manutencao de redutores

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

MANUTENO DE REDUTORES DE VELOCIDADE PELA INTEGRAO DAS TCNICAS PREDITIVAS DE ANLISE DE VIBRAES E ANLISE DE LEO LUBRIFICANTE

Daniel Fabiano Lago

Orientador: Prof. Dr. Aparecido Carlos Gonalves

Dissertao apresentada Faculdade de Engenharia - UNESP Campus de Ilha Solteira, para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica.rea de Conhecimento: Mecnica dos Slidos

Ilha Solteira SP

Novembro/2007

Campus de Ilha Solteira

FICHA CATALOGRFICA

Elaborada pela Seo Tcnica de Aquisio e Tratamento da InformaoServio Tcnico de Biblioteca e Documentao da UNESP - Ilha Solteira.

Lago, Daniel FabianoL177m Manuteno de redutores de velocidade pela integrao das tcnicas preditivas

de anlise de vibraes e anlise de leo lubrificante / Daniel Fabiano Lago. -- Ilha Solteira : [s.n.], 2007 179 f. : il., fots. (algumas color.)

Dissertao (mestrado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade deEngenharia de Ilha Solteira. rea de conhecimento: Mecnica dos Slidos, 2007

Orientador: Aparecido Carlos Gonalves Bibliografia: p. 175-179

1. Tribologia. 2. leos lubrificantes. 3. Mecnica dos slidos. 4. Desgaste mecnico.

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Aparecido Carlos Gonalves, pelos valiosos ensinamentos, dedicao,

amizade e postura profissional mostrados nesses anos de orientao, desde os tempos de

iniciao cientfica.

Aos meus pais, Gentil e Ivete, os maiores responsveis por minhas realizaes e pelo meu

carter. Ao meu irmo Maciel pelo convvio e afeto.

A todos os professores e funcionrios do departamento que de forma direta ou indireta

foram envolvidos na realizao deste trabalho, em especial a Carlos Jos Santana pelo apoio

tcnico dado na realizao dos ensaios e demais formas de colaborao.

Aos amigos Fernando Vitoriano Fernandes, Ademir Jacometo de Oliveira, Maria Adriana

Tavares e Eduardo Augusto Florncio Mega que sempre estiveram ao meu lado durante esta

caminhada.

A CAPES pelo fomento dado a esta pesquisa.

Muito Obrigado.

Daniel Fabiano Lago

RESUMO

LAGO, D. F. Manuteno de redutores de velocidade pela integrao das tcnicas preditivasde anlise de vibraes e anlise de leo lubrificante, Ilha Solteira, Departamento de Engenharia Mecnica, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista Jlio de Mesquita Filho Unesp. 154p. Dissertao (Mestrado em EngenhariaMecnica).

Todo sistema ou equipamento mecnico est sujeito a processos de deteriorao. Esta

deteriorao leva ao aparecimento de defeitos que podem atrapalhar a continuidade e

qualidade do servio (produo). Uma quebra no prevista traduz-se por uma parada brusca,

levando geralmente a grandes prejuzos e a perda de tempo de produo. Para evitar paradas

inesperadas eficientemente e reduzir os custo de manuteno so utilizadas tcnicas de

manuteno preditiva. Entre todas as tcnicas existentes, as mais importantes na manuteno

de redutores so a anlise de vibraes e a anlise de partculas de desgaste. A determinao

da severidade, modos e tipos de desgaste em mquinas pode ser feita pela identificao da

morfologia, acabamento superficial, colorao, natureza, quantidade e tamanho das partculas

encontradas em amostras de leo ou graxas. Pela anlise do sinal vibratrio possvel tomar

decises de intervir ou no na operao da mquina, aumentando a disponibilidade e

confiabilidade da mesma. A integrao destas tcnicas tem o potencial para revolucionar

prticas industriais e proporcionar para as companhias um significante alvio econmico. Para

estudo destas duas tcnicas, neste trabalho foi construda uma bancada experimental com o

propsito de se realizar a manuteno preditiva em um redutor de velocidades. O Sistema foi

posto para funcionar at o limite de utilizao. Foram utilizados lubrificantes recomendados

pelo fabricante do redutor, lubrificantes com contaminao lquida em vrias porcentagens e

lubrificantes com contaminao slida em duas porcentagens. Foram observadas que para

baixas rotaes a anlise de partculas foi vantajosa em relao anlise de vibraes e que a

contaminao por gua, embora tenha ocasionado uma maior oxidao do sistema,

proporcionou menor desgaste do que o lubrificante sem contaminao.

Palavras Chaves: Manuteno preditiva, anlise de vibraes, partculas de desgaste,

ferrografia, leo lubrificante, redutor de velocidades.

ABSTRACT

LAGO, D. F Maintenance of Reducers integrating vibration and oil analysis predictivetechniques, Ilha Solteira, Departamento de Engenharia Mecnica, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista Jlio de Mesquita Filho Unesp. 154p.Dissertao (Mestrado em Engenharia Mecnica).

Every system or mechanical equipment is subject to deterioration processes. This

deterioration takes to the apparition of defects that can disturb the continuity and quality of

the service (production). One break not foreseen translates for an abrupt stop, usually taking

to great damages and waste of time of production. For avoid unexpected stops efficiently and

reduce the cost, predictive maintenance techniques are used. Among all the existent

techniques, the most important in the maintenance of reducers are vibration analysis and wear

particle analysis. The determination of the severity, wear modes and types in machines can be

done through the identification of the morphology, surface finishing, coloration, nature,

quantity and size of the particles found in oil samples or lubricating greases. Vibration

Analysis is one of the oldest techniques in the maintenance. By vibration sign analysis it is

possible to make decisions of intervening or not in the machine operation, improving its

availability and reliability. The integration of these techniques has the potential to

revolutionize industry practices and provide a significant industrial economic relief. For the

study of these two techniques, in this work, an experimental bench was built with the purpose

of doing the predictive maintenance in a reducer. The System was put to work until the limit.

It was observed that for low rotations the wear particle analysis were advantageous in relation

to the vibration analysis and for oil with water contamination, although causing a larger

oxidation in the system, a smaller wear than the lubricant without contamination was

provided.

Keywords: Predictive maintenance, vibration analysis, wear particle, Ferrography, lubricatingoil, spur gear

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Fases da Manuteno Preditiva (ARATO, 2004). 21

Figura 1.2 Porcentagem de deteco de falhas de rolamentos (MAXWELL e JOHNSON, 1995 citado por GREEN, 2003). 22

Figura 2.1 Determinao do ndice de viscosidade, (BARNES, 2002). 30

Figura 2.2 Modos de desgaste (KATO e ADASHI, 2001). 32

Figura 2.3 Pontos de contato entre duas superfcies. 33

Figura 2.4 Desgaste adesivo por scuffing nos dentes da engrenagem (GREEN, 2003). 34Figura 2.5 Compatibilidade baseado no diagrama de fases binrias, (RABINOWICZ,1980). 35

Figura 2.6 Modos de desgaste abrasivo de 2 e 3 corpos (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2005). 37

Figura 2.7 Desgaste abrasivo de material dctil (KATO e ADASHI, 2001). 37

Figura 2.8 Micrografia do desgaste abrasivo por deformao plstica (JOSEPH, 1992). 38

Figura 2.9 Desgaste corrosivo x Tempo: como formao de filme na superfcie (RABINOWICZ, 1980). 39

Figura 2.10 Desgaste corrosivo x Tempo: sem formao de filme na superfcie(RABINOWICZ, 1980). 39

Figura 2.11 Formao e escamao da camada de xido (RABINOWICZ, 1980). 39

Figura 2.12 Diagrama esquemtico da Espectrografia de Absoro Atmica. 46

Figura 2.13 Exemplo de um Cdigo ISO obtido, (PARKER, 2000). 48

Figura 2.14 Fotografia de plugues magnticos utilizados na contagem de partculas. 50

Figura 2.15 Grficos da concentrao de partculas de desgaste (WPC) pelo tempo (BARONI e GOMES, 2004). 52

Figura 2.16 Evoluo do desgaste dos elementos de uma mquina (BIBVIRT, 2004). 52

Figura 2.17 Faixas limtrofes dos tamanhos das partculas,(BIBVIRT, 2004). 53

Figura 2.18 Obteno de ferrograma. 54

Figura 2.19 Distribuio esquemtica das partculas sobre a lmina do RPD. 54

Figura 2.20 Partculas benignas tpicas do desgaste por atrito vistas no microscpio tico (KITTIWAKE, 2004). 57

Figura 2.21 Partculas tpicas do desgaste por atrito vistas no microscpio eletrnico de varredura (KITTIWAKE, 2004). 57

Figura 2.22 Partculas tpicas do desgaste severo por deslizamento. As partculas exibem estrias na superfcie (KITTIWAKE, 2004). 58

Figura 2.23 Partculas tpicas do desgaste por corte (KITTIWAKE, 2004). 58

Figura 2.24 Partculas de fadiga por engrenamento (KITTIWAKE, 2004). 59

Figura 2.25 Partculas tpicas de fadiga de rolamento (KITTIWAKE, 2004). 60

Figura 2.26 Partculas laminar causadas por fadiga de rolamento vista em microscpiotico (KITTIWAKE, 2004). 61

Figura 2.27 Partculas de cobre vista em microscpio tico (KITTIWAKE, 2004). 62

Figura 2.28 Partcula de bronze vista em microscpio tico (KITTIWAKE, 2004). 62

Figura 2.29 Partcula de cromo vista em microscpio tico (KITTIWAKE, 2004). 63

Figura 2.30 Partcula de nquel vista em microscpio tico (KITTIWAKE, 2004). 63

Figura 2.31 Partcula de alumnio vista em microscpio tico (KITTIWAKE, 2004). 64

Figura 2.32 Partculas de desgaste de xido vermelho formadas por deslizamento, visualizadas em luz bi cromtica (LOCKWOOD e DALLEY , 1992). 64

Figura 2.33 Partculas de xido de ferro vermelho (LOCKWOOD e DALLEY , 1992). 65

Figura 2.34 Partculas de xido-metlico escuro (LOCKWOOD e DALLEY , 1992). 65

Figura 2.35 Partculas de xido preto (LOCKWOOD e DALLEY , 1992). 66

Figura 2.36 Partculas no metlicas (KITTIWAKE, 2004). 66

Figura 2.37 Sinal Vibratrio no domnio do tempo (GREEN, 2003). 70

Figura 2.38 Valores globais de medida de vibrao para um sinal complexo (ARATO, 2004). 71

Figura 2.39 Condies de engrenagens utilizando TSA (GOLDMAN, 1991 citado por GREEN, 2003) 73

Figura 2.40 Sinal vibratrio no domnio da freqncia (GREEN, 2003). 73

Figura 2.41 Obteno da transformada rpida de fourier. 75

Figura 2.42 Espectro de freqncia de uma engrenagem de dentes retos em operaonormal. 76

Figura 2.43 Espectro de freqncia de uma engrenagem com dente desgastado. 77

Figura 2.44 Espectro de freqncia de uma engrenagem desalinhada. 77

Figura 2.45 Espectro de freqncia de uma engrenagem com dentre trincado ou fraturado. 77

Figura 2.46 Planos de medidas. 78

Figura 2.47 Cadeia de medio utilizada para aquisio do sinal vibratrio. 79

Figura 2.48 Acelermetro. 79

Figura 2.49 Grficos mostrando situao de ressonncia. 86

Figura 3.1 Bancada de ensaio para verificao das tcnicas estudadas. 91

Figura 3.2 Mancal utilizado na montagem da bancada. 92

Figura 3.3 Pontos de coletas dos sinais de vibraes. 94

Figura 3.4 Worksheet utilizado na obteno do sinal temporal e do valor eficaz da velocidade de vibrao. 95

Figura 3.5 Worksheet utilizado no processamento do sinal temporal. 95Figura 3.6 Worksheet utilizado na medida da severidade de vibrao (um filtro de 10Hz e outro de1000Hz). 96

Figura 4.1 Amostras do leo ISO 320 utilizando luz transmitida. 100

Figura 4.2 Partculas de desgaste presentes no leo aps a terceira semana do leo ISO 320. Luz Refletida. (I) anel interno, e (M) anel intermedirio. 101

Figura 4.3 Amostras do leo ISO 68 visualizadas com luz refletida aps a ltima semana de teste. 102

Figura 4.4 Amostras do leo ISO 320 acrescido de 0,4 gramas de p de ferro, visualizadas com luz refletida. 102

Figura 4.5 Amostras do leo ISO 320 acrescido de 0,8 gramas de p de ferro, visualizadas com luz refletida. 103

Figura 4.6 Espectro do ponto 3 para diferentes freqncias e diferentes filtros. 104

Figura 4.7 Evoluo da severidade de vibrao medida pela NBR 10082. 104

Figura 4.8 Foto mostrando o desgaste na coroa aps o segundo teste (com leo ISO 68). 104

Figura 4.9 Elementos internos do redutor de velocidades. 105

Figura 4.10 Partcula de desgaste gerada no ensaio A. Foto do anel interno do RPD. 106

Figura 4.11 Partculas de desgaste geradas no ensaio A. Fotos do anel interno do RPD. 106

Figura 4.12 Partculas de desgaste gerada no ensaio A. Fotos do anel mdio do RPD. 107

Figura 4.13 Partculas de desgaste geradas no ensaio A. Fotos do anel externo do RPD. 107


Figura 4.15 Partcula de desgaste gerada no ensaio A. Foto do anel interno do RPD. 108

Figura 4.16 Partculas de desgaste geradas no ensaio A. Fotos do anel mdio do RPD. 109

Figura 4.17 Partculas de desgaste geradas no ensaio A. Fotos do anel externo do RPD. 109




Figura 4.21 Partculas de desgaste geradas na quarta semana do ensaio A. Fotos do anel interno do RPD. 112

Figura 4.22 Partculas de desgaste geradas na quarta semana do ensaio A. Fotos do anel mdio do RPD. 113

Figura 4.23 Partculas de desgaste geradas na quarta semana do ensaio A. Fotos do anel mdio do RPD. 113

Figura 4.24 Partculas de desgaste geradas na quarta semana do ensaio A. Fotos do anel externo do RPD. 114

Figura 4.25 Elementos internos do redutor de velocidades aps o primeiro ensaio. 115

Figura 4.26 Partculas de desgaste geradas na primeira semana do ensaio B. Fotos do anel interno do RPD. 116

Figura 4.27 Partculas de desgaste geradas na primeira semana do ensaio B. Fotos doanel mdio do RPD. 117

Figura 4.28 Partculas de desgaste geradas na primeira semana do ensaio B. Fotos do anel externo do RPD. 118

Figura 4.29 Partculas de desgaste geradas na segunda semana do ensaio B. Fotos do anel interno do RPD. 119



Figura 4.32 Partculas de desgaste geradas na segunda semana do ensaio B. Fotos do anel mdio do RPD. 121

Figura 4.33 Partculas de desgaste geradas na segunda semana do ensaio B. Fotos do anel externo do RPD. 122

Figura 4.34 Partculas de desgaste geradas na terceira semana do ensaio B. Fotos do anel interno do RPD. 123

Figura 4.35 Partculas de desgaste geradas na terceira semana do ensaio B. Fotos do anel mdio do RPD. 124

Figura 4.36 Partculas de desgaste geradas na terceira semana do ensaio B. Fotos do anel externo do RPD. 125

Figura 4.37 Partculas de desgaste geradas na quarta semana do ensaio B. Fotos do anel interno do RPD. 126

Figura 4.38 Partculas de desgaste geradas na quarta semana do ensaio B. Fotos do anel mdio do RPD. 127

Figura 4.39 Partculas de desgaste geradas na quarta semana do ensaio B. Fotos do anel externo do RPD. 127

Figura 4.40 Elementos internos do redutor de velocidades aps o segundo ensaio. 128

Figura 4.41 Oxidao dos parafusos e da caixa do redutor. 128

Figura 4.42 Partculas de desgaste geradas na primeira semana do ensaio C. 129



Figura 4.45 Partculas de desgaste geradas na segunda semana do ensaio C. 132

Figura 4.46 Partculas de desgaste geradas na segunda semana do ensaio C. 133

Figura 4.47 Elementos internos do redutor de velocidades aps o terceiro ensaio. 134

Figura 4.48 Aspecto visual dos leos dos trs ensaios. 135

Figura 4.49 Rolamento do redutor desmontado para verificar possvel falha. 135

Figura 4.50 Espectros de vibrao obtidos no ponto 2 na primeira semana do Ensaio A. 136




Figura 4.54 Espectros de vibrao obtidos no ponto 2 na segunda semana do Ensaio A. 139




Figura 4.58 Espectros de vibrao obtidos no ponto 2 na terceira semana do Ensaio A. 142




Figura 4.62 Espectros de vibrao obtidos no ponto 2 na quarta semana do Ensaio A. 145




Figura 4.66 Espectros de vibrao obtidos no ponto 2 na primeira semana do Ensaio B. 148




Figura 4.70 Espectros de vibrao obtidos no ponto 2 na segunda semana do Ensaio B. 151




Figura 4.74 Espectros de vibrao obtidos no ponto 2 na terceira semana do Ensaio B. 154




Figura 4.78 Espectros de vibrao obtidos no ponto 2 na quarta semana do Ensaio B. 157




Figura 4.82 Espectros de vibrao obtidos no ponto 2 na primeira semana do Ensaio C. 160




Figura 4.86 Espectros de vibrao obtidos no ponto 2 na segunda semana do Ensaio C. 163




Figura 4.90 Evoluo da severidade de vibrao. 166

Figura 4.91 Espectro do sinal demodulado. 167



LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 Vantagens e desvantagens dos tipos de manuteno. 20

Tabela 1.2 Convivncia dos mtodos de anlise para vrias condies de mquinas(TROYER, 1999 citado por GREEN, 2003). 23

Tabela 2.1 Taxa de desgaste do material de maior dureza, (BOOSE, 1984). 36

Tabela 2.2 Intervalos recomendados entre inspees (LOCKWOOD e DALLEY, 1992). 42

Tabela 2.3 Indicadores tpicos do lubrificante: severidades e recomendaes(LOCKWOOD e DALLEY, 1992). 43

Tabela 2.4 Efeitos da mudana da viscosidade. 44

Tabela 2.5 Classificao e definio pela ISO, (PARKER, 2000). 48

Tabela 2.6 Tabela referente a ISO 4406, de 1999, (PARKER, 2000). 49

Tabela 2.7 Classificao das partculas de desgaste, (BIBVIRT 2004). 56

Tabela 2.8 Indicao de como so identificados algumas partculas, (KITTIWAKE, 2004). 67

Tabela 2.9 Classificao e avaliao das mquinas por nveis de severidade de vibrao. 82

Tabela 2.10 Faixas de severidade de vibraes conforme NBR 10082 (Banda de 10 a 1000Hz). 83

Tabela 3.1 Especificao do motor NBR 7094. 91

Tabela 3.2 Especificao do redutor para uma rotao de 1720rpm na entrada. 92

Tabela 3.3 Freqncias de determinsticas dos rolamentos do motor (SKF, 2004). 92

Tabela 3.4 Freqncias determinsticas do redutor. 92

Tabela 3.5 Especificao do leo lubrificante ISO 320, (SCHAEFFOIL, 2004). 93

Tabela 3.6 Propriedade do leo lubrificante IRL hidrulico 68. 93

Tabela 3.7 Equipamentos utilizados na cadeia de medio do sinal vibratrio. 97

Tabela 3.8 Instrumentos utilizados na anlise do leo lubrificante. 98

Tabela 4.1 Alguns testes realizados no leo ISO 320 depois de 4 semanas. 101

Tabela 4.2 Alguns testes realizados no leo ISO 68 depois de 4 semanas. 102

Tabela 4.3 Caractersticas do p de ferro. 102

Tabela 4.4 Demais ensaios realizados no experimento C. 102

Tabela 4.5 Demais ensaios realizados no experimento com leo ISO 320 acrescido de 0,8 gramas de p de ferro. 103

Tabela 4.6 Ensaios realizados no leo ao trmino do ensaio A. 115

Tabela 4.7 Absoro Atmica realizada no leo ao trmino do ensaio A. 115

Tabela 4.8 ndice PQ obtido no monitor de partculas. 115

Tabela 4.9 Ensaios realizados no leo ao trmino do ensaio B. 127

Tabela 4.10 Absoro Atmica realizada no leo ao trmino do ensaio B. 128


Tabela 4.12 Ensaios realizados no leo ao trmino do ensaio C. 134

Tabela 4.13 Absoro Atmica realizada no leo ao trmino do ensaio C. 134


Tabela 4.15 Valor eficaz das velocidades de vibrao e valores da severidade de vibrao para a primeira semana do Ensaio A. 138

Tabela 4.16 Valor eficaz das velocidades de vibrao e valores da severidade de vibrao para a segunda semana do Ensaio A. 141

Tabela 4.17 Valor eficaz das velocidades de vibrao e valores da severidade de vibrao para a terceira semana do Ensaio A. 144

Tabela 4.18 Valor eficaz das velocidades de vibrao e valores da severidade de vibrao para a quarta semana do Ensaio A. 147

Tabela 4.19 Valor eficaz das velocidades de vibrao e valores da severidade de vibrao para a primeira semana do Ensaio B. 150

Tabela 4.20 Valor eficaz das velocidades de vibrao e valores da severidade de vibrao para a segunda semana do Ensaio B. 153

Tabela 4.21 Valor eficaz das velocidades de vibrao e valores da severidade de vibrao para a terceira semana do Ensaio B. 156

Tabela 4.22 Valor eficaz das velocidades de vibrao e valores da severidade de vibrao para a quarta semana do Ensaio B. 159

Tabela 4.23 Valor eficaz das velocidades de vibrao e valores da severidade de vibrao para a primeira semana do Ensaio C. 162

Tabela 4.24 Valor eficaz das velocidades de vibrao e valores da severidade de vibrao para a segunda semana do Ensaio C. 165

LISTA DE SMBOLOS E ABREVIATURAS

Tenso de cisalhamento [Pa]

Viscosidade dinmica [Pa.s]

t Taxa de deformao por cisalhamento

Z Viscosidade [cSt ou mm2/s]

Massa especfica

Q Volume desgastado do material mais dctil, por unidade de distncia percorrida

[mm3/m]

K Coeficiente adimensional de desgaste

k Coeficiente de desgaste [mm3/Nm]

W Carga normal [N]

H Dureza do corpo mais dctil [N.m-2]

Beta Ratio

y Eficincia

L Nmero de partculas grandes

S Nmero de partculas pequenas

PLP Porcentagem de partculas grandes

m Valor mdio [mm/s]

RMS Valor eficaz ou valor RMS [mm/s]

Ff Fator de forma

FC Fator de crista

T Perodo [s]

X(t) Sinal Temporal

fr Freqncia de giro do eixo [rps]

N Nmero de dentes

fe Freqncia de engrenamento [rps]

X(f) Sinal espectral

z(t) Sinal analtico

A(t) Envelope

(t) Fase instantnea

PQ Quantidade admensional de partculas magnticas

RPD Depositador rotativo de partculasDEMOD Rotina computacional sobre plataforma Matlab para demodulao do sinal vibratrio.

SUMRIO

CAPTULO 1 - INTRODUO 191.1 - JUSTIFICATIVA 221.2 OBJETIVOS 24

CAPTULO 2 REVISO BIBLIOGRFICA 252.1 ALGUNS TRABALHOS RELACIONADOS. 252.2 LEO LUBRIFICANTE 28

2.2.1 Viscosidade 292.2.2 ndice de Viscosidade 30

2.3 DESGASTE 312.3.1 - Desgaste Adesivo 332.3.2 - Desgaste Abrasivo 362.3.3 - Desgaste Corrosivo 382.3.4 - Desgaste por Fadiga 40

2.4 TESTES FSICOS 422.4.1 Monitoramento da Viscosidade 44

2.5 ANLISE ESPECTROGRFICA DOS METAIS 462.6 CONTAGEM DE PARTCULAS 48

2.6.1 - Deteco magntica por plug/chip (MCD) 502.7 FERROGRAFIA 50

2.7.1 Ferrografia Quantitativa 512.7.2 Ferrografia Analtica 532.7.2.1 - Construo dos Ferrogramas 532.7.2.2 - Visualizao dos Ferrogramas 552.7.3 - Tipos de Partculas de Desgaste 552.7.3.1 - Partculas de Desgaste por Atrito 562.7.3.2 - Partculas de Desgaste Severo por Deslizamento 572.7.3.3 - Partculas de Desgaste por Corte 582.7.3.4 - Partculas de Fadiga 592.7.3.5 - Partculas Metlicas no Ferrosas 612.7.3.6 - Partculas de Cobre 612.7.3.7 - Partculas de Bronze ou Lato 62

2.7.3.8 -Partculas de Cromo 622.7.3.9 - Partculas de Nquel 632.7.3.10 - Partculas de Alumnio 632.7.3.11 xidos 642.7.3.12 Partculas Misturadas 66

2.8 ANLISE DE VIBRAES 682.8.1- Descrio no Domnio do Tempo 702.8.1.1 - Mdia Temporal Sncrona 722.8.2 Descrio no Domnio da Freqncia 732.8.2.1 - Obteno do Espectro de freqncia 742.8.2.2 - Acompanhamento dos espectros de vibrao 762.8.3 - Coleta dos Dados 772.8.4 - Instrumentos de medida 792.8.5 - Anlise pelo Nvel Global de Vibraes 812.8.6 - Demodulao 842.8.7 - Fontes Vibratrias de uma Mquina 852.8.7.1 - Desbalanceamento 862.8.7.2 - Desalinhamento 872.8.7.3 - Eixo Torto 872.8.7.4 - Rolamentos danificados ou inadequados; 872.8.7.5 - Vibraes em redutores 882.8.7.6 - Vibraes de origem eltricas 90

CAPTULO 3 MATERIAS E MTODOS 913.1 ENSAIOS ANTERIORES REALIZADOS NO MESMO REDUTOR 933.2 - ENSAIOS REALIZADOS NESTE TRABALHO 943.3 - MEDIDAS DE VIBRAES 943.4 - ANLISE DOS LEOS 98

CAPTULO 4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 1004.1 - EXPERIMENTO ANTERIOR 100

4.1.1 - Anlise de leo Lubrificante 1004.1.2 - Anlise de Vibraes 103

4.2 - ENSAIOS REALIZADOS NESTE TRABALHO 1054.2.1 Anlise de leo Lubrificante 105Ensaio A Primeira Coleta 106Ensaio A Segunda Coleta 108

Ensaio A Terceira Coleta 110Ensaio A Quarta Coleta 112Ensaio B Primeira Coleta 116Ensaio B Segunda Coleta 119Ensaio B Terceira Coleta 123Ensaio B Quarta Coleta 126Ensaio C Primeira Coleta 129Ensaio C Segunda Coleta 1324.2.2 - Anlise de Vibrao 136Ensaio A primeira semana 136Ensaio A segunda semana 139Ensaio A terceira semana 142Ensaio A quarta semana 145Ensaio B primeira semana 148Ensaio B segunda semana 151Ensaio B terceira semana 154Ensaio B quarta semana 157Ensaio C primeira semana 160Ensaio C segunda semana 163Freqncias Ressonantes e Demodulao 167

CAPTULO 5 ANLISE DOS RESULTADOS 1705.1. Anlise dos leos 1705.2. Anlise de Vibraes 172

CAPTULO 6 CONCLUSES E SUGESTES 1736.1. Concluses 1736.2. Sugestes para Trabalhos Futuros 174

CAPTULO 7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 175

19

Captulo 1

INTRODUO

Todo sistema ou equipamento mecnico est sujeito a processos de deteriorao. Esta

deteriorao leva ao aparecimento de defeitos que podem atrapalhar a continuidade e

qualidade do servio (produo). Uma quebra no prevista traduz-se por uma parada brusca,

geralmente levando a grandes prejuzos e a perda de tempo de produo.

Para que a produtividade de uma indstria, constituda por uma diversidade enorme de

mquinas e equipamentos, tenha resultados positivos, necessrio que todos eles sejam

mantidos nas melhores condies de funcionamento. Assim, todos esses equipamentos

devero sofrer, ao longo de suas vidas teis, reparos, inspees programadas, rotinas

preventivas programadas e adequadas, substituio de peas, mudanas de leo, lubrificaes,

limpezas, pinturas e correes de defeitos.

O conjunto de todas estas aes constitui aquilo a que se chama manuteno.

Na literatura encontramos algumas divises da manuteno. A diviso mais utilizada

aquela em dois tipos principais: a Manuteno Preventiva e a Manuteno Corretiva.

Na Manuteno Corretiva efetuam-se reparos e melhorias aps a falha do equipamento,

esta uma medida curativa.

J na Manuteno Preventiva tenta-se evitar a falha ao mximo, atravs de informaes

do equipamento (dados estatsticos, conhecimentos prticos e informaes do fabricante) ou

pelo monitoramento deste (utilizando informaes de captores ou fazendo medidas de

desgaste).

Dentro da Manuteno Preventiva existem duas sub-classes: A Manuteno Preventiva

Sistemtica e a Manuteno Preventiva Preditiva. A primeira baseada no tempo, so

utilizados critrios estatsticos (independente do equipamento precisar ou no), esta mais

utilizada, devido sua simplicidade e custos envolvidos. A segunda baseada na condio, esta

mais complexa e exige alm de conhecimento tcnico, instrumentao especfica para coleta

e anlise de dados.

20

Na Tabela 1.1 tm-se as vantagens e desvantagens de se aplicar esses tipos de

manuteno.

Tabela 1.1 Vantagens e desvantagens dos tipos de manuteno.Vantagens Desvantagens

ManutenoCorretiva

no necessrio grande investimento em mo de obra especializada.

exige grande estoque de peas de reserva; provoca prejuzo tcnico e financeiro; acarreta perda de produo.

ManutenoSistemtica

aumento da produtividade; o custo de cada operao de manuteno predeterminado; as operaes e paradas so programadas de acordo com a produo; a gesto financeira simplificada.

o custo de cada operao elevado, devido periodicidade; existe maior possibilidade de erro humano, dada a freqncia de interveno; o custo da mo-de-obra elevado, pois, de um modo geral, estas intervenes so realizadas aos finais de semana; a desmontagem, ainda que superficial, incita substituio de peas provocadas pela sndrome de precauo; o grande nmero de intervenes aumenta o risco de introduo de novas avarias.

ManutenoPreditiva

ouCondicional

aumento da longevidade dos equipamentos; controle mais eficaz de peas de reserva e sua limitao; custo menor de reparao; aumento de produtividade.

alto investimento inicial em mo de obra especializada; requer investimento inicial em equipamentos.

Segundo Arato (2004) a prtica da manuteno preditiva envolve trs fases: deteco do

defeito, estabelecimento de um diagnstico e anlise de tendncia.

A deteco do defeito consiste na observao de que os valores medidos dos parmetros

de controle indicam uma evoluo mais acelerada que a decorrente da degradao normal do

equipamento.

O estabelecimento do diagnstico o resultado da anlise dos valores dos parmetros de

acompanhamento estabelecido, com base em modelos de desgaste e informaes anteriores

sobre o equipamento, a origem e a gravidade de seus possveis defeitos.

A anlise de tendncia consiste em se ampliar o diagnstico e se prever, na medida do

possvel, quanto tempo se dispe antes da parada forada pela quebra propriamente dita.

21

Nessa fase, o equipamento submetido a uma vigilncia estrita e se faz a programao do

reparo. Na Figura 1.1 tem-se o diagrama evolutivo do processo envolvendo as trs fases da

manuteno preditiva.

Figura 1.1- Fases da Manuteno Preditiva (ARATO, 2004).

Nestas etapas so utilizadas tcnicas e procedimentos que consistem em monitorar os

diversos parmetros que indiquem o estado de conservao dos equipamentos. As principais

tcnicas para monitoramento so:

- Anlise de Vibraes;

- Anlise de leos;

- Sistemas especialistas;

- Mtodos de Observao (exame visual, ultra-som, radiografia, termografia, etc).

Entre essas tcnicas as mais importantes na manuteno de redutores so: anlise de

vibraes e anlise de leo lubrificante.

O principio de anlise das vibraes baseia-se na idia de que as estruturas das mquinas

excitadas pelos esforos dinmicos (ao de foras) do sinais vibratrios, cuja freqncia

igual freqncia dos agentes excitadores. Um desbalanceamento em um componente de

mquina ir causar aumento da vibrao, uma vez que provoca um desequilbrio no sistema e

conseqente aumento da fora. Desta forma, observando a evoluo do nvel de vibraes,

possvel obter informaes sobre estado da mquina (CUNHA, 2005).

A anlise dos leos permite identificar os primeiros sintomas de desgaste de um

componente. A identificao feita a partir do estudo da quantidade de partculas, tamanho,

forma e composio, que fornecem informaes precisas sobre as condies das superfcies

que esto em movimento sem a necessidade de se desmontar o conjunto. As partculas so

22

slidas e geradas pelo atrito dinmico entre peas as em contato. De acordo com o estudo

destas partculas pode-se relacionar as situaes de desgastes do conjunto e atribu-las a

condies fsicas e qumicas (BARRACLOUGH et al.; ANDERSON et al., 1999, 1999). A

anlise dos leos feita por meio de tcnicas laboratoriais que envolvem reagentes,

instrumentos e equipamentos.

1.1 - JUSTIFICATIVA

Em 1995, um estudo realizado por Maxwell e Johnson discutiu a interao entre os

programas de anlise de vibraes e anlise de leo lubrificante, neste estudo eles verificaram

a capacidade das tcnicas em identificar quinze significantes problemas em rolamentos. A

Figura 1.2 mostra o percentual de deteco de defeitos para cada tcnica de monitorao

(GRENN, 2003).

Figura 1.2- Porcentagem de deteco de falhas de rolamentos (MAXWELL; JOHNSON, 1995 citado por GREEN, 2003).

Atualmente, a correlao entre essas tcnicas mais expressiva do que a mostrada na

Figura 1.2. Isto porque a anlise de vibrao utilizada em rolamentos blindados, onde no

possvel retirar amostras de leo. Para rolamentos lubrificados a leo, a anlise de leo

detecta falhas nos rolamentos antes do que a anlise de vibraes.

Maxwell e Johnson (1995) concluram que o programa de anlise de leo mais seguro

que o programa de vibrao na deteco de um precoce estgio de falha em rolamentos. Eles

tambm mostraram que a indicao do problema mais segura quando a anlise de leo e a

presena de baixas freqncias de falhas nos rolamento confirmam um problema de

rolamento (MAXWELL; JOHNSON, 1995 citado por GREEN, 2003).

23

Troyer (1999) citado por Green (2003), fez um estudo sobre a integrao dessas duas

tecnicas apresentou as seguintes concluses:

1. Ambas tcnicas so usadas para o controle da origem das causas de falhas nas mquinas.

2. s vezes uma tcnica serve como um guia de indicao de falha da mquina e a outra tcnica serve para confirmar esta indicao.

3. A anlise de leo geralmente forte na deteco de falhas em caixa de engrenagens e sistemas hidrulicos.

4. A anlise de vibraes geralmente forte na deteco de falhas em sistemas de rolamento e de alta rotao.

5. A anlise de vibrao s vezes melhor para a deteco de um ponto de falha.6. A anlise de leo s vezes melhor na deteco de qual mecanismo est induzido a

falhar.7. Ambas as tcnicas so requeridas com eficincia na determinao da raiz da causa

do problema.8. A correlao entre a anlise de vibrao e a anlise de leo muito boa, mas h

exemplos contrrios.

Troyer (1999) citado por Green (2003), concluiu que a correlao entre anlise de

vibrao e a anlise de leo muito forte em muitas aplicaes e ruim em outras reas como

pode ser visto na Tabela 1.2.

Tabela 1.2 Convivncia dos mtodos de anlise para vrias condies de mquinas(TROYER, 1999 citado por GREEN, 2003).

Condio Anlise de leo

Anlise de Vibrao

leo lubrificante em rolamentos Eficaz EficazMotores desbalanceados No aplicado Eficaz

gua no leo Eficaz No aplicadoRolamentos engraxados Razovel Eficaz

Motor engraxado Razovel RuimCmbio Eficaz Eficaz

Alinhamento No aplicado EficazAnlise da raiz da causa Eficaz Eficaz

Monitoramento da condio de lubrificao

Eficaz Razovel

Ressonncia No aplicado Eficaz

Para se verificar a integrao das tcnicas de anlise de leo com a anlise de vibraes

foi proposta a construo de uma bancada de ensaio para verificar o funcionamento em

conjunto dessas duas tcnicas de manuteno preditiva. Nesta bancada foi feita a monitorao

de um redutor de velocidades do tipo coroa sem-fim acoplado a um motor eltrico em seu

eixo de entrada e a uma carga desbalanceada no eixo de sada. Alm do leo recomendado

24

pelo fabricante do redutor (1 Ensaio) utilizou-se o mesmo leo contaminado por gua (2

Ensaio) e por abrasivo (areia) (3 Ensaio).

1.2 OBJETIVOS

Este trabalho tem como objetivos:

a) Levantamento Bibliogrfico sobre lubrificantes, desgaste, testes fsicos em

lubrificantes, espectrografia, contagem de partculas, ferrografia e microscopia tica

em anlise de leo e os domnios de anlise (tempo ou freqncia), mdia temporal

sncrona, acompanhamento dos espectros de vibraes, coletas das medidas de

vibraes, instrumentao, anlise pelo nvel global, ressonncia, demodulao e as

fontes vibratrias de uma mquina em anlise de vibraes;

b) Construo de uma bancada de ensaio composta de um motor acoplado a um

redutor de velocidade, com uma carga desbalanceada, para verificar a eficincia da

integrao da Anlise de Vibraes com a Anlise de Partculas de Desgaste at a

condio limite;

c) Verificao do efeito da contaminao lquida e slida no desgaste dos

componentes de mquinas representados por um redutor de velocidade;

d) Anlise de amostras de leos e vibraes para auxiliar os estudos.

25

Captulo 2

REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 ALGUNS TRABALHOS RELACIONADOS.

Os temas: atrito, desgaste e lubrificao tm sido tratados bem antes do nosso sculo. O

uso do lubrificante como um meio de diminuir o trabalho no transporte de objetos pesados

conhecido a mais de 4.000 anos. Por outro lado, como tema na sociedade tecnolgica, a

tribologia vem sendo considerada de maneira premente desde meados de 1940 e ainda mais

intensamente na dcada de 1960.

O termo tribologia, definido como cincia e tecnologia das superfcies que interagem

entre si mediante um movimento relativo, surgiu em meados da dcada de 1960,

inicialmente no Reino Unido e em seguida propagado por todo o mundo (DOWSON, 1997

citado por MARU, 2003). A maioria dos tpicos cobertos por essa palavra antiga e bem

conhecida, como o estudo de lubrificantes, lubrificao, atrito, desgaste e mancais. As

interaes superficiais ditam e controlam o funcionamento de praticamente todos os

dispositivos mecnicos construdos pelo homem, fato com o qual se observa uma importncia

central da tribologia em termos de desenvolvimento tecnolgico. Entretanto, ainda hoje, isso

nem sempre reconhecido (PERSON, 1999 citado por MARU, 2003).

Myshkin, et al. (2001), pesquisaram um mtodo para classificar partculas metlicas

geradas em motores de combusto interna atravs das cores. As partculas foram extradas

atravs do RPD e colocadas em um microscpio tico com cmara CCD. Eles concluram que

as partculas analisadas ocupavam diferentes domnios no plano de classificao, que o

modelo HSI (Hue, Saturation, Intensity = cor, saturao e intensidade) o mais apropriado

para o processamento das cores e que se pode distinguir partculas baseadas nas ligas de

cobre, xidos vermelhos e escuros e partculas de ao.

Silva (2001), abordou o problema da severidade do defeito no diagnstico e

monitoramento de redutores de velocidade submetidos variao de potncia. Investigou as

potencialidades, aplicadas a este problema, atravs de treze tcnicas usuais de monitoramento.

26

Trs no domnio do tempo: time synchronous average, sinal residual e demodulao. Cinco

no domnio da amplitude: varincia, RMS, skewness, kurtosis e fator de crista. Uma no

domnio da freqncia: espectro de amplitude. Quatro no domnio tempo-freqncia: short

time Fourier transform, wavelet, distribuio de Wigner-Ville e distribuio pseudo Wigner-

Ville. Conclui que, atravs de sinais simulados, todas as treze tcnicas so susceptveis

variao de potncia e portanto so imprprias para a resoluo do problema. Props trs

procedimentos de anlise baseados no quarto momento estatstico em relao origem da

funo densidade de probabilidade Beta: (i) Anlise Histrica Global; (ii) Anlise Individual

Histrica e (iii) Anlise Individual Independente. Submeteu os trs procedimentos a ensaios

experimentais com variaes unvocas de torque ou velocidade e para duas condies de

defeitos: (a) sem malha; (b) com um dente quebrado. Verificou experimentalmente que os trs

procedimentos sinalizam fortemente a presena do dente quebrado e, alm disso, tanto (ii)

quanto (iii) so capazes de indicar precisamente qual o dente quebrado.

Lantos (2002) descreveu um mtodo parecido com o princpio do mtodo do insolvel

ASTM D 893 Insolubles in Used Lubricating Oils em motores de combusto interna. Neste

mtodo ele utilizou n-heptano e tolueno e manteve em arquivo as tiras de papel absorvente

utilizadas para futuras comparaes com novas amostras.

Green (2003) estudou a integrao das tcnicas de anlise de vibraes e anlise de leo

lubrificante objetivando-se os modos de falhas associados a engrenagens de um redutor de

velocidades.

Borin (2003) props metodologias qualitativas para avaliar o grau de degradao e o tipo

de lubrificante utilizado e duas metodologias quantitativas para a determinao de

contaminantes e parmetros de qualidade como viscosidade e nmero de base total (TBN).

Afirmou que estas metodologias, baseadas na espectrometria no infravermelho por

reflectncia total e quimioterapia, podem ser aplicadas no controle de lubrificantes com o

objetivo de tornar as anlises mais rpidas, prticas, econmicas, seguras e eficientes. Para a

determinao qualitativa das condies dos lubrificantes em motores de nibus foram

empregadas as cartas de controle multivariadas, onde foi possvel detectar lubrificantes que

ainda estavam em condies de uso e que no necessitavam ser trocados, evitando assim

desperdcios. Para a determinao do tipo de lubrificante automotivo utilizado foi proposta a

utilizao da Anlise de Componentes Principais onde foi possvel separar nitidamente quatro

tipos de lubrificantes. Para a quantificao dos contaminantes: gua, etileno glicol e gasolina,

presentes em lubrificantes automotivos foi empregado o Infravermelho.

27

Raadnuis (2005) descreveu anlises simples LowTech para monitoramento de

mquinas. Utilizou tcnicas simples e de baixo custo para aplicaes especficas. Utilizou a

anlise de partculas presentes nos lubrificantes. Estas foram separadas de filtros atravs da

submerso destes em um solvente com posterior aplicao de limpeza ultrasnica por quinze

minutos. Aps este procedimento as partculas foram capturadas atravs de membranas de

policarbonatos com auxlio de vcuo. Atravs do estudo da morfologia das partculas

concluiu-se sobre o tipo de desgaste que ocorreu no interior do motor.

Mousa (2006) estudou a morfologia dos contaminantes slidos e partculas de desgaste

retidas nos filtros de leos aps a troca dos mesmos. Sua inteno era a obter de informaes

sobre a performance e monitoramento do motor. E concluiu-se que os filtros contm

informaes significantes sobre partculas de desgastes e sobre contaminantes slidos e que o

mtodo adotado vivel, porm h a necessidade da troca do filtro.

Vahaoja (2006) descreveu teoricamente vrios tipos de ensaios realizados em mquinas e

equipamentos atravs da manuteno preditiva.

Santos (2006), em trabalho realizado na UNESP Campus de Guaratinguet o estudou as

tcnicas de anlise de leos e graxas visando a busca de ferramentas que estabelecessem um

diagnstico da condio de sistemas aeronuticos, mais especificamente nos motores.

Almeida (2006), fez uma investigao sobre as relaes entre vibrao (assinatura

mecnica) e lubrificao de mquinas rotativas e assim, como ponto de partida deste estudo,

procurou avaliar o efeito da variao da viscosidade do lubrificante no sinal de vibrao de

caixas de engrenagens. O trabalho apresentou um grande banco de dados experimental,

discutiu diversos mtodos de processamento de sinais e apresentou uma caracterstica do sinal

de vibrao que foi capaz de identificar alteraes na viscosidade do leo lubrificante no caso

apresentado.

Maru et al. (2007), realizaram testes experimentais com mancais de rolamentos

lubrificados em banho de leo. Colocaram p de quartzo em trs concentraes como

contaminante neste leo e analisaram o valor RMS do sinal vibratrio. Os resultados

mostraram que mudanas nos valores RMS do sinal em altas freqncias, de 600 a 10.000 Hz,

estavam associados a mudanas na lubrificao do leo nos contatos dos mancais devido a

contaminao e aos danos devido as prprias partculas de desgastes geradas.

28

2.2 LEO LUBRIFICANTE

Lubrificao consiste em introduzir entre dois slidos deslizantes um lubrificante de

forma a reduzir o atrito e o desgaste, retirar calor e partculas geradas pelo contato.

A lubrificao pode ser feita de muitas formas diferentes, dependendo da geometria dos

corpos em contato, da aspereza e textura das superfcies deslizantes, da carga, da presso e da

temperatura, das velocidades de rolamento e escorregamento, das condies ambientais, das

propriedades fsicas e qumicas do lubrificante, da composio material, e das propriedades da

camada superficial das peas. Duas outras funes importantes dos lubrificantes so proteo

contra corroso e auxlio a vedao.

Os lubrificantes so normalmente lquidos, mas podem tambm ser slidos, pastosos, e

gasosos, conforme de seu estado fsico, (CPM, 1997). Lubrificantes lquidos so

caracterizados pela viscosidade, mas outras propriedades tambm so importantes. leos

lubrificantes tm nomes que designam estas propriedades. Este tipo de lubrificante pode ser

subdividido em: leos minerais, leos graxos, leos compostos, leos aditivados e leos

sintticos.

Minerais: So leos obtidos a partir da destilao do petrleo. Suas propriedades

dependem da natureza do leo cru, cuja composio, muito variada, formada por grande

nmero de hidrocarbonetos, pertencentes a trs classes: parafnicos, naftnicos e aromticos.

Os leos minerais so os mais utilizados e importantes em lubrificao (PETROBRS, 1999).

Graxos: So leos de origem vegetal ou animal. Foram os primeiros lubrificantes a serem

utilizados, e satisfaziam as modestas necessidades da poca em que predominava a trao

animal. Atualmente so pouco recomendados, principalmente por no suportarem

temperaturas elevadas, oxidando-se facilmente, tornando-se ranosos e formando cidos.

(PETROBRS, 1999).

Compostos: So misturas de leos minerais e graxos. Certas aplicaes especiais

requerem muitas vezes o uso de leos compostos, que conferem ao produto obtido maior

oleosidade e maior facilidade de emulso na presena de vapor. Utilizados em equipamentos

como perfuratrizes e cilindros a vapor (PETROBRS, 1999).

Aditivados: Os leos aditivados so leos minerais puros ou sintticos, aos quais foram

adicionados substancias comumente chamadas de aditivos, com o fim de reforar ou

acrescentar determinadas propriedades (CUNHA, 2004).

Sintticos: So lubrificantes criados em laboratrio por processo de polimerizao,

especialmente para oferecer caractersticas especiais de viscosidade e resistncia a

29

temperaturas elevas ou muito baixas, de forma a atender aplicaes especiais em algumas

indstrias. Esses lubrificantes so de custo elevado, devendo, portanto, ser empregados

apenas em casos especficos que no possam ser atendidos pelos lubrificantes minerais

(PETROBRS, 1999).

2.2.1 Viscosidade

a propriedade mais importante dos leos lubrificantes, podendo ser basicamente

definida como a resistncia ao escoamento que os fluidos apresentam. Esta pode ser definida

como a tenso de cisalhamento em um plano no fluido por unidade de gradiente de velocidade

normal ao plano. A viscosidade pode ser expressa em termos de viscosidade cinemtica

(mm2/s ou cSt) ou viscosidade absoluta (dinmica) cuja unidade o Pa.s.

Hutchings (1992) define a viscosidade de fluidos newtonianos, em termos da deformao

por cisalhamento :

t= (2.1)

Onde:

= tenso de cisalhamento [Pa],

= viscosidade dinmica [Pa.s],

t

= taxa de deformao por cisalhamento

A viscosidade cinemtica Z definida conforme Equao 2.2

=Z (2.2)

Onde:

Z = viscosidade em cSt ou mm2/s;

= massa especfica;

30

2.2.2 ndice de Viscosidade

Normalmente a viscosidade dos fluidos diminui com a temperatura. Assim definida

outra importante propriedade do leo que o ndice de viscosidade (VI). O ndice de

viscosidade um numero adimensional, usado para indicar que a viscosidade cinemtica

depende da temperatura do leo. Ela baseada na comparao da viscosidade cinemtica do

leo testado a 40 C, com a viscosidade cinemtica de dois leos de referncias (um VI = 0, e

o outro VI = 100) cada um tendo a mesma viscosidade em 100 C como o leo testado. As

Tabelas para o calculo do VI de uma viscosidade cinemtica medida de um leo a 40 C e 100

C so referenciadas na ASTM D2270.

Figura 2.1 - Determinao do ndice de viscosidade, (BARNES, 2002).

Segundo a Figura 2.1 um leo com menor mudana na viscosidade cinemtica com a

temperatura ter um VI mais alto que um leo com maior mudana de viscosidade para a

mesma variao de temperatura.

A maioria das parafinas, solventes-refinados, minerais-baseados em leos industriais,

possuem VIs tpicos no intervalo de 90 a 105. Entretanto, muitos leos minerais altamente

refinados, sintticos e leos com VI melhorado possuem VIs que excedem 100. leos

sintticos do tipo PAO (Poli Alfa Olefin) possuem VIs na faixa de 130 a 150, (BARNES,

2002).

31

2.3 DESGASTE

O desgaste pode ser definido como a perda progressiva de material, resultado este da

interao mecnica entre duas superfcies em contato lubrificadas ou no. Em geral estas

superfcies esto em movimento relativo (deslizamento ou escorregamento) e com cargas

aplicadas.

Na literatura pode-se encontrar diversas formas de caracterizar os mecanismos de

desgaste. Ludema (1996) relaciona 34 termos diferentes ao discutir a nomenclatura para

descrever o desgaste. Entre as nomenclaturas propostas por Ludema (1996), pode-se encontrar

varias, como desgaste abrasivo, desgaste por polimento, eroso de partculas slidas, eroso

por cavitao, desgaste adesivo, Fretting, desgaste por impacto, desgaste corrosivo, entre

outros.

Outros autores preferem ser mais concisos e classificam o desgaste em menos categorias,

o caso de Neale (1995) e Green (2003) que o caracterizam em trs categorias: desgaste por

adeso, abraso e fadiga superficial. Rabinowicz (1995) e o Kato e Adashi (2001) identificam

quatro formas principais de desgaste: adesivo, abrasivo, corrosivo e por fadiga, alm de uns

processos marginais que so freqentemente classificados como formas de desgaste.

Oxidao, eroso, eroso por cavitao e impacto, so s vezes classificados como tipos de

desgaste, embora Rabinowicz (1995) considere que na realidade nenhum deles seja uma

forma de desgaste.

Cada processo de desgaste obedece as suas prprias leis e, em muitas ocasies, um dos

modos de desgaste atua de tal modo que influencia os outros. Desta forma, na anlise de uma

situao complexa, crucial encontrar a causa primria do desgaste.

Em transmisses do tipo rosca sem fim, ou engrenagens hipides, existe deslizamento que

facilita o surgimento de trincas superficiais; desgaste por adeso, por abraso, por corroso ou

por fadiga superficial so modos potenciais de falha. Portanto, resultados satisfatrios de

operao 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 prprio para as condies de trabalho (CUNHA, 2004).

Desgaste adesivo e desgaste abrasivo so modos de desgaste gerados sobre um contato

plstico. No caso de contato plstico entre materiais semelhantes, a interface de contato tem

uma fora de unio adesiva. Quando suposto que a fratura provocada essencialmente como

o resultado da forte adeso interface de contato, o desgaste resultante chamado desgaste

adesivo, sem particularizar sobre o modo de fratura.

32

No caso do contato plstico entre um material duro e afiado e outro relativamente macio,

o material mais duro penetra no mais macio. Quando suposto que a fratura provocada da

maneira que ocorre um micro-corte, o desgaste resultante chamado desgaste abrasivo,

enquanto reconhecendo a configurao do contato necessrio para o corte, novamente sem

particularizar sobre foras adesivas e modos de fratura (KATO; ADASHI, 2001).

No caso do contato no estado de amaciamento, fratura de fadiga gerada depois de

repetidos ciclos de atritagem. Quando uma falha superficial gerada atravs da fadiga, o

desgaste resultante chamado desgaste por fadiga (KATO; ADASHI, 2001).

No caso de contato em meio corrosivo, a reao triboqumica na interface de contato

acelerada. Quando a reao triboqumica em um meio corrosivo supostamente provocada

atravs da remoo de material, o desgaste resultante chamado desgaste corrosivo. No ar, o

meio corrosivo dominante o oxignio, e o desgaste triboqumico de metais no ar geralmente

chamado desgaste oxidativo (KATO; ADASHI, 2001).

Esses quatro modos de desgaste so mostrados na Figura 2.2, e os mecanismos de

desgaste baseados nesses modos de desgaste so explicados detalhadamente a seguir.

Figura 2.2 - Modos de desgaste (KATO; ADASHI, 2001).

33

2.3.1 - Desgaste Adesivo

A adeso se refere a habilidade das estruturas atmicas se unirem e formar laos

superficiais com outros tomos ou superfcies que elas esto em contato. Microscopicamente

as superfcies no so lisas, existem picos e vales (asperezas) e quando duas superfcies esto

em contato existem ento pontos de contato que concentram a presso de contato e o

aquecimento por atrito, estes pontos de contato podem ser vistos na Figura 2.3.

Figura 2.3 - Pontos de contato entre duas superfcies.

Nos pontos de contato as condies so favorveis para micro-soldagem destes pontos.

As temperaturas locais instantneas podem alcanar o ponto de fuso do metal, mas com

gradientes de temperaturas to ngremes que as parte permanecem frescas ao toque. O

estabelecimento desta junta, ou solda fria como s vezes chamada, s a primeira fase de

um mecanismo de desgaste e no conduz diretamente a perda de material do sistema. Essa

regio soldada pode ento quebrar em um dos corpos quando aplicada uma fora de

cisalhamento, assim permitindo a transferncia de material de uma superfcie para outra.

Se o resultado de uma fratura de solda for a transferncia de material, ento nenhum

desgaste acontece at que algum mecanismo secundrio faa esta partcula se desprender.

Freqentemente o material transferido reside na superfcie e pode se transferir at mesmo para

a superfcie original. Freqentemente so formados grupos de partculas e eles fogem como

uma nica entidade (NEALE, 1995). Novas soldagens (adeses) e correspondentes fraturas

continuam ocorrendo, resultando no que apropriadamente chamado de desgaste por adeso.

Scuffing e scoring so formas moderadas de desgaste adesivo caracterizadas por arranhes

macroscpicos ou deformao de superfcie alinhadas com a direo do movimento. Quando

ocorre scoring, a superfcie encrespada. Scoring leva a taxas de desgaste altas inaceitveis.

causado freqentemente por quebra do filme de lubrificante por superaquecimento,

desalinhamento, deflexo, temperaturas desiguais ou cargas altas e pode ser visto facilmente

34

nas engrenagens (BUDINSKI, 2002 citado por GREEN, 2003). Este tipo de desgaste deve ser

evitado.

Figura 2.4 - Desgaste adesivo por scuffing nos dentes da engrenagem (GREEN, 2003).

Visando aumentar a resistncia ao desgaste por adeso, deve-se tomar precaues na

seleo do par de materiais para que, em condies de contato deslizante ou com lubrificao

limite, haja resistncia ao desgaste por adeso Lipson (1963) citado por Stoeterau (2004),

apresenta dois critrios. O par deslizante deve: (1) ser composto por metais mutuamente

insolveis e (2) que ao menos um dos metais pertena ao sub-grupo B da tabela peridica.

A resistncia da juno formada, seja na superfcie, por adeso natural, seja no interior do

metal devido difuso, depender das caractersticas de juno dos metais envolvidos. Metais

do sub-grupo B da tabela peridica so caracterizados por junes fracas e frgeis chamadas

junes covalentes. Metais como os do sub-grupo A formam junes chamadas inicas, que

se apresentam dcteis e fortes, (STOETERAU, 2004).

O nmero de junes por soldagem a frio depender da solubilidade mtua dos metais.

Normalmente metais iguais ou metalurgicamente similares no devem ser usados juntos.

Metais metalurgicamente similares so chamados compatveis. Metais compatveis so

definidos como tendo completa miscibilidade lquida e pelo menos 1% de solubilidade slida

de um metal no outro na temperatura ambiente. Na Figura 2.5 tem-se o grau de

compatibilidade das vrias combinaes de metais, baseado no diagrama de fases binrias,

segundo Rabinowicz (1980).

35

Figura 2.5 - Compatibilidade baseado no diagrama de fases binrias,(RABINOWICZ, 1980).

O desgaste por adeso normalmente modelado pela equao de Archard:

HWKQ = [mm3/m] (2.3)

Onde:

Q: volume desgastado do material menos duro, por unidade de distncia percorrida.

K: coeficiente adimensional de desgaste [0..1];

W: carga normal [N];

H: dureza do corpo mais mole [N.m-2].

A equao de Archard largamente utilizada pela sua simplicidade e tambm por permitir

quantificar a severidade do desgaste, em diferentes sistemas, atravs do coeficiente K.

36

Hutchings (1992) analisa as relaes embutidas na equao de Archard:

- Para determinao da constante K cada sistema deve ser estudado separadamente, uma vez

que ele uma caracterstica do sistema tribolgico. Tem-se que constante K proporcional

ao desgaste.

- O desgaste aumenta com a carga. Embora isso seja verdadeiro, a linearidade implicita na

equao vale em intervalos relativamente pequenos.

A equao de Archard possui algumas limitaes, entre elas a de no fornecer a taxa de

desgaste do material mais duro. A nica citao encontrada foi a de (BOOSE, 1984),

conforme mostrada na Tabela 2.1.

Tabela 2.1 - Taxa de desgaste do material de maior dureza, (BOOSE, 1984).(Hd / Hm) desgaste do mais duro / desgaste do mais dctil (em volume)

< 3 (Hm / Hd)2

> 3 3 * (Hm / Hd)

2.3.2 - Desgaste Abrasivo

Desgaste abrasivo acontece sempre que um objeto slido pressionado (carregado) contra

partculas de um material que tem dureza igual ou superior. Um exemplo comum deste

problema o desgaste de ps em retro-escavedeiras (partculas de slica arando o metal das

ps). Qualquer material, at mesmo se este for muito dctil, pode causar desgaste abrasivo se

partculas duras estiverem presentes.

O desgaste abrasivo denominado de 2 corpos quando uma superfcie dura e rugosa, ou

uma superfcie macia contendo partculas duras, desliza sobre uma superfcie de menor

dureza, produzindo nela diversas ranhuras, e de 3 corpos quando as partculas duras so livres

para rolar e deslizar entre as 2 superfcies. A taxa de desgaste no casso de 3 corpos

geralmente menor.

37

Figura 2.6 Modos de desgaste abrasivo de 2 e 3 corpos (STACHOWIAK;BATCHELOR, 2005).

Assume-se um modelo de ponto de contato simples onde um abrasivo duro e afiado

pressionado contra a superfcie plana e forma uma ranhura por aragem. Quando o material

desgastado tem uma propriedade dctil, uma tira longa (partcula de desgaste) gerada pelo

mecanismo de microcorte. No caso de material frgil, porm, uma partcula de desgaste

gerada por propagao da trinca (EVANS; MARSHALL, 1981 citado por KATO; ADASHI,

2001). Essas diferenas so mostradas nas Figura 2.7.

Figura 2.7 Desgaste abrasivo de material dctil (KATO; ADASHI, 2001).

38

Na Figura 2.8, tem-se uma microfotografia do desgaste abrasivo por deformao plstica.

Figura 2.8 Micrografia do desgaste abrasivo por deformao plstica (TYLCZAK; OREGON, 1992).

O desgaste abrasivo pode ser reduzido com a adio partculas duras na matriz, de modo a

interromper os riscos (microcorte, microsulcamento), dependendo da distribuio e tamanho

relativos dessas em relao ao abrasivo. s vezes, visando a reduo dos gastos com

manuteno, um do par dos componentes de atrito feito relativamente com menor dureza e

projetado para ser fcil e economicamente substitudo. Por exemplo, superfcies duras de

hastes giratrias so protegidas pelo uso de partes mais dcteis, mancais facilmente

substituveis e buchas. s vezes desejvel que o mancal seja suficientemente suave para

permitir que as partculas abrasivas duras fiquem completamente engastadas de forma que

elas no formem salincia sobre a superfcie atuando como partculas abrasivas (CUNHA,

2005).

2.3.3 - Desgaste Corrosivo

Desgaste corrosivo definido como a degradao de materiais nos quais corroso e outros

mecanismos de desgaste esto envolvidos. Ocorre devido interao da superfcie de

deslizamento com o ambiente que a envolve, formando produtos de reao na superfcie,

principalmente por interaes qumicas ou eletroqumicas, que podem ser removidos por

outros mecanismos de desgaste.

O primeiro estgio do desgaste corrosivo o ataque corrosivo da superfcie. Este estgio

idntico ao que acontece na corroso comum. Quando uma superfcie nua exposta a um

ambiente ao qual ela pode reagir, h uma reao inicial rpida, mas a velocidade dessa reao

reduz-se com o passar do tempo conforme mostrado na Figura 2.9. Associado com o processo

lento, existe a formao de um filme na superfcie que a protege.

39

Figura 2.9 Desgaste corrosivo x Tempo: como formao de filme na superfcie (RABINOWICZ, 1980).

Em alguns casos, a reao qumica continua indefinidamente na sua taxa inicial, conforme

mostrado na Figura 2.10. Isto acontece porque nenhum filme protetor formado, uma vez o

filme poroso, frgil, ou perdeu fragmentos.

Figura 2.10 Desgaste corrosivo x Tempo: sem formao de filme na superfcie (RABINOWICZ, 1980).

O segundo passo do processo de desgaste corrosivo consiste no desgaste fora do filme dos

produtos de reao, como resultado do deslizamento ocorrido neste lugar. Quando isto

acontece, a superfcie nua exposta e o ataque corrosivo continua.

Em muitos casos os produtos de corroso so mais duros e mais frgeis do que as

superfcies na qual eles se formam. H uma tendncia para a camada ser razoavelmente

resistente ao desgaste contanto que esta seja fina. Para o desgaste ser possvel assim que uma

certa espessura de xido alcanada e dependendo das condies de deslizamento, esta

camada pode descamar completamente Assim tem-se a superfcie desprotegida e o processo

repete-se conforme mostrado na Figura 2.11.

Figura 2.11 Formao e escamao da camada de xido (RABINOWICZ, 1980).

40

O desgaste corrosivo pode ser controlado pela presena de detergentes alcalinos no

lubrificante. A alcalinidade dos lubrificantes designada pelo TBN (Total Base Number=

Nmero de Basecidade Total) (TOMANIK, 2000). Pode-se obter tambm a acidez dos

lubrificantes, que designada pelo TAN (Total Acidity Number = Numero de Acidez

Total). O ndice de acidez ou alcalinidade de um leo novo para redutores est normalmente

na faixa de 0,02 0,10.

Em contrapartida, produtos corrosivos como fosfato, sulfetos e cloretos so utilizados em

sistemas onde o processo dominante o desgaste por adeso. O desgaste corrosivo desejado

neste sistema devido formao de um filme macio proveniente da ao corrosiva, com

baixos volumes de desgaste e com boas caractersticas lubrificantes.

Nos dias atuais no se tem um modelo quantitativo bom para previses da profundidade

de desgaste sob condies de desgaste corrosivo. Stoeterau (2004) sugere, para os casos em

que um filme protetor se forma, o valor de k =10-4 a l0-5 como possvel de ser usado.

2.3.4 - Desgaste por Fadiga

Para que haja gerao de partculas nos desgastes dos tipos adesivo, abrasivo ou corrosivo

no necessrio a presena de tenses cclicas. Com o movimento de rolamento, a zona de

contato desloca-se, de modo que a tenso de cisalhamento varia de zero a um valor mximo e

volta a zero, produzindo tenses cclicas que podem levar a uma falha por fadiga do material.

Desgaste gerado aps tais ciclos de contato chamado desgaste por fadiga.

Embora mecanismos de fadiga possam operar sobre condies de desgaste por

deslizamento, eles tendem a ocupar uma posio muito maior nas condies onde existe

contato por rolamento, onde as tenses so altas e o deslizamento pequeno. Tais contatos

tambm podem ocorrer quando existe lubrificao elastohidrodinmica efetiva e

conseqentemente a interao adesiva reduzida ou ausente. Rolamentos de esferas e de

roletes, como tambm engrenagens e cames, so exemplos onde um mecanismo de desgaste

por fadiga geralmente observado.

Abaixo da superfcie pode se formar uma trinca que se propaga devido ao carregamento

cclico podendo chegar superfcie lascando-a e fazendo surgir uma partcula superficial

macroscpica com a correspondente formao de covas (pitting) ou lascamento (spalling).

Pitting origina-se com trincas superficiais, e cada um tem, relativamente, uma pequena rea

superficial. Spalling origina-se com trincas sub-superficiais, que so lascas finas de material

de superfcie. Estes tipos de falhas ocorrem comumente em mancais de rolamento, dentes de

41

engrenagens, cames e em partes de mquinas que envolvem superfcies em contato com

rolamento.

O crescimento da trinca de fadiga superficial est relacionado com a ao do leo

lubrificante existente entre as superfcies. A teoria aceita que o leo que entra na trinca que

surgiu na superfcie aprisionado pela superfcie rolante, que fecha a entrada da pista e fica

submetido a altas presses enquanto o elemento rolante avana. Este leo aprisionado sob alta

presso age como uma cunha que aprofunda a trinca. Esta teoria consistente com a

observao da inclinao da trinca e da existncia de uma viscosidade crtica de leo. Para um

dado material, acabamento e carga, existe uma viscosidade crtica de leo abaixo da qual, na

temperatura de operao, o leo promover a formao de crateras (pitting). leos com

viscosidade maior no causaro fadiga superficial pois no entram na trinca e no formam

cunha, (STOETERAU, 2004).

A tendncia da superfcie para falha por fadiga pode ser obviamente reduzida pelo

decrscimo da carga e do deslizamento. Melhores lubrificantes ajudam, pelo menos, de trs

formas: (1) menor atrito reduz a tenso cisalhante tangencial na superfcie e tambm a tenso

interna resistente trao; (2) menor atrito melhora a transferncia de calor reduzindo as

tenses trmicas e (3) a presena de um bom filme lubrificante usualmente permite uma

favorvel distribuio da presso em cima da rea em contato.

Geralmente, o aumento da dureza superficial aumenta a resistncia fadiga superficial.

Entretanto, a resistncia aumentada associada reduz a habilidade das pequenas imperfeies

de superfcie para se ajustar com o desgaste ou com o fluxo de superfcie, e assim reduz

presses de contato localizadas. Esta parte da razo atrs da prtica comum de fabricao de

um do par de engrenagens acopladas muito duro, com o outro um pouco mais brando para

permitir o amaciamento (run-in) da superfcie (CUNHA, 2005).

A preciso na geometria da superfcie e superfcies extremamente lisas so altamente

benficas. Excees ocorrem quando significativo deslizamento est presente. Ento,

porosidade superficial, ou um padro de pequenas depresses em uma das superfcies em

contato, pode ajudar a prover reservatrios minsculos para segurar lubrificante.

42

2.4 TESTES FSICOS

A anlise de lubrificantes comea com o procedimento de amostragem. Assim, cuidados

devem ser tomados desde a amostragem para que haja sucesso na anlise.

Para estabelecer diretrizes exatas para a condio do leo, amostras regulares so retiradas

de posies cuidadosamente selecionadas nos equipamentos. Os pontos de coletas devem ser

escolhidos de maneira que as amostras contenham o lubrificante que est em ao. Dessa

forma deve-se tomar cuidado para no escolher pontos de fluido estagnado.

Uma vez no laboratrio, todas as amostras devem ser trazidas a uma mesma condio de

temperatura e agitao antes de realizar os testes. Isto particularmente importante ao estudar

as partculas de desgaste em lubrificantes, que podem estratificar (dispor em camadas).

A freqncia de amostragem um outro fator importante. Ela depende do tipo de

equipamento, das condies de servio, e da natureza crtica do servio.

Os registros da manuteno do equipamento devem sugerir uma freqncia de

amostragem apropriada. Caso contrrio, sugere-se uma freqncia, por exemplo, semanal, at

que um registro esteja construdo. Essa freqncia de amostragem deve ser reavaliada e ser

for necessrio diminuda. Uma vez que um problema possvel detectado, a freqncia de

amostragem deve ser aumentada at que uma determinao positiva esteja feita na condio

do equipamento e na ao a ser feita. Na Tabela 2.2, tem-se os intervalos recomendados para

alguns sistemas.

Tabela 2.2 Intervalos recomendados entre inspees (LOCKWOOD e DALLEY, 1992).Sistemas Intervalo entre as inspees (em horas)Turbina a gs de avio 50Sistemas hidrulicos 50Derivados de turbina a gs de avies 50Motores diesel 200Transmisses / engrenagens pesadas 200Sistemas hidrulicos superficiais 200Turbina pesadas a gs 200-500Turbina a vapor 250-500Motores alternativos pesados 250-500

Para cada parmetro do lubrificante que medido, um registro de controle gerado. Aps

um perodo de tempo, este registro revela diretrizes para operao normal de um determinado

tipo de equipamento/lubrificante. Para parmetros tais como a viscosidade, a comparao

direta com especificaes do fabricante do lubrificante e do equipamento fornecem tambm

43

informaes na escala de operao aceitvel. Para ajustar um programa de amostragem e de

anlise, o mesmo deve fornecer informaes para ajustar essas diretrizes estatsticas.

Uma simples inspeo fsica, particularmente no caso da anlise de falha, pode apressar o

diagnstico sobre as condies de operao do equipamento e do desgaste. Os indicadores

tpicos do lubrificante que so observados freqentemente so listados na Tabela 2.3.

Tabela 2.3 Indicadores tpicos do lubrificante: severidades e recomendaes(LOCKWOOD; DALLEY, 1992).

Verificao da deteriorao do lubrificanteAparncia do lubrificante

Teste Objetivo Mtodo de deteco

Ao Corretiva

Visualmente fino ou menos viscoso do que o lubrificante novo.

Verifique paraver se h diluio de combustvel.

Cromatografia a gs.

Substitua ou filtre a vcuo o lubrificantecontaminado com combustvel.

Visivelmente grosso ou mais viscoso do que o lubrificante novo; existe odor oxidado e a cor do lubrificante muito mais escura do que a o lubrificante novo (a oxidao severa evidncia de perodos excessivos de dreno, de condies de funcionamento anormalmente quentes, ou de exposio aos tipos e aos nveis anormais de pr-oxidao).

Confirme o nvel da oxidao do lubrificante.

Espectografiainfravermelha.

Substitua o lubrificante,elimine os fatores que aceleram a oxidao.

Lubrificante leitoso (indica tipicamente a formao de emulso da gua).

Confirme a presena da gua.

Espectografiainfravermelha,titulao em Karl Fischer, placa-quente.

Substitua ou filtre a Vcuo, elimine a fonte da gua se possvel.

Os precipitados ou o gel incomum presente no lubrificante (devido contaminao ou presena de outros lubrificantes).

Identifiquecontaminadoresaps o filtragem.

Espectografiainfravermelha.

Substitua o lubrificante,identifique e elimine a fonte de contaminao.

Os testes fsicos mais comuns utilizados com programas espectrogrficos e programas de

anlise de metais do desgaste so: a viscosidade, o nmero de cido total (TAN), e a

determinao do ndice de gua.

44

O mtodo ASTM D445 utilizado para se determinara viscosidade. O mtodo ASTM D

974 ou D 664 para se determinar o nmero de cidos totais. O mtodo ASTM D 1744 para se

determinar a concentrao de gua por titulao. A presena de glicol oriundo de lquidos

refrigerantes tambm pode ser detectada atravs do mtodo D 2982-85 da ASTM. Nos casos

onde a gua est em nveis acima de 0.05 vol%, a espectrografia infravermelha geralmente

usada. Embora os limites de controle para cada um destes parmetros necessitem ser ajustados

dependendo do tipo de lubrificante e equipamento, variaes de viscosidade de 10%, TAN

maior que 3 mg/g, e gua excedendo 100 a 500 ppm normalmente so suficientes para uma

interveno ou pelo menos uma investigao adicional. A presena de refrigerante sempre

uma causa de alerta, porque implica que este est escapando e se misturando no lubrificante.

2.4.1 Monitoramento da Viscosidade

Monitoramento da viscosidade um importante componente de muitos programas de

anlise de leo. At mesmo pequenas mudanas na viscosidade podem causar grandes

prejuzos a lubrificao. Os Limites de leos industriais tpicos so fixados em 5 % para

precauo, e 10 % para situao crtica, embora aplicaes em altas cargas e sistemas

extremamente crticos devero ter igualmente um sistema de alarme, (BARNES, 2002).

Na Tabela 2.4, tem-se os efeitos do uso de um lubrificante com viscosidade inapropriada.

Tabela 2.4 - Efeitos da mudana da viscosidade.Reduo significante na viscosidade Aumento significante da viscosidade Perda do filme de leo causando

desgaste excessivo; Aumento do atrito mecnico causando

consumo excessivo de energia; Gerao de calor devido ao atrito

mecnico; Vazamento interno ou externo; Aumento da sensibilidade para

contaminao de partcula devido reduo do filme de leo;

Falha do filme de leo para altas temperaturas, altos carregamentos ou durante partidas e paradas.

