SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
CONSELHO REGIONAL DE ENGENHARIA E AGRONOMIA - CONFEA
RELATÓRIO DE PARTICIPAÇÃO DO PRESIDENTE DA FENEMI NO VII COBIM - CUSCO/PERU
RELATÓRIO:
- O presente relatório tem como objetivo atender o que está determinado no art. 6º da Resolução
n° 1009, de 2005, bem como o que está previsto no modelo anexo à Decisão Plenária nº 0178/2004 que,
de forma clara, enumera quais pontos devem ser registrados e relatados como resultado de uma missão
ao exterior.
APROVAÇÃO DA PARTICIPAÇÃO DO PRESIDENTE DA FENEMI NO VII COBIM - CUSCO/PERU:
- Os Conselheiros Federais do CONFEA, na Sessão Plenária Ordinária 1.393, realizada no dia 1º de outubro
de 2012, em Brasília, conforme Decisão Plenária nº 1681/2012, aprovaram a participação do Presidente
da FENEMI (Federação Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial), Eng. Mec. Jorge Nei Brito, para
participar do "Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica - VII COBIM" (Congreso Iberoamericano
de Ingeniería Mecánica - VII COBIM), evento realizado no período de 23 a 25 de outubro de 2012, em
Cusco, Peru, para apresentação de três trabalhos técnicos.
PRESIDENTE DA FENEMI:
- Eng. Mecânico Jorge Nei Brito.
PERÍODO, LOCAL DO EVENTO E ORGANIZAÇÃO:
- do "Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica - VII COBIM" (Congreso Iberoamericano de
Ingeniería Mecánica - VII COBIM), evento realizado no período de 23 a 25 de outubro de 2012, em Cusco,
Peru. O evento foi organizado pela "Sociedad Bolivariana de Ingeniería Mecánica" e pela "Facultad de
Ciencias e Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica del Perú".
OBJETIVO:
- Apresentar os trabalhos "Análise de vibração e análise de graxa, para detecção de falhas em
rolamentos"; "Aplicação da metodologia FMEA para aumento da Disponibilidade do transportador CABLE
BELT" e "Detecção de curto-circuito entre espiras do enrolamento do estator do motor elétrico utilizando
análise termográfica".
- Também assistir as palestras e trabalhos científicos apresentados nas trinta e duas sessões técnicas
apresentadas por engenheiros, pesquisadores, cientistas, técnicos e estudantes de várias partes do
mundo.
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
29/11/2012
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Página Principal do Evento (http://www.asmeconferences.org/Congress2012/index.cfm)
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
29/11/2012
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Visão Geral do Programa Técnico - Sessões Técnicas
Os trabalhos técnicos foram divididos em trinta e duas áreas temáticas da Engenharia Mecânica. Toda a
programação
está
disponível
através
do
link
"http://congreso.pucp.edu.pe/viicobim/areastematicas.html".
01 Aspectos medioambientales
02 Biomecánica
03 Control de calidad
04 Diseño de elementos de máquinas
05 Energía
06 Ensayos y verificaciones
07 Estructuras
08 Fabricación automatizada (CAM)
09 Formación
10 Historia de la Ingeniería Mecánica
11 Instrumentación
12 Mantenimiento
13 Maquinaria de transporte
14 Máquinas-herramientas
15 Materiales y Metalurgia
16 Mecánica de fluidos
17 Mecánica de los medios continuos
18 Mecánica general
19 Mecatrónica - Electromecánica - Automática
20 Métodos numéricos
21 Metrología
22 Otras máquinas
23 Planificación y control de fabricación
24 Producción industrial
25 Procesos de fabricación
26 Reacondicionamiento
27 Síntesis y análisis de mecanismos
28 Sistemas de representación - CAD
29 Termodinámica - termotecnia
30 Tribología
31 Vehículos automóvil
32 Vibraciones mecánicas y acústicas
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
29/11/2012
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Programa Geral de Atividades - Detalhamento dos Trabalhos Apresentados
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
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Programa Geral de Atividades - Detalhamento dos Trabalhos Apresentados
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
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Programa Geral de Atividades - Detalhamento dos Trabalhos Apresentados
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Presidente da FENEMI
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Programa Geral de Atividades - Detalhamento dos Trabalhos Apresentados
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
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Terça-feira, 23 de outubro
- Inscrição.
- Palestra: Tendencias de la eneñanza actual de la Ingeniería Mecánica.
Prof. Dr. Ing. Emilio Bautista - Universidad Politécnica de Madri / España.
- Palestra: Tendencias futuras del motor de combustión interna.
Prof. Dr. Ing. Simón Fygueroa - Universidad de Mérida / Venezuela.
