manutenção preditiva de motores diesel
TRANSCRIPT
MANUTENÇÃO PREDITIVA DE MOTORES DIESEL ATRAVÉS DE PARÂMETROS
OPERACIONAIS
Luiz Augusto Rocha Baptista
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS
PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUESITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇAO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM
ENGENHARIA OCEÂNICA.
Aprovada por:
St,i 0-ú. ,L-, FSh Prof. Severino Fonseca da Silva Neto, D.Sc.
Prof. Carlos #odrigues Pereira Belchior, D.Sc.
Prof. RiZhafBBávid Schachter, Ph.D
Prof. Sílvio Carlos de Almeida, D.Sc.
Prof. Hélio Mitiu Murishita, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
JUNHO DE 1999
BAPTISTA, LUIZ AUGUSTO ROCHA
Manutenção Preditiva de Motores Diesel
Através de Parâmetros Operacionais [Rio de
Janeiro] 1999
X1,142 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, D.Sc.,
Engenharia Oceânica, 1999)
Tese - Universidade Federal do Rio de
Janeiro, COPPE
1. Manutenção de Motores Diesel
I. COPPEIUFRJ 11. Título (série)
Resumo da Tese apresentada a COPPEIUFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)
MANUTENÇÃO PREDITIVA DE MOTORES DIESEL ATRAVÉS DE
PARÂMETROS OPERACIONAIS
Luiz Augusto Rocha Baptista
Orientadores: Severino Fonseca da Silva Neto
Carlos Rodrigues P. Belchior
Programa: Engenharia Oceânica
Este trabalho apresenta os conhecimentos mínimos, necessários para que um
sistema especialista automático possa ser desenvolvido e utilizado para detectar e
predizer falhas em motores diesel. Fazem parte deste conhecimento: os parâmetros
operacionais e as árvores de falhas para diagnósticos dos sistemas dos motores
diesel; o processo de análise dos dados e as expressões matemáticas dos
parâmetros nas diversas condições de carga de um motor específico.
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partia1 fulfillment of the
requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)
PREDICTIVE MAINTENANCE OF DIESEL ENGINES
USING OPERATING PARAMETERS
Luiz Augusto Rocha Baptista
Advisors: Severino Fonseca da Silva Neto
Carlos Rodrigues P. Belchior
Department: Ocean Engineering
This work presents the minimum necessary knowledge so as an automated
expert system can be developed to predict diesel engine fails. Included in this
knowledge are: oparating paramaters and the fault trees for diagnosis of diesel
engines; a data analysis process and the mathematical expressions of a specific
engine;.
." .......................................................................................................... I) INTRODUÇAO: I
II) OBJETIVOS DA TESE: ............................................................................................ 3
................................................................................. III) SISTEMAS ESPECIALISTAS: 6
.. III.l.l) PROBLEMAS QUE JUSTIFICAM O USO DE UM SISTEMA ESPECIALISTA. 6
iii.l.2) JUSTIFICATIVA PARA A UTILIZAÇÃO DE SISTEMAS ESPECIALISTAS NA MANUTENÇAO PREDITIVA: ........................................................................................ 7
111.1.2.1) JUSTIFICATIVA PARA UTILIZAÇÃO DE SISTEMAS ESPECIALISTAS NA MANUTENÇÃO PREDITIVA DE MOTORES DIESEL: ................................................. 8
....................................... 111.1.3) COMPONENTES DE UM SISTEMA ESPECIALISTA: 9
111.1.3. I ) BASE DE CONHECIMENTOS: ...................................................................... - 9
111.1 .3.1 . 1) REPRESENTAÇÃO DO CONHECIMENTO: ............................................. 10
111.1.3.3) BANCO DE DADOS: .................................................................................... 12
111.1.3.4) INTERFACE COM O USUÁRIO: .................................................................. 12
............................... 111.1.4) DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS ESPECIALISTAS: 12
.......................................................... 111.2) TIPOS DE SISTEMAS ESPECIALISTAS: 13
111.2.1) SISTEMAS MANUAIS (" OFF-LINE): .............................................................. 13
..................................................................................................... 111.2.1.í) "ADETA: 13
.......................................................... 111.2.1 . I . 1) CARACTER~STICAS DO "ADETA : 14
111.2. I . 1. 1 .I) PARÂMETROS MONITORADOS: .......................................................... 14
.................................... 111.2.1 . 1. 1.3) RELATÓRIOS FORNECIDOS PELO SISTEMA: 17
..................................................... 111.2.1.2) 0 SISTEMA ESPECIALISTA "ATEMDI" : 18
.......................................................................... 111.2.1.2. I ) 0 DESENVOLVIMENTO: 18
111.2.1.2.2) CARACTER~STICAS DO SISTEMA: ................................................... 1 8
111.2.1.2.2.1) CARACTER~STICAS DA APLICAÇÃO: .................................................. 18
-v-
............................................ 111.2.1.2.2.2) CARACTER/STICAS DA MONITORAÇÃO: 19
................................. 111.2.1.2.2.3) CARACTER~STICAS DA ANÁLISE DOS DADOS: 19
.................................. 111.2.1.2.3) PROBLEMAS DO SISTEMA "ATEMD1"P'ADETA : 20
...................................................................................................... 111.2.1.3) "CAPA: 21
............................................................ 111.2.1.3.1) CARACTER~STICAS DO " CAPA : 22
111.2.2) SISTEMAS AUTOMÁTICOS (" ON-LINE) ....................................................... 23
........................................................................................................ 111.2.2.1) " FAKS: 23
111.2.2.2) " DEEDS : .................................................................................................... 24
................................................................... 111.3) BALANÇO DO ESTADO DA ARTE: 26
..................................................... 111.3.1) MONITORAÇÃO CONT~NUA DO MOTOR: 26
111.3.2) AVALIAÇÃO DOS DADOS MONITORADOS: ................................................. 26
111.3.3) DETECÇÃO E DIAGNÓSTICO DA ANORMALIDADE (FALHA): ..................... 27
IV) ESTUDO DO RELACIONAMENTO ENTRE OS PARÂMETROS OPERACIONAIS E AS FALHAS NOS SISTEMAS DOS MOTORES DIESEL: ....................................... 28
IV . 1) DESENVOLVIMENTO DO ESTUDO: ................................................................ 28
IV . 1 . I ) DIVISÃO DO MOTOR DIESEL EM SISTEMAS: .............................................. 29
IV.1. I .I) ESTUDO DOS SISTEMAS: .......................................................................... 29
IV.1.1.1 . 1) SISTEMA DE COMBUST~VEL E INJEÇÃO DE COMBUST~VEL: ............. 30
iv.1 . 1.1 .I . 1) PARÂMETROS MONITORÁVEIS: ......................................................... 31
1v.1 . 1.1 .I . 2) DESCRIÇÃO F~SICA OU OPERACIONAL DOS SINTOMAS: ................ 31
IV.l.l. 1 . 1 . 3) ARVORES DE FALHAS: ........................................................................ 32
IV.1.1. 1.2) SISTEMA DE AR DE CARGA E GASES DE EXAUSTÃO: ....................... 34
. iv.1 i . I . 2.1) PARÂMETROS MONITORÁVEIS: ......................................................... 34
lV.l . 1. 1.2.2) DESCRIÇÃO F~SICA OU OPEBACIONAL DOS SINTOMAS: ................ 34
........................................................................ IV.1.1.1.2.3) ARVORES DE FALHAS: 35
. . IV.1 I 1 . 3) SISTEMA DOS CILINDROS: ..................................................................... 42
. 1v.1 I. 1.3.1) PARÂMETROS MONITORÁVEIS: ......................................................... 42
. iV.l 1. 1 . 3.2) DESCRIÇÃO F~SICA OU OPERACIONAL DOS SINTOMAS: ................ 42
........................................................................ IV.l . I. 1.3.3) ÁRVORES DE FALHAS: 42
lV.l . 1 . 1 . 4) SISTEMA PISTÃO-BIELA: ........................................................................ 44
1v.1. I . I AI) PARÂMETROS MONITORÁVEIS: ......................................................... 44
.................... IV.1. I . 1 .4.2) DESCRIÇÃO F~SICA OU OPERACIONAL DO SINTOMA: 45
.......................................................................... IV.l . I . 1.4.3) ÁRVORES DE FALHA: 45
..................................... IV . I . 1.1.5) SISTEMA DOS CABEÇQTES DOS CILINDROS: 46
......................................................... i v . I . I . I . 5.1) PARÂMETROS MONITORÁVEIS: 46
............... lV.l . 1. 1.5.2) DESCRIÇÃO F~SICA OU OPERACIONAL DOS SINTOMAS: 4 7
lV.1.1.1.5.3) ÁRVORES DE FALHAS. ........................................................................ 47
....................................................... IV . I . 1.1.6) SISTEMA DO EIXO DE MANIVELAS: 49
IV . I . I. I . 6. I) PARÂMETROS MONITORÁVEIS: ......................................................... 49
iV.1 . I . I . 6.2) DESCRIÇÃO F~SICA OU OPERACIONAL DOS SINTOMAS. ................ 49
IV.l . 1. 1.6.3) ÁRVORES DE FALHA: .......................................................................... 50
IV.l . I. 1.7) SISTEMA DE TRANSMISSÃO: ................................................................. 51
1v.1 . I. 1.7.1) PARÂMETROS MONITORÁVEIS: ......................................................... 51
lV.1.1.1.7.2) DESCRIÇÃO F~SICA OU OPERACIONAL DO SINTOMA: .................... 51
IV . 1 . 1. 1.8) SISTEMA DO CARTER: ............................................................................ 52
1v.1 . I .I . 8.1) PARÂMETROS MONITORÁVEIS: ......................................................... 52
IV.l . 1 . 1 . 8.2) DESCRIÇÃO F~SICA OU OPERACIONAL DOS SINTOMAS: ................ 52
IV . 1 . 1. I . 8.3) ARVORE DE FALHAS: .......................................................................... 52
IV . 1 . 1. I . 9) SISTEMA DE ÓLEO LUBRIFICANTE: ...................................................... 54
1v.1 . I . I . 9.1) PARÂMETROS MONITORAVEIS: ......................................................... 54
iV.l . 1. 1 . 9.2) DESCRIÇÃO F ~ C A OU OPERACIONAL DOS SINTOMAS: ................ 54
IV . 1 .I . 1.9.3) ÁRVORES DE FALHAS: ........................................................................ 55
IV.l . I . 1. 10) SISTEMA DE RESFRIAMENTO: ............................................................. 58
IV . I . I . I. 10.1) PARÂMETROS MONITORÁVEIS: ....................................................... 59
IV.l . 1. 1 . 10.2) DESCRIÇÃO F~SICA OU OPERACIONAL DOS SINTOMAS: .............. 59
IV.l . 1. 1.10.3) ARVORES DE FALHAS: ...................................................................... 60
. vii .
IV.2) RELACIONAMENTO ENTRE OS SINTOMAS E AS FALHAS NOS SISTEMAS DO MOTOR DIESEL: ................................................................................................. 68
IV.2.1) MATRIZ DE DIAGNOSTICOS: ........................................................................ 68
V) PROCESSO DE ANÁLISE DOS DADOS MONITORADOS DOS PARÂMETROS OPERACIONAIS: ....................................................................................................... 79
V . 1) PROCESSO DE ANÁLISE PROPOSTO: ............................................................ 79
V.2) MONITORAÇÃO DOS PARÂMETROS OPERACIONAIS INDEPENDENTE DA ...................................................... CONDIÇÃO DE CARREGAMENTO DO MOTOR: 80
.................................................... V.2.1) DETERMINAÇÃO DA CARGA DO MOTOR: 80
. V.2. I . 1) DETERMINAÇÃO DA CARGA DO MOTOR PROPOSTA: .......................... 81
..................................................... V.2.2) FAIXAS DE OPERAÇÃO DOS MOTORES: 82
V.2.3) DETERMINAÇÃO DOS VALORES NORMAIS E DOS LIMITES MÁXIMOS E ..................................................... M~NIMOS DOS PARÂMETROS OPERACIONAIS: 82
V.2.3.1) MOTOR SELECIONADO: ............................................................................. 83
........................................................................ V.2.3.2) DADOS DE DESEMPENHO: 83
V.2.3.4) DETERMINAÇÃO DOS LIMITES DOS PARÂMETROS EM CADA ............................................................................................ CONDIÇÃO DE CARGA: 84
" V.2.3.5) DISTRIBUIÇAO NORMAL: ............................................................................ 85
V.2.3.6) DETERMINAÇÃO DA CARGA NO MOTOR EM QUESTÃO: ........................ 85
................. V.2.3.7) GRÁFICOS DE CONTROLE PARA O MOTOR SELECIONADO: 87
........................... V.2.3.7.1) AJUSTE DAS CURVAS E ANÁLISE DE REGRESSÃO: 88
................................................... v.2.3.7.1. I) EXPRESS~ES DOS PARÂMETROS: 98
V.2.3.7.1.2) VALIDAÇÃO DAS EXPRESSÕES: ....................................................... 100
................................................................................. VI) EXEMPLOS DE ANÁLISE: 101
............................................. VI.1) DADOS DOS PARÂMETROS OPERACIONAIS: I01
s
VII) CONCLUSAO. .................................................................................................. 1 04
A.l) TIPOS DE MANUTENÇÃO: .............................................................................. 106
A . I .I) CORRETIVA: ................................................................................................ 1 06
A . 1.1.1) VANTAGENS: .................................... ... ................................................ 1 06
A. l .I . 2) DESVANTAGENS: ...................................................................................... 107
A . 1.2) PREVENTIVA: ............................................................................................... 107
A.1.2. I ) VANTAGENS: ............................................................................................. 107
A . 1.2.2) DESVANTAGENS: .................................................................................... 1 0 8
................................................. A.1.3) MANUTENÇÃO BASEADA NA CONDIÇÃO: 108
A.1.3.1) VANTAGENS: ............................................................................................. 109
A . I . 3.2) DESVANTAGENS: ...................................................................................... I09
APÊNDICE " 6 . INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL E SISTEMAS ESPECIALISTAS: ..... 110
.................................................. B.l) DEFINIÇÃO DE INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL: 110
B.3) DIVISÕES DA INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL: ................................................ 110
B.4.) PASSOS NO DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA ESPECIALISTA: ....... 111
B.5) FERRAMENTAS UTILIZADAS NO DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS ESPECIALISTAS: ..................................................................................................... 111
B.6) TEMPO E CUSTO DE DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA ESPECIALISTA: ................................................................................................................................. 112
APÊNDICE " C . DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS PARÂMETROS OPERACIONAIS ........................................................................................ DOS MOTORES DIESEL: 113
APÊNDICE " D" . VALORES EXPERIMENTAIS E CALCULADOS PARA OS ............................. PARÂMETROS OPERACIONAIS DO MOTOR MTU 956 TB 91: 119
APÊNDICE "E" . FORMAS DE DETERMINAR A CARGA DO MOTOR: ................. 126
......................................................................................................... BIBLIOGRAFIA 128
A-
Amb. -
A.D. - A.S. -
[AI - [Bl - C-
FPI -
H -
HT ou H.T. - lnj. - IMEP,imep - LI, L2 -
LIC - LM - LSC -
LT OU L.T. - MCR - N - N -
Nr-
O.L. - P -
PATM ou
Patm - Pc -
Pcomb -
LISTA DE S~MBOLOS:
Área do cilindro de um motor;
Ambiente;
Água Doce;
Água Salgada;
Banco de cilindros " A de um motor;
Banco de cilindros " B" de um motor;
Posição da cremalheira de combustível de um motor;
" Fuel Pump Indicator" ;
Nomenclatura original de classificação cios sintomas dos parâmetros
segundo o sistema especialista " ADETA" (H -" High");
Circuito de alta temperatura de um motor (HT - " High Temperature");
Injetora ou injetor;
Indicated Mean Efective Pressure;
Limites de variação dos valores dos parâmetros entre análises
consecutivas;
Curso do pistão de um motor;
Nomenclatura original de classificação dos sintomas dos parâmetros
segundo o sistema especialista " ADETA" (L -I' Low");
Limite Inferior de controle - gráfico de controle;
Linha média - gráfico de controle;
Limite Superior - gráfico de controle;
Circuito de baixa temperatura de um motor (LT - " Low Temperature");
" Maximum Continuos Rating" ;
Velocidade rotacional;
Nomenclatura original de classificação dos sintomas dos parâmetros
segundo o sistema especialista " ADETA (N -" Normal");
Número de revoluções do eixo de manivelas por ciclo;
Óleo Lubrificante;
Potência;
Pressão atmosférica;
Pressão de compressão nos cilindros de um motor;
Pressão de combustão nos cilindros de um motor;
Pi - Pmax - PMEI - PMI - POT - Resf. - S -
ss - T -
Tex - Válv. - Vd - Y-
Ycalc. - Yi -
Yicalc. -
Ys - Yscalc. -
Potência indicada;
Pressão máxima nos cilindros de um motor;
Pressão média efetiva indicada;
Pressão média indicada;
Potência;
Resfriador;
Desvio Padrão;
Média dos desvios padrões;
Torque gerado por um motor;
Temperatura de exaustão;
Válvula;
Volume deslocado pelo pistão no cilindro de um motor;
Médias dos valores dos parâmetros;
Valor médio do parâmetro calculado pela expressão empírica;
Limite inferior de controle do parâmetro;
Limite inferior de controle do parâmetro calculado pela expressão
empírica;
Limite superior de controle do parâmetro;
Limite superior de controle do parâmetro calculado pela expressão
empírica;
Variação máxima de um parâmetro entre os cilindros de um motor;
Desvio padrão;
Média de um conjunto de valores;
Eficiência mecânica;
A manutenção preditiva tem sido utilizada, nas últimas décadas, pelos setores
industrial, marítimo e de transportes, como a solução para reduzir os custos de
manutenção, o prejuízo decorrente dos atrasos e das perdas na produção; causados
por falhas inesperadas, trocas de componentes que ainda tenham vida útil, falta de
planejamento logístico, etc.
Aplicada principalmente aos equipamentos de alto custo, este tipo de
manutenção requer a monitoração da sua condição, para que falhas em
desenvolvimento possam ser detectadas. A monitoração da condição envolve a
aquisição e análise de uma grande quantidade de dados para identificação de falhas
e obtenção de diagnósticos, requer um profissional especialista, com profundo
conhecimento sobre o equipamento e suas falhas.
0 s motores diesel, em particular o marítimo, como componente caro e
importante em diversas instalações, é um ótimo exemplo de equipamento onde a
monitoração da condição para predição de falhas é aplicada. Além do custo inicial
elevado, estes motores utilizam o processo de manutenção preventiva (substituindo
componentes em função do número de horas de operação acumulado - apêndice
" A ) , o que induz a gastos periódicos com a aquisição de peças e desmontagens,
esta última sendo prejudicada por espaços reduzidos em praças de máquinas.
Quando efetivo, um programa de manutenção baseado na condição traz benefícios
como: aumento da confiabilidade e disponibilidade do equipamento; extensão dos
intervalos periódicos da manutenção preventiva e redução nos custos de
manutenção;
A coleta e análise de grandes quantidades de dados e a incerteza por parte das
gerências em reconhecer os benefícios econômicos da monitoração da condição
foram fatores que contribuíram inicialmente para dificultar a aceitação deste processo
de manutenção.
A partir do início dos anos 80 com o desenvolvimento de processadores
compactos, foi possível construir equipamentos para coleta de dados e desenvolver
sistemas (" softwares"), permitindo a integração da monitoração da condição com as
medições por processadores. Desta forma os problemas com a coleta de dados, ou
seja, a habilidade do operador em medir e registrar grandes quantidades de dados
com precisão, pôde ser contornada.
O nível de esforço necessário para processar manualmente os dados ainda
representavam problema. Com a pesquisa e o desenvolvimento da inteligência
artificial (apêndice " B ) , que é voltada principalmente para o estudo das formas de
raciocínio dos seres humanos, sua representação e utilização em programas em
computadores, foi possível reduzir sensivelmente o problema. Estes programas,
batizados de "Sistemas Especialistas", têm sido utilizados em diversos campos,
tendo na obtenção de diagnósticos uma de suas melhores aplicações.
O autor foi responsável pelo desenvolvimento do sistema especialista ATEMDI.
Este, por desejo da Marinha Brasileira, foi baseado no sistema especialista "ADETA.
Ambos fazem parte de um procedimento que visa a manutenção preditiva de motores
diesel marítimos. O "ADETA" foi projetado de forma a englobar todos os motores
(aproximadamente 54 modelos de 15 fabricantes) utilizados nos navios da Marinha
Americana, sem necessitar, para sua utilização, de alterações em suas instalações.
Apesar destas características parecerem bastante convenientes, elas levaram a um
processo repetitivo e trabalhoso, para cada motor, em paralelo as tarefas já
executadas a bordo de cada navio. Neste processo, cada motor deve ser colocado
sob a mesma condição de carga a que esteve submetido nas aquisições de dados
anteriores. 0 s dados são coletados visualmente da instrumentação do motor por seu
operador e em seguida passados ao sistema especialista. Estes dados pertencem
aos parârnetros operacionais (pressões, temperaturas, posições de ajustes, etc.) do
motor. Neste sistema especialista são utilizados dez parâmetros que correspondem
aos básicos ou comuns aos diversos modelos de motores.
O principal objetivo do desenvolvimento do sistema, batizado pela Marinha de
" ATEMDI" , era de incorporar o motor MTU modelo 956 TB 91. Neste modelo, apenas
seis dos dez parâmetros podem ser monitorados, porém, o mesmo permite que
outros parâmetros tenham seus dados monitorados e analisados, o que aumentaria
muito a quantidade e a qualidade dos diagnósticos oferecidos por um sistema
especialista.
As dificuldades impostas pelo processo, geradas em função das características
destes dois sistemas, seriam as seguintes: colocação dos motores sob a mesma
condição de carga para cada aquisição de dados; leitura da instrumentação (nem
sempre aferida) para cada parâmetro monitorado (o que implica em submeter um
operador do motor a esta tarefa) e dependência de uma pessoa para introdução dos
dados no sistema. Estas dificuldades têm contribuído bastante para que uma
ferramenta poderosa, como o sistema especialista, neste caso em particular, seja
ainda pouco efetiva na manutenção preditiva.
- 2 -
II) OBJETIVOS DA TESE:
Visando modificar o sistema especialista "ATEMDI" ou criar um sistema novo,
torna-se necessário estudar soluções de forma que os fatores que dificultam o seu
processo possam ser eliminados ou minimizados.
A eliminação da dependência da carga bem como do fator humano para coletar
os dados dos parâmetros operacionais dos motores, são encontrados nos sistemas
especialistas mais sofisticados, chamados de sistemas " On-line". Estes sistemas
possuindo ou trabalhando em parceria com um sistema de aquisição de dados,
permitem que grande quantidade de dados sejam coletados de sensores instalados
no motor. Além disto, a periodicidade entre coletas pode ser variada, desde alguns
minutos até centenas de horas. Como o número de sensores pode ser elevado, o
número de parâmetros monitorados é correspondente e desta forma qualidade dos
diagnósticos é superior, pois quanto maior o número de parâmetros mais precisa é
identificação das falhas.
Para o sistema analisar os dados dos parâmetros em uma condição qualquer
de carga, é necessário que o mesmo possua um meio de determinar se seus valores
estão normais ou não.
Baseado no foi exposto os objetivos da tese são apresentados em seguida:
Estudar como os parâmetros operacionais se relacionam com as diversas
falhas dos sistemas do motor diesel, levando em consideração o tipo de
motor bem como as particularidades de seus sistemas;
Montar uma matriz (de diagnósticos) que relacione o comportamento dos
parâmetros com as falhas de cada sistema, de acordo com o tipo de motor;
Propor um processo de análise dos dados, contendo: uma forma prática de
identificar a condição de carga do motor e um meio de determinar se os
valores dos parâmetros operacionais estão normais ou não.
0 s resultados dos objetivos da tese serão usados como a parte principal dos
"conhecimentos" que deverão constar na "base de conhecimentos" (ver definições
de sistemas especialistas no capítulo III) do sistema especialista a ser desenvolvido
futuramente.
A técnica de estudar e representar as falhas de um sistema e conhecida como
'FTA' (" Fault Tree AnalysisB)- Análise por Árvore de Falhas, é segundo PERAKIS [I]
a mais adequada para motores, pois permite observar falhas comuns ou que têm
reflexo em diversos sistemas e podem ser causadas por múltiplos fatores. Este tipo
de análise é um modelo gráfico, composto de várias combinações de falhas paralelas
e sequenciais, que podem resultar em um evento ou falha de topo. A representação é
iniciada pela identificação dos eventos de topo, sendo os demais, em seguida,
identificados e conectados, terminando quando os eventos básicos mutuamente
independentes são alcançados. Este tipo de análise é um processo dedutivo, que
revela informações qualitativas e quantitativas sobre o sistema.
O autor pretende utilizar esta técnica ao estudar o relacionamento dos
parâmetros com as falhas dos sistemas, porém, como evento de topo serão
eâc~lhidos os parâmetros operacionais que cada sistema permite monitorar. A figura
11.1 ilustra o que é proposto.
"A" "B"
Evento Evento Evento Evento Evento "A" "B" "C" "I" "J"
P
Evento Evento Evento Evento Evento "D" "E" "F"
pp
Evento Evento Evento "K" "L" "M"
Figura 11.1 - Árvore de falhas proposta.
No método da "Avaliação por Desvio Padrão" apresentado por FAGERMND
[5], para estabelecer se o parâmetro está normal ou não, é feita uma comparação
entre o desvio padrão do processo registrado e o desvio padrão do processo
comparável. Este último serve de base para comparação das condições do motor em
serviço. O desvio padrão do processo comparável é baseado nos valores medidos
- 4 -
em um motor novo, podendo ser utilizado o valor limite experimentado ou o valor
limite calculado ou estimado. O processo registrado é aquele que indica a variação
ocorrida nos parâmetros, com o motor em funcionamento numa determinada carga. O
desvio padrão do processo registrado pode ser calculado através da variação entre o
valor individual médio e o valor de referência calculado. O fluxograma apresentado na
Figura 11.2 ilustra este método.
Medição na condição Medição na condição "Motor novo" "Motor em s e ~ ç o "
Valor Valor Calculado limite do desvio normal
expehentado padrão (simuiado) e s h d o
ou calculado
Condição do parâmetro I
Figura 11.2 - Método de avaliação por desvio padrão.
O autor pretende basear-se neste método para propor um processo de análise
dos dados monitorados.
III) SISTEMAS ESPECIALISTAS:
Neste capítulo são apresentadas a definição e as características dos Sistemas
Especialistas, bem como exemplos e características de alguns já desenvolvidos para
manutenção preditiva de motores diesel.
Um sistema especialista, conforme apresentado por GEVARTER [3], é um
" software" inteligente que contém conhecimentos profundos e utiliza procedimentos
de inferência para solucionar problemas que normalmente requerem as habilidades
humanas. Este "software" executa muitas das funções secundárias realizadas por
um especialista, tais como perguntar questões relevantes e explicar seu raciocínio.
Os sistemas especialistas podem ser utilizados para armazenar conhecimentos,
preservar os conhecimentos de profissionais em tempo de aposentadoria, fornecer
aconselhamentos a partir de dados variáveis, pesquisar grandes quantidades de
dados, reconhecer e utilizar detalhes que podem passar desapercebidos na pressa,
etc.
São classificados em categorias, as quais são apresentadas juntamente com a
sua função e aplicação no setor marítimo, na tabela 111.1.
111.1 .I) Problemas que justificam o uso de um sistema especialista:
Antes de se iniciar o desenvolvimento do sistema deve-se descobrir se o
problema a ser resolvido requer um sistema especialista. É sugerido por HARTMAN
[4] que os fatores apresentados na tabela 111.2 sejam verificados.
Tabela III. 1 - Classificação dos sistemas especialistas:
I Categoria I ' '
Função Deduzir em que categoria uma falha se enquadra.
Aconselhamento Fornecer informações
Diagnóstico de falhas (mecânicas, elétricas e de comunicações).
Convenções internacionais; custos de operação; informações sobre aaenciamento marítimo. Projeto de: navios; máquinas.
Planejamento de viagens; projeto de navios; planejamento de manutenção. -
Gerenciamento de frotas, monitoração de planos de trabalho; monitoração de equipamentos. Manutenção preditiva; predição de taxas de fretes e comércio.
Vigilância e monitoração das condições: atmosféricas; de navegação; e para controle de ~osicão. Gerenciamento de navios; controle integrado da ponte; posicionamento dinâmico.
Tabela 111.2 - Fatores que justificam a utilização de sistemas especialistas:
Fator Explicação I rande interesse ou benefício
urísticos é um ótimo candidato a sistema
tecnicamente possível I especialista com a tecnologia existente atualmente.
111.1.2) Justificativa para a utilização de sistemas especialistas na manutenção preditiva:
O gerenciamento é um processo cognitivo que serve a diversas funções, cada
uma destas envolvendo a manipulação de várias regras, fatos, objetos e
procedimentos. O gerenciamento de uma indústria ou particularmente o
gerenciamento marítimo incluem funções como: administração, comunicações,
diagnósticos, prazos, manutenção, etc. A modelagem de processos simbólicos e
cognitivos está incluída dentro do domínio da inteligência artificial.
A manutenção baseada na condição (ou manutenção preditiva), requer a
monitoração dos indicadores da condição do equipamento, o processamento ou
análise dos dados, a apresentação de resultados (diagnósticos do equipamento) e
posteriormente o planejamento e detalhamento dos períodos de manutenção. Estas
tarefas estão enquadradas em algumas das categorias dos sistemas especialistas
(monitoração, simulação e predição, classificação e aconselhamento) o que torna um
sistema especialista uma ferramenta de auxílio a manutenção preditiva. Além destes
fatores, o processamento ou análise dos dados envolve o conhecimento de um
especialista, que é baseado em fatos e heurística, sendo estes os tipos de
conhecimento utilizados em sistemas especialistas.
111.1.2.1) Justificativa para utilização de sistemas especialistas na manutenção preditiva de motores diesel:
Utilizando a tabela 11.2 onde foram apresentados fatores que justificam a
utilização de sistemas especialistas, temos:
1 - O problema é justificável ?
Sim. A manutenção preditiva de motores diesel, em suas várias aplicações e
particularmente nos marítimos de médio e grande porte traz benefícios não só
econômicos como também em termos de disponibilidade e confiabilidade do motor.
2 - O problema é tecnicamente adequado ?
Sim. A análise dos dados de um motor diesel e a obtenção dos diagnósticos
é feita através dos conhecimentos baseados em fatos e heurística o que torna esta
aplicação perfeita para um sistema especialista.
3- O problema é tecnicamente possível ?
Sim. O nível de desenvolvimento dos microcomputadores, sistemas de
aquisição de dados e programas (ambientes) para desenvolvimento de sistemas
especialistas, torna plenamente possível desenvolver e utilizar um sistema
especialista na manutenção preditiva de motores diesel.
111.1.3) Componentes de um sistema especialista:
Basicamente um sistema especialista pode ser representado conforme o
esquema da figura III.1. Seus componentes serão explicados em seguida.
conhecimentos SI Banco d e dados
Máquina d e infe rê ncia
Interface com o usuário
Figura 111.1 - Componentes básicos de um sistema especialista.
111.1.3.1) Base de conhecimentos:
Contém toda a informação ou conhecimento necessário para solucionar os
problemas para os quais o sistema foi definido.
O conhecimento em um sistema especialista é constituído por fatos e
heurística. Os fatos podem ser vistos como as informações disponíveis publicamente
e largamente difundidas e que com as quais os especialistas em um campo
concordam.
A heurística é formada por regras particulares do especialista em um campo.
Estas regras surgiram a partir do raciocínio e avaliação que caracterizavam as
decisões do nível de um especialista.
111.1.3.1 .I) Representa~ão do conhecimento:
Um comportamento inteligente, segundo GEVARTER [3], não se deve tanto aos
métodos de raciocínio, quanto é dependente do conhecimento que se possui para
raciocinar. Quando um conhecimento substancial tem que ser utilizado num
problema, são necessários métodos para se modelar com eficiência este
conhecimento, de forma que esteja prontamente acessível.
O propósito da representação do conhecimento é organizar as informações em
uma foram tal que o sistema especialista possa acessá-Ias para realizar funções
cognitivas.
A forma mais popular de representar conhecimento e mais escolhida para
sistemas especialistas são as regras de produção.
As regras de produção podem ser declarativas ou processuais (" procedural").
Aquelas que contém instruções explicitas como buscar e incluir itens em bancos de
dados, executar cálculos, etc., são processuais. Outras que simplesmente verificam
se certos fatos são verdadeiros são declarativos.
A forma básica das regras de produção é a seguinte:
A condição é uma cláusula de algum tipo, que deve ser testada para verificar
se é verdadeira ou não. O resultado pode ser: atribuir valores a objetos, os quais
podem ser usados por outras regras, ou executar subrotinas ou programas externos.
As subrotinas são pequenos programas idealizados para realizar tarefas
específicas.
111.1.3.2) Máquina de inferência:
O sistema especialista deve ser capaz de processar o conhecimento e ter a
habilidade de "raciocinar". A máquina ou mecanismo de inferência [3,4] é
responsável pelo raciocínio. É de aplicação geral, podendo trabalhar com qualquer
tipo de conhecimento representado na base de conhecimentos.
A separação do conhecimento e raciocínio é uma 'marca registrada' dos
sistemas especialistas.
O 'raciocínio' da máquina de inferência é responsável pelo controle da
execução, ou controle dos passos dados para solucionar o problema. Envolve o
encadeamento das regras de produção para formar uma linha de raciocínio. As
regras são atuadas por padrões, as quais dependendo da estratégia, concordam com
a parte da condição (SE) ou,do resultado (ENTÃO). A aplicação de uma regra muda
o " sfafus" do sistema, habilitando algumas regras e desabilitando outras.
A máquina de inferência utiliza estratégias de controle para encontrar as regras
habilitadas e para decidir quais destas devem ser aplicadas. As estratégias básicas
de controle podem ser: "Top-down" (direcionada ao objetivo), "Bottom-up"
(direcionada aos dados) ou uma combinação das duas através de um processo de
convergência.
A estratégia de controle "Bottom-upJJ (direcionada aos dados) é também
conhecida como " Foward Chaining" (encadeamento direto) pois a inferência começa
com os dados conhecidos e segue testando cada regra e habilitando aquelas onde o
antecedente é verdadeiro, gerando mais dados. As regras são novamente testadas,
num processo iterativo, até que mais nenhuma regra seja habilitada.
A estratégia de controle "Top-down" (direcionada ao objetivo) é também
conhecida como " Backward Chaining" (encadeamento reverso). Neste caso assume-
se inicialmente uma solução hipotética, que é o objetivo e para o qual buscam-se
evidências para comprová-lo. Desta forma, faz-se primeiro uma busca nas regras
tentando encontrar na sua conclusão o objetivo assumido. Em seguida pesquisam-se
as regras buscando-se o que é necessário saber para habilitá-las. Começa-se o
encadeamento reverso. Coloca-se de lado a regra e fixa-se um sub-objetivo que
comprove o antecedente da regra. Pesquisa-se em seguida a base de
conhecimentos em busca de regras que auxiliarão na comprovação do sub-objetivo.
O processo é repetido até que não existam mais regras que auxiliem na comprovação
do sub-objetivo em questão.
O encadeamento reverso pode ocorrer de duas maneiras: " Breadth First"
(busca em amplitude) ou 'Depth-First" (busca em profundidade). A busca em
amplitude procura todas as regras as quais poderiam derivar um valor para o sub-
objetivo em questão, antes de executar o encadeamento reverso em qualquer
antecedente. A busca em profundidade executa o encadeamento reverso, no
antecedente da regra em consideração, antes de tentar outras regras.
111.1.3.3) Banco de dados:
É utilizado para manter registros da condição, dados de entrada e de um
histórico do que foi feito anteriormente em um problema em particular.
111.1.3.4) Interface com o usuário:
É um meio de comunicação entre o usuário e o sistema especialista. Através
deste meio o usuário descreve o problema para o sistema e recebe do mesmo as
explicações e aconselhamentos.
111.1.4) Desenvolvimento de sistemas especialistas:
O desenvolvimento de um sistema especialista envolve o trabalho de, pelo
menos, dois profissionais: O engenheiro de conhecimento e o especialista no campo
em que se deseja desenvolver o sistema.
O engenheiro do conhecimento é responsável pela aquisição do conhecimento,
feita na forma de entrevistas com o especialista, a ser representado na base de
conhecimentos. Além disto também está familiarizado com a ferramenta
computacional utilizada para o desenvolvimento, bem como com os raciocínios de
sistemas especialistas.
111.2) Tipos de Sistemas Especialistas:
Existem atualmente dois tipos de sistemas especialistas aplicados a
manutenção preditiva de motores diesel, classificados basicamente quanto ao
processo pelo qual os dados são introduzidos no sistema. 0 s processos são o
manual e o automático. No processo manual os dados monitorados são introduzidos
pelo usuário através do teclado do computador, podendo ser coletados pelo próprio
ou através de um sistema de monitoração. No processo automático os dados podem
ser admitidos no sistema quando este busca um arquivo de dados gerado pelo
sistema de aquisição de dados ou quando o sistema especialista é capaz de
monitorar os sensores do motor e formar um banco de dados.
Com base nesta classificação podemos apresentar alguns sistemas
especialistas para manutenção preditiva de motores diesel, exemplificando o estado
da arte.
111.2.1) Sistemas manuais ("OFF-LINE"):
Dentro desta classificação serão apresentados dois sistemas especialistas o
"ADETA eoUCAPA.
111.2.1 . I ) "ADETA":
Conhece-se um pouco do histórico da manutenção preditiva de motores diesel
na Marinha Americana, através do contato existente entre esta e a Marinha Brasileira,
quando foram adquiridos alguns navios de origem americana. Nestes navios havia
um sistema especialista chamado ADETA ("Automated Diesel Engine Trend
Analysis") [I]. Este sistema Especialista é automatização de um processo chamado
DETA (" Diesel Engine Trend Analysis"), desenvolvido na década de 60, a pedido da
comunidade de submarinos com propulsão diesel.
Esta comunidade estava insatisfeita com as dificuldades que envolve as
desmontagens frequentes dos motores, em função dos períodos de inspeção
estipulados pela manutenção preventiva. As dificuldades eram devidas
principalmente ao espaço reduzido das praças de máquinas.
O DETA foi desenvolvido com um processo manual, e sua função é fornecer
diagnósticos da condição do motor sem paradas para desmontagens e inspeções,
bem como permitir o acompanhamento da tendência dos indicadores da condição do
motor visando predizer o início do desenvolvimento de uma falha. Este processo é
baseado na leitura dos valores dos instrumentos (medidores de pressão,
temperatura, etc.) do motor, previamente aferidos, na repetição da condição de carga
existe nas coletas anteriores e nos intervalos de tempo predeterminados. A condição
de normal ou anormal é atribuída a cada parâmetro, a partir da análise dos valores
coletados, quando comparados com a média das últimas análises.
Com o desenvolvimento dos microcomputadores o processo pôde ser
automatizado a partir de 1990.
111.2.1 .I .I ) Características do "ADETA":
O " Automated Diesel Engine Trend Analysis" (ADETA) foi desenvolvido com
as seguintes características:
111.2.1.1 .I . I ) Parâmetros monitorados:
(A) Pressão de compressão
(B) Pressão de combustão
(C) Temperatura de exaustão
(D) Pressão de óleo lubrificante
(E) Consumo de óleo lubrificante
(F) Posição da cremalheira de combustível/regulador de velocidade
(G) Vácuo no cárter
(H) Pressão no cárter
(I) Pressão no coletor de admissão/pressão do ar de lavagem
(J) Passo do propulsor
Nem todos os parâmetros citados são monitorados nos diversos motores. A
Tabela 111.3 relaciona os parâmetros e os motores.
Tabela 111.3 - Parâmetros monitorados em cada motor
111.2.1.1 -1 -2) Diagnósticos:
O ADETA fornece diagnósticos para:
Instrumentação do motor:
Quando o valor zero é admitido em um dos parâmetros: pressão de
compressão, pressão de combustão ou temperatura de exaustão, é indicada uma
possível falha da instrumentaçáo.
Diagnósticos para minimizar o desequilíbrio de potência entre cilindros:
Para este diagnóstico são levados em consideração os parâmetros medidos de
cada cilindro, no caso: a pressão de compressão elou a pressão de combustão elou
a temperatura de exaustão. Um destes parâmetros é considerado anormal quando:
valor máximo > MÉDIA + AI2
OU
valor mínimo < MÉDIA - 4/2
Onde:
valor máximo* é o maior valor do parâmetro entre os cilindros;
valor mínimo + é o menor valor do parâmetro entre os cilindros;
MÉDIA + é a média do parâmetro nos cilindros;
A + é a variação máxima entre cilindros.
Na ação corretiva são indicados os cilindros com problemas e o respectivo valor
máximo permitido.
Diagnóstico para perdas de potência ou falhas no motor:
Neste caso são utilizados todos os parâmetros que podem ser medidos no
motor. Cada parâmetro 6 avaliado da seguinte forma:
variação = valor médio anterior / valor médio atual
Onde:
valor médio anterior +* é a média dos valores do parâmetro
csletadoç na última análise;
valor médio atual + é a média dos valores do parâmetro
coletados para esta análise;
Esta variação relativa classifica o parâmetro da seguinte maneira:
variação LI alto (H) (111.4)
LI c= variação c= L2 normal (N) (111.5)
variação > L2 baixo (L) (111.6)
L I e L2 constituem a principal informação do sistema, tendo em vista que estes
valores são responsáveis pela classificação dos parâmetros, e que por sua vez
identificarão as falhas. Os valores de L I e L2 são apresentados na tabela 111.4:
Tabela 111.4 -Valores de LI e L2
Estes valores não podem ser modificados pelo usuário. Não se tem informação
de que estes valores sejam modificados para cada motor, antes de ser instalado em
cada navio ou se estes valores são fixos e utilizados para todos os motores.
O conjunto de classificações (L,N,H) obtidas em cada parâmetro, corresponde a
um determinado problema e o conjunto de combinações constituem a matriz de
diagnósticos e ações corretivas.
111.2.1 .I .I .3) Relatórios fornecidos pelo sistema:
O sistema fornece um relatório constituído dos seguintes itens:
- Cabeçalho;
- Diagnóstico e ações corretivas da instrumentação;
- Diagnóstico e ações corretivas do desequilíbrio de potência entre
cilindros;
- Diagnóstico e ações corretivas para o sistema de óleo lubrificante;
- Diagnóstico e ações corretivas para perdas de potência e falhas no
motor;
- Diagnóstico e ações corretivas para os parâmetros analisados
individualmente.
O sistema fornece também gráficos para análise de tendência dos parâmetros
monitorados. A análise de tendência fica a cargo do usuário do sistema.
111.2.1.2) 0 sistema especialista "ATEMDI":
O sistema "ATEMDI" (Análise de Tendência de Motores Diesel) foi
desenvolvido, pelo autor da tese, através de um convênio entre a COPPEIUFRJ e a
Diretoria de Engenharia Naval da Marinha, no período entre 1994 e 1997. O objetivo
principal da Marinha foi o de desenvolver um sistema idêntico ao "ADETA que
incluísse os motores utilizados em algumas de suas classes de navios. Este sistema
especialista permitiu também que a Marinha iniciasse um programa de manutenção
preditiva de motores diesel, associado ao programa de manutenção planejada em
USO.
111.2.1.2.1) 0 Desenvolvimento:
O sistema foi desenvolvido a partir da observação do funcionamento do
"ADETA e do conhecimento básico contido em sua bibliografia [I].
111.2.1.2.2) Características do sistema:
Para melhor apresentação, as caraterísticas serão divididas em aplicação,
monitoração e análise de dados.
111.2.1.2.2.1) Características da aplicação:
Quanto a aplicação, o sistema possui as seguintes características:
Motores marítimos: acima de 400 BHP
Número de classes de navios: 4
Número de navios: 12
Número de motores: 47
Motores incluídos: ALCO 251C
ALCO 251 E
Fairbanks Morse 10-38 F 5 %
MTU 956 TB 91
111.2.1.2.2.2) Características da monitoração:
O sistema permite que os seguintes parâmetros sejam monitorados:
A) Pressão de compressão nos cilindros
B) Pressão de combustão nos cilindros
C) Temperatura de exaustão nos cilindros
D) Pressão de óleo lubrificante
E) Consumo de óleo lubrificante
F) Posição da cremalheira de combustível
€3) Pressão ou vácuo no cárter
H) Pressão de ar no coletor
I) Passo do propulsor
Observações:
A monitoração dos parâmetros é feita pelo operador do motor através da
instrumentação existente no mesmo. Alguns motores não dispõem de instrumentos
para todos os parâmetros, reduzindo a quantidade de dados fornecidos e a precisão
dos diagnósticos.
Os parâmetros são monitorados sempre na mesma condição de carga e
respeitando um intervalo de tempo fixo.
111.2.1.2.2.3) Características da análise dos dados:
Os dados do motor são analisados através da tendência de seus parâmetros,
as quais individualmente ou combinadas, indicam o padrão de uma ou mais falhas
que estejam ocorrendo.
A tendência é o comportamento dos parâmetros ao longo do tempo em que
estes forem monitorados. A análise pode ser realizada através de um gráfico ou
através de um algoritmo. No caso do gráfico, a análise é feita visualmente pelo
especialista, precisando para isso, conhecer e interpretar o comportamento de cada
parâmetro. No caso do algoritmo, a tendência é analisada através da variação
ocorrida entre os valores dos parâmetros em coletas consecutivas .
Este sistema realiza as análises de forma idêntica ao que foi apresentado no
item 111.2.1.1.1.3. Difere do sistema original nos seguintes pontos: os valores da
Tabela 111.4 permanecem fixos para todos os motores; na análise para minimizar o
desequilíbrio de potências entre cilindros o sistema original identifica os cilindros que
ficam acima ou abaixo dos limites (através das expressões III.1 e 111.2), porém, não
indica quando ambos os casos ocorrem ao mesmo tempo (que é feito pelo sistema
desenvolvido).
111.2.1.2.3) Problemas do sistema "ATEMDI"/"ADETA":
Dois problemas básicos foram observados nos sistemas. O primeiro diz respeito
ao sistema ser "OFF-LINE, exigindo que a coleta de dados seja feita através da
leitura dos instrumentos, o que requer, em alguns casos, a instalação temporária de
equipamentos de medição (manômetro para medição das pressões) em cada cilindro.
O segundo está relacionado a forma como o "ADETA avalia os parâmetros,
utilizando os limites LI e L2 preestabelecido que, aparentemente, foi a saída para que
o sistema pudesse ser utilizado em muitos motores, sem levar em consideração os
valores de operação indicadas pelo fabricante de cada motor. Como o sistema avalia
o parâmetro em relação ao seu valor anterior, alguns problemas foram observados
em relação a forma de análise e diagnósticos. O gráfico da figura 111.1 auxilia a
explicação.
1 I I I I
Horas de iunnonarnento I
Figura 111.2 - Forma de análise dos sistema "ADETAP'ATEMDI"
- 2 0 -
Do gráfico temos:
AI, A2, A3, A4 + Valor do parâmetro em coletas de dados
consecutivas;
LI, L2 -. Limites já definidos
Pela forma como o " ADETA" P' ATEMDI" faz a análise:
L2 c AIIA2 c LI + Tendência: normal (N)
Resultados: O sistema não indicaria nenhuma anormalidade.
Para a terceira analise temos:
A2lA3 > L2 + Tendência anormal alta (H)
Resultado: Como houve uma variação que ultrapassou os limites, o sistema
indicará uma anormalidade e fornecerá um diagnóstico e uma ação corretiva.
Suposições:
1) A ação corretiva é ignorada e o problema continua. Na coleta de dados
seguinte (A4 - linha tracejada) o valor do parâmetro continua o mesmo. A análise
será:
L2 c A3lA4 LI + Tendência: normal (N)
Resultado: O sistema não indica que a anormalidade continua, e sim que está
normal.
2) A ação corretiva é executada. Caso não se faça uma coleta de dados
imediata e a substituição dos parâmetros em (A3), na coleta de dados seguinte (A4 - linha cheia) a análise será:
A31114 c L, -t Tendência anormal baixa (L)
Resultado: Apesar do valor do parâmetro indicar um nível de normalidade, o
sistema apresentará um diagnóstico informando que houve uma anormalidade e
recomendando uma ação corretiva desnecessária.
111.2.1.3) "CAPA":
O "Computer Aided Performance Analysis Software Program" [6] foi
desenvolvido pela "Man i3 & W para seus motores diesel dois tempos de baixa
rotação. Tem como objetivos auxiliar os operadores de navios com uma ferramenta
computacional que permite alcançar a máxima eficiência de operação com a mínima
perda de tempo, com custos mínimos de manutenção e reparo.
111.2.1.3.1) Características do "CAPA":
Foi desenvolvido com base na vasta experiência e no conhecimento acumulado
por este fabricante.
Os dados monitorados são coletados do sistema de monitsraçãs normalmente
instalado nestes motores e depois introduzidos no sistema via teclado para cálculo e
análise.
O programa gera um conjunto de parâmetros de desempenho calculados e
corrigidos para as condições ambientais padrões. Os valores corrigidos são
comparados com as curvas de referência e os desvios das curvas de referência são
calculados. A partir deste dado o sistema extrai e mostra os parâmetros que
excederam os limites máximos de variação. Através de uma comparação de padrões
o sistema indica ações de manutenção sobre os componentes e também medidas
corretivas a serem executadas.
Além da análise de dados o sistema também apresenta gráficos para análise de
tendência dos parâmetros monitorados e gráficos para análise do equilíbrio de carga
entre os cilindros (pressões e temperaturas). A análise de equilíbrio é executada para
os seguintes parâmetros: Pressão Média Indicada, Pressão Máxima, Pressão de
Compressão, índice da Bomba Injetora e Temperatura de Exaustão após a Válvula.
Outras características do " CAPA :
Relatórios;
Transferência de dados;
Editor de texto;
Alteração de unidades;
Informações sobre a instalação.
O fabricante informa que para se preparar os dados de desempenho de um
motor em particular é necessário que o cliente envie pelo menos quatro conjuntos de
observações (dados monitorados) coletados com 50%, 75%, 85-90% e 100% de
carga no teste de bancada e se possível durante a prova de mar do navio.
111.2.2) Sistemas automáticos ("ON-LINE")
Sistemas "On-line" são aqueles ligados a sensores colocados e m diversos
pontos do motor, para coletar dados automaticamente. Dentro desta classifica@o
serão apresentados dois sistemas especialistas: O " Faks" e o " Deeds" .
111.2.2.1) "FAKS":
O "Fault Avoidance Knowledge System" [7] é u m sistema d e diagnóstico
desenvolvido pela Wartsila Diesel International Ltd. Para seus motores das séries
VASA 3 2 (2.230 a 10.040 BHP - 750 RPM) e VASA 46 (14.760 a 22.140 BHP - 450,
500 e 514 RPM). A s características do " F A K S são apresentadas na tabela 111.5.
Tabela 111.5 - Características d o " F A K S [7]:
I Fabricante: I Wartsila Diesel International Ltd I Produto: Motores: Forma de monitoracão:
Monitoração:
I Diaanósticos:
Diagnóstico manual:
Sistema de diagnóstico Séries VASA 32 & VASA 46
A cada 15 minutos Monitoração; Inspeção da medição; Diagnostico da falha; Comunicacão Por sensores em diversos pontos dos sistemas do motor. (As pressões nos cilindros são medidas com um "IP"). Para parâmetros-chave é utilizado um parâmetro compensador (carga do motor), que utilizada em um algoritmo indica o valor teórico com o qual o real medido é comparado, obtendo-se assim uma informação se uma certa condição é falsa ou verdadeira. Obtidos de forma manual ou automática Neste caso, um nível de probabilidade é selecionado como alarme. Quando um diagnóstico com o nível de probabilidade escolhido ou acima fica provado como verdadeiro, o operador (usuário) é avisado para tomar uma decisão. Neste caso o usuário pode checar a condição de qualquer dos motores incluídos, a qualquer hora. Entre outras opções sao oferecidas ao usuário:
Análise de tendência; Medições constantes (automática); Medições manuais;
- 2 3 -
Análise de tendência
Aconselhamentos para correção das falhas:
Forma como o diagnóstico 6 obtido:
Interface com o usuário:
Comunicação:
Hardware:
Por motor:
Diagnósticos de falhas. Valores normalizados. Todos os valores são calculados para 85 % de carga. As informações para correção das falhas são fornecidas por sistemas suplementares (MAMA - Machinery Management) Base de conhecimentos contendo correlações entre condições (centenas de condições e milhares de correlações). Apresentação de telas contendo os sistemas do motor seus sensores e a sua leitura (valor). Análise de tendência de cada parâmetro monitorado. Comunicação interativa entre o computador no navio e computador em terra, objetivando treinamento, assistência e otimização. computador Macintosh II standard; terminal do sistema de monitoração WENCOM; cartões de comunicação + 10 sensores por cilindro; sistema WENCOM;
111.2.2.2) "DEEDS" :
O "Diesel Engine Expert Diagnostic System" [8] é um sistema especialista
desenvolvido pela Universidade de New Castle - Upon - Tyne, tendo sido financiado
como um projeto de pesquisa pelo Lloyd Register R & D Comitee, pelo Departamento
de Comércio e Indústria e pela " Marconi Command And Control Systems Ltd." .
Neste projeto foram pesquisadas formas de análise e técnicas de diagnósticos para
motores diesel, tendo sido desenvolvido também o protótipo experimental de um
sistema especialista de motores diesel e aplicado a um motor diesel marítimo turbo - carregado - quatro tempos com injeção direta (fabricante e modelo não informados).
As características do " DEEDS são representadas na tabela 111.6 .
Tabela 111.6 - Características do " DEEDS [8]:
3esenvolvido por:
3 que foi 2esquisado: >reduto Jesenvolvido: =unções:
Motor:
Sistema:
Sondicionamento do sinal:
Svaliação da :ondição:
nteríace com o ~suário:
University of Newcastle-upon-Tyne. Financiado como um projeto de pesquisa pelo Lloyd Register R&D Committee, pelo Departamento de Comércio e Indústria e pela Marconi Command and Control Systems Ltd. Formas de análise e técnicas de diagnóstico para motores diesel. Protótipo experimental de um sistema especialista de motores diesel. Este sistema monitora continuamente um motor diesel, detecta anormalidades e diagnostica a causa da anormalidade. Diesel Marítimo - turbo-carregado - quatro tempos - injeção direta (fabricante e modelo não informados). Composto de softwares produzidos para as seguintes funções:
Condicionamento do sinal; Avaliação da condição; Interface com o usuário.
Composto por um software responsável pela aquisição de dados, avaliação da estabilidade do motor em condições constantes de operação, parametrização dos dados de alta e baixa velocidade e cálculo da variabilidade nos dados medidos. Um modelo matemático do motor é usado para derivar os valores normais para cada sensor sob as condições de operação existentes. As leituras dos sensores são comparadas com as saídas deste modelo e qualquer desvio do limite de tolerância é classificado e registrado. A classificação é feita para determinar a severidade do desvio. Um desvio significativo invocará o subsistema de avaliação da condição. A avaliação é feita a partir dos dados que se desviaram dos limites de referência para uma determinada carga e velocidade. Em seguida são geradas hipóteses de diagnóstico para explicar os desvios observados. Os sintomas principais de cada falha são identificados. Em seguida estes sintomas são avaliados através de um conjunto de dados operacionais do motor, medidos experimentalmente com falhas singulares conhecidas. Os valores dos dados admitidos são utilizados para propagar os valores de confiabilidade de cada sintoma. O somatório destes valores indica a confiabilidade total em uma falha. A interface com o usuário é feita na forma de telas gráficas. Através destas telas o usuário pode interrogar o sistema a respeito das condições do subsistemas, componentes e sensores. A identificação positiva de uma falha é apresentada em conjunto com o nível de confiabilidade a ela associada. Ao usuário é possível aceitar, ou rejeitar a hipótese. E possível também inspecionar e mudar os valores dos sensores críticos de forma que o sistema reavalie o diagnóstico.
111.3) Balanço do estado da arte:
Os sistemas automáticos são por natureza mais sofisticados que os manuais;
em vista disto, serão tratados como os objetivos a serem seguidos no
desenvolvimento de uma pesquisa dentro do tema em questão. É importante se
observar com mais detalhes as características comuns dos sistemas apresentados.
As funções comuns aos sistemas sis EIS seguintes:
Monitorar periodicamente o motor;
Verificar a qualidade dos dados monitorados;
Detectar anormalidades (falhas);
Diagnosticar a causa da anormalidade;
Apresentar os resultados;
Comunicação.
As funções mais importantes são comentadas a seguir:
111.3.1) Monitora~ão contínua do motor:
Envolve a instalação de um número de sensores igual ao número de
parâmetros que se deseja acompanhar ou que os sensores sejam complementados
com equipamentos ou instrumentos adicionais. A utilização de sensores permite que
a monitoração da condição seja efetuada com intervalos de tempo variáveis.
A aquisição dos dados dos sensores é realizada por um software específico ou
pelo próprio sistema especialista, quando este possuir recursos para tal.
111.3.2) Avaliação dos dados monitorados:
A avaliação dos dados deve ser inicíada com o reconhecimento, pelo sistema,
da condição de carga no motor. Este valor, ao ser introduzido no modelo matemático
do motor, presente no sistema, faz com que este calcule os valores considerados
normais para esta condição de carga. A partir desses valores os dados dos sensores
podem ser avaliados inicialmente para identificar algum sensor com defeito. Em
seguida os dados dos cilindros devem ser analisados para determinar a condição de
equilíbrio ou estabilidade do motor no momento da coleta. A última etapa da analise
seria a determinação da variação entre os valores medidos e o valor teórico para
determinar quanto um parâmetro se desviou da condição normal, possibilitando a
identificação de um problema.
111.3.3) Detecção e diagnóstico da anormalidade (falha):
O desvio acentuado do valor de cada parâmetro em relação ao seu valor
normal, pode ser considerado como o sintoma que indica a ocorrência de uma ou
mais falhas.
Os sistemas mais evoluídos avaliam também o grau de confiabilidade em cada
falha, para que a sua indicação de uma anormalidade possua a maior prpcisão
possível. Um método apresentado por FAGERLAND [5] e denominado "Técnica de
Reconhecimento do Padrão", utiliza os parâmetros como vetores para compor o vetor
"medidoJ'. Entre cada vetor de falha e o vetor medido existe uma diferença
geométrica (vetor diferença), onde aquela com menor valor é assumida como a falha
mais provável.
Outro método, apresentado por SHAMSOLMAALI [8], é baseado na
confiabilidade. Neste caso os parâmetros operacionais contribuem para uma falha ou
outra e seus valores são utilizados para propagar os valores de confiabilidade de
cada sintoma. O somatório destes valores (expressão 111.7) indica a confiabilidade
total em uma falha e a que possuir maior valor será considerada como a que está
afetando o motor (expressão 111.8).
k
Falhai =C confiabilidade ij i=l,n
j= 1
Falha Real = valor máximo de (falha i)
IV) ESTUDO DO RELACIONAMENTO ENTRE OS PARÂMETROS OPERACIONAIS E AS FALHAS NOS SISTEMAS DOS MOTORES DIESEL:
Esta capítulo apresenta o estudo do relacionamento entre os parâmetros
operacionais e as falhas de cada sistema dos motores diesel. Foram analisados
todos os sistemas dos motores dois e quatro tempos (de média e alta rotação),
aspirados e super-carregados. Foram incluídas as características de motores mais
recentes, como por exemplo os que utilizam sistemas de resfriamento central [15,16],
entre outras ausentes nas referências consultadas [8,10,14,31].
O resultado do estudo apresentado neste capítulo é de grande importância,
pois deverá fazer parte do conteúdo da "base de conhecimentos" do sistema
especialista e terá como função, após a análise dos dados monitorados, identificar as
falhas e suas causas. Também é utilizado para montar a matriz de diagnósticos, pois
como nas árvores as falhas estão relacionadas a condição do parâmetro (normal ou
anormal) é possível verificar quais as comuns aos vários parâmetros. Como será visto
no método de análise proposto no capítulo V, o sistema especialista deverá buscar
na matriz de diagnósticos, também presente em sua "base de conhecimentosJJ, uma
combinação das condições dos parâmetros, de forma a identificar a falha mais
provável de estar acontecendo.
IV.1) Desenvolvimento do Estudo:
Para se chegar a matriz, foi realizado seguinte processo:
Divisão do motor diesel em sistemas;
Estudo dos sistemas e identificação de suas falhas;
Relacionamento entre parâmetros operacionais;
Montagem da matriz de diagnósticos.
IV.l.1) Divisão do motor diesel em sistemas:
Normalmente os motores são divididos em sistemas com o objetivo de facilitar o
reconhecimento de suas funções e componentes. Para efeito de desenvolvimento
deste estudo, o motor diesel foi dividido em dez sistemas, a saber:
1. Sistema de combustível e injeção de combustível;
2. Sistema de ar de carga e gases de exaustão;
3. Sistema dos cilindros;
4. Sistema pistão-biela;
5. Sistema dos cabeçotes dos cilindros;
6. Sistema do eixo de manivelas;
7. Sistema de transmissão;
8. Sistema do cárter;
9. Sistema de óleo lubrificante;
10. Sistema de resfriamento;
O relacionamento entre os sistemas é apresentado no na figura IV.1. Este
esquema auxiliará no entendimento de algumas árvores de falhas, onde existem
referências a outros sistemas. Poderá ser útil também, em caso de dúvida, na matriz
apresentada ao final deste capítulo.
IV.1 .I .I) Estudo dos sistemas:
Na seqüência são apresentados os sistemas, seus objetivos e suas árvores de
falhas.
Sistema de óleo hibdícante i-
r 33;34;35
* Sistema de gases de e d o
r
- + L J
A Parâmetro (apaidice "C")
I I I I 4;5
A 3 1;2;3;4;38 36
24;25 Sistema de injeção Sistema dos
\ Skkma &controle --* de combustível b cabepotes dos 4 de velocidade *
1;2;38
%* Sistema dos
cilindros Sistema de água - b doce de
6,7,8,9; 10 1,2;38 rsfriamento Sistema
pistão-biela h
I 18 A A 17
26;27;28;29;30; 31;32
, 36;37, Sistema do eixo de Sistema de manivelas transmissão
Sistema de água 38 salgada (auxibar)
i f\ Sistema do cárter
/ \ P \
Figura IV.1 - Relacionamento entre os sistemas do motor diesel marítimo.
IV.l.l.1.l) Sistema de combustível e injeção de combustível:
O sistema de combustível tem por objetivos recalcar o combustível do tanque
de armazenamento para a(s) bomba(s) injetora(s), passando neste percurso através
de pelo menos dois filtros e de um separador de água.
O sistema de inje~ão de combustível tem por objetivo elevar a pressão e regular
a quantidade do combustível que vai ser injetado na câmara de combustão. A
quantidade a ser injetada é proporcional a potência requerida e sincronizada de
forma que o motor funcione suave e economicamente. As pressões devem ser
elevadas o suficiente para causar atomização dentro da câmara de combustão e
garantir uma combustão completa.
IV.1 .I .I .I . I ) Parâmetros monitoráveis:
Os seguintes parâmetros operacionais podem ser monitorados no sistema de
óleo combustível:
Pressão de combustível antes da bomba injetora;
Pressão de combustível após a bomba injetora;
Tempo de injeção;
Pressão de combustão;
Temperatura de exaustão;
Posição da cremalheira de combustível;
Cor da fumaça na exaustão.
Alguns parâmetros requerem sensores ou instrumentação especial, como por
exemplo o tempo de injeção e pressão de combustível, após a bomba injetora, o que
dificulta a sua utilização, e podem ser substituídos por outros parâmetros (ex. pressão
de combustão), cuja correta interpretação indica as falhas satisfatoriamente. A cor da
fumaça na exaustão não será utilizada, pois não se encaixa no princípio de um
sistema especialista " On-line" .
IV.l . I . 1 .I .2) Descrição física ou operacional dos sintomas:
A pressão de combustível antes da bomba injetora, apesar de não ser um
parâmetro normalmente monitorado, pode, quando utilizado, indicar falhas no sistema
de combustível. Uma baixa pressão antes da bomba injetora é um sintoma de
obstruções, falha na bomba ou vazamentos.
A pressão de combustão quando baixa é um indicador de problemas
relacionados a insuficiência de combustível. Uma alta pressão de combustão está
relacionada ao excesso de combustível injetado.
A temperatura de exaustão é uma consequência da combustão, desta forma
ela pode ser associada aos problemas da pressão de combustão. Baixas
temperaturas são consequência da insuficiência de combustível e altas relacionam-se
ao excesso.
IV.1 .I .I .I .3) Árvores de Falhas:
As árvores de falhas deste sistema são apresentadas nas figuras IV.2 a IV.4.
Pressão de combustivelantes da bombamjetora 4
mstiumentação com problemas I I tubulação
eniupida furos obstruidos 77 alimentação
combustível q faha de I q e z a 01
falhanautilização
vazamento nos eixos
bomba de bomba depalhetas engrenagens ("varies")
I
I
I
/
descarga insuficiente
I desgastada I
tubulação
com problemas
juntas desgastadas
carcaça
tanque vazio vazmentosna tubulação
tubulaçio entupida antes da
Figura IV.2 - Sistema de combustível. Pressão de combustível antes da bomba
injetora.
bomba dergastade
Figura IV.3 - Sistema de combustível - Pressão de combustão.
Figura IV.4 - Sistema de injeção de combustível - Temperatura de exaustão.
- 3 3 -
IV.l .I .I .2) Sistema de ar de carga e gases de exaustão:
Estes dois sistemas poderiam ser tratados distintamente, porém, como existe
na realidade uma influência do funcionamento de um sobre o outro, os dois serão
tratados em conjunto neste item.
Os componentes deste sistema [I21 são responsáveis pelos processos de
trocas de gases: a admissão e exaustão nos motores quatro tempos e a lavagem nos
motores dois tempos. O objetivo destes processos é remover os gases queimados,
ao final do ciclo de trabalho, e admitir a carga de ar fresco para o próximo ciclo.
IV.1 .I .I .2.1) Parâmetros monitoráveis:
São os seguintes os parâmetros monitoráveis neste sistema:
Pressão do ar antes do resfriador intermediário;
Temperatura do ar antes do resfriador íntermediário
Pressão do ar após o resfriador intermediário;
Temperatura do ar após o resfriador intermediário;
Pressão de compressão;
Contra-pressão na exaustão.
IV.l.l. 1.2.2) Descrição física ou operacional dos sintomas:
Cada um dos parâmetros acima pode apresentar sintomas que identificam
falhas no sistema de ar-exaustão. A variação na pressão do ar antes do resfriador é
causada por problemas na admissão de ar, problemas no turbo-carregador ou no
resfriador de ar. A pressão de ar após o resfriador ou antes do coletor de admissão é
influenciada pelos problemas já citados e também por problemas em válvulas de
admissão e exaustão.
Os problemas no sistema de ar-exaustão se refletem na pressão de
compressão, que, quando baixa, pode indicar uma dificuldade em admitir, comprimir
ou deter o ar dentro do cilindro. Uma elevada contra-pressão na exaustão é causada
por alguma obstrução na exaustão. A obstrução ocorrendo antes ou depois do turbo-
carregador, pode prejudicar o desempenho da turbina e consequentemente prejudica
a admissão de ar. Esta obstrução impede também que os gases sejam expulsos pelo
pistão ou pelo ar admitido (lavagem dos motores dois tempos) prejudicando a
admissão de ar.
-34-
IV.1 .I .I .2.3) Árvores de falhas:
A s árvores de falhas dos sistema ar-exaustão são apresentadas nas figuras
IV.5 a V.15, relativas a motores quatro tempos turbo-carregados e dois tempos (de
acordo com suas características construtivas).
h s ã o do ar antes do resfrádor
obstruída
I p r o b b no sistema de combustível I
alta rota@o 9 váhrufi de "by-pass'bn
"wastegate" com I p r o b < l
Figura IV.5 - Sistema de ar - exaustão - motor quatro tempos - turbo-carregado - Pressão de ar antes do resfriador intermediário.
hessão de ar após o resíiiador
I problemas no sistema de
combustível I Figura IV.6 - Sistema de ar - exaustão - motor quatro tempos - turbo-carregado -
alta pressão - Pressão do ar após o resfriador.
Figura IV.7 - Sistema de ar - exaustão - motor quatro tempos - turbo-carregado - alta pressão - Pressão de compressão.
- 3 6 -
resfnador intermediário
Figura IV.8 - Sistema de ar - exaustão - motores turbo-carregados - alta pressão - Temperatura do ar após o resfriador intermediário.
obstrução na excesso de óleo ou tubulação de fuligem no
exaustão abafador
falha na drenagem ou limpeza do
passagem de
combustão mcompleta
Figura IV.9 - Sistema de ar - exaustão - motor quatro tempos - turbo-carregado - alta pressão - Contra pressão na exaustão.
baixa
I
fiko de admissão sujo ou obstruído deajustado 1121
juntas de admíssão
1óbnlos do rotor ou
desgastados L121 smcronúação desgastadas 1121
janehs de exaustão obstruídas
extremidade do rotor
Figura IV. I O - Sistema de ar - exaustão - dois tempos - pistões opostos - Pressão
do ar de lavagem.
Figura IV.1 I- Sistema de ar - exaustão - motor dois tempos tipos: pistões opostos - turbo-carregador sozinho - ou conectado em série com soprador - " Loop" ou " Cross
Scavenged" - Pressão do ar de lavagem " baixa".
Pressão do ar
rotaçffo excessiva do
temperatura do e/ou exaustão
turbo-carregador ar elevada
obstruidas - I I
carbono por 6leo carbono por iubrificante combustível
resfriador mtemediário com
problemas u
anéis de controle selos do eixo do
soprador desgastados
Figura IV. I Ia- Sistema de ar - exaustão - motor dois tempos tipos: pistões opostos - turbo-carregador sozinho - ou conectado em série com soprador - " Loop" ou
" Cross Scavenged" - Pressão do ar de lavagem " alta".
~ d e a d n à s ç ã i s@ gasto O" l -~r izEq;q des- [I21 ngo ou abçtnndo
Figura IV. 12 - Sistema de ar - exaustão - motor dois tempos - janelas de admissão
e válvulas de exaustão (" Uniflow") - Pressão do ar de lavagem.
Pressão do ar de lavagem
I
- / rotação excessiva janelas de temperatura do tempo de
do admissão e m t ã o r e s w o
turbcarregadur ar ekvada
obstruídas baixo na
exaustão
váh.ula de "by-ps" resfrkddcu
ou 'kastegate" nitemediwo com
problemas tubulação presa fechada obstruída
/ 1
carbono par óko carbono par W c a r d e combustível obstruídas
va~amentonos ané8 de c&ole sebs do eixo do de óleo
desgastaaos Cames com
(Figura 13a)
Figura IV.13 / 13a - Sistema de ar - exaustão - motor dois tempos tipos: turbo- carregador sozinho - ou conectado em série com soprador - janelas de admissão e válvulas de exaustão (" Uniflow") - Pressão do ar de lavagem.
Figura IV. I 4 - Sistema de ar - exaustão - motor dois tempos tipos: turbo-carregador sozinho - ou conectado em série com soprador - janelas de admissão e válvulas de exaustão (" Uniflow") - Pressão de compressão.
Figura lV. 15 - Sistema de ar - exaustão - motor dois tempos tipos: turbo-carregador sozinho - ou conectado em série com soprador - janelas de admissão e válvulas de exaustão (" Uniflow") - Pressão de compressão.
IV.1 .I .I .3) Sistema dos cilindros:
É o sistema [I21 onde o objetivo principal é confinar os gases da combustão.
Este sistema será complementado pelo sistema do cabeçote dos cilindros e pelo
sistema pistão-biela, ver figura IV.l.
IV. 1.1 .I -3. I ) Parâmetros monitoráveis:
0 s parâmetros capazes de indicar problemas neste sistema são os seguintes:
Pressão de compressão;
Vácuo no cátaer;
Pressão no cárter;
Consumo de óleo lubrificante.
O consumo de óleo lubrificante, apesar de ser um indicador da condição de
desgaste das camisas não é um parâmetro utilizado em sistemas " On-line" .
IV.1 .I .I .3.2) Descrição física ou operacional dos sintomas:
Considerado o principal componente do sistema, as camisas quando
apresentam problemas como desgaste, permitem a passagem do ar, quando o pistão
executa a compressão. Esta passagem resulta em uma baixa pressão de
compressão, podendo, quando excessiva, aumentar a pressão no cárter ou diminuir o
vácuo no mesmo.
A pressão de compressão elevada é devida, quando não existem problemas no
sistema de ar-exaustão, aos problemas no sistema dos cabeçotes, os quais são
tratados com mais detalhes neste sistema em particular.
IV.l.1 . I .3.3) Árvores de falhas:
As árvores de falhas deste sistema são apresentadas nas figuras IV.16 a
IV.18.
Figura IV. 16 - Sistema dos cilindros - motores quatro tempos - Pressão de compressão.
Figura IV.17 - Sistema dos cilindros - motores dois tempos tipo: janelas de admissão e válvulas de exaustão (" Uniflow") - Pressão de compressão.
- 43 -
Figura IV.18 - Sistema dos cilindros - motor dois tempos tipos: janelas de admissão e válvulas de exaustão " uniflow" - " Loop" ou "Cross Scavenged" - pistões opostos - Vácuo ou Pressão no cárter.
IV.1 .I .I .4) Sistema pistão-biela:
Este sistema complementa o sistema dos cilindros. Tem como objetivos:
transmitir, através do movimento alternado, a força devido a pressão dos gases em
expansão para o eixo de manivelas, por intermédio do pino e da biela; promove a
compressão do ar admitido e auxilia na expulsão dos gases queimados.
IV.1.1.1.4.1) Parâmetros monitoráveis:
0 s parâmetros que podem indicar falhas nestes sistema são os seguintes:
Pressão de compressão;
Vácuo no cárter;
Pressão no cárter;
consumo de óleo lubrificante;
Pressão do óleo lubrificante.
IV.l.l . I -4.2) Descrí~ão física ou operacional do sintoma:
Uma baixa pressão de compressão é um indicativo de passagem do ar entre os
anéis de segmento e a parede do cilindro ou através do pistão. Estes fatores também
acarretam um aumento na pressão do cárter ou uma diminuição no vácuo do cárter.
O consumo elevado de óleo lubrificante é um indicador de um desgaste excessivo
dos anéis ou um desgaste excessivo das buchas da manivela, o que provoca uma
folga, fazendo com que uma quantidade excessiva de óleo passe para a parede do
cilindro. Um desgaste deste tipo nas buchas também pode ser indicado por uma
baixa pressão de óleo lubrificante.
IV.l .I .I A.3) Árvores de falha: As árvores de falhas deste sistema são apresentadas nas figuras IV. 19 e V20.
Figura V.19 - Sistema pistão-biela - motores quatro e dois tempos - Pressão
de compressão.
Coroa Ané~s presos rachada desgastados nas canaletas
Falha no Lllb&h@o Arestas, esinas
resjiiamento Instalação na camisa do do pistáo madequada iaadequada cilindro
usinados &r& do anel
sujeita no ar ~ ó s j t o s de admitido carbono devido
Depósitos de goma ou
Figura V.20 - Sistema pistão-biela - motores quatro e dois tempos - Vácuo no
cárter (pressão no cárter).
IV.1 .I . I .5) Sistema dos cabeçotes dos cilindros:
O cabeçote é formado por uma peça fundida, que serve de suporte para
diversos componentes tais como: injetores, válvulas, câmaras de combustão,
passagens de água, mecanismo de acionamento das válvulas, etc.
O objetivo principal do cabeçote é selar a parte superior dos cilindros, bem
como fornecer um meio de entrada do ar e saída dos gases queimados. O cabeçote
forma, junto com o cilindro, a câmara de combustão e em alguns casos contém um
tipo de câmara de pré-combustão .
IV.l .I .I .5.1) Parâmetros monitoráveis:
0s parâmetros que podem indicar falhas neste sistema são os seguintes:
Pressão de compressão;
Pressão de combustão;
Pressão do ar de lavagem;
Temperatura da água doce na saída do motor.
IV.1 . I .I 5 2 ) Descri~ão física ou operacional dos sintomas:
Problemas no cabeçote normalmente envolvem a perda de compressão em um
ou mais cilindros e aumento no consumo de combustível. A temperatura de exaustão
nestes cilindros prejudicados será mais baixa do que o normal. A redução na
compressão é na ordem de 20% da média dos outros cilindros. Se apenas um cilindro
estiver com baixa pressão e as demais estiverem normais, o problema está
relacionado a válvulas ou juntas do cabeçote. Se a pressão de compressão estiver
alta, indica um acúmulo excessivo de carbono na câmara de combustão.
IV.1 .I . I 53) Árvores de falhas:
As árvores de falhas deste sistema são apresentadas nas figuras IV.21 a IV23.
Tempaahira da água doce de resiEamento na saída do motor
alta
temperatura elevada dos gases de
exaustão
Figura IV.21 - Sistema dos cabeçotes - Temperatura da água doce na saída do
motor
Figura IV.22 - Sistema dos cabeçotes - motores quatro tempos e dois tempos
(" Uniflow") - pressão de compressão.
vá- de exaustão juntas do presa aberta cabe@e vazando
deixados pelo óko
pelo ó h combustível
moia fraca ='I descuido na imstalação da junta M
Figura IV.23 - Sistema dos cabeçotes - temperatura de exaustão.
1V.í .I .I .6) Sistema do eixo de manivelas:
Este sistema é formado basicamente pelo eixo de manivelas. Sua função é
converter o movimento alternativo dos pistões em movimento rotativo. É
complementado pelos sistemas de transmissão, cárter, óleo lubrificante e pistão-
biela.
IV.1 .I .I .6.1) Parâmetros monitoráveis:
Os seguintes parâmetros operacionais podem ser monitorados neste sistema:
Temperatura dos mancais principais;
Pressão do óleo lubrificante.
IV.1 . I .I .6.2) Descrição física ou operacional dos sintomas:
A falha de um mancal [12], devido a fadiga, corrosão, falha na lubrificação, etc.,
pode acarretar danos no munhão correspondente. O atrito destas partes acarreta um
aumento em sua temperatura (temperatura dos mancais principais), a qual pode ser
um indicativo da falha em desenvolvimento. Estas falhas também podem ocorrer em
conseqüência da elevada temperatura do óleo lubrificante, porém esta temperatura
não pode ser utilizada como um sintoma de falha neste sistema. Uma baixa pressão
de óleo lubrificante antes do motor seria o indicativo de algum problema no
fornecimento de lubrificante. Uma elevada pressão de óleo lubrificante antes do
motor, pode ser o indicativo de uma obstrução nas passagens de óleo através do
eixo, o que causa uma deficiência na lubrificação dos mancais existentes após a
obstrução.
O eixo de manivelas também está sujeito a quebra. Esta é devida a falha do
munhão do mancal, folgas excessivas no mancal, funcionamento inadequado do
amortecedor de vibrações torsionais , deflexão excessiva do próprio eixo, opera~ão a
velocidades torsionais críticas e fadiga.
O funcionamento inadequado do amortecedor de vibrações pode ser verificado,
em determinadas velocidades, através da presença de um ruído prolongado. Este
sintoma porém, não pode ser utilizado num sistema de manutenção preditiva " On-
line" .
A deflexão no eixo é causada principalmente por um alinhamento inadequado
entre o motor e o gerador ou o eixo propulsor e o motor. Normalmente utilizam-se
extensômetros para verificar a deflexão, porém são utilizados somente durante
inspeções e não podem ser utilizados em um sistema " On-line" .
