuízos e a perda de tempo de produção. Aplicando-se somente a manutenção corretiva os custos aumentam de uma forma brutal à medida que os equipamentos ou aparelhos vão envelhecendo, conforme mostrado na Figura 1.1.
A manutenção preventiva, por sua vez, subdivide em: Sistemática (Manutenção Produtiva), e Condicional (Manutenção Preditiva). Na manutenção sistemática o manutendor intervém em intervalos fixos, baseando-se em uma expectativa de vida mínima dos componentes que obteve a partir da sua experiência ou a do construtor. Estes intervalos são freqüentemente determinados com o auxílio da Estatística e da Teoria de Probabilidades, tomando-os como o período ( a partir do estado de novo ou renovado) ao fim do qual a taxa de falhas acumulada não supere, para algum tipo de máquina, um particular valor. Segundo Mirshawaka(1991) este tipo de manutenção tem alguns inconvenientes: i) O custo das operações se eleva devido à periodicidade e, além do mais, não se pode esquecer que quanto maior é a freqüência maior se torna a probabilidade de erro humano; ii) A intervenção comumente é antecipada para ficar em fase com outras paradas (elétricas, produção, etc);
Figura 1.1 - Curva custo x tempo de reparo aplicada a manutenção corretiva (Mirshawaka, 1991).
Um levantamento feito pela “Plant Performance Group” em 1998 realizado em 500 fábricas, que implementaram com sucesso métodos de manutenção preditiva, forneceu os seguintes resultados, (www.mtaev.com.br).
Tabela 1.1 - Benefícios da manutenção preditiva. BENEFÍCIO PERCENTUAL Redução dos Custos de Manutenção 50 A 80% Redução de Falhas nas Máquinas 50 A 60% Redução de Estoques de Sobressalentes 20 A 30% Redução de Horas Extras para Manutenção 20 A 50% Redução do Tempo de Parada das Máquinas 50 A 80% Aumento na Vida das Máquinas 20 A 40% Aumento da Produtividade 20 A 30% Aumento dos Lucros 25 A 60%
Desde que a maioria das fábricas de manufatura e de processo baseiam-se em equipamentos mecânicos para a maior parte de seus processos, a manutenção preditiva baseada em vibrações é a técnica dominante usada para a maioria dos programas de gerência de manutenção. Entretanto, a capacidade em monitorar todas as máquinas críticas, equipamentos, e sistemas em uma planta industrial típica não pode se limitar a uma única técnica. Devido a isto tem-se empregado uma variedade de técnicas que variam desde o monitoramento da vibração até imagens em infravermelho. Entre todas as técnicas existentes, as mais importantes na manutenção de redutores são: análise de vibrações e análise do óleo lubrificante, (www.mtaev.com.br). O principio de análise das vibrações baseia-se na idéia de que as estruturas das máquinas excitadas pelos esforços dinâmicos (ação de forças) dão sinais vibratórios, cuja freqüência é igual à freqüência dos agentes excitadores. Um desbalanceamento em um componente de máquina irá causar aumento da vibração, uma vez que provoca um desequilíbrio no sistema e conseqüente aumento da força. Desta forma, observando a evolução do nível de vibrações, é possível obter informações sobre estado da máquina. A análise dos óleos permite, identificar os primeiros sintomas de desgaste de um componente. A identificação é feita a partir do estudo da quantidade de partículas, tamanho, forma e composição, que forneceram informações precisas sobre as condições das superfícies em movimento sem a necessidade de se desmontar o conjunto a qual estas partes pertencem. Tais partículas sólidas são geradas pelo atrito dinâmico entre peças em contato. De acordo com o estudo destas partículas pode-se relacionar as situações de desgastes do conjunto e atribuí-las a
condições físicas e químicas, (Barraclough et al, 1999), (Anderson et al, 1999). A análise dos óleos é feita por meio de técnicas laboratoriais que envolvem, reagentes, instrumentos e equipamentos. Assim foi proposto a construção de um banco de ensaio composto de um motor acoplado a um redutor de velocidade através de um acoplamento elástico para se estudar a eficiência da integração das duas técnicas, análise de vibrações e análise de óleo, ligadas a manutenção preditiva.
