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Métodos de Ensaio Acelerado como
Alternativa para os Dados de Vida
de Fornecedor
Accelerated Test Methods as an Alternative
to the Catalogue Life Data
PEDRO LUIZ SASSERON
Indústrias Romi (Santa Bárbara d´Oeste, SP)
[email protected]
ALVARO JOSÉ ABACKERLI
Universidade Metodista de Piracicaba (Santa Bárbara d´Oeste, SP)
[email protected]
RESUMO O tempo de vida dos componentes é um dado necessário para a determinação do prazo de garantia e o planejamento da manutenção de máquinas e equipamentos. Os catálogos dos fornecedores nem sempre trazem esta informação. Quando ela está disponível, é comum verificar que foi obtida em condições diversas daquelas de utilização no
campo, o que dificulta a conversão para a situação desejada. Existem diferentes métodos que visam determinar o tempo
de vida esperado para os componentes, entre eles o ensaio acelerado de vida. Este método consiste em executar os testes
dos componentes sob condições de stress (maior temperatura, tensão, corrente etc.), acelerando a ocorrência de falha, e
transpor os resultados para as condições desejadas. Neste trabalho, são analisados os dados de vida disponíveis nos catálogos de fornecedores, verificadas as dificuldades de sua utilização e propostos métodos de ensaio acelerado de vida, como
alternativa para a sua determinação.
Palavras-chave confiabilidade – ensaio acelerado – dados de vida.
ABSTRACT The information on the life time of components is necessary to determine both the warranty term and the
maintenance planning of machines and equipment. The supplier’s catalogs not always bring such information. When the
information is available, it’s common to see that it was obtained in different conditions from those of the user (in field),
making it difficult to convert it to the desired situation. There are different methods of determining the components’
expected lifetime, the accelerated life test being one of them. Such method consists of component testing under stress
conditions (higher temperature, voltage, current etc.), accelerating the failure occurrences, and transporting the results to
the user’s conditions. In this work, the life data available in the supplier’s catalogs are analyzed; the difficulties in their use
are verified, and the methods of accelerated life test are discussed as an alternative for its determination.
Keywords: RELIABILITY – ACCELERATED LIFE TEST – LIFE DATA.
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INTRODUÇÃO
A
expectativa de vida dos componentes é um dado importante no desenvolvimento de um produto, seja
ele uma máquina ferramenta ou qualquer outro tipo de equipamento. Com os dados de vida, pode-se
calcular a confiabilidade dos conjuntos, individualmente, ou do equipamento todo, determinar o
prazo de garantia, estimar os custos com reposição de peças em garantia, elaborar listas de materiais sobressalentes e fornecer informações para a manutenção preventiva do equipamento, entre outras coisas.
O caminho natural para obtenção desses dados é o catálogo do fabricante, em que são encontradas as
características técnicas do componente a ser aplicado. Porém, nem sempre os dados de vida estão disponíveis,
e raramente eles são encontrados nas condições de utilização do equipamento. A maneira mais comum de
encontrar os dados é na forma de um número, representando o tempo de vida ou o número de operaçõeslimite dentro de condições específicas de aplicação. Alguns catálogos trazem gráficos mostrando a variação
do tempo de vida em relação a uma variável que nem sempre é a que se pretende estudar.
Diante da completa falta ou da escassez de dados de vida providos pelo fornecedor, torna-se necessário
encontrar alternativas para a sua obtenção. Uma delas envolve testes que sejam capazes de fornecer as informações dentro de limites aceitáveis de confiabilidade, podendo ser convertidos para as condições de utilização do equipamento no campo.
Entre os métodos de teste usuais, encontram-se o teste de uso nas condições de operação no campo e o
teste de uso contínuo, que pode representar uma aceleração em relação ao uso normal. Além desses, há o
ensaio acelerado de vida, com o componente sendo submetido a um nível elevado de corrente, temperatura,
tensão ou outra variável que acelera o aparecimento de falha. Neste trabalho, serão discutidos os métodos de
ensaio acelerado de vida como alternativa aos dados do fornecedor.
A NECESSIDADE DOS DADOS DE VIDA
Uma das aplicações dos dados de vida de componentes é a determinação do prazo de garantia da
máquina ou do equipamento. Em função dos ciclos de operação da máquina e do regime de trabalho
imposto aos componentes, pode-se determinar quanto tempo cada um deles levará para apresentar falha.
A existência de dados confiáveis é de suma importância para evitar grandes despesas dentro do período
de garantia. O envio de um assistente técnico a um cliente para diagnosticar um problema e substituir um
componente pode representar uma despesa elevada, especialmente quando implicam viagens aéreas, hospedagens etc. Em muitos casos, o valor das despesas é expressivamente superior ao do componente substituído.
Outra aplicação é a elaboração da lista de materiais sobressalentes para reposição indicados pelo fabricante da máquina ao cliente. O fato de o cliente ter à sua disposição os componentes passíveis de falha com
tempo previsto possibilita o planejamento da manutenção preventiva da máquina ou reduz o tempo de
manutenção corretiva, no caso de falha. A falta de precisão nos dados pode acarretar grande tempo de
máquina parada em caso de falha, principalmente devido ao tempo de aquisição do componente de reposição no mercado. Esse fato, embora não represente despesa para o fabricante do equipamento quando fora de
garantia, pode comprometer a sua imagem e a satisfação do cliente (Healy, 2002).
Além disso, os contratos de venda recentes tendem a ser mais exigentes em relação à especificação dos
dados de vida dos componentes empregados nos equipamentos, além da propensão ao aumento de seu
prazo de garantia. Essas tendências ressaltam a importância da qualidade dos dados de vida utilizados no
desenvolvimento do produto.
DADOS DISPONÍVEIS NOS CATÁLOGOS E QUALIDADE DA INFORMAÇÃO
Para escolha de um caso típico, foram analisados os componentes eletroeletrônicos usados em
máquinas-ferramenta, tomando-se como exemplo um relé. Esse componente está presente na grande maioria das máquinas e tem a função de comandar motores, válvulas e outros itens elétricos, estabelecendo o seu
estado operacional: ligado ou desligado.
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Foram selecionados catálogos de grandes fabricantes mundiais de relés dos Estados Unidos (Aromat,
1997), Alemanha (Murrelektronik, 2000 e Phoenix, 2000), Itália (Finder, 2002) e Japão (Omron, 2000), e
deles coletados os dados disponíveis. Essas informações foram agrupadas por tipo de dados de cada fornecedor, sendo os dados típicos mostrados na tabela 1.
Pela tabela, nota-se que os catálogos do fornecedor A não trazem nenhum dado de vida dos relés.
Desse modo, não é possível fazer qualquer estimativa sobre a expectativa de vida deles, embora sejam esses os
dados disponíveis para o projeto, se utilizados os componentes deste fabricante.
Tab. 1. Expectativa de vida de relé.
FORNECEDOR
VIDA MECÂNICA
(OPERAÇÕES)
VIDA ELÉTRICA
CARGA RESISTIVA
(OPERAÇÕES)
VIDA ELÉTRICA
CARGA INDUTIVA
(OPERAÇÕES)
A
-
-
-
7
B
1,0 . 10
-
C
0,5 . 107
2,0 . 105
D
7
5
2,0 . 10
1,0 . 10
0,5 . 105
Pela tabela, observam-se os dados do fornecedor B, que informa em seus catálogos a vida mecânica do
relé. Entretanto, como se trata de um componente eletromecânico, na maioria dos casos, os dados fornecidos são insuficientes para o uso em projeto. Isso se deve ao fato de as falhas da parte elétrica do componente
aparecerem primeiro. O modo de falha elétrica é, em geral, cerca de duas ordens de grandeza menor do que
a mecânica, conforme se observa nos fornecedores C e D.
Verificando os dados do fornecedor C, nota-se uma vantagem em relação aos fornecedores A e B.
Além da informação de vida mecânica, o catálogo do fornecedor C apresenta, ainda, a de vida elétrica para
cargas resistivas. Apesar da melhoria nas informações, elas também são incompletas, considerando que a
maioria das cargas elétricas de máquinas são do tipo indutivo, como os motores e eletroválvulas.
Finalmente, observando os dados de vida do fornecedor D, é possível observar mais um avanço: além
das informações de vida mecânica e elétrica para cargas resistivas, aparece também a vida elétrica para cargas
indutivas. Agora, a restrição quanto ao uso das informações fica por conta das condições de temperatura, tensão e corrente.
Se os valores dessas variáveis estiverem dentro dos limites estabelecidos nos catálogos, os dados de vida
podem ser usados no projeto. Caso contrário, seria necessário fazer uma conversão para a situação desejada.
Porém, somente alguns catálogos trazem as curvas de conversão e, ainda assim, somente para a variável corrente.
Considerando que, em todos os casos, existem restrições quanto às aplicações das informações dos
catálogos, tornam-se necessárias alternativas para a obtenção dos dados de confiabilidade necessários. As
alternativas que serão discutidas na seqüência deste trabalho são os métodos de teste de vida.
AS TÉCNICAS DE TESTE
Existem várias maneiras de se obter os dados de vida de um componente por meio de testes. Entre elas,
serão discutidos o teste de uso nas condições normais de campo, o teste de aceleração pelo uso contínuo, os
ensaios acelerados qualitativos e os ensaios acelerados quantitativos.
O teste de vida normal, ou de campo, com os componentes trabalhando nas condições reais de
uso do equipamento, é a primeira alternativa descrita que pode fornecer os dados de vida dos componentes. Esse ensaio pode ser realizado em bancada ou no próprio campo, com o componente fazendo
parte do equipamento em uso normal. A grande limitação dessa opção é o tempo elevado para se obter
resultados.
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Um segundo método, a aceleração por uso contínuo, consiste em testar continuamente um componente que, em regime normal, funcionaria durante um tempo bem menor. Por exemplo, se um equipamento
trabalha durante algumas horas por dia em alguns dias da semana, pode ser posto a operar em regime contínuo, 24 horas por dia e sete dias por semana. Quanto menor o tempo de uso normal do componente, maior
o fator de redução do tempo total de teste. Nesse caso, a limitação ocorre com produtos de uso intenso em
que não é possível uma redução significativa de tempo (Vassiliou & Mettas, 2002).
Os ensaios acelerados qualitativos – entre os quais estão os testes de tortura e os testes altamente acelerados – são realizados em pequenas amostras, em que o produto é submetido a um meio extremamente desfavorável, com níveis severos de stress. Se o produto sobrevive, é aprovado. O ensaio altamente acelerado de
vida pode ser usado para a revelação do provável modo de falha (Vassiliou & Mettas, 2002) e em algumas
fases do desenvolvimento de produto (Jawaid et al., 2002). Os dados obtidos normalmente não podem ser
extrapolados para condições reais de uso e não produzem um significativo número de MTBF (Mean Time
Between Failure) (Silverman, s/d).
Os ensaios quantitativos estimulam o produto a falhar em um teste de vida. Isso acontece aplicando-se
um nível de stress que excede as condições que o produto encontra em condições normais de uso. O tempo
até a falha, obtido sob essas condições, é então extrapolado para as condições de uso. O ensaio acelerado de
vida pode ser feito sob alta ou baixa temperatura, umidade, tensão, pressão, vibração etc., a fim de acelerar
ou estimular o mecanismo de falha. Deve-se ter o cuidado de não introduzir modos de falha que nunca ocorreriam sob condições de uso. Normalmente, o nível de stress deve cair fora dos limites de especificação do
produto, mas dentro dos limites do projeto (Vassiliou & Mettas, 2002).
O MÉTODO DE ENSAIO ACELERADO DE VIDA
Diante das possibilidades de determinação do tempo de vida discutidas, o ensaio acelerado de vida se
revela como adequado para quantificar o tempo até a falha de componentes, como alternativa aos dados de
catálogo. Para a discussão do método, é importante mostrar em que consiste esse teste, descrever os passos
para sua utilização e apresentar alguns casos em que está sendo aplicado.
Uma típica análise de dados de vida determina, por meio do uso de distribuições estatísticas, a distribuição de vida que descreve o tempo até a falha de um produto. Estatisticamente falando, deseja- se determinar a função densidade de probabilidade (Pdf) da distribuição de falha para as condições ou os níveis de uso
do produto. Para isso, podem ser usadas distribuições como Weibull, exponencial e lognormal.
Para os dados obtidos num ensaio acelerado de vida, entretanto, é necessário um método que permita
extrapolar as informações coletadas para se chegar a uma estimativa dos níveis característicos de uso. O relacionamento entre a função densidade probabilidade obtida num ensaio sob stress e a mesma função em condições de uso normal pode ser conseguido com os modelos Arrhenius, Eyring, Potência Inversa, TemperaturaUmidade etc.
A figura 1 ilustra a função densidade de probabilidade do tempo até a falha de um componente para
diferentes níveis de uso. Ela mostra as características da função para a condição normal de uso e para o ensaio
acelerado (Vassiliou & Mettas, 2002).
Um passo para a análise dos dados de um ensaio acelerado é a escolha da distribuição de vida apropriada. Essa escolha depende das características dos dados coletados, sendo comum se calcular os parâmetros para as várias distribuições e verificar qual delas representa melhor o conjunto de dados (Vassiliou &
Mettas, 2002).
Definida a distribuição de vida, outro passo é a determinação do modelo de extrapolação dessa distribuição, do nível de stress elevado para o nível de stress de uso normal, ou o que se deseja estudar. O modelo
mais adequado entre os já citados depende, principalmente, da variável cujo nível foi elevado nos testes,
como temperatura, umidade, potência etc.
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Fig. 1. Função densidade de probabilidade em diferentes níveis de stress.
Outra questão na análise do ensaio acelerado é o carregamento de stress em função do tempo. O mais
comum é o carregamento constante ou não dependente do tempo. Esse tipo tem muitas vantagens sobre os
dependentes do tempo, como maior facilidade de trabalho, maior precisão e a consideração de que muitos
produtos trabalham em níveis constantes de stress. Nesta linha, é possível observar a existência de trabalhos
utilizando o planejamento de múltiplos níveis de stress constante (Tang & Yang, 2002).
Quando se trata de stress variável no tempo, temos a discussão em torno de modelos que utilizam o
step-stress test (Mettas & Vassiliou, 2002), com a distribuição de vida Weibull, e estudos de alternativas a essa
distribuição (Khamis & Higgins, 1999).
Entre as aplicações do ensaio acelerado de vida, o maior número de ocorrências está no desenvolvimento de produto para determinação da expectativa de vida de um equipamento, como um aparelho de
projeção de imagens (Douglass, 1998). Também são encontradas aplicações em módulos que incorporam
algum tipo de tecnologia utilizada em outros produtos, como circuitos híbridos (Bhakta et al., 2002).
Outra aplicação importante é a identificação e eliminação dos modos de falha de processos produtivos
de alguns equipamentos (Douglass & Sontheimer, 1998). É importante lembrar que, para determinação do
modo de falha, em muitos casos, o ensaio altamente acelerado também pode ser aplicado.
O setor espacial, que precisa de materiais com alta confiabilidade devido aos altos custos dos equipamentos envolvidos, também utiliza o teste acelerado de vida. Um caso específico é a aceleração por aumento
das radiações, para estudar o comportamento do componente quando submetido aos altos índices de radiação no espaço (Benedetto, 1997-2002).
CONCLUSÕES
Com base nos itens anteriores, pode-se dizer que as informações constantes nos catálogos de fornecedores são, geralmente, escassas ou incompletas quanto à expectativa de vida dos componentes. Esse fato nos
leva a buscar alternativas para obtenção desses dados.
Na discussão sobre os métodos de testes existentes, o ensaio acelerado de vida se apresenta como uma
alternativa interessante, principalmente pela possibilidade de os dados obtidos pela aceleração poderem ser
extrapolados para as condições de uso desejadas.
Finalmente, pode-se dizer que os casos existentes de aplicação desse método, especialmente no desenvolvimento de produtos, indicam a viabilidade de ele ser utilizado como alternativa à falta de dados de vida.
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Dados dos autores
PEDRO LUIZ SASSERON
Graduado em Engenharia Elétrica pela EFEI e
pós-graduado em Marketing pela Unisal. Atua no
desenvolvimento de produtos nas Indústrias
Romi. Mestrando em Engenharia de Produção
na UNIMEP
ALVARO JOSÉ ABACKERLI
Graduado em Engenharia Mecânica pela EESC/
USP-São Carlos, onde também doutorou-se em
Metrologia. Pós-doutoramento no National
Physical Laboratory (Inglaterra) e no National
Institute of Standards and Technology (Estados
Unidos). Docente na graduação e de pósgraduação da UNIMEP
Recebimento do artigo: 15/abr./03
Consultoria: 25/nov./03 a 18/dez./03
Aprovado: 18/dez./03
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