Uma ótima indicadora, que funciona como sintoma de problemas que provocam
o desgaste dos componentes do eixo de manivelas, é a análise espectrométrica do
óleo lubrificante. Usada para determinar a presença e a concentração de partículas
metálicas em suspensão no óleo e que podem identificar os componentes sofrendo
desgaste. Porém, como esta análise depende do envio de amostras para laboratório
e do retorno dos resultados, este método é usado como uma forma de manutenção
preditiva a parte ou como complemento de informações em um sistema " On-line" .
lW.1 .I .I .6.3) Árvores de falha:
As árvores de falha deste sistema são apresentadas nas figuras IV.24 e 1V.25.
falhano saisor afrito &e o mancai e o &o
exhsão da capa do m d
(eora oubiela empenada [W
falhana
erdreom&do mancai e a capa
mancai mai pré-1Mcação capas não mascais +fadona inadequada na mtercambi4veis
carcaça partida trocadas 1121
óleo lubrificmie 10"""""81 velocidade
excessiva 1121
sobrecarga
hibrificação inadequada [I21
deflaráo excessiva do &o de
maiveh [12] M desdirhmenta do mancai da ida
Figura IV.24 - Sistema do eixo de manivelas - motores dois e quatro tempos - temperatura dos mancais.
Pressão de Óleo lubrificante na
entrada do motor
desgaste dos passagem de óleo do
eixo de manivelas
Figura IV. 25 - Sistema do eixo de manivelas - motores dois e quatro tempos - pressão do óleo lubrificante na entrada do motor
IV.1 . I .I .7) Sistema de transmissão:
Foi denominado de sistema de transmissão ao conjunto de componentes
(engrenagens) do motor responsáveis pela transmissão ds movimento rotativo do
eixo de manivelas para outros eixos de acionamento de componentes tais como:
bomba injetora de combustível, válvulas de admissão e exaustão, bombas d'água e
óleo lubrificante, bomba de ar (motores dois tempos), etc., sincronizados em relação
ao ciclo do motor.
IV.l .I .I .7.1) Parârnetros monitoráveis:
Devído as suas características mecânicas, o único parâmetro capaz de
monitorar este sistema é:
Análise do óleo lubrificante.
IV.l .I .I .7.2) Descrição física ou operacional do sintoma:
A análise espectrométrica [17,18,19,20,21], de uma amostra do óleo lubrificante
do motor, indica a presença e a concentração de elementos metálicos em suspensão
no óleo. A presença de elementos que formam as ligas, com as quais as
engrenagens foram fabricadas, indica a ocorrência de desgaste devido a fatores
como desalinhamentos, folgas, desgastes ou problemas de lubrificação. A análise do
óleo não é utilizada em um sistema " On-line", pode, entretanto, complementar suas
informações.
IV. 1.1.1.8) Sistema do cárter:
É a área do motor que vai das laterais do bloco, na altura do eixo de manivelas,
até o reservatório de óleo na parte inferior do motor.
O cárter é um componente estacionário do motor que tem como objetivos:
proteger os componentes inferiores e servir de depósito do óleo lubrificante. Em suas
laterais podem existir, de acordo com as dimensões do motor, as válvulas de alívio de
explosões. Alguns motores são equipados com sistemas de ventilação ou exaustão
do cárter que eliminam os vapores de óleo e diminuem os riscos de explosão.
Este sistema é complementado pelos sistemas dos cilindros, eixo de manívelas
e óleo lubrificante.
IV.l . I .I .8.1) Parâmetros monitoráveis:
0 s parâmetros que podem ser monitorados neste sistema são os seguintes:
Pressão no cárter;
Vácuo no cárter.
IV.1 . I .I .8.2) Descrição física ou operacional dos sintomas:
O vácuo ou a pressão no cárter são afetados pelo funcionamento do sistema de
ventilação ou exaustão. Restrições nos componentes destes sistemas, tendem a
reter os gases no cárter, aumentando sua pressão ou diminuindo o vácuo.
IV.l.l.l.8.3) Árvore de falhas:
A árvore de falhas deste sistema é apresentada nas figuras IV.26 e IV.27.
IV.1 .I .I .9) Sistema de óleo lubrificante:
O óleo lubrificante tem as seguintes funções no motor: reduzir ao mínimo o
atrito e o desgaste, contribuir para o resfriamento do motor, auxiliar na selagem dos
anéis de segmento, prevenir a corrosão e o desgaste em temperaturas baixas e
elevadas e facilitar a eliminação de produtos indesejáveis. Este sistema tem como
objetivo básico fornecer óleo lubrificante sob pressão para as partes móveis do
motor.
IV. 1 .I. 1.9. I ) Parâmetros monitoráveis:
0 s parâmetros que podem ser monitorados neste sistema são os seguintes:
Pressão de óleo lubrificante antes do filtro;
Pressão de óleo lubrificante antes do motor;
Pressão de óleo lubrificante para resfriamento dos pistões;
Temperatura do óleo lubrificante;
Consumo de óleo lubrificante.
IV.1 .I .I '9.2) Descri~ão física ou operacional dos sintomas:
A pressão de óleo lubrificante pode sofrer variações em função de falhas.
Quando está alta é um sintoma indicativo de uma restrição no sistema após o sensor
de pressão. Quando está baixa é um sintoma indicativo da ocorrência de uma
restrição no sistema antes do sensor de pressão ou de um desgaste excessivo de
componentes lubrificados pelo sistema.
A temperatura do óleo lubrificante quanto alta ou baixa é também um sintoma
indicativo de falhas, relacionadas a: condição de carga, sistema de arrefecimento e
desgaste dos componentes.
Um aumento no consumo específico de óleo pode ser devido a camisas ou
anéis danificados bem como vazamentos, provocados por excesso de pressão no
cárter, estando esta relacionada a um sistema de ventilação defeituoso. O consumo
de óleo lubrificante não é um parâmetro para um sistema "on-line" e está sendo
considerado aqui como um complemento as informações apresentadas.
IV.1 .I .I -9.3) Árwores de falhas:
As árvores de falhas deste sistema são apresentadas nas figuras IV.28 e IV.33.
/ / /
presa [I21 problemas
f-qáodegmia mb- [U]
mtederkaea &e " w a i s g - e
acsrcqa I
Figura IV.28 - Sistema de óleo lubrificante - pressão de óleo lubrificante para
resfriamento dos pistões.
Pressão de óleo lubrificante para reríXmento dos
formação de inadequada
Figura IV.29 - Sistema de óleo lubrificante - pressão de óleo para resfriamento dos
pistões.
Figura IV.30 - Sistema de óleo lubrificante - pressão de óleo lubrificante após
o filtro ou antes do motor
Figura IV.31 - Sistema de óleo lubrificante - pressão de óleo antes filtro.
baixo mvelde&a
\ \ \
Figura IV.32 - Sistema de óleo lubrificante - temperatura do óleo lubrificante.
Gmsumo de óleo I iubriticante I
/ /
Vazamento de do a d r o Cabqote Vammaito de água p/Óko no vazindo (camisa
vazmdo[l l] água para o resfiiador[ll] moihada)[l I] cárter[ll]
inF' ' .- rnpliesm
[E1 -0,
entupido no
-
sistema de
arc- íisiinciaitedoóleo hibrificarde [E]
m m p b
Foka mcorreta nos an& de
segmento 1121 Grau de
vkcosjdade mcmeto 1121
Anésde segmento gastos ou preso[l2][13]
Temperahira excessiva do O L
[i21 Selos de 0.L
gastos ou defeihiosos [lZ]
Pistões ou camisas gastos
I121
[=I
Figura IV.33 - Sistema de óleo lubrificante - consumo de óleo.
pisl&e.Ode
motm
muficiededoolw
mcaisp*, &biàrgpmodo
[121 L121
~ ~ ~ ; q u e c i d o D21 - m n p ~ ~ e [12]
IV.1 .I .I -10) Sistema de resfriamento:
É o sistema que mantém as camisas dos cilindros e os fluidos que são
admitidos ou circulam no motor, sob condições ideais de temperatura e pressão.
Este sistema utiliza como fluidos de trabalho, a água doce e salgada e podem
ser classificados em sistemas simples ou convencionais e sistemas sofisticados ou
complexos.
Nos sistemas simples ou convencionais (mais utilizados em motores que
queimam combustível leve) a água doce circula em um sistema fechado que inclui as
camisas dos cilindros. A água salgada circula em um circuito aberto, o qual inclui os
resfriadores de água doce das camisas, ar e óleo lubrificante.
Os sistemas considerados mais complexos [15,16] possuem circuitos de baixa
temperatura ("LT") e de alta temperatura (" HT). O circuito de baixa inclui os
resfriadores de ar de carga e turbo-carregador. O circuito de alta incluí as camisas
dos cilindros, o resfriado de ar e o resfriador de óleo lubrificante.
Um terceiro tipo de sistema utiliza um resfriador central, no qual circula água
salgada e que troca calor com um circuito fechado de água doce, estando incluído
neste as camisas do cilindro, o resfriado de ar e o resfríador de óleo lubrificante.
Além de captar, filtrar e circular água salgada para os trocadores de calor ou
para o resfriador central, o sistema faz com que a água doce circule através das
camisas retirando - - - o calor proveniente da combustão, porém, a temperatura da água
das camisas deve ser mantida alta o suficiente, para impedir a condensação de
gases corrosivos nas paredes dos cilindros e baixa o suficiente para evitar a
formação de bolsas de vapor em pontos isolados.
O resfriamento do ar de carga em motores super-carregados tem como objetivo
diminuir a densidade de uma dada massa de ar, permitindo que mais ar possa ser
admitido nos cilindros.
Nos motores que queimam combustível residual, a combustão requer, em todas
as cargas, temperaturas ótimas de operação. Em cargas elevadas a temperatura
deve ser baixa o suficiente para limitar a carga térmica e prevenir a corrosão a quente
dos componentes na câmara de combustão. Em cargas baixas a temperatura deve
ser alta o suficiente para garantir uma combustão completa e prevenir a corrosão a
frio na câmara de combustão. Este controle é executado pelos sistemas " LT" e " HT".
IV.l.l .I .I 0.1 ) Parâmetros monitoráveis:
Os parâmetros que podem ser monitorados neste sistema, de acordo com o
tipo de instalação, são os seguintes:
No sistema convencional de água salgada (A.S.):
Pressão após a bomba de A.S.
Temperatura de A.S. antes do resfriador de ar
Temperatura de A.S. após o resfriador de ar
Temperatura de A.S. antes do resfriador de óleo
Temperatura de A.S. após o resfriador de óleo
Temperatura de A.S. após do resfriador de água doce das camisas.
No sistema convencional de água doce (camisas):
Pressão de água doce antes do motor
Temperatura de água doce antes do motor
Temperatura de água doce após o motor.
No sistema com resfriador central e circuitos " LT" e " HT" :
Temperatura da A.D. antes do motor - HT
Temperatura da A.D. após o motor - HT
Pressão da A.D. antes do motor - HT
Temperatura da A.D. antes do motor - LT (antes do resf. ar)
Temperatura da A.D. antes do resf. O.L. - LT (após resf. ar)
Temperatura da A.D. após o resf. O.L. - LT (após resf. ar)
Temperatura da A.D. entrada do resf. ar - LT
Temperatura da A.D. saída do resf. ar - LT
IV.l .I .I .I 0.2) Descrição física ou operacional dos sintomas:
No sistema convencional de água salgada, uma baixa pressão após a bomba
está relacíonada a problemas na rede de sucção ou a defeitos na própria bomba.
Uma pressão elevada após a bomba pode estar relacionada a restrições na rede, em
seus acessórios ou nos equipamentos existentes no sistema. Baixa ou alta
temperatura de água salgada antes do resfriador de ar é um indicativo de defeito em
válvula termostática ou defeito na instrumentação. A elevação da temperatura da
água salgada após o resfriador de ar é causada por insuficiência de água, obstrução
-59-
no resfriador ou devido a temperatura elevada do ar ambiente. A temperatura da
água salgada antes do resfriador de óleo lubrificante pode apresentar os mesmos
padrões já descritos para o resfriador de ar. A temperatura elevada da água salgada
após o resfriador de óleo lubrificante pode estar relacionada a uma temperatura
elevada do óleo lubrificante, obstru~ão no resfriador, defeito na válvula termostática
ou na instrumentação. A temperatura elevada da água salgada após o resfriador de
água doce das camisas está relacionada a fatores como: temperatura elevada da
água doce no sistema, obstrução no resfriador, temperatura elevada da água salgada
após o resfriador de óleo lubrificante ou válvula termostática com problemas.
No sistema convencional de água doce, uma baixa temperatura de água doce
antes do motor pode estar relacionada a problemas na válvula termostática, não
permitindo que água retorne diretamente ao motor. A temperatura elevada da água
doce antes do motor é devida a problemas como: válvula termoçtática com defeito
impedindo que a água passe no resfriador ou problemas no resfriador de água doce.
Uma elevada temperatura da água doce na saída do motor pode Ter como causa, a
temperatura elevada resultante da combustão, devida a um excesso de combustível
sendo injetado nos cilindros. Uma quantidade insuficiente de óleo lubrificante ou a
lubrificação inadequada dos cilindros também pode causar a elevação da
temperatura das paredes e consequentemente da água. Outros fatores são: a
quantidade insuficiente de água doce, válvula termostática com problemas ou defeito
na instrumentação.
No sistema com resfriador central de água doce, os sintomas para as pressões
e temperaturas de água salgada são idênticos aos descritos para o sistema
convencional.
IV.1 .I .I .I 0.3) Árvores de falhas:
As árvores de falhas deste sistema são apresentadas nas figuras IV.34 a
IV.48.
Filtm &AS. com poblwas n
Rbar quebrado Arnaredede
Figura IV.34 - Sistema convencional de água salgada - Pressão de A.S. após a
bomba.
Temp. AS. antes do resf. ar
V&. reguiapem Baka temp. AS. autm temp. c/ htnmierita@o com
problemas defeito
Repuiagem Sensor de
temperatura ci pmblemas
Instnimentaqão Váiv. reguhgem comdefeito Temp. AS. elevada autm temp. c/
inadequada temperatura c/ pmblemas
Figura IV.35 - Sistema convencional de água salgada -Temperatura de A.S. antes do resfriador de ar.
Quantidade Resfnador de ar obstruido Ternperatum do ar
insuficiente de A.S. (lado água) no ambiente elevada
I
Figura IV.36 - Sistema convencional de água salgada - Temperatura de A.S.
Baixa
após o resfriador de ar.
Temp. AS. antes do &. O.L.
Alta
I
I Baixa
Baixa temp. AS.
Regulagem madequada temperatura c/
problemas
Alta
Váív. regiúagem autom temp. c/ problemas
ReguIagem hadequada tenperatura c/
problemas
Instnmientação c/ defeito
Váiv. reguiagem a m a temp. c/ problemas
Figura IV.37 - Sistema convencional de água salgada - Temperatura de A.S.
antes do resfnador de óleo lubrificante.
hstnmmhção com defeito
Temp. A.S. após o resf. O.L. (antes res£
A.D. camisas)
Válv. reg. autom. Temp. elevada do Inçtnmientação com Quantidade temp. clproblmas O L defeito Resf. OL. obstniído
+einte de A,S,
Reguhgem Sensor de temp. inadequada
Formação de crostas
Entrada de óleo/graxa
elementos estranhos
F&o A.S. obstmiio
Bomba A.S. c1 problemas
Figura IV.38 - Sistema convencional de água salgada - Temperatura
após o resfriador de óleo lubrificante.
Temp. AS. apCs oresf. A.D. camisas
de A.S.
Figura IV.39 - Sistema convencional de água salgada - Temperatura da A.S.
I
/ / - / /
após o resfriador de A.D. das camisas.
Temp. elevada da Temp. elevada da Resf. A.D. camisas Q-de Vák. reg. aiáom A.S. apCs resf. O.L. A.D. das camkas obsfnrido (A.S.) irsimciente de A.S. temp. clprobemas
Instnmientação i 1 defeito
I I
i Tem. AD. antes do i
Váhr de regula- iisuficime de
prob. [I21 problemas [I21
I I
I
Sensor de temp. d problemas
Baixa
Ajuste iiadequadona váiv. reg aiit. temp. [I21
Alta
I Resf. AD. obstniido hdo da AS.[12]
I
de AS. [IZ]
Bomba de AS.
hoperaute [I21
Nível bako no
expansão[lZ]
Ar no sistema de AD. [12
Figura IV.40 - Sistema convencional - Temperatura da A.B. das camisas do
motor
Bico injetm rn
/ / - / / / I
tanque de exp. váh. reg aut temp.
Lubrificação w
Ar no sistema de Ajuste inadequado na v&. reg aut. temp.
o/ problemas
I
Sistema de injeção c/ ~oblemas
Figura IV.41- Sistema convencional - Temperatura da A.D. das camisas na
saída do motor.
Qwddade ó';e,"f&nt~ze -dade insufic~ente de AD. problemas
Váiw reg aut temp. c/
~oblemas
PressSLo AS. após a rb_
Suc(ão Bomba com problmm
Rotor Rotor quarado Ar na rede de
Obstnddolizl &gastado[l2] queb1iido[l2] suc@o[l2]
Re&i@o após a bomba Q ResE cemai
fechadalobshulda obstruído
Figura IV.42- Sistema de água salgada com resfriador central - Pressão de
A.S. após a bomba.
Temp. AS. após o raf. centsaS
Resf. ceiltral Quantidade insufíciente de Ins-ção
obsbmído com defeito
Figura IV.43 - Sistema central de resfriamento - Temperatura de A.S. após o
resfriador central.
- 65 -
tem^- AD. antes do resf ar (LT)
=t-. AD. antes do motor - LT
I
Figura IV.44 - Sistema central de resfriamento -Temperatura da água doce
antes do resfriador de ar LT.
Baixa
Regulagem inadequada
- Temp. AD. antes do resf. O.L. (LT)
Baixa Alta
V&. autom. V&. autom. Instninientação cont. temp. c/ InstninientaçãO c o ~ t . temp. c/
problemas ' com defeito
problemas com defeito
Aha
Sensor de temperatura c/
problemas
Figura IV.45 - Sistema central de resfriamento - Temperatura de A.D. antes do
resfriador de óleo lubrificante (" LT").
úistnaiienqão com defeito V&. autom.
cont. temp. c/ Instnrrnenkqão
problemas com defeito
Váh. autom T--eled mlk tunp d Resf. O.L.
do O.L. problemas obstruído
Temp. AD. após o resf. O.L. (LT)
I
Sensor de
pmblemas
BaUra
inadequada
Alta
EiIIsida de óleo
I
Figura IV.46 - Sistema central de resfriamento - Temperatura da A.D. após o
resfriador de O.L. (" LT").
I Temp. A.D. após o resf. ar (LT) I
Quantidade de ar insuficiente (lado do ar)
Bomba de AD. c/ probleinas
I
/ /
Sensor de tetnp. c/
problemas
Resf. de ar Temp. do ar no Quantidade obstruído ambiente msuficiente de
(lado da água) elevada kD.[12]
TQ. de
Figura IV.47 - Sistema central de resfriamento - Temperatura da A.D. após o
resfriador de ar (" LT").
-67-
V&. autom. cont. temp. c/
problemas
I I
I Temp. A.D. antes LT=m do motor I
Instmentação Resf. central Quantidade 1 c/ defeito 1 1 & 1 I " no sistema 1 1 insufiz de I
Figura IV.48 - Sistema central de resfriamento - Temperatura da água doce
antes do motor.
I
/ /
IV.2) Relacionamento entre os sintomas e as falhas nos sistemas do motor diesel:
Rotor Rotor desgastado ou Selo(s) do eixo Ar na sucção Descarga
obstruído [I21 obstmído [121 desgastado [I21 [I21 obstnúda [12]
Os sintomas do motor diesel, representados pelo comportamento dos
parâmetros operacionais, foram apresentados anteriormente relacionados as falhas
específicas de cada sistema do motor. Sabe-se porém, que os sistemas são
interdependentes e o comportamento de um pode influenciar no comportamento de
outro. As figuras IV.49 a IV.51 apresentam o relacionamento entre parâmetros em
motores quatro e dois tempos respectivamente.
A influência da falha de um sistema em outros sistemas é indicada pelos
sintomas nos parâmetros destes. Fazendo-se as combinações de sintomas dos
parâmetros, de acordo com as falhas que podem ocorrer em cada sistema, é possível
formar uma matriz de diagnósticos (comportamento dos parâmetros x falhas).
Sucç" obstmída [I21
IV.2.1) Matriz de diagnósticos:
A matriz de diagnósticos apresentada no quadro IV. 1, foi desenvolvida de forma
dedutiva a partir das árvores de falhas de cada sistema e das figuras IV.49 a IV.51.
As falhas indicadas estão divididas por sistemas de acordo com o tipo de motor. As
colunas da matriz apresentam os sintomas dos parâmetros que estão codificados
como: N - normal; H - alto; L - baixo. Em alguns casos, duas codificações aparecem
em certos parâmetros, permitindo que um dos dois casos ocorram na combinação.
A matriz é representada por regras na " base de conhecimentos" de um sistema
especialista representada através de regras de produção.
O seu princípio de funcionamento é o seguinte: após o sistema especialista
analísar os dados dos parâmetros e determinar a condição de cada um, o mesmo vai
buscar nas linhas da matriz uma combinação correspondente a da análise. Caso seja
encontrada, o diagnóstico, a ser dado pelo sistema especialista, corresponderá a
falha indicada naquela linha. Caso não seja encontrada nenhuma combinação
correspondente, os diagnósticos serão formados pelas falhas que constam em cada
árvore individual, em função da condição do parâmetro.
Dwsidade ar mb. Tanp ar amb.
o mf. (antes do motor) PB Tenqierahua da A.S. após
resf. OL. r - - - - - - - - -
(aniesresf. camisas)
Temperabna da AD. saida do matar
Pressão AD. antes do 6
Figura IV.49 - Relacionamento entre os parâmetros no motor quatro tempos
turbo-carregado.
Datçidade ar amb. Temp ar smb. i-
Tenp. m c a i s principais
Plmotm 2T estes parâm&os são medidos ap" o soprador
Pressão M sistema de I' Pressão de cmbusiívd
antes da v&. mj. i Pcmb ou Pmáx
Contra-pressão na
PMI
I Tanperatura 0.L antes resf (saída domotor) I
1
Tempaahua da AS. antes resf. O.L.
I
Temperatura da AS. após r---------
=&. OL (antes reL camisas)
Trqmiura da AD. saída do motor
Temperaturada AS. após
Figura IV.50 - Relacionamento entre os parâmetros no motor dois tempos
super-carregado.
Temp. AD. antes do Temp. do ar antes do
Wl : Temp. dos gases de i : combustão : L - - . - - - - - 7 - - - - - - - - - '
Tenip. AD. após Temp. ar após o resf
r - - - - - - - - - - . - - - - - - .
Temp. AD. antes do Temp. do 0.L antes
Temp. &AS. antes (saída do motor) resf. c d a l
: Temp. da parede dos i : ciiindros : L - - - - - - - - _ -_ - - _ _ _ _ I
Temp. AD. após Temp. do 0.L após
( d e s do motor)
r=£ central
) motor)
Temp. AD. das camisas
(saída d< t Figura IV.51 - Motor 4T turbo-carregado - resfriador central simples / e com
circuitos LT e HT.
Quadro IV.l - Matriz de diagnósticos:
8 mlow s a w a y ogssau w &H) mlow epjes s e s m a y dwal z
h ~ ) mlow s a w a y ogssau z ", h i ) mlow s a w a v ogssau z
w (1-1) d e a V dura1 - (11) m 4sa3 s a w 0%' dwal
0 CLi) 1 O )sal %de a v dwai
a (n) 10 i s a ~ s a p a v dwal
Pressão arantesresf
Temp ar artesresi
Pressão ar aposresf
Ternp araposresf
Presão de compressáo meda
Pressáo sisi comb (antesiq)
Posrçáo aemalharakeg vel
Pressão comb antes válv iq
Pressão de comUtão méda
Temp exaustáo méda
RPM do bbo-carregadw
Pressáo meda indcada
Pressão O L antes filtro
Pressão O L após filtro (antes motw)
Pressão O L resf pstóes
Temp O L antes resi (salda motw)
Temp O L apos resf (antes motw)
Ccnsuno de O L
Temp mancas principais
vám no cárter
Pressão no cmer Pressáo A S após a bomba
Temp A S artes resi ar
Temp A S aposresi ar
Temp A S artes resi O L
Temp A S após resi O LJiernp A S antes resf com
Ternp A S apósresf A D camsas
Temp A S apósresi cerhd - Temp A D artes resi O L (LTJ
Temp AD aposresf O L (LTJ
Temp AD artes resf ar (LTJ
Temp A D apósresi ar (LT)
Pressão A D antes motw (L-
Pressão A D antes motw (HTJ
Temp AD camsassalda motw(HT)
Pressao A D antes motw
Temp A D m4es resi O L /artes motor
Temp AD antesresi O L /salda do motor
Temp A D camsaslsalda motw
Pressáo A D antes motor
Pressão A D camsas salda motw
C& uessfio na exaustão
Pressão ar anles resi.
Temp. ar artes resi
Pressão ar após resf
Temp. ar após resi
Presão de compresséo m&üa
IS 1 O P ~ J s a w s v dwal w N re l e a ~ spde sv dwal c, U
re p a J s a w sy duial EJ I equioq a spde s y oBssa4 - b
V) PROCESSO DE ANALISE DOS DADOS MIONITORADOS DOS PARÃMETROS OPERACIONAIS:
A monitoração independente da condição de carregamento do motor tem como
significado, o fato de que em qualquer instante de um período de funcionamento e
sob qualquer condição ambiental, dados serão coletados do equipamento e em
seguida serão analisados. Para que um sistema especialista possa analisar estes
dados, é preciso que o mesmo possua o perfil dos parâmetros do motor sob qualquer
condição de carga, perfil este que indica sua condição "normal". O sistema deve
ainda possuir meios de comparar estes valores reais com os teóricos, para
determinar quando um parâmetro encontra-se em condição " anormal". Estes
" meíos" constituem o " Processo de Análise dos Dados Monitorados" , cujo estudo
será apresentado neste capítulo.
V.l) Processo de análise proposto:
Na indústria, segundo LOURENÇO FILHO [22], para manter a qualidade de um
produto sempre uniforme, executa-se o controle de fabricação, prevenindo a
produção de itens fora das especificações, o que é feito através do exame dos itens
de amostras coletadas periodicamente. Um processo é considerado sob controle
quando os seus indicadores de qualidade permanecem estáveis. Estes indicadores
são a média e o desvio padrão de uma seqüência de amostras extraídas
periodicamente.
No caso da manutenção preditiva de motores diesel, o processo a ser
controlado é a sua condição de funcionamento, o que é feito através da análise dos
dados monitorados.
Conforme apresentado nos objetivos da tese, o processo proposto é baseado
no método da "Avaliação por Desvio Padrão" apresentado por FAGERLAND [Z].
Tanto este método quanto o usado no controle de fabricação na indústria, usam o
indicador " desvio padrão" para determinar quando um processo permanece estável
ou não. No processo proposto, o autor pretende utilizar os citados indicadores de
qualidade, para formar o padrão "normalJJ e os limites máximos e mínimos que cada
parâmetro operacional pode apresentar em um determinado motor. Diferindo do
processo original, o processo proposto compara os valores individuais ou médios de
cada parâmetro (parâmetros monitorâdos dos cilindros utilizam a média dos valores)
com os limites máximos e mínimos estabelecidos pelo desvio padrão. Este método é
resumido no fluxograma da figura V.l, a seguir:
-79-
Modelo matemático do L+I determinados
Condição do
1 I r
Combinação das 1
Valor normal na condi~ão de carga
Figura V. 1 - Processo de análise proposto.
Desvio padrão na condição
de carga
Na figura V. 1 também pode ser observado que os valores normais e os limites
I Comparação
de cada parâmetro são calculados na condição de carga, em que o motor se
encontra, no momento em que os dados estiverem sendo monitorados. Esta é a
condição básica para que os dados possam ser analisados.
V.2) Monitoração dos Parâmetros Operacionais Independente da Condisão de Carregamento do Motor:
Um sistema especialista " On-line" tem como uma das principais características,
a capacidade de analisar o motor numa condição de carga qualquer, dentro dos seus
limites de operação. Para que isto seja possível, o sistema deve ser capaz de
identificar a carga do motor no momento da coleta dos dados.
V.2.1) Determinasão da carga do motor:
Sabe-se que a carga (potência no eixo ou potência efetiva) fica caracterizada,
quando se conhece, pelo menos, um dos seguintes pares: torque e velocidade
rotacional; pressão média indicada e velocidade rotacional ou consumo específico e
velocidade rotacional. Cada um destes pares é analisado a seguir, levando-se em
consideração o ponto de vista de sua medição na prática.
Ia) A partir do torque:
No Apêndice " E a expressão (E.l) mostra que medindo-se o torque no eixo
propulsor e conhecendo-se a rotação do motor, a carga (potência no eixo ou potência
efetiva) pode ser determinada. Na prática nem todos os eixos propulsores possuem
torsiômetros para determinação do torque.
2a) A partir da pressão média indicada:
No Apêndice "E" a equação (E.4) mostra que medindo-se a pressão média
indicada (PMEI) e conhecendo-se a rotação do motor, a carga (potência indicada)
pode ser determinada. Na prática pode-se dizer que é difícil encontrar motores com a
instrumentação adequada para medição da pressão média indicada.
3a) A partir do consumo:
Medindo-se o consumo específico do motor no momento a ser analisado e
conhecendo-se a sua velocidade rotacional , pode-se, utilizando-se a curva
característica do motor em condições de ensaios padrões, determinar a sua carga.
Na prática seria preciso determinar o consumo específico do motor no momento da
análise.
V.2.1.1) Determina~ão da carga do motor - PROPOSTA:
Tendo em mente que o sistema especialista estará monitorando os parâmetros
operacionais do motor, entre eles a posição da cremalheira das bombas injetoras de
combustível do motor, pode-se propor, a partir do que foi explicado no Apêndice " E ,
a utilizar a posição da cremalheira para determinar empiricamente o torque e esse,
em conjunto com velocidade rotacional do motor (RPM), determinarão a carga
através da expressão (E.1).
V.2.2) Faixas de operação dos motores:
Para um motor, conforme apresentado por BRINATI [27], existem curvas de
potência em função da velocidade rotacional para diversos regimes de carga, ou
conforme foi visto no item anterior, para diferentes ajustes da cremalheira das
bombas injetoras. Normalmente sãs especificadas para o motor as curvas de
potência de serviço continuo, de potência máxima contínua e potência de sobrecarga.
A potência requerida pelo conjunto navio-hélice, para atender um determinado
deslocamento em função das condições de casco e mar, deverá coincidir com uma
das curvas de potência fornecida pelo motor. Estas faixas ou curvas de operação de
cada motor deverão estar representadas na "base de conhecimentosJ' do sistema
especialista. Segundo a referência [6], é necessário que se conheça, pelo menos, as
curvas de 50,75,85-90 e 100 % de carga.
V.2.3) Determinação dos valores normais e dos limites máximos e mínimos dos parâmetros operacionais:
De acordo com o processo de análise proposto, visto na figura V.1, os valores
normais e os limites máximos e mínimos que os parâmetros operacionais podem
assumir, em cada condição de carga (50, 75, 85-90 e I00 %), devem ser conhecidos
ou calculados pelo sistema especialista. Como estes dados são exclusivos para cada
modelo de motor, cada um que for incluído no sistema especialista deverá ter seus
dados de desempenho levantados, através de testes de bancada ou provas de mar
[6] e representados na "base de conhecimentos" do sistema.
Uma forma simples de representar os dados de desempenho na base de
conhecimentos é através das expressões dos parâmetros operacionais que podem
ser monitorados. Como estas expressões não são encontradas nas referências dos
modelos dos motores, podem ser desenvolvidas expressões empíricas para os
parâmetros. O processo utilizado no desenvolvimento das expressões é o seguinte:
Seleção do motor;
Levantamento dos dados de desempenho nas condições de carga;
Cálculos estatísticos (média e desvio padrão para cada parâmetro);
Determinação dos limites máximos e mínimos;
Gráficos de controle dos parâmetros;
Ajuste das curvas e análise de regressão;
Obtenção da expressão de cada parâmetro;
Validação das expressões.
V.2.3.1) Motor selecionado:
Como um dos objetivos do desenvolvimento do sistema ATEMDI era incluir os
motores MTU modelo 16V956 TB91, este motor foi escolhido como exemplo. Suas
características principais estão resumidas no quadro V.1.
Quadro IV. 1- Características do motor MTU - 956 TB 91 : [8]
V.2.3.2) Dados de desempenho:
Os dados de desempenho foram obtidos no protocolo dos testes de aceitação
(teste de bancada) de sete motores MTU 16V 956 TB 91, realizados em épocas e
anos diferentes. Infelizmente, nestes testes existiam somente os dados de carga
(Potência Efetiva de Frenagem e rotação do motor) para a curva de Potência máxima
continua "MCR ("Maximum Continuos Rating"), os quais, a título de
desenvolvimento da tese, foram selecionados para o desenvolvimento das
expressões dos parâmetros. O quadro V.2 apresenta esta condição de carga.
Naturalmente que as demais condições de carga (50, 75, 85-90%) também deverão
ser conhecidas e representadas no sístema especialista.
- 83-
Apesar das condições atmosféricas apresentarem-se diferentes em cada teste,
estes fatores considerados benéficos, pois os dados coletados dos parâmetros
demonstram o comportamento do motor nas diversas condições. Isto contribui para
que os limites a serem estipulados através do desvio padrão levem em consideração
estas variações da condição atmosférica.
Quadro V.2 - Condições de carga selecionadas:
Curva de " MCR 1000
1200 251 0
Potência Contínua 1470 2570 Sobre Potência 1490 2680
Foram utilizados todos os parâmetros presentes no protocolo de aceitação e
que na prática pudessem ser medidos e analisados. Os parâmetros e seus valores
são apresentados no Apêndice " D . A definição de cada parâmetro é apresentada no
Apêndice " C
V.2.3.3) Cálculos estatísticos:
Segundo LOURENÇO FILHO [22], um processo está sob controle, quando seus
indicadores de qualidade ou condição possuem distribuição normal é esta permanece
estável, bem como seus dois parâmetros a média (p) e O desvio padrão (6). O
resultado do cálculo destes parâmetros são apresentados no Apêndice " D .
V.2.3.4) Determinação dos limites dos parâmetros em cada condição de carga:
Baseando-se numa distribuição normal [22], a faixa de variabilidade normal no
processo sob controle é a do intervalo p I 36. Na indústria são utilizados gráficos de
controle, como instrumento de diagnóstico da existência ou não de controle. Estes
gráficos, de acordo com o sistema norte-americano, são formados pela média, que
determina a linha média do gráfico (LM), pelo limite superior de controle (p+36),
correspondente a linha superior de controle (LSC) e pelo limite inferior de controle (p-
36), correspondente a linha inferior de controle (LIC).
No intervalo p + 36 os itens de uma distribuição normal, de média p e desvio
padrão 6, se distribuem em torno da média na proporção de 99,7%, sendo esta a
faixa de variabilidade normal de um processo sob controle. O gráfico de controle é
apresentado na Figura V.2.
I No da amostra ou tempo
p + 36
Figura V.2 - Gráfico de controle
LSC
V.2.3.5) Distribuição normal:
Uma forma de verificar se os limites estabelecidos refletem uma distribuil;ão
normal 1221 é marcando os pontos dos valores utilizados no gráfico de controle. Os
pontos situados entre os limites indicam que o processo está sob controle. Os pontos
situados sobre a linhas de ou além destas, indicam falta de controle e, neste caso,
tais pontos devem ser eliminados, recalculando-se a linha média e os Iímites.
V.2.3.6) Determinação da carga no motor em questão:
Cada gráfico de controle relaciona a carga (variável independente) e o
parâmetro operacional (variável dependente). Seguindo a proposta de determinação
da carga do motor, apresentada no item V.2.1 .I .I, a carga é representada
unicamente pela potência efetiva, porém, esta é calculada em função do torque e da
velocidade rotacional do motor.
A expressão empírica V.1, que relaciona o torque e a posição da cremalheira
para o motor em questão, foi obtida da análise de regressão dos dados dos testes de
bancada dos motores. 0 s dados que foram utilizados são apresentados no quadro
v.3.
Onde:
T + torque (N.m)
C i posição da cremalheira (mm)
Quadro V.3 - Dados utilizados para a obtenção da expressão do torque (V.l).
A figura V.2 apresenta o gráfico contendo a curva ajustada, que relaciona
torque e posição da cremalheira.
A figura V. 3 apresenta o gráfico que relaciona a velocidade rotacional e a
potência (carga) do motor. Cada uma das retas corresponde a um torque, relativo a
uma posição de cremalheira. Observa-se que a cada velocidade, variando-se o
torque varia-se a potência.
8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 Pos. cremalheira (rnm)
Figura V.2 - Relação torque x posição da cremalheira.
600 800 1000 1200 1400 RPM
Figura V.3 - Relação entre potência e RPM
V.2.3.7) Gráficos de controle para o motor selecionado:
0 s gráficos de controle para cada parâmetro são apresentados nas figuras V.4
a V.21.
Durante a primeira tentativa de plotagem destes gráficos, foi utilizada a média
acrescida ou subtraída do triplo de desvio padrão para determinar os limites superior
e inferior de controle. Observou-se, porém, que em cada carga as curvas ajustadas
para os limites não eram uniformes (não eram paralelas a curva da média). Foi
adotado, como padrão, o uso da média dos desvios padrões para determinar limites,
de acordo com a expressão V.2.
As médias e os desvios padrões médios são apresentados no Apêndice " D .
Após a plotagem, os pontos que indicavam falta de controle foram eliminados e as
médias e os desvios padrões (e sua média) foram recalculados.
V.2.3.7.1) Ajuste das curvas e análise de regressão:
As equações que representam a relação entre a carga do motor (variável
independente) e cada um dos seus parâmetros (variável dependente), foram obtidas
através do ajuste de curvas aos valores da média (p).
O método apresentado por DANIEL & WOOD [26], para o ajuste de curvas é o
dos mínimos quadrados ("LEAST SQUARES). Este método tem a seguinte
definição: "Encontrar os valores das constantes na equação selecionada, que
minimizam a soma dos quadrados dos desvios dos valores observados, a partir
daqueles que foram calculados pela equação". Para que a estimativa da equação
seja precisa, devem ser feitas algumas suposições:
1. Os dados foram coletados sob circunstâncias idênticas;
2. Foi selecionada a forma correta da equação;
3. Os dados são típicos, isto é, são representativos de todas as situações, as quais
o analista deseja generalizar através da equação;
4. Os dados são "bons", porém, sabe-se que existem pontos que fogem do que
seria uma condição normal. Estes pontos devem ser identificados e eliminados.
Analisando os dados dos motores de acordo com as suposições acima:
Para a suposição ('i): Pode-se dizer que os dados foram coletados sob
circunstâncias idênticas, já que os testes de bancada realizados foram os mesmos
em todos os motores. As circunstâncias que variaram foram as atmosféricas, tendo
em vista que os testes foram realizados em épocas e anos diferentes. Estas
circunstâncias foram consideradas favoráveis pois representam a condição " normal"
dos motores.
Para a suposição (2): Pode-se dizer que sim. Segundo DANIEL & WOOD [7],
quando a teoria e a experiência prática não são suficientes para indicar com precisão
a forma geral da função, as equações podem ser obtidas de forma empírica. Como
neste caso não existia, na teoria nem na prática, nenhuma informação quanto a
forma das curvas dos parâmetros, foi utilizado o programa "GRAPHER FOR
WINDOWS, que oferece a função de ajuste de curvas. Este programa apresenta as
seguintes fun~ões para ajuste: Linear (y = Bx + A), Iogarítmica (y = B'O~' + A),
exponencial (log y = BX + A), potência (log y = 6 ' O g X + A), spline, polinômios (y = BX
através da origem) e " Running Average". O ajuste das curvas foi realizado,
selecionando uma das funções acima (geralmente linear ou polinomial) e verificando
se a curva se ajustava sobre cada ponto ou próximo de cada ponto.
Para a suposição (3): É talvez a suposição mais importante de todo este
trabalho, pois assume-se que os dados obtidos nas diversas condições de carga,
durante o teste de bancada, serão os mesmos dados obtidos, quando o motor estiver
instalado a bordo de um navio e submetido a mesma condição de carga.
Para a suposição (4): Os dados foram considerados bons, porém, apareceram
valores fora dos limites superior ou inferior, os quais foram eliminados e as curvas
reajustadas.
300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Carga (kW)
Figura V.4 - Depressão do ar na admissão x carga.
?r-
valores experimentais
300 600 900 1200 15GU 1800 2100 2400 2700 Carga (kW)
Figura V.5 - Pressão do ar após o turbo [A] x Carga
Legenda
X parernetro
- -0- - iimite suparioi
--a-- iimite inferior
valores experimentais
1090 I I 1 I I I
1200 1500 1800 2100 2400 2700 Carga (kVV)
Figura V.6 - Pressão do ar aoós o turbo rB1 x Caraa
Legenda
--e- - limite superior
valores experimentais
300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Carga (kw)
Figura V.7 - Temperatura do ar após o turbo [A] x Carga
Figura V.8 - Temperatura do ar após o turbo [B] x Carga
parâmebo
-Q - limite supwia
-e- limite infe"a
values experimentais
300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Carga (kW)
Figura V.9 - Temperatura de exaustão [A] x Carga
- Q - limite niperia
-e - limite inferior
v a l e s experimentais
300 600 900 I M O 1500 1800 2100 2400 2700 Carga (kW)
Figura V. 10 - Temperatura de exaustão [B] x Carga
I Legenda I
300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Carga (kW)
Figura V . l l - Contra-pressão dos gases na exâustão x Carga
Parãmetm , ' . .
Legenda .O
*e .o -
- Q- nmite superior
-Q- ümite inferior o
vaiores expsrlmentafs C; _-- - __- - __- - _-e-
- *
* -----.-- +---- ___+----e-- .
- 0 *
O limite superior
a limite inferior
Mlores experimentais
200 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700
Carga (kW)
.
Figura V.12 -Temperatura da água doce de resfriamento antes do motor x Carga
Figura V.13 - Temperatura da água doce de resfriamento antes do motor x
Carga
Legenda
parametro
--e-- limite superior
--e-- limite inferior
valores experimentais - 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700
Carga (kW)
Figura V.14 - Pressão de água doce após a bomba x Carga
Legenda
O limite supeior
O limite inferior
valores experimentais
300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Carga (kw)
Figura V.15 - Pressão de água doce após o motor x Carga
Legenda
X parârnetm
O lirniba superior
O l imb infe"or
valores experimentais
300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Carga (kW)
Figura V.16 - Pressão de óleo lubrificante antes do motor x Carga
valores experimentais
e
300 600 900 IMO 1500 18M) 2100 2400 2700 Carga (kW)
Figura V. 17 - Temperatura do óleo lubrificante na saída do motor x Carga
Legenda
parâmetro
O limite superior
O limite inferior
valores experimentais
Carga (kW)
Figura V.18 - Pressão de óleo lubrificante antes do motor ou na distribuição x
Carga
Legenda
parâmetro
O limite superior
O limite inferior
valores experimentais
300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Carga (kW)
Figura V.19 - Pressão de óleo lubrificante no último manca1 x Carga
h m V L O -0 m 5 L O -a cn a, .w c ([I
4 O O m cn V ) a,
B
300 600 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Carga (kW)
Figura V.20 - Pressão de óleo lubrificante antes do resfriador x Carga
- 97-
Legenda
parâmetro
limite superior
limite inferior
valores experimentais
300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Carga (kW)
Figura V.21 - Pressão de óleo lubrificante antes do filtro ou mecanismo de
manivelas x Carga
V.Z.3.i.l .I ) Expressões dos parâmetros:
As expressões dos parâmetros, obtidas com o ajuste das curvas, são
apresentadas no quadro V.4. Neste quadro pode-se verificar que nas expressões
IV.2, IV.3, IV.4 e IV.9 existem restrições em relação ao limite superior ou inferior,
devido ao fato que, conforme o parâmetro, seus valores não podem ser positivos ou
negativos. Em três parâmetros, relacionados a pressão do óleo lubrificante, foram
obtidas expressões com polinômio de quinto grau, estando relacionado a variação
não uniforme em relação a carga.
Quadro V.4 - Expressões dos parâmetros monitoráveis - MTU 956 TB 91
I Depressão do ar na
Presçãodoarapós 0 [AI (bar) I após o turbo [A]
Temperatura de
gases da exaustão I (mmHz0)
I Temperatura de A.D. resf. antes do
I ~ . ~ . ' r e s f . após o
Pressão de A.D. P=- após a bomba (bar) Pressão de A.D.
I após o motor W )
O.L. antes do
I O.L. na saída do
antes do motor ou
Pressão de O.L. no último manca1 (bar)
Pressão de O.L. antes do resfn'ador
Pressáo de O.L. antes do filb-o ou mec. manivelas F
V.2.3.7.1.2) Valida@o das expressões:
A tabela do Apêndice "D" apresenta uma comparação entre os dados
experimentais e os resultados obtidos com as expressões dos parâmetros. Na coluna
"Ay" são apresentados os valores correspondentes a diferença entre o valor
calculado com a expressão e o valor médio experimental em cada condição de carga.
Naturalmente que quanto melhor o ajuste da curva aos pontos, mais precisos os
resultados obtidos, porém, para que um ajuste seja ótimo depende da uniformidade
dos dados dos parâmetros ao longo da faixa de carga pesquisada. Quanto menor a
uniformidade, maior o grau de polinômio (por exemplo) utilizado no ajuste. Deve-se
observar que estas variações referem-se a média e permanecem dentro dos valores
máximos e mínimos do parâmetro na carga correspondente, não comprometendo o
objetivo geral.
VI) EXEMPLOS DE ANÁLISE:
Neste capítulo são apresentadas duas simulações de análise, que
exemplificam o que seria feito por um sistema especialista que contivesse, em sua
"base de conhecimentos", as informações apresentadas nos capítulos IV e V.
VI.1) Dados dos partimetros operacionais:
0 s quadros VI.1 e V1.2 apresentam os dados de um motor MTU 956 TB 91
utilizado para propulsão. Estes dados foram retirados de folhas de registro de
funcionamento, tendo sido coletados durante viagens. Os parâmetros monitorados
fazem parte da referida folha de registro.
Quadro V1.1 - Primeiro conjunto de dados - valores teóricos, limites, expressões e
sintomas dos parâmetros:
Quadro V1.2 - Segundo conjunto de dados - valores teóricos, limites, expressões e
sintomas dos parâmetros:
Nos quadros VI.1 e V1.2 os parâmetros "Pressão do ar de alimentação dos
bancos de cilindros [A] e [B]" foram considerados como sendo os parâmetros
"Pressão do ar após o turbo dos bancos [A] e [B]". A coluna "sintoma" indica a
condição final do parâmetro. Foram considerados anormais (H ou L) os valores reais
fora dos limites de controle estabelecidos (LIC e LSC).
V1.2) Diagnósticos
Entrando com os sintomas, apresentados no quadro VI.1, na matriz
apresentada no capitulo IV, pode-se ver que não existe a coincidência com nenhuma
das combinações apresentadas nas linhas da matriz. Neste caso, deve-se avaliar os
parâmetros individualmente. As causas mais prováveis para a alta pressão de óleo
lubrificante após o filtro, são apresentadas na figura V.30. As causas mais prováveis
- 102 -
para a pressão de óleo lubrificante de resfriamento dos êmbolos estar baixa, são
apresentadas na figura V.29.
Entrando com os sintomas, apresentados no quadro V1.2, na matriz
apresentada no capitulo IV, pode-se ver que não existe a coincidência com nenhuma
das combinações apresentadas nas linhas da matriz. Também neste caso, deve-se
avaliar os parâmetros individualmente. As causas mais prováveis para as altas
pressões de óleo lubrificante após o filtro e para resfriamento do êmbolo, são
apresentadas na figura V.30 e entre elas destaca-se a obstrução de canaletas ou
passagens de óleo no motor. Para a temperatura elevada do óleo lubrificante na
entrada do motor pode-se destacar as seguintes falhas como as mais prováveis:
resfriamento insuficiente e motor sobrecarregado. A ausência de outros parâmetros
importantes, tais como a temperatura da água doce na saída do motor, etc., na folha
de registro, impede que um diagnóstico mais apurado seja apresentado.
O autor foi responsável pelo desenvolvimento do sistema especialista
ATEMDI. Este, por desejo da Marinha Brasileira, foi baseado no sistema especialista
"ADETA". Ambos fazem parte de um procedimento que visa a manutenção preditiva
de motores diesel marítimos. O autor teve a oportunidade de acompanhar este
procedimento em um diesel-gerador e pôde sentir as dificuldades enfrentadas pela
tripulação de máquinas, tais como: repetir a condição de carga das análises
anteriores; coletar dados de instrumentação nem sempre aferida; colocar medidores
de pressão em cada cilindro do motor (pois normalmente não estão presentes nas
instalações); repetir o procedimento em curtos intervalos de tempo; receber do
sistema diagnósticos contendo informações que não condizem com o motor em
análise. Deve-se ter em mente que este procedimento se passa, com o navio em
viagem e sob condições adversas, em paralelo a todas as outras tarefas realizadas
pela tripulação de máquinas e acrescido do fato de que não existe apenas um motor
nas instalações. Em virtude destes fatores a manutenção preditiva pode se tornar
inexpressiva ou ineficaz.
O autor acredita que a melhor solução para as dificuldades mencionadas
acima, é o desenvolvimento de um sistema especialista automático, o qual contenha,
em sua "base de conhecimentos", as informações necessárias para que os
diagnósticos das falhas estejam condizentes com o tipo de motor e também um
processo de análise, que permita determinar a condição dos parâmetros operacionais
Monitorados, em função da carga a que o motor esteja submetido. Estas
informações, presentes nos capítulos IV e V, são apresentadas como as
contribuições principais desta tese.
As árvores de falhas e a matriz de diagnósticos desenvolvidas apresentam,
não só as falhas básicas dos sistemas dos motores diesel, como também as falhas
possíveis de ocorrer nos sistemas dos motores mais sofisticados ou providos de
componentes mais recentes. Quanto maior o número de parâmetros operacionais
monitorados, mais preciso será o diagnóstico obtido. A qualidade das informações
também é aprimorada, pois estarão de acordo com o tipo de motor monitorado.
Apesar de só terem sido obtidas as expressões dos parâmetros, em função da
carga, para a condição de Potência máxima contínua, o caminho ou o processo está
estabelecido e pode ser facilmente repetido para as demais condições de carga do
motor. Diferenciando-se do sistema especialista ATEMDI, o processo proposto, para
análise dos dados dos parâmetros operacionais, é mais confiável, pois são
estabelecidos e utilizados limites específicos para cada modelo e fabricante de motor.
Estabelecidos os conhecimentos básicos, necessários para o funcionamento
de um sistema especialista automatizado (" on-line"), resta agora somente o trabalho
de representá-los na base de conhecimentos e associá-lo a um sistema de aquisição
de dados.
Como sugestões de continuidade desta linha de pesquisa podem ser citados:
Desenvolvimento do sistema especialista;
Estudo e instalação de sensores em um motor do modelo utilizado, para aferir e
desenvolver confiabilidade no sistema especialista;
Estudo de confiabilidade das falhas como forma de tornar os diagnósticos mais
precisos.
Baseando-se na premissa que "todo equipamento irá deteriorar e algumas
vezes falhar em serviço", pode-se listar os objetivos primários de um profissional
responsável pela manutenção de um equipamento:
Antecipar as causas da deterioração da máquina;
Preparar estratégias para controlar a deterioração e evitar falhas;
Corrigir rapidamente os problemas que possam ocorrer;
Identificar e eliminar as causas onde for possível;
executar estas tarefas da maneira mais econômíca possível.
A.1) Tipos de manutenção:
0 s tipos de manutenção conhecidos e utilizados são apresentados a seguir.
A.l .I) Corretiva:
É o mais antigo, comum e que pouco mudou ao longo do tempo. O
equipamento funciona até a quebra ou até quando deixa de funcionar
adequadamente. O processo da manutenção corretiva inclui:
Inspeção e verificação dos problemas relatados;
Identificação e retificação da falha;
Requer pouco planejamento além de se ter os sobressalentes e o técnico
disponíveis quando ocorre o problema. Só é efetivo em equipamentos onde:
Os custos de capital e a questão segurança sáo baixos;
A confiabilidade no ciclo de vida é alto;
As perdas com a parada do equipamento são insignificantes.
A.l .I .I) Vantagens:
Pode ser considerado o tipo de manutenção de custo mais baixo. No que diz
respeito ao trabalho e partes substituídas, porque os recursos são desembolsados
somente quando o problema ocorre; porém, em termos do custo total da operação do
equipamento, um programa de manutenção puramente corretivo é normalmente mais
caro.
A.1 .I .2) Desvantagens:
Reparar falhas após a quebra é inaceitável para a maioria dos equipamentos
utilizados na construção, comércio, fabricação, geração de energia elétrica, óleo, gás
e transportes. Os processos mecânicos existentes nestas indústrias são caros e
envolvem níveis de segurança elevados, para que possam falhar sem uma parada
ordenada. Além disto, o custo da produção seria muito elevado, caso a manutenção
fosse executada de forma unicamente corretiva.
A.1.2) Preventiva:
É baseada na premissa de que a maior disponibilidade do equipamento pode
ser obtida pela aplicação contínua de cuidados e reparos em intervalos
predeterminados.
Fatores como alta produtividade, segurança na operação e disponibilidade
estão sempre presentes nos processos de fabricação e transporte. Estes fatores
geraram a necessidade de planejar os ciclos de operação de um equipamento para
que os intervalos predeterminados de manutenção possam ocorrer com uma
interrupção mínima das operações.
Geralmente o fabricante do equipamento fornece um plano de manutenção
preventiva, baseado em seus testes e inspeções, contendo os intervalos de tempo ou
ciclos de substituição dos componentes, de forma a reduzir a probabilidade de que
uma falha possa interromper a produção de forma indesejável.
Um programa de manutenção preventiva pode ser considerado como uma
contínua racionalização dos custos de:
Paradas e perda na produção;
Manutenções rotineiras;
Manutenções imprevistas.
A.1.2.1) Vantagens:
A manutenção preventiva oferece como vantagens:
Aumento da disponibilidade do equipamento;
Aumento da segurança operacional;
Redução de paradas imprevistas;
Melhor distribuição das tarefas da manutenção, facilitando o seu gerenciamento.
Por estas razões este tipo de manutenção tem sido aceito por operadores de
grandes frotas e de processos contínuos de fabricação.
A.í.2.2) Desvantagens:
Um programa de manutenção baseado puramente no tempo pode ser
prejudicado pelos seguintes problemas:
As paradas imprevistas não são completamente eliminadas;
Recursos suficientes devem ser mantidos a disposição para qualquer
eventualidade;
Muitos programas de manutenção preventiva não incluem um acompanhamento
da configuração do equipamento o que pode levar a uma substituição prematura
de componentes quase novos;
Muitos programas de manutenção preventiva não incluem um acompanhamento
do uso do equipamento, o que pode resultar numa alta possibilidade de que
algumas partes substituídas estejam menos resgatadas do que esperado;
Muitos programas não incluem um acompanhamento da vida dos componentes.
Este procedimento poderia qualificar e tornar disponível componentes usados
com uma fração da vida útil ainda restante para uso futuro em manutenções
imprevistas;
O que falta a manutenção preventiva é um método para determinar quando a
condição do componente está para afetar o planejamento da manutenção.
A.1.3) Manutengão baseada na condigão:
É um processo para determinar a ocasião mais propícia para executar a
manutenção em cada tipo de máquina. É baseado na premissa de que para cada tipo
de equipamento, existe uma proporção adequada dos procedimentos de manutenção
corretiva, preventiva e condicional a ser aplicada.
Em termos de custo total de operação, este tipo de manutenção é mais
econômico do que um programa puramente preventivo ou puramente corretivo.
A manutenção baseada na condição utiliza medições e observações do
equipamento, em termos de sua configuração, confiabilidade, uso e condição.
A.1.3.1) Vantagens:
A manutenção baseada na condição fornece sofisticadas ferramentas para o
operador monitorar seu equipamento e procedimentos de manutenção. Seus dados
são continuamente analisados apresentando:
Uma estimativa da condição da máquina em funcionamento;
Uma estimativa da confiabilidade do equipamento.
Além disso, fornece um meio de gerenciar continuamente e melhorar o
processo, incluindo tarefas como:
Estabelecer limites de avaliação da mediação confiáveis;
Estabelecer limites confiáveis para o uso dos componentes;
Estabelecer indicadores de falha confiáveis;
Formar e manter uma biblioteca de relações causa-efeito;
Avaliar os procedimentos de manutenção e solução dos problemas.
Quando efetivo, um programa de manutenção baseado na condição traz os
seguintes benefícios:
Aumento da disponibilidade do equipamento;
Extensão dos intervalos periódicos da manutenção preventiva;
Redução na retirada de componentes falsos (quando não se conhece a origem da
falha os componentes vão sendo substituídos até sanar o problema).
Redu~ão no número de horas de execução de manutenção;
Redução na requisição de peças sobressalentes.
A.1.3.2) Desvantagens:
Um sistema de manutenção baseada na condição requer a implementação de
um sistema de monitoração para avaliar continuamente a condição do equipamento.
O custo do sistema de monitoração é adicionado ao custo da manutenção do
equipamento.
APÊNDICE "B" - Inteligência artificial e sistemas especialistas:
Este apêndice é dedicado a apresentação da inteligência artificial e
principalmente dos sistemas especialistas.
B.l) Definição de inteligência artificial:
Segundo KATSOULAKOS [25] a inteligência artificial é definida como: "O
estudo de técnicas computacionais para solucionar problemas, através da exploração
eficiente do conhecimento de um problema." Esta definição nos coloca próximos a
realidade da engenharia, onde se realça o fato de que a chave para a solução
ínteligente de um problema, recai na redução da busca de uma solução através do
uso eficiente do conhecimento.
8.2) Hístórico:
A inteligência artificial 1241 está enraizada na psicologia cognitiva, que é anterior
a segunda grande guerra, sendo vista com mais seriedade após o desenvolvimento
dos computadores. Durante os anos 50 foram desenvolvidas as primeiras linguagens
(a mais importante foi a IPL-1 "lnformation Processing Language). Nos anos 60 a
pesquisa foi direcionada para a soluçáo de problemas gerais (Robótica, problemas
humanos, programas de xadrez, etc.). Neste período foi desenvolvida a linguagem
LISP ('List Processing"). A década de 70 foi um período de especialização quando
aparecerem os três ramos dominantes da inteligência artificial:
Construção de programas capazes de utilizar e entender
linguagens naturais;
Construção de robôs inteligentes;
Simulação do conhecimento humano.
A década de 80 foi um período de aplicação, principalmente com o
desenvolvimento dos microcomputadores.
B.3) Divisões da inteligência artificial:
Segundo KATSOULKOS [25] A inteligência artificial é dividida em:
Pesquisa fundamental + Visa o desenvolvimento de novas técnicas teóricas
para manter a evolução da inteligência artificial.
- 110 -
Ciência cognitiva + Estuda a forma como o ser humano utiliza o seu
conhecimento.
Pesquisa aplicada + Estuda e desenvolve programas com alguma
aplicação específica, geralmente industrial, científica ou administrativa. Dentro
desta divisão encontram-se os sistemas especialistas.
B.4.) Passos no desenvolvimento de um sistema especialista:
De acordo com HARTMAN [4], os seguintes passos devem ser seguidos ao se
desenvolver um sistema especialista.
1 - Identificação:
Quando determinam-se as características do problema.
2 - Conceituaçáo:
Quando encontram-se conceitos para representar o conhecimento.
3 - Formalização:
Quando esboça-se a estrutura para organizar o conhecimento.
4 - lmplementação:
Quando introduzem-se as regras que contém o conhecimento.
5 - Teste:
Quando verifica-se o funcionamento das regras.
6 - Revisão:
Quando executa-se o refinamento do sistema.