- Sessão Técnica (Trabalhos relacionados com minha área de interesse - DINÂMICA):
1) ANALISIS DE RESONANCIAS EN MÁQUINAS, EN EL AISLAMIENTO DE LAS VIBRACIONES
AUTORES: Berrios Bárcena D. R.*, Febres Soria M.°
* Departamento Académico de Ingeniería Mecánica, UNSAAC, Cusco - Perú, [email protected]
° Departamento Académico de Ingeniería Mecánica, UNSAAC, Cusco - Perú, [email protected]
RESUMEN: El aislamiento de las vibraciones en una máquina real, produce resonancias de baja frecuencia
que son importantes analizar. El presente estudio tiene como objetivo entender y analizar las vibraciones
que se producen al realizar un aislamiento activo en una máquina en donde las vibraciones puedan causar
daño a su entorno, ya que los aisladores de vibración son elementos elásticos de baja rigidez harán que la
transmisibilidad en el sistema sea baja y que se pueda realizar un aislamiento efectivo del sistema, pero
en el sistema se generaran resonancias de baja frecuencia natural que se tienen que analizar ya que el
sistema siempre pasara por estas resonancias para su operación ya sea en el encendido (Run Up) o
apagado (Cost Down) del sistema. Se analizarán estas resonancias en máquinas rotativas y reciprocantes
(módulos de laboratorio), así mismo mediciones experimentales para comparar resultados
experimentales y analíticos.
- Coquetel de boas vindas.
Quarta-feira, 24 de outubro
- Palestra: Desafios y tendencias para los robots de servicio: problemas y experiencias.
Prof. Dr. Ing. Marco Ceccarelli - Universidad Politécnica de Cassino / Itália.
- Palestra: Rigorous modeling and simulation of mechatronics systems.
Prof. Dr. Jim Taylor - University of New Brunswick / Canadá.
- Sessão Técnica (Trabalhos relacionados com minha área de interesse - DINÂMICA):
1) IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN DE FALLAS EN CAJAS DE ENGRANAJES RECTOS CON REDES
NEURONALES DE ALIMENTACIÓN HACIA ADELANTE Y RETROPROPAGACIÓN DEL ERROR
AUTORES: René V. Sánchez L.*, Adrian D. Arpi S.°
*Universidad Politécnica Salesiana, Centro de Investigaciones en Automatización, Materiales y Energía
(CIAME), Cuenca-Ecuador, [email protected]
° Universidad Politécnica Salesiana, Cuenca - Ecuador, [email protected]
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
29/11/2012
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Quarta-feira, 24 de outubro (Continuação)
RESUMEN: Este documento presenta la implementación de una Red Neuronal Artificial (RNA) de
alimentación hacia adelante y de retropropagación del error para la identificación y clasificación de fallas
en cajas de engranajes rectos. Cuatro diferentes clases de falla fueron probadas: Diente de engranaje en
tres porcentajes de rotura, desalineación engranaje, piñón con desgaste en la cara y piñón con picadura,
las pruebas se realizaron en diferentes condiciones de carga y velocidad. Un acelerómetro y tarjeta de
adquisición de datos fueron usados para adquirir las señales de vibración. Estas se preprocesaron usando
medidas estadísticas de la señal en el dominio del tiempo como la deviación estándar, asimetría
estadística, curtosis y en el dominio de la frecuencia se dividió el espectro obtenido con la FFT en 20
bandas, para cada banda se calculo el valor RMS, de manera que se mantenga la forma de la energía en
los picos del espectro. El preprocesamiento se realizo con el objetivo de reducir los datos de entrada a la
RNA. Se formo vectores de las características de la señal pre-procesada, los cuales fueron usados como
parámetros de entrada de la RNA. Los resultados obtenidos mostraron que para el vector formado por las
20 bandas, deviación estándar, asimetría estadística, curtosis, la medida de la frecuencia de rotación y la
medida de la carga aplicada se puede obtener un algoritmo eficiente computacionalmente debido la
arquitectura de la RNA la cual identifica y clasifica las fallas propuestas con un margen relativamente alto
de clasificaciones exitosas, evaluadas mediante la matriz de confusión.
2) ANÁLISIS DINÁMICA TEÓRICA Y EXPERIMENTAL DE UN ROTOR CON COJINETES MAGNÉTICOS ACTIVOS
AUTORE: Luiz de Paula do Nascimento*
*Universidad Estadual Paulista “Julio de Mesquita Filho”- UNESP
Facultad de Ingeniería de Ilha Solteira, Dep. de Ingeniería Mecánica - [email protected]
RESUMEN: Las características dinámicas de un rotor soportado por cojinetes magnéticos activos se
pueden variar de acuerdo con el conjunto de parámetros del circuito de control PID. Por lo tanto, este
trabajo presenta un análisis teórico y experimental de la dinámica de un rotor de laboratorio suportado
por cojinetes magnéticos. En primer lugar, las características dinámicas teóricas de los cojinetes
magnéticos son determinadