MANUTENÇÃO PREDITIVA DE MOTORES DIESEL ATRAVÉS DE PARÂMETROS OPERACIONAIS

O processo de globalização tem exigido uma constante melhoria na qualidade dos produtos, fazendo com que as empresas busquem diferenciais no mercado, oferecendo aos clientes produtos cada vez mais confiáveis (Fernandes, 2010). Diante deste cenário, torna-se importante investir em técnicas que permitam desenvolver produtos que operem de maneira segura e confiável, minimizando-se os riscos de falhas ao longo de sua vida útil. A técnica de Prevenção de Manutenção  (Xenos,  2014)  permite  fazer  esta  ligação  entre  o  desenvolvimento  de  produto  e  a  engenharia  de manutenção, visando  reduzir o  volume de serviços de  manutenção durante  a operação de equipamentos  (Possamai, 2002).

Formalmente, a  manutenção é  definida como a combinação de  ações técnicas e administrativas, incluindo as de supervisão, destinadas a manter ou recolocar um item em um estado no qual possa desempenhar uma função requerida (NBR 5462-1994). Ou seja, manter significa fazer tudo que for preciso para assegurar que um equipamento continue a desempenhar as funções para as quais foi projetado, em um nível de desempenho exigido. (XENOS, 2014, p. 20)

No  contexto geral,  a manutenção  dos equipamentos  também deve  incluir atividades  de  melhorias  além de ações estratégicas como tratamento de falhas, investigação das causas e estabelecimento de contra medidas para evitar ou minimizar  a reincidência  das falhas com  o objetivo de  garantir a  melhoria do produto no processo de fabricação (Xenos,  2014).  As  principais  técnicas  de  manutenção  são: manutenção  corretiva  (planejada  ou  não  planejada); manutenção preventiva;  manutenção preditiva. Esta última pode ser vista como uma parte da manutenção preventiva (XENOS, 2014). Outras técnicas podem ser empregadas, como a manutenção detectiva e a engenharia de manutenção (KARDEC e NASCIF, 2001). A manutenção preditiva destaca-se pelo fato  de ser  a técnica  que fornece informações precisas sobre o real estado de degradação dos equipamentos permitindo assim identificar o melhor momento para se fazer uma intervenção. Ela  baseia-se  na  análise  supervisionada  da  evolução  de parâmetros  da  deterioração  dos  componentes  a  partir  da aplicação de uma ou  mais técnicas de monitoramento, como exemplo a análise de vibração e análise de lubrificantes (XENOS, 2014).

  Este artigo  apresenta um  estudo de  caso através  da aplicação  da análise  de lubrificantes,  como  técnica de manutenção preditiva,  para se  detectar possíveis  falhas  em motores  Diesel de  equipamentos de  construção. Através deste estudo pode-se estimar a vida útil do lubrificante, detectar desgastes nos componentes internos do motor e avaliar os  níveis  de  desgaste.  Desta  forma,  pode-se  aplicar  os  conceitos  de  prevenção  de  manutenção,  fornecendo-se informações preciosas aos fabricantes para  que sejam desenvolvidos  produtos mais confiáveis e  com maior vida  útil. Além das informações dos níveis de desgaste dos componentes e da contaminação do lubrificante, é mostrado também como as informações dos parâmetros operacionais do equipamento podem auxiliar no diagnóstico de falha. A falha na lubrificação é uma das causas mais comuns de  problemas nos equipamentos industriais, podendo causar sérios prejuízos operacionais e danos nos equipamentos. Desta forma, torna-se importante conhecer as funções básicas do lubrificante, que são: reduzir o atrito e o desgaste; transferir calor; remover partículas de desgaste; evitar a corrosão (Carreteiro e Belmiro, 2006). O bom desempenho de um lubrificante depende da sua qualidade, que pode ser controlada através de análises de amostras. Uma das técnicas de análise de  lubrificantes mais amplas  é a ferrografia, através da qual pode-se obter uma visão geral do desgaste dos motores (JOHNSON e HUBERT, 1983).  A literatura apresenta  diversos  trabalhos relacionando  as  análises de  lubrificantes  à confiabilidade  de  equipamentos,  como em ALVES (2007), que avalia a confiabilidade de equipamentos através de ensaios de óleos lubrificantes para motores de tratores.  SILVEIRA,  COELHO,  et  al,  (2010)  apresentam  um  estudo  sobre  a  determinação  de  metais  em  óleos lubrificantes provenientes de  motores de  ônibus e mostram  que é  possível obter resultados  reais quando aplicado  os processos de análise de lubrificante.

A ferrografia é muito  usada na  manutenção preditiva,  permitindo determinar o  modo e  tipo de  desgaste, a severidade e a sua tendência, por meio de identificação das partículas de desgaste presentes nos lubrificantes e então, relacionando-as  as  componentes  do  equipamento.  Com  estes  dados  é  possível  também  redefinir  os  intervalos  de intervenção e  o tipo  de manutenção necessária (LENG e DAVIES,  1988). Outro  resultado importante da análise de lubrificantes é a possibilidade de se determinar o melhor momento para se fazer a substituição  do lubrificante, o que permite  reduzir seu  consumo, descarte  de resíduos  não  degradáveis durante  a vida  útil  do equipamento  e também aumentar a  vida útil  dos componentes.  Vale destacar que  o descarte de óleos no meio ambiente pode  causar danos irreversíveis e de grande potencial, como por exemplo, a contaminação do lençol freático. Um litro de óleo usado polui cerca de um milhão de litros de água (SILVEIRA et al, 2006). As técnicas de análise de lubrificante permitem reduzir as falhas, de modo que a intervenção corretiva possa ser programada com antecedência suficiente proporcionando benefícios tais como: -  Aumento  da  segurança  e  da disponibilidade  dos  equipamentos,  com  redução  dos  riscos de  acidentes  e interrupções inesperadas da produção; - Redução da troca prematura de componentes com vida útil remanescente ainda significativa; - Redução dos prazos e custos das intervenções pelo conhecimento antecipado dos defeitos a serem corrigidos; - Aumento da vida útil das máquinas e componentes pela melhoria das condições de instalação e operação; Neste artigo serão apresentados resultados de análises de óleo lubrificante de motores Diesel de dois modelos de equipamentos de construção, ilustrados na Figura 1, que foram escolhidos pelo fato de ambos possuírem o mesmo modelo de motor e trabalharem em diferentes ambientes e  faixas de rotação. Será também mostrado que este tipo de análise  permite  fazer  melhorias  no  plano  de  manutenção  preventiva  definido  pelo  fabricante,  sugerindo-se  uma alteração  do intervalo  de troca  do lubrificante  e  intervalo para  remoção do motor  Diesel. Além  dos resultados  das análises de lubrificantes, são cruzadas estas informações com os dados do sistema de monitoramento de operação das maquinas estudadas, permitindo-se confirmar os diagnósticos de falha. 

Este artigo tem como objetivo geral mostrar os resultados e benefícios  de se utilizar a manutenção preditiva através  da análise  de lubrificante  para detecção  de falhas  em componentes  e  para se  aumentar  a vida  útil do  óleo lubrificante e do motor Diesel em equipamentos de construção. Para isto, propõe-se como objetivos específicos:

• Fazer um estudo de caso aplicado em algumas pás carregadeiras e escavadeiras que estão em operação na região metropolitana de Belo Horizonte para acompanhar a evolução do desgaste dos componentes dos motores Diesel através  da análise  da  quantificação  e tipos  de  contaminantes  encontrados  no lubrificante  mediante  laudo das análises coletadas a cada 500 horas de operação dos equipamentos. 
•  Mostrar  como  a  manutenção  preditiva  fundamentada  em  tal  análise  permitirá  determinar  o  momento  mais apropriado para uma intervenção no motor.
•  Comparar  os  resultados  das  análises  do  lubrificante  com  os  parâmetros  operacionais  relacionados  ao funcionamento do motor para detectar a causa da falha quando apresentada.
•  Propor otimizar o intervalo de troca dos lubrificantes baseado nos resultados das análises do óleo do motor que serão confrontados com os valores limite aceitáveis para cada elemento presente no lubrificante.
• Comparar o nível de contaminação dos motores que estão operando em ambientes diferentes

Este artigo é uma pesquisa exploratória através de um estudo de caso que avalia o desgaste dos motores Diesel de pás carregadeiras e escavadeiras a partir do acompanhamento das análises físico-química do óleo lubrificante destes motores  Diesel.  As  amostras  coletadas  foram  analisadas  em  laboratório  através  dos  ensaios  físico-químico e ferro gráfico e tiveram os resultados apresentados nos laudos técnicos contendo dados sobre os tipos de contaminantes presentes, quantificação do nível de contaminação em partes por milhão (ppm) e modificação das propriedades físico-químicas do lubrificante. Estes resultados são comparados com dados operacionais das máquinas para se confirmar os diagnósticos de falhas, buscando-se a causa fundamental das falhas.

Este artigo é uma pesquisa exploratória através de um estudo de caso que avalia o desgaste dos motores Diesel de pás carregadeiras e escavadeiras a partir do acompanhamento das análises físico-química do óleo lubrificante destes motores  Diesel.  As  amostras  coletadas  foram  analisadas  em  laboratório  através  dos  ensaios  físico-químico e ferro gráfico e tiveram os resultados apresentados nos laudos técnicos contendo dados sobre os tipos de contaminantes presentes, quantificação do nível de contaminação em partes por milhão (ppm) e modificação das propriedades físico-químicas do lubrificante. Estes resultados são comparados com dados operacionais das máquinas para se confirmar os diagnósticos de falhas, buscando-se a causa fundamental das falhas.

Em algumas empresas os intervalos de manutenção preventiva dos equipamentos analisados eram realizados a cada 250 horas de operação devido ao alto teor de enxofre presente no combustível A partir de 1º de janeiro de  2012  o  intervalo  foi  alterado  para  500  horas  de  operação  porque  simultaneamente  ocorreram  duas  mudanças significativas, sendo que a Petrobrás passou a fornecer um combustível com teor de enxofre reduzido e os lubrificantes tiveram seu grupo básico alterado de I para II, oferecendo maior durabilidade e proteção aos componentes internos do motor.  Para garantir  o intervalo  de troca  correto, deve-se  seguir as  informações contidas  na  Tabela 1  que indica  a influência do teor de enxofre na determinação do intervalo de troca do lubrificante

Os  equipamentos  estudados  possuem  um  sistema  de  monitoramento  que  acompanha  diversos  parâmetros operacionais  com finalidade  de aumentar  sua vida  útil, disponibilidade,  reduzir o  consumo de  combustível e  evitar quebras  por  falha  de  operação.  Para  acompanhamento  das  condições  de  uso  do  motor  Diesel,  são  levantadas informações  relacionadas  à  utilização  do  equipamento,  carga,  faixa  de  rotação,  tempo  de  marcha  lenta  antes  do desligamento  e  temperatura de  trabalho.  Com estes  dados  pode-se  então associar  os  valores apresentados  com  os parâmetros de desgaste apresentados nas análises do lubrificante.

Este artigo apresenta o resultado do estudo e interpretação da análise de lubrificante de cinco pás carregadeiras e  duas escavadeiras  juntamente  com a  avaliação dos  parâmetros operacionais  em que  os resultados  tiveram maior variação nos teores de contaminantes após análise e estudo do laudo de trinta equipamentos. Ao avaliar os laudos das análises de  lubrificante, foi  possível notar  que o  nível de  desgaste em  motores iguais,  instalados  em equipamentos diferentes não é o mesmo, devido ao tipo de aplicação e ambiente que cada um se encontra. Observa-se também que uma escavadeira exige que  motor trabalhe em uma faixa constante de rotação para que o equipamento obtenha o seu maior desempenho e produtividade, enquanto que em uma pá carregadeira o motor trabalha em uma elevada faixa de rotação, oscilando diversas vezes entre a rotação de marcha lenta e a máxima.

  Em relação ao ambiente de trabalho, observou-se que em minerações onde o mineral extraído é o minério de ferro, há uma grande concentração  deste elemento  no lubrificante.  Por outro lado,  em equipamentos  que atuam em pedreiras observa-se uma maior concentração de silício, que por ser um elemento altamente abrasivo, tende a ser mais prejudicial às partes móveis dos motores, como casquilhos e buchas.

O  primeiro resultado,  apresentado no  item 4.1,    é uma  comparação  entre dois  equipamentos e  os demais resultados  tratam-se  de  análises  individuais  das  pás  carregadeiras  e  escavadeiras  comparando-se  a  análise  do lubrificante e as respectivas leituras do sistema de monitoramento da operação. Todos os gráficos apresentados neste artigo foram gerados a partir dos laudos das análises do lubrificante e de pesquisas no banco de dados do sistema de monitoramento das máquinas.

Cada elemento químico apresentado nos resultados é proveniente de uma peça ou componente constituinte dos motores Diesel, onde os principais itens de desgaste são a camisa do cilindro, pistão, anéis de segmento, biela, pino de união entre pistão e biela, bronzinas fixas e móveis, eixo comando de válvulas, eixo virabrequim, válvulas de admissão e escape  e, em sua  maioria, estes componentes são  fabricados e constituídos por ligas  de Ferro, cobre ou  Alumínio (NOGUEIRA e REAL, 2011). O boletim de serviços nº 160WLO27 e nº 160EXC8 desenvolvidos pelo fabricante dos equipamentos  informa  os  limites  ou  valores  aceitáveis  de  contaminação  do  lubrificante  pelos  componentes  que constituem o motor Diesel da pá carregadeira e da escavadeira, respectivamente. 

São mostrados nos Gráfico 1, Gráfico 2 e Gráfico 3 os níveis de contaminantes (Si, Cu, Fe) no lubrificante de uma máquina L180F série 15383 operando em uma mineração de minério de ferro e uma L220F série 8175 operando em uma pedreira. A linha verde contínua representa a pá carregadeira L220F enquanto a linha tracejada azul indica a pá carregadeira  L180F.  A linha  horizontal  pontilhada  em vermelho  representa  os  valores  limites para  cada  elemento químico analisado.

Através da análise  foi possível identificar uma  contaminação por sílica no intervalo de 7.500h a 10.000h de operação no motor da L220F e observar que decorrente desta contaminação houve um aumento no desgaste de cobre e ferro indicados no Gráfico 2 e Gráfico 3. 

Foi identificado  que o nível  de contaminação de  sílica da pá carregadeira L220F  estava 16 vezes  acima do valor limite máximo aceitável. Diante desta condição e de sua tendência, foi realizada uma intervenção no equipamento para remoção e troca do motor ao devido elevado desgaste em consequência do aumento dos teores de cobre e de ferro. 

Após a substituição do componente e novas análises do lubrificante com 10.000h de operação, foi verificada uma redução da contaminação por silício.   A pá carregadeira L180F apresentou um nível de contaminação por sílica menor que o limite aceitável com uma tendência desta contaminação manter-se abaixo do limite e diminuir no decorrer da operação, quando analisados os níveis de contaminação por cobre e ferro. 

Pode-se observar no Gráfico 2 que até as primeiras 2.000h de operação da L180F houve dois casos em que o teor de cobre esteve além do limite aceitável. Esta condição é decorrente do período de amaciamento do motor Diesel e impurezas do trocador de calor do óleo lubrificante do motor, que não indicam sinal de falha ou de anomalia prejudicial aos componentes.

Neste  equipamento o  teor  de cobre  inicial  foi  de 415,5ppm  até cerca  de 1.000  horas  de operação,  que é considerado período de amaciamento do motor, de acordo com o boletim de serviços nº 160EXC08 do fabricante do equipamento. Após este tempo, o equipamento apresentou queda no teor de cobre presente no lubrificante decrescendo para 2,47ppm, permanecendo com média de 1,1ppm até 7466h, conforme apresentado no Gráfico 4.

Mesmo o teor de  ferro estando abaixo de 100ppm,  houve um  pico 35,48ppm quando  o equipamento estava com 6.033h. Ao se avaliar a leitura do sistema de monitoramento no intervalo entre 4.900h a 8.200h, observou-se pelo Gráfico  5 que  dentre  os 1907  desligamentos  do motor,  96%  destes foram  realizados  com tempo  em  marcha  lenta inferior a 60 segundos, ocasionando desgaste prematuro do eixo do turbo compressor e consequente contaminação por ferro  no lubrificante.  O  tempo  mínimo  recomendado  é de  120  segundos em  marcha lenta  antes  do desligamento, conforme instruções contidas na página 123 do manual de operações do equipamento.

Através  dos  laudos  de  análise  de  lubrificantes,  ilustrados  no  Gráfico  4,  pode-se  notar  que  não  houve contaminação  externa, pois  o teor  de silício  no lubrificante  está  muito abaixo  do  limite aceitável  de 20ppm.  Esta informação  auxiliou no  diagnóstico  relacionado  ao  aumento do  teor  de ferro  quando  avaliado em  conjunto  com o Gráfico 5, sendo o problema de desligamento a causa raiz do aumento do desgaste e da contaminação. 

Desta forma,  fica clara  a eficiência  da análise  combinada do sistema  de monitoramento em  conjunto com a análise do lubrificante para se detectar o motivo do elevado teor de contaminação do lubrificante.

Pode-se perceber  que houve  aumento  na contaminação  por ferro,  com 6.000h  de operação,  proveniente do elevado número  de desligamentos  do motor antes do tempo  mínimo exigido. Vale  ressaltar que apesar  deste teor  de ferro estar dentro dos limites  estipulados pelo  fabricante, foi  possível identificar uma falha operacional que poderia comprometer  o equipamento. Assim,  fica claro  que o  monitoramento dos parâmetros  operacionais e  dos  teores de contaminantes  pode  funcionar  como  uma  ferramenta  eficaz  de  prevenção  de  falhas,  identificando  com  bastante antecedência as anomalias no sistema. Após identificada esta  falha operacional, foi realizada uma intervenção e uma melhor orientação aos operadores, o que resultou na queda dos níveis de ferro, cobre e silício no lubrificante. 

Para este equipamento observa-se que entre 8.000h e 10.600h o teor de cobre no lubrificante, indicado no  Gráfico  6, apresentou  um  aumento considerável  com  pico de  246ppm, cerca  de  1.640% acima  do limite aceitável de 15ppm.  O teor  de ferro  apresentado ficou em 252,3ppm, aproximadamente  252 vezes  acima do  limite aceitável  e 211,8ppm de  silício, 1.059%  acima do  aceitável.  Ao avaliar  os  dados operacionais  para este  intervalo, constatou-se que houve sobrecarga e consequente rotação elevada do motor, que operou 22,6h acima de 2.000rpm.

Após avaliar os laudos de  análise do  lubrificante, os dados operacionais  e realizar  uma inspeção visual no equipamento, foi possível  observar um alto teor  de sílica, ferro e  cobre. Estes contaminantes  foram provenientes  da aspiração de poeira em suspenção através de um corte no mangote de admissão do motor, localizado entre o filtro de ar e a  turbina, gerando  um desgaste  abrasivo em primeiro momento  nos pistões,  anéis de  segmento e  camisas, sendo comprovado pelo elevado teor de ferro presente no lubrificante. Com essa contaminação e o aumento de folgas internas do motor, houve o desgaste de casquilhos fixos e móveis, compostos basicamente de cobre, que por sua vez gerou uma quebra generalizada do motor.

Através dos laudos das análises do lubrificante, foi observado que no intervalo entre 4000h e 5500h houve um aumento  da  contaminação  por  cobre  (Gráfico  7), cujas  causas  foram  identificadas  através  dos dados  operacionais apresentados no Gráfico 8 e no Gráfico 9.  

Um dos fatores que contribuíram para o aumento da contaminação por cobre foi o tempo elevado em que o equipamento se manteve em marcha lenta, ou seja, motor com rotação menor que 800rpm.  O tempo em marcha lenta antes do desligamento é  apresentado no Gráfico  8. Para  se gerar  este gráfico,  foi selecionado no banco de  dados do sistema de  monitoramento da máquina  um intervalo de 1.643h de funcionamento  do motor, iniciando em  4.000h de operação e terminando em 5.643h, correspondente às leituras disponíveis próximas do pico de concentração de cobre. Durante este período de 1.643h de operação do motor, 37% dos desligamentos ocorreram após mais de 180 segundos em marcha lenta, mostrando claramente que houve falha operacional.

O  Gráfico 9  mostra  o tempo  em  que o  motor  permanece em  determinada faixa  de rotação,  onde pode-se observar nitidamente pela primeira barra (tempo < 800h) que o motor do equipamento operou 2.187 horas em marcha lenta. Confirma-se assim mais uma falha operacional, pois em motores Diesel a permanência elevada em marcha lenta provoca  uma  deficiência  de  lubrificação,  que  por  sua  vez,  causa  um  desgaste  abrasivo  nas  áreas  de  contato  dos  componentes  móveis  do  motor,  como  casquilhos que  possuem  cobre  em  sua  liga.  Assim,  estes  teores  aumentam consideravelmente no lubrificante. 

Neste equipamento foram estudados os laudos de análise  de lubrificante após o período de  amaciamento do motor.  O  equipamento  apresentou  baixos  teores  de  cobre  presente  no  lubrificante,  permanecendo  com  média  de 1,30ppm até 7.466h.  O teor de  ferro e silício permaneceram  normais sendo  que ambos  estão a  menos de  10% dos limites  especificados,  conforme  Gráfico  10.    Para  este equipamento  em  particular,  recomenda-se  uma  revisão  do intervalo de  troca do  lubrificante visto  que os  teores presentes dos elementos de  desgaste estão  em condições muito abaixo dos limites máximos. 

O Gráfico 11 apresenta os dados operacionais de tempo de permanência do motor em determinadas faixas de rotação. Pode-se verificar que o equipamento manteve-se operando entre 1.400rpm a 1.800rpm na maior parte do ciclo. 

Para este equipamento foi observado que o nível de contaminação por silício está próximo de 8 ppm quando o limite  máximo é de 20 ppm, levando-se a concluir que o nível de contaminação externa é baixo. Já o nível de contaminação por ferro ficou em menos de  20% do limite máximo de 100ppm ao longo das 6.000h  de operação observadas conforme Gráfico 12.

Diante do baixo nível de contaminação do lubrificante da carregadeira L180F, propõe-se aumentar o intervalo de troca do óleo  de motor. Se esta  mudança for  de 500h para 750h, considerando-se  uma vida útil de  30.000 horas, poderia se evitar 20  trocas de lubrificante, levando-se  a uma  economia estimada  de R$39.720,00  por equipamento, conforme apresentado na Tabela 2. Esta mudança do intervalo de troca permitiria também obter-se um ganho ambiental considerável, evitando-se o descarte de aproximadamente 840 litros de lubrificante.

Por  fim, sugere-se  implantar  um sistema  de gestão  de  manutenção  automatizado para  comparar  os dados operacionais com as análises do lubrificante, relacionando-as com as causas das falhas do equipamento. Esses dados seriam armazenados em um banco de dados, estabelecendo correlações consistentes entre eles e as causas das falhas, permitindo-se criar projetos de máquinas com maior vida útil, segurança e confiabilidade.