B.5) Ferramentas utilizadas no desenvolvimento de sistemas especialistas:
São chamados de ferramentas, os recursos computacionais utilizados para
representar os conhecimentos, construir a máquina de inferência, o banco de dados
e a interface com o usuário.
Na construção dos componentes de um sistema especialista, são utilizadas as
"linguagens" de inteligência artificíal. As principais linguagens são: LISP, PROLOG,
POPI 1, SMALL TALK, POP TALK. Estas apresentam características próprias para a
solução de problemas em inteligência artificial, apresentadas a seguir:
Manipulação de símbolos;
Variáveis sem tipo definido;
Criação de estruturas de dados arbitrárias;
Gerenciamento automático de memória;
Programação lógica;
Canais para aquisição de dados de sensores.
Podem ser utilizados também os " SHELLS (também conhecidos como " Expert
System Building Tools" EBTs). O "SHELL" pode ser visto como um sistema
especialista com a base de conhecimentos vazia. Este sistema oferece todos os
recursos para a representação do conhecimento, montagem de interfaces e banco de
dados. Uma característica do " SHELL" é a máquina de inferência pré-programada e
de uso geral. Devido as suas características, o tempo de desenvolvimento de um
sistema especialista é bem inferior ao requerido com o uso de linguagens tradicionais
de desenvolvimento.
B.6) Tempo e custo de desenvolvimento de um sistema especialista:
O tempo de desenvolvimento [4] é função principalmente do tamanho do
sistema, o qual é classificado de acordo com o número de regras, como apresenta a
tabela 6.3, tomando como base o trabalho de uma pessoa.
Outros fatores que afetam o tempo de desenvolvimento:
A proximidade entre a ferramenta de trabalho e o problema;
A facilidade de se obter o conhecimento;
tipo e a quantidade de conhecimento;
nível de sofisticação.
0 s custos de desenvolvimento envolvem a aquisição de ferramentas
computacionais, equipamentos e o trabalho para codificar o sistema. Sendo este
último o que contribui com a maior parcela para o custo total do sistema.
Tabela B.3 - Relação tamanho e tempo para desenvolvimento de um S.E.
I Tamanho do sistema I Número de regras Tempo para uma pessoa
Pequeno Grande
Muito arande
50-350 500-3.000
10.000
desenvolver 3 a 6 meses 1 a 2 anos 3 a 5 anos
APÊNDICE "C" - Descrição dos principais parâmetros operacionais dos motores diesel:
1- Pressão do ar antes do resfriador: (motores super-carregados ou turbo-
carregados)
É a pressão do ar de carga, medida antes do resfriador de ar, em motores
turbo-carregados ou super-carregados. É a pressão do ar na descarga do
compressor. É um indicador da condição do turbo-carregador ou do super-
carregador.
2- Temperatura do ar antes do resfriador:
É a temperatura do ar de carga antes do resfriador de ar em motores turbo-
carregados ou super-carregados. É utilizada em conjunto com a temperatura
após o resfriador de ar para verificar a eficiência deste equipamento.
3- Pressão do ar após o resfriador:
E a pressão do ar de carga medida após o resfriador de ar (ou antes do motor)
em motores turbo-carregados ou super-carregados. É a pressão do ar ao ser
admitido no motor para compressão.
4- Temperatura do ar após o resfriador:
É a temperatura do ar de carga após o resfriador em motores turbo-carregados
ou super-carregados. É a temperatura do ar ao ser admitido no motor no início
da compressão.
5- Pressão de compressão média:
E a média das pressões de compressão dos cilindros do motor, independente
de ser um motor em "linha" ou em "v" . É utilizada principalmente para avaliar
a condição dos sistemas: pistão-biela, dos cilindros e dos cabeçotes dos
cilindros.
6- Pressão no sistema de combustível:
É a pressão do combustível antes da bomba injetora. É utilizada para verificar
problemas no sistema antes da bomba injetora.
7- Posição da cremalheira de combustível ou do regulador de velocidade: (média
dos cilindros)
E o indicador da quantidade de combustível que está sendo injetada por cada
bomba ou pela bomba injetora. No caso de bombas individuais para cada
cilindro, estes valores individuais também são utilizados para identificar as
unidades com problemas. A posição do regulador de velocidade pode ser
utilizada como alternativa para a posição da cremalheira, caso esta não possa
ser medida.
8- Pressão de combustível antes da válvula injetora:
É a pressão do combustível ao ser injetado no cilindro. É utilizada para indicar
problemas na bomba injetora ou na rede de alta pressão.
9- Pressão de combustão média:
É o valor da pressão máxima dos gases dentro do cilindro durante a
combustão. É utilizada a média dos cilindros.
10- Temperatura de exaustão média:
É a temperatura dos gases de descarga (resultantes da combustão).É utilizada
a média dos cilindros.
1 1 - RPM do turbo-carregador:
Rotações por minuto do turbo-carregador. Utilizada para verificar a eficiência do
turbo em uma determinada carga.
12- Pressão média indicada: (IMEP, imep, PMI):
É a pressão existente nos cilindros durante um ciclo de trabalho. É diretamente
proporcional ao trabalho líquido realizado por ciclo.
13- Pressão de óleo lubrificante antes do filtro de óleo:
É a pressão de óleo após a bomba e o resfriador de óleo lubrificante. Este
parâmetro indica problemas na bomba, resfriador de óleo lubrificante e válvula
reguladora de óleo lubrificante.
14- Pressão de óleo lubrificante após o filtro de óleo:
Pressão de óleo lubrificante ao entrar no motor. Este parâmetro indica
problemas no(s) filtro(s) de óleo lubrificante.
15- Pressão de óleo lubrificante para resfriamento dos pistões:
É a pressão de óleo após a bomba de óleo lubrificante para resfriamento dos
pistões. Este parâmetro indica problemas nesta bomba e/ou nas redes, linhas,
canaletas e passagens de óleo.
16- Temperatura do óleo antes do resfriador (saída do motor):
É a temperatura do óleo lubrificante aspirado do cárter pela bomba de óleo
lubrificante.
17- Temperatura do óleo lubrificante após o resfriador (antes do motor):
É a temperatura do óleo lubrificante ao entrar no motor. Em conjunto com o
parâmetro anterior, indica problemas no resfriador.
18- Consumo de óleo lubrificante:
E a quantidade de óleo consumida pelo motor devido a vazamentos, falhas em
componentes mecânicos ou simplesmente devido ao gasto normal do
funcionamento.
19- Temperatura dos mancais principais:
É a temperatura dos mancais que sustentam o eixo de manivelas. Este
parâmetro indica problemas de desgaste, falha na lubrificação, etc.
20- Vácuo no cárter:
E a depressão exercida no cárter pelo movimento dos pistões e/ou pelo sistema
de exaustão do cárter.
21 - Pressão no cárter:
Ocorre quando existe uma falha nos pistões, juntas ou falha no sistema de
exaustão do cárter.
22- Pressão de água salgada após a bomba:
É a pressão antes do resfriador de óleo lubrificante e do resfriador de ar no
sistema convencional de água salgada ou antes do resfriador central no
sistema de resfriamento central.
23- Temperatura da água salgada antes do resfriador de ar:
É a temperatura da água salgada na entrada do resfriador de ar de carga, no
sistema convencional.
24- Temperatura da água salgada ap8â o resfriador do ar:
É a temperatura da água salgada na saída do resfriador do ar de carga, no
sistema convencional.
25- Temperatura da água salgada antes do resfriador de óleo lubrificante:
É a temperatura da água salgada na entrada do resfriador (sistema
convencional).
26- Temperatura da água salgada após o resfriador de óleo lubrificante:
É a temperatura da água salgada na saída do resfriador após trocar calor com o
óleo aquecido. É também a temperatura da água salgada ao entrar no
resfriador de água doce das camisas. Em conjunto com o parâmetro anterior,
indica problemas no resfriador.
27-Temperatura da água salgada após o resfriador de água doce das camisas:
É a temperatura da água salgada na saída do resfriador após trocar calor com a
água das camisas do motor. Em conjunto com o parâmetro anterior, indica
problemas no resfriador.
28- Temperatura da água salgada após o resfriador central (sistema central):
É a temperatura da água salgada na saída do resfriador após trocar calor com a
água doce de resfriamento do óleo lubrificante, camisas e ar de carga.
29- Temperatura da água doce antes do resfriador de óleo lubrificante(n0
sistema central de resfriamento simples ou com circuito LT):
É a temperatura da água doce na entrada do resfriador de óleo lubrificante. Em
alguns sistemas pode ser igual a temperatura da água doce após trocar calor
com o ar de carga.
30- Temperatura da água doce após o resfriador de óleo lubrificante (no sistema
central de resfriamento simples ou com circuito LT):
É a temperatura da água doce na saída do resfriador após trocar calor com o
óleo aquecido. Em conjunto com o parâmetro anterior, indica problemas no
resfriador.
31- Temperatura da água doce antes do resfriador de ar (no sistema central de
resfriamento simples ou com circuito LT)
É a temperatura da água doce ao entrar no resfriador de ar. Em alguns
sistemas é ígual a temperatura da água doce antes do resfriador de óleo
lubrificante.
32- Temperatura da água doce após o resfriador de ar (no sistema central de
resfriamento simples ou com circuito LT):
É a temperatura da água doce após trocar calor com o ar de carga. Em alguns
sistemas é igual a temperatura da água doce antes do resfriador de óleo
lubrificante.
33- Pressão de água doce antes do motor (no sistema central de resfriamento
simples ou com circuito LT):
É a pressão fomecida pela bomba de circulação de água doce, para o
resfriador de ar de carga. Em alguns sistemas esta pressão é a mesma na
entrada do resfriador de óleo lubrificante.
34- Pressão de água doce antes do motor (no sistema central de resfriamento
simples ou com circuito MT):
É a pressão fornecida pela bomba de circulação de água doce das camisas.
35- Temperatura da água doce das camisas na saída do motor ( no sistema
central de resfriamento simples ou com circuito MT):
É a temperatura da água doce após trocar calor com as camisas dos cilindros e
cabeçotes do motor. Em alguns motores esta temperatura é igual a de entrada
do resfriador de ar de carga no circuito MT.
36- Pressão de água doce antes do motor:
E a pressão fornecida pela bomba de circulação de água doce, para as camisas
no sistema central de resfriamento simples.
37- Temperatura da água doce antes do resfriador de ar (antes do motor):
É a temperatura da água doce ao entrar no resfriador de ar no sistema central
de resfriamento simples.
38- Temperatura da água doce antes do resfriador de óleo lubrificante (saída do
motor):
É temperatura da água doce ao sair do resfriador de ar e ao entrar no resfriador
de óleo lubrificante. Referente ao sistema central de resfriamento simples.
39- Temperatura da água doce das camisas na saída do motor:
É a temperatura da água doce após trocar calor com as camisas dos cilindros e
cabeçotes do motor, no sistema central de resfriamento simples.
40- Pressão de água doce antes do motor:
É a pressão fornecida pela bomba de circulação de água doce das camisas no
sistema convencional de água doce das camisas.
41 - Temperatura da água doce das camisas na saída do motor:
É a temperatura da água doce após trocar calor com as camisas dos cilindros e
cabeçotes do motor, no sistema convencional de água doce das camisas.
APENDICE "D" - Valores experimentais e calculadas (motor MTU 956 TB 91):
APÊNDICE "E" - Formas de determinar a carga do motor:
O conjunto motor-eixo-hélice ou principalmente o conjunto motor-hélice num
sistema propulsor, trabalham numa relação acionardor-carga: [26,27]. O
comportamento deste conjunto é determinado pela interação das características do
motor e do propulsor. A combinação adequada motor-hélice é obtida através da
seleção do passo do hdice, de forma que o motor possa operar na velocidade
rotacional (RPM) calculada e desenvolver sua potência calculada.
A energia fornecida pelo acionador é igual aquela absorvida pela carga. A
energia transmitida é caracterizada pela intensidade (torque) e um fluxo (velocidade
rotacional - RPM), sendo a principal característica para análise da interação motor-
hélice. A relação entre torque, RPM e carga é dada por:
Onde: P + Potência [kW] N + Velocidade Rotacional [RPM] T 4' Torque [N.m]
Em (E.1) conhecidos dois fatores o terceiro pode ser determinado. A relação
potência-RPM é equivalente a relação torque-RPM.
Se uma mudança na carga faz com que a RPM varie, e não for feito nenhum
ajuste na quantidade de combustível injetada, o torque permanecerá constante. Por
isto o motor diesel é denominado de máquina de torque constante.
Define-se Potência Indicada (Pi) como a potência gerada pela pressão média
indicada ou a potência produzida nos cilindros. Sua expressão é apresentada por
(E.2).
Onde: Pi + Potência lndicada [kW] PMEI i Pressão Média Indicada [kPa] Vd i Volume Deslocado (L x A) [dm3] N i velocidade rotacional [RPM] nR i Número de Revoluções do eixo de manivelas por ciclo L i Curso do Pistão A i Área do Cilindro
Como no motor existem perdas por atrito e equipamentos acionados pelo
motor, a potência que sobra ou que está disponível para atender a carga é a potência
no eixo (potência efetiva). A potência de frenagem é medida por um freio ou
dinamômetro acoplado ao volante do motor. O freio ou dinamômetro mede o torque
exercido pelo motor. A potência de frenagem é dada por (E.1).
A Eficiência Mecânica (qm) é uma medida das perdas mecânicas no motor,
sendo quantificada como a razão entre a potência efetiva e a potência indicada. A
eficiência mecânica é dada por (E.3).
A partir de (E.I), (E.2) e (E.3) pode-se escrever a expressão (E.4), na qual os
termos já foram definidos anteriormente.
Também pode-se escrever a expressão que relaciona o torque e a pressão média indicada (E.5), cujos termos também já foram definidos.
Na expressão (E.5) observa-se que o torque é proporcional a pressão média
indicada, considerando-se que tanto o volume deslocado quanto o nR são constantes.
A pressão média índicada por sua vez é proporcional a energia liberada pela
combustão nos cilindros e que por sua vez é proporcional a quantidade de
combustível injetada por ciclo. A quantidade de combustível injetada pela bomba é
determinada pelo ajuste da sua cremalheira e independe da RPM do motor. Conclui-
se, então, que o torque é determinado somente pelo ajuste da cremalheira da bomba
injetora e não depende da RPM do motor.
Em motores que acionam geradores, os seus reguladores automáticos fazem
com que, ao variar-se a carga elétrica, a sua rotação permaneça constante (para que
a freqüência da corrente elétrica produzida seja constante), variando-se então o
consumo de combustível e o seu torque.
Bibliografia
[ I ] PERAKIS, A.N. & DILLINGHAM, J.T. - "The Application of Artificial Intelligence
Techiniques in Marine Operations" - SNAME -Ship Operations Management and
Economics Internationa1 Symposium, Paper No. 24, Kings Point, NY, 1987.
[2] FAGERLAND H., ROTHAUG K. & TOCKLE P. - "Monitoring and Diagnosing
Process Deviations in Marine Diesel Engines". Ship Research Institute of
Nonvay, March, 1978.
[3] GEVARTER, WILLIAM 6. - "lntroduction to Artificial Intelligenee" - Nasâ Ames
Research Center - Chemical Engineeting Progress, pp.21-37, September, 1987.
[4] HARTMAN, PATRICK T. - "Pratica1 Aplications of Artificial Intelligence in Naval
Enginnering" . Naval Engineers Journal, pp. 32-40, , November 1 988.
[5] Diesel Engine Trend Analysis Handbook. U.S. Navy, Naval Sea System
Command, 1989.
[6] Computer Aided Performance Analysis Software Program" " Man B & W
[7] Faulf Avoidance Knowledge System. Wartsila Diesel Oy, 1988-1 990.
[8] SHAMSOLMAALI A. & BANISOLEIMAN K. - "Real Time Diagnostic Techniques
and Condition Monitoring Application" . Trans I. Mar. E., vol. 3, pp. 357-363.
[9] General Technical Data for A20 Engines for Marine Propulsion and Generatíng
Applicafions. Sulzer, 1993.
[ I O] Wartsila VASA 46 Project Guíde, Wartsila, 1992.
[I11 Manual de Operação do Motor MTU-956-TB-91. "Description and Service
Instructions" .
[ I 21 Diesel Engine Mainfenance Training Manual. U .S. Navy , Bureau of Ships, 1 946.
- 128 -
[I 31 NIGEL CALDER - " Marine Diesel Engines - Mainfenance, Troubleshoofing and
Repaif'. McGraw HiII Inc. , 1992.
[I41 Dempsey, Paul - "Troubleshooting & Repairing Diesel Engines " - Tab Books - McGraw-Hill, 3"' Edition, 1995.
[I51 Diesel Engine Principie and Pracfice. 2nd ed. Great Britain, Edited by C.C.
Pounder, 1962.
[I61 MEYWBOD, JQHN B. - Interna1 Combusfion Engine Fundamenfals. Mc Graw Hill
Inc., 1988.
[I 71 " Testíng Used Engine Oils" - Chevron Research Bulletin, Chevron, 1 983.
[I81 "EXXCARE - Programmed Analysis of Marine Lubricants in Service" - Exxon,
1 986.
[I91 " EXXCARE - A Computerizes Expert System Approach to The Care of Marine
Lubricants in S e ~ c e " - Exxon, 1988.
1201 Nonnon, D. - " Diagomar - The Future of Your Engine" - Elf - Marine Techinical
Department, 1989.
[?I] Toms, Larry A. - " Machinery OiI Analysis - Methods, Automation & Benefits - A
Guide for Maintenance, Manager & Supervisors, Pensacola - Florida, 1995.
[22] LOURENCO FILHO, RUY DE C.B. - Controle Estatisfico de Qualidade. Livros
Técnicos e Científicos Editora S.A., 1986.
[23] DANIEL & WOOD - Fiífing Equafions to Data. John Wiley & Sons, Inc. 1971.
[24] BIANCARDI, C.G. & DELLWO, D.R.- "Machine Magement of Marine
Operations" . Marine Technology, vol. 25, No. I, pp. 30-35, Jan 1988.
[25] KATSOULAKOS, P.S. & HORNSBY, C.P.W. - "Expert Systems and Marine
Applications", Trans.1. Mar.€, Vol. 101, pp. 17-41.
[26] WOODWARD, JOHN B. - Propulsion By The Infernal Combusíion Engine,
University of Michigan, 1971.
[27] BRINATI, HERNANI L. - Aposfila de Insíalações Propulsoras I , Escola
Politécnica da Universidade de São Paulo, vol. 2, 1988.
[28] DREW, S. - "Advances in Condition Monitoring". Trans. 1. Mar. E., vol. 101, pp.
141-149.
[29] PEBAKIS, A.N. & INOZU, BAHADIR - " Reliability Analysis of Great Lakes Marine
Diesel: State of The Art and Current Modeling, Marine Technology, Vol. 27, No. 4, july
1990, pp. 237 - 249.
[30] Wilbur, C.T. & Wight, D.A. - "Marine Diesel Engines - Pouder's", Butterworth
and Co. Ltd., 6" Edition, U.K., 1986.
[31] Russo, Mark F. & Peskin, Richard L. - "Knowledge-Based Systems for The
Engineer" - Chemical Engineeting Progress, September 1987, pp. 38 - 43.
[32] Sangiovanni, John Paul & Romans, H. Clarke - " Expert Systems inlndustry: A
Survey" - Chemical Engineeting Progress, Septem ber I 987, pp. 52 - 59.
[33] Hogge, Sharon M. - "Robotic and Artificial Intelligence Systems for The Naval
Operational Environment" - Naval Engineer Journal, July 1987, pp. 74 - 86.
[34] Lewis, Douglas D. - "The Architecture of a Real Tíme Expert System for Data
Link Monitoring and Management" - Naval Engineeting Journal, May 1987,pp. 90 - 93.
[35] Kwon, O.K. ;Keng, H.S.; Kim C.H. & Oh, P.K. - " Condition Monitoring Techniques
for an Intemal Combustion Engine" - Ttibology Internafional, June 1987, Vo1.20,
No.3, pp. 153 - 159.
[36] Tzafestas, S.G. & Konstantinidis, N.I. - " Engexp - An Integrated Environment for
The Development and Application of Expert Systems in Equipment and Engine Fault
Diagnosis and Repair" , Advances in Engineering Software, 1992, pp. 3 - 14.