Excessiva gerao de calor resultando na oxidao do leo, lodo e desenvolvimento de verniz;

Cavitao gasosa devido ao fluxo inadequado de leo para bombas e mancais;

Falta de lubrificao devido ao fluxo inadequado de leo;

Chicoteamento de leo no mancal radial; Consumo excessivo de energia para

superar o atrito do fluido; Fraca demulsibilidade; Bombeamento fraco durante partidas a frio.

Sempre que uma mudana significativa na viscosidade observada, a origem da causa do

problema dever sempre ser investigada e corrigida. Mudanas na viscosidade podem ser

45

resultado de uma mudana na base qumica do leo (uma mudana na estrutura molecular do

leo), ou devido ao ingresso de contaminantes.

Mudana na viscosidade requer testes adicionais, tais como: nmero de cidos (AN) e

espectroscopia infravermelho com a transformada de Fourier (FTIR), para confirmar a

incipiente oxidao; teste de contaminantes para identificar a presena de gua, fuligem ou

ingresso de glicol; ou outro teste menos comumente usado, tal como o teste de ultracentrfuga

ou cromatografia a gs (GC), para identificar uma mudana na base qumica do leo.

A viscosidade uma propriedade fsica importante que deve ser monitorada e controlada

cuidadosamente, devido ao seu impacto no leo e o impacto do leo na vida til dos

equipamentos. Medindo-se a viscosidade diretamente no local usando um de muitos

instrumentos de anlise de leo capazes de determinar a mudana de viscosidade com

preciso, ou se enviando amostras habitualmente para um laboratrio, importante para

aprender como a viscosidade determinada, e como mudanas podem incidir na

confiabilidade do equipamento. Uma medida proativa deve ser tomada para determinar a

condio de alma do equipamento o leo! (CUNHA, 2005).

46

2.5 ANLISE ESPECTROGRFICA DOS METAIS

chamado de espectroscopia o mtodo utilizado para anlise de elementos simples, da

estrutura qumica de compostos inorgnicos ou grupos funcionais de uma substncia orgnica

utilizando radiao electromagntica.

Os Programas de Anlise de leo por Espectrografia (Spectrometric Oil Analysis

Program SOAP) comearam a ser utilizados nos anos 40 pela indstria da estrada de ferro

para teste de desgate a partir de amostras de lubrificante. Com o advento do espectrmetro de

emisso atmica os mtodos SOAP passaram a ser utilizados em avies militares e veculos

militares com motores diesel. Os mtodos incluem a absoro atmica (AA), espectrografia

de emisso atmica (AES), plasma induzido por emisso(ICPE), Raio X por fluorescncia

(XRF). Destes mtodos, AES e ICPE, que baseiam-se na deteco da luz emitida pelos

elementos, so os mais populares por causa do custo, da velocidade, e de outros fatores

(LOCKWOOD; DALLEY, 1992).

Sempre quando se excita uma substncia com uma fonte de energia, esta pode emitir ou

absorver radiao em determinado comprimento de onda. Assim, analisando estas radiaes

pode-se determinar a composio da substncia. No caso da espectrografia por absoro

atmica (AA) o princpio bsico consiste em submeter uma amostra de lubrificante a uma

fonte de voltagem (15 kV) a qual esquenta e libera energia. Radiaes com diferentes

comprimentos de onda so geradas, e so identificadas como sendo sendo elementos

constituintes do lubrificante. A intensidade de radiao a uma freqncia especfica

proporcional concentrao de seu respectivo elemento. Na Figura 2.12, tem-se um esquema

ilustrativo desse fenmeno.

Figura 2.12 - Diagrama esquemtico da Espectrografia de Absoro Atmica.

47

A anlise espectrogrfica dos metais determina a concentrao de metais e de partculas

de at 10 mcrons de tamanho, tais como, desgaste moderado (deslizamento benigno) e os

estgios adiantados da fadiga, uma vez que nestas modalidades de desgaste a distribuio

predominante de partculas est dentro da escala detectvel (

48

2.6 CONTAGEM DE PARTCULAS

A Contagem de partcula consiste em monitorar o nmero das partculas de um dado

tamanho por volume de fluido. usada como uma ferramenta de monitorao preliminar em

combinao com outros mtodos analticos. A contagem de partculas e a ferrografia de

leitura direta detectam o incio do desgaste severo com um aumento rpido na quantidade e no

tamanho das partculas. A contagem de partculas detecta todas as partculas, visto que a

ferrografia de leitura direta indica s partculas ferrosas do desgaste.

Muitos instrumentos pticos sensveis so usados na contagem do nmero de partculas

em diferentes faixas de tamanho. Esta contagem informa o nmero de partculas maiores que

um certo tamanho encontrado em um volume especificado de fluido.

A nova ISO 11171 (Organizao Internacional de Normas Tcnicas) substituiu a ISO

4406 em aceitao da ISO MTD (Medium Test Dust) como uma substituio da ACFTD

(Air Cleaner Fire Test Dust). A maioria das verses extensamente usadas desta norma

tcnica, referem ao nmero de partculas maiores que 4, 6, e 14 mcrons em 1 mililitro de

fluido. O numero de partculas 4+ e 6+ so usados como um ponto de referencia de partculas.

O tamanho 14+ indica a quantidade de partculas grandes presentes, as quais contribuem

grandemente para a possvel falha catastrfica da mquina.

A Figura 2.13 e Tabela 2.5 representam um exemplo de medida, onde o resultado obtido

atravs de um cdigo ISO. A Tabela 2.6 mostra os vrios nmeros do cdigo ISO 4406.

Figura 2.13 - Exemplo de um Cdigo ISO obtido, (PARKER, 2000).

Tabela 2.5 - Classificao e definio pela ISO, (PARKER, 2000).

Nmero Mcron Partcula RealIntervalo de Contagem(por ml)18 4+ 1,300 2,50016 6+ 320 64013 14+ 40 - 80

49

Tabela 2.6 - Tabela referente a ISO 4406, de 1999, (PARKER, 2000).Nmero de partculas por mlNmero mais que at e incluindo

24 80,000 160,00023 40,000 80,00022 20,000 40,00021 10,000 20,00020 5,000 10,00019 2,500 5,00018 1,300 2,50017 640 1,30016 320 64015 160 32014 80 16013 40 8012 20 4011 10 2010 5 109 2.5 58 1.3 2.57 .64 1.36 .32 .64

Os equipamentos de deteco de partculas so do tipo interrupo de luz ou do tipo

explorao a laser. Os problemas com este mtodo incluem a dificuldade de obter amostras

consistentes e as contagens incorretas causadas por artefatos tais como bolhas de ar. Uma

alternativa mais trabalhosa, porm aceitvel, a contagem de partculas coletadas por um

filtro com posterior contagem e medio ao microscpio. Esta tcnica conhecida com Patch

Test.

A contagem de partcula usada extensamente para monitorar os sistemas hidrulicos,

onde as partculas de desgaste so maiores que 10 mcrons (alm dos limites da espectrografia

normal). Muitas indstrias publicam nveis recomendados de contagem de partculas. A

contagem de partcula mais apropriada quando os mecanismos de fadiga so meios

preliminares da falha ou quando as partculas de contaminantes causam abraso. A fadiga

sub-superficial ocorre em condies de lubrificao fludica (full-fluid-film), conduzindo a

partculas maiores distribuio inicial, que pode prosseguir rapidamente. Este cenrio, onde

(relao da espessura de pelcula do leo pela aspereza pela superfcie) excede

aproximadamente 1, tratvel ao monitoramento pela contagem de partcula ou pela deteco

por plugue magntico.

50

2.6.1 - Deteco magntica por plug/chip (MCD)

uma variao do mtodo de filtragem/contagem para a contagem de partculas. Uma

pea magntica introduzida no fluxo do leo em uma parte da mquina para coletar

continuamente o material ferroso. As partculas so vistas tipicamente em microscpio. Este

mtodo de coleta capta partculas grandes e , conseqentemente apropriado para os sistemas

que funcionam na condio de lubrificao fludica, por exemplo, a maioria dos sistemas

hidrulicos. Na Figura 2.14, tem-se uma fotografia de plugues magnticos utilizados na

contagem de partculas.

Figura 2.14 Fotografia de plugues magnticos utilizados na contagem de partculas.

2.7 FERROGRAFIA

Para o estudo das partculas slidas misturadas nos leos, a ferrografia a tcnica

laboratorial mais importante. Esta consiste na determinao da severidade, modos e tipos de

desgaste em mquinas por meio da identificao da morfologia, acabamento superficial,

colorao, natureza e tamanho das partculas encontradas em amostras de leos ou graxas

lubrificantes de qualquer viscosidade, consistncia e opacidade.

A ferrografia a nica que permite a determinao potencial da quantidade e do tipo de

desgaste assim como a fonte do desgaste. Os avanos progressivos em instrumentao

ferrogrfica permitiram o estudo e a classificao ampla das partculas do desgaste produzidas

por muitos metais e substncias diferentes, magnticas e no-magnticas (LOCKWOOD;

DALLEY, 1992).

51

Descoberta em 1971 por Vernon C. Westcott, um tribologista de Massachusetts, Estados

Unidos, a ferrografia foi desenvolvida durante os anos subseqentes com a colaborao do

Roderic Bowen e patrocnio do Centro de Engenharia Aeronaval Americano e outras

entidades, (BIBVIRT, 2004). Em 1982 esta foi liberada para uso civil e trazida para o Brasil

em 1988 (BARONI; GOMES, 2000).

As tcnicas ferrogrficas se dividem em dois nveis de anlise. Uma quantitativa, que

consiste numa tcnica de avaliao das condies de desgaste dos componentes de uma

mquina por meio da quantificao das partculas em suspenso no lubrificante e uma

analtica, que utiliza a observao das partculas em suspenso no lubrificante.

2.7.1 Ferrografia Quantitativa

Tambm conhecida como ferrografia de leitura direta, consiste de uma medio da

concentrao das partculas ferrosas em uma amostra de fluido. Atravs desta tcnica, pode-se

obter informaes sobre o grau de severidade do desgaste presente na mquina em anlise.

Para estabelecer diretrizes exatas para a condio do leo, amostras regulares so retiradas

de posies cuidadosamente selecionadas no sistema da mquina, preferivelmente durante a

operao normal (LOCKWOOD; DALLEY, 1992). Na examinao ferrogrfica de leitura

direta, usa-se a densidade tica para medir quantitativamente a concentrao das partculas de

desgaste em um leo lubrificante ou em um lquido hidrulico. As partculas so qualificadas

segundo seus tamanhos em DL (large particles), partculas grandes, maiores que 5 mm, e DS

(small particles), partculas pequenas, menores que 5mm. Os valores da concentrao de

partculas de desgaste (WPC), Equao 2.4, e a porcentagem de partculas grandes (PLP),

Equao 2.5, so derivados desse modo.

WPC = DL+DS (2.4)

PLP = [(DL - DS) / (D

manutencao de redutores

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