Este trabalho tem como objetivos: a) Levantamento Bibliográfico sobre análise de óleo e vibrações como técnica de manutenção preditiva; b) Construção de uma bancada de ensaio composta de um motor acoplado a um redutor de velocidades para analisar a eficiência da integração da análise de vibrações com a análise de partículas de desgastes; c) Verificação do efeito da mudança da viscosidade e da contaminação do óleo no desgaste dos componentes de máquinas representadas por um redutor de velocidade; e; d) Análise de amostras de óleos e de vibrações para auxiliar os estudos.
Os óleos compostos são constituídos de misturas de óleos minerais e graxos. A percentagem de óleo graxo é pequena, variando de acordo com a finalidade do óleo. Os óleos graxos conferem aos óleos minerais propriedades de emulsibilidade, oleosidade e extrema pressão. Os óleos aditivados são óleos minerais puros, aos quais foram adicionados substancias comumente chamadas de aditivos, com o fim de reforçar ou acrescentar determinadas propriedades. Os óleos sintéticos são provenientes da industria petroquímica. São os melhores lubrificantes, mas são também os de custo mais elevado. Os mais empregados são os polímeros, os diésteres etc. Devido ao seu custo, seu uso limitado aos locais onde óleos convencionais não podem ser utilizados.
A viscosidade fornece uma medida da resistência do fluido ao cisalhamento e pode ser definido como a tensão de cisalhamento em um plano no fluido por unidade de gradiente de velocidade normal ao plano. Esta pode ser expressa em termos de viscosidade cinemática (mm^2 /s ou cSt) ou viscosidade absoluta (dinâmica) cuja unidade é o Pa.s. Hutchings (1992) define a viscosidade de fluidos newtonianos, em termos da deformação por cisalhamento γ:
∂ t τ = η ⋅^ ∂ γ (2.1)
τ = tensão de cisalhamento [Pa], η= viscosidade dinâmica [Pa.s],
∂ t
∂ γ (^) = taxa de deformação por cisalhamento
A viscosidade cinemática Z é definida conforme Equação 2.
Z = ηρ (2.2)
Na qual:
Z = viscosidade em cSt ou mm^2 /s;
ρ = massa específica;
Normalmente a viscosidade dos fluidos diminui com a temperatura. Assim é definida outra importante propriedade do óleo que é o índice de viscosidade (VI). O índice de viscosidade é um numero sem unidade, usado para indicar que a viscosidade cinemática depende da temperatura do óleo. Ela é baseada na comparação da viscosidade cinemática do óleo testado a 40 °C, com a viscosidade cinemática de dois óleos de referências – um dos quais tem um VI igual a 0, e o outro com VI igual a 100 – cada um tendo a mesma viscosidade em 100 °C, como o óleo testado. As Tabelas para o calculo do VI de uma viscosidade cinemática medida de um óleo a 40 °C e 100 °C são referenciadas na ASTM D2270.
Figura 2.1 - Determinação do índice de viscosidade, (POA, 2002).
A Figura 2.1 mostra que um óleo com menor mudança na viscosidade cinemática com a temperatura terá um VI mais alto, que um óleo com maior mudança de viscosidade para a mesma variação de temperatura. A maioria das parafinas, solventes-refinados, minerais-baseados em óleos industriais, possuem VIs típicos no intervalo de 90 a 105. Entretanto, muitos óleos minerais altamente
Sempre que uma mudança significativa na viscosidade é observada, a origem da causa do problema deverá sempre ser investigada e corrigida. Mudanças na viscosidade podem ser resultado de uma mudança na base química do óleo (uma mudança na estrutura molecular do óleo), ou devido ao ingresso de contaminantes conforme pode ser visto na Tabela 2.1. Mudanças na viscosidade requer testes adicionais, tais como: número de ácidos (AN) e espetroscopia infravermelho com a transformada de Fourier (FTIR), para confirmar a incipiente oxidação; teste de contaminantes para identificar a presença de água, fuligem ou ingresso de glicol; ou outro teste menos comumente usado, tal como o teste de ultracentrífuga ou cromatografia a gás (GC), para identificar uma mudança na base química do óleo, (POA, 2002). A Viscosidade é uma propriedade física importante que deve ser monitorada e controlada cuidadosamente, devido ao seu impacto no óleo e o impacto do óleo na vida útil dos equipamentos. Medindo-se a viscosidade diretamente no local usando um de muitos instrumentos de análise de óleo capazes de determinar a mudança de viscosidade com precisão, ou se enviando amostras habitualmente para um laboratório, é importante para aprender como a viscosidade é determinada, e como mudanças podem incidir na confiabilidade do equipamento. Uma medida proativa deve ser tomada para determinar a condição de alma do equipamento – o óleo!
Tabela 2.1 - Causas comuns de mudança de viscosidade, (POA, 2002). Diminuição da Viscosidade Aumento da Viscosidade Mudanças na Base do Óleo (Mudança Molecular)
⁄ Fissura térmica das moléculas de óleo ⁄ Afinamento dos melhoradores de VI devido ao cisalhamento
⁄ Polimerização ⁄ Oxidação ⁄ Perda pôr evaporação ⁄ Formação de carbono e oxido insolúvel Adição na Base do Óleo (Contaminação)
ß Combustível ß Refrigerante ß Solventes ⁄ Óleo errado (baixa viscosidade)
ß Água ß Aeração ⁄ Fuligem ⁄ Anticongelante (glycol) ⁄ Óleo errado (alta viscosidade) ⁄ Mudança não corrigível. ß Corrigível pela remoção de contaminantes, se possível.
O comportamento ao desgaste dos materiais é ditado pelos mecanismos atuantes de desgaste (abrasão, adesão, corrosão, fadiga), os quais dependem da estrutura do tribosistema (corpo, contra-corpo, interface, meio ao redor), a forma de ação dos elementos tribológicos (rolamento, deslizamento, impacto, escoamento) e dos parâmetros de operação (carga, velocidade, temperatura, tempo). Ludema (1996) relaciona 34 termos diferentes ao discutir a nomenclatura para descrever o desgaste. Já Rabinowicz (1995) identificou quatro formas principais de desgaste: adesivo, abrasivo, corrosivo e por fadiga, além de uns processos marginais que são freqüentemente classificados como formas de desgaste. Cada processo de desgaste obedece suas próprias leis, e em muitas ocasiões um dos modos de desgaste atua de tal modo que influencia os outros. Desta forma, na análise de uma situação complexa, é crucial encontrar a causa primária do desgaste. Oxidação, erosão, erosão por cavitação e impacto, são às vezes classificados como tipos de desgaste, embora Rabinowicz considere que na realidade nenhum deles seja uma forma de desgaste. Cada um deles descreve uma maneira diferente em que ocorrem a carga e a ação de deslizamento necessário aos desgastes. Na maioria dos casos todas as formas de desgaste podem resultar da introdução de energia mecânica num sistema. Assim, pode-se ter desgaste adesivo por erosão, abrasão por erosão e assim por diante, todas se dando dentro do mesmo processo erosivo. Em transmissões do tipo rosca sem fim, ou engrenagens hipóides, existe deslizamento que facilita o surgimento de trincas superficiais; desgaste por adesão, por abrasão, por corrosão ou por fadiga superficial são modos potenciais de falha. Portanto, resultados satisfatórios de operação em elementos potencialmente sujeitos a fadiga superficial somente podem ser obtidos com um projeto adequado, com uma manufatura cuidadosa e com o uso do lubrificante próprio para as condições de trabalho.
2.3.1 Desgaste Abrasivo
O termo "desgaste" se refere freqüentemente ao desgaste abrasivo, o qual ocorre pela ação de partículas duras pressionadas deslizando umas sobre as outras ou sobre as superfícies. O desgaste abrasivo é denominado de 2 corpos quando uma superfície dura e rugosa, ou uma superfície macia contendo partículas duras, desliza sobre uma superfície de menor dureza,
2.3.2 Desgaste por Adesão
Em uma escala microscópica, superfícies de metal de deslizamento nunca são lisas. Embora a rugosidade da superfície pode ser só de alguns milésimos de polegada (ou alguns centésimos de milímetro), cumes inevitáveis (freqüentemente chamados de " asperezas ") e vales sempre estão presentes, como mostrado na Figura 2.3.
Figura 2.3: Visão aproximada de duas superfícies de atrito nominalmente “lisas”, (Juvinall & Marshek, 1991).
Desde que tanto a pressão de contato como o aquecimento por atrito de deslizamento são concentrados em locais com pequenas áreas de contato indicadas pelas setas (na figura 2.3), as temperaturas locais e pressões são extremamente altas, e as condições são favoráveis para soldagem destes pontos. (Temperaturas locais instantâneas podem alcançar o ponto de fusão do metal, mas com gradientes de temperaturas tão íngremes que as parte permanecem frescas ao toque). Se ocorrer fusão e soldagem das superfícies ásperas (nas setas da Figura 2.3), ou a solda ou um dos dois metais perto da solda têm que falhar por cisalhamento para permitir que o movimento relativo das superfícies continue. Novas soldagens (adesões) e correspondentes fraturas continuam ocorrendo, resultando no que é apropriadamente chamado de desgaste por adesão. Segundo Bowden (Apud Stoeterau, 2004), como a carga normal é suportada por uma área relativamente pequena das asperezas, um dos metais em contato deslizante poderá alcançar sua temperatura de fusão devido ao trabalho da força de atrito na interface. Se as superfícies de contato são limpas e livres de corrosão, o contato muito íntimo leva os átomos das duas superfícies a se aproximarem suficientemente para que surjam forças bastante fortes. Essa condição é favorável a difusão entre metais solúveis. À medida que o metal funde, a pressão nessa pequena área diminui, as partes se deslocam ocorrendo resfriamento e solidificação. É formada, então, uma junção sólida.
Se a superfície áspera soldada e rompida causa a transferencia de metal de uma superfície para outra, o desgaste resultante ou dano superficial é chamado de estria ou risco de atrito ( scoring). Se a aspereza do local soldado se tornar tão extensa que a superfícies já não deslizam uma sobre a outra, a falha resultante é chamada de emperramento ( seizure). Talvez o melhor exemplo conhecido de emperramento ocorre em motores que continuam operando (mas não por muito tempo) após perder seu liquido refrigerante ou suprimento de óleo. Pistões podem emperrar nas paredes do cilindro, o virabrequim pode emperrar nos seus mancais, ou ambos podem acontecer. Se o processo de desgaste por adesão tornar-se severo, com transferência de grande volume de metal, o fenômeno é chamado raspagem ( galling ). Desgaste por adesão entre anéis de pistão e paredes de cilindros, ou ambos é freqüentemente chamado scuffing ou engripamento. A designação scuffing é empregada na área automotiva, em geral catastrófica, e é associado a transferencia macroscópica de material entre o anel e o cilindro (Demarchi, 1994). Visando aumentar a resistência ao desgaste por adesão, deve-se tomar precauções na seleção do par de materiais para que, em condições de contato deslizante ou com lubrificação limite, haja resistência ao desgaste por adesão, Lipson (apud Stoeterau, 2004) apresenta dois critérios. O par deslizante deve: (1) ser composto por metais mutuamente insolúveis e (2) que ao menos um dos metais pertença ao sub-grupo B da tabela periódica. A resistência da junção formada, seja na superfície, por adesão natural, seja no interior do metal devido à difusão, dependerá das características de junção dos metais envolvidos. Metais do sub-grupo B da tabela periódica são caracterizados por junções fracas e frágeis chamadas junções covalentes. Metais como os do sub-grupo A formam junções chamadas iônicas, que se apresentam dúcteis e fortes, (Stoeterau, 2004). O numero de junções por soldagem a frio dependerá da solubilidade mutua dos metais, metais iguais ou metalurgicamente similares normalmente não devem ser usados juntos. Metais metalugicamente similares são chamados “compatíveis”. Metais compatíveis são definidos como tendo completa miscibilidade liquida e pelo menos 1% de solubilidade solida de um metal no outro na temperatura ambiente. A Figura 2.4 mostra o grau de compatibilidade das varias combinações de metais.
Tabela 2.2 - Taxa de desgaste do material de maior dureza, (Boose, 1984). (Hd / Hm) desgaste do mais duro / desgaste do mais dúctil (em volume) < 3 (Hm / Hd)^2
3 3 * (Hm / Hd)
2.3.3 Desgaste por Fadiga
Em superfícies em contato com rolamento surgem tensões de contato, as quais produzem tensões de cisalhamento cujo valor máximo ocorre logo abaixo da superfície. Com o movimento de rolamento, a zona de contato desloca-se, de modo que a tensão de cisalhamento varia de zero a um valor máximo e volta a zero, produzindo tensões cíclicas que podem levar a uma falha por fadiga do material. Abaixo da superfície pode se formar uma trinca que se propaga devido ao carregamento cíclico podendo chegar à superfície lascando-a e fazendo surgir uma partícula superficial macroscópica com a correspondente formação de covas ( pitting) ou lascamento ( spalling). Pitting origina-se com trincas superficiais, cada pite tem relativamente uma pequena área superficial. Spalling origina-se com trincas sub-superficiais, e o spall são lascas finas de material de superfície. Estes tipos de falhas ocorrem comumente em mancais de rolamento, dentes de engrenagens, cames e em partes de máquinas que envolvem superfícies em contato com rolamento. A Figura 2.5 mostra a curva típica de S – N baseada no calculo da tensão elástica de Hertz, onde S é a máxima tensão elástica de contato e N é a vida útil dada em numero de ciclos. Note que a intensidade do deslizamento geralmente aumenta de cilindros paralelos (o qual não faz transmissão de torque) representado pelo linha no topo, para dentes de engrenagens cilíndricas correspondente a linha de fundo.
Figura 2.5 - Media das curvas S-N para tensões de contato – cilindros, mancais, e engrenagens cilindricas, 10% de probabilidade de falha, (Lipson & Juvinall, 1963).
O crescimento da trinca de fadiga superficial está relacionado com a ação do óleo lubrificante existente entre as superfícies. A teoria aceita é que o óleo que entra na trinca que surgiu na superfície é aprisionado pela superfície rolante, que fecha a entrada da pista e fica submetido a altas pressões enquanto o elemento rolante avança. Este óleo aprisionado sob alta pressão age como uma cunha que aprofunda a trinca. Esta teoria é consistente com a observação da inclinação da trinca e da existência de uma viscosidade crítica de óleo. Para um dado material, acabamento e carga, existe uma viscosidade crítica de óleo abaixo da qual, na temperatura de operação, o óleo promoverá a formação de crateras ( pitting ). Óleos com viscosidade maior não causarão fadiga superficial pois não entram na trinca e não formam cunha, (Stoeterau, 2004). A tendência da superfície para falha por fadiga pode ser obviamente reduzida pelo decréscimo da carga e do deslizamento. Melhores lubrificantes ajudam em pelo menos três maneiras: (1) menor atrito reduz a tensão cisalhante tangencial na superfície e também a tensão interna resistente à tração; (2) menor atrito melhora a transferencia de calor reduzindo as tensões térmicas; e (3) a presença de um bom filme lubrificante usualmente permite uma favorável distribuição da pressão em cima da área em contato. Geralmente, o aumento da dureza superficial aumenta a resistência a fadiga superficial. Entretanto, a resistência aumentada associada reduz a habilidade das imperfeições de superfície minuciosas para ajustar com desgaste ou fluxo de superfície, e assim reduz pressões de contato localizadas. Esta é parte da razão atrás da prática comum de fabricação de um do par de engrenagens acopladas muito duro, com o outro um pouco mais brando para permitir o amaciamento (run-in) da superfície.
propícia a novas reações. Os produtos removidos da superfície podem acelerar outros desgastes, por exemplo, o desgaste abrasivo, uma vez que o produto da corrosão seja duro e abrasivo. Em contrapartida, produtos corrosivos como fosfato, sulfetos e cloretos são utilizados em sistemas onde o processo dominante é o desgaste por adesão. O desgaste corrosivo desejado neste sistema é devido à formação de um filme macio proveniente da ação corrosiva, com baixos volumes de desgaste e com boas características lubrificantes. Nos dias atuais não se tem um modelo quantitativo bom para previsões da profundidade de desgaste sob condições de desgaste corrosivo, embora sugira, para os casos em que um filme protetor se forma, um valor de k =10-4^ a l0-5^ como possível de ser usado praticamente, (Stoeterau, 2004).
2.4 PADRÕES DE LIMPEZA DOS FLUIDOS A contagem de partículas é o método comum mais usado para classificar padrões de limpeza. Muitos instrumentos ópticos sensíveis são usados na contagem do número de partículas em diferentes faixas de tamanho. Esta contagem informa o número de partículas maiores que um certo tamanho encontrado em um volume especificado de fluido. A nova ISO 11171 (Organização Internacional de Normas Técnicas) substituiu a ISO 4406 em aceitação da ISO MTD (Teste Médio de pó) como uma substituição da ACFTD. A maioria das versões extensamente usadas desta norma técnica, referem ao número de partículas maiores que 4, 6, e 14 micrómetros em 1 mililitro de fluido. O numero de partículas 4+ e 6+ são usados como um ponto de referencia de partículas. O tamanho 14+ indica a quantidade de partículas grandes presentes, as quais contribuem grandemente para a possível falha catastrófica da máquina. A Figura 2.7 e Tabela 2.3 abaixo representam um exemplo de medida, onde o resultado é obtido através de um código ISO. A Tabela 2.4 mostra os vários números do código ISO 4406.
Figura 2.7 - Exemplo de um Código ISO obtido, (Catálogo Parker).
Tabela 2.3 - Classificação e definição pela ISO, (Catálogo Parker). Numero Mícron Partícula Real Intervalo de Contagem(por ml) 18 4+ 1,300 – 2, 16 6+ 320 – 640 13 14+ 40 - 80
Tabela 2.4 - Tabela referente a ISO 4406, de 1999, (Catálogo Parker). Numero Numero de partículas pôr ml mais que até e incluindo 24 80,000 160, 23 40,000 80, 22 20,000 40, 21 10,000 20, 20 5,000 10, 19 2,500 5, 18 1,300 2, 17 640 1, 16 320 640 15 160 320 14 80 160 13 40 80 12 20 40 11 10 20 10 5 10 9 2.5 5 8 1.3 2. 7 .64 1. 6 .32.
2.4.1 Nível de Limpeza Exigida pelos Componentes
Muitos fabricantes de equipamentos hidráulicos e de mancais sobre carregamento especificam o nível de limpeza requerido pôr seus componentes. Componentes submetidos a fluidos com níveis maiores de contaminação podem resultar em uma vida útil menor. Na Tabela 2.5 abaixo, são mostrados alguns componentes e os níveis de limpeza recomendados. É sempre melhor consultar o fabricante do componente e obter o nível de limpeza recomendado para o fluido. Esta informação é precisada para seleção do nível correto de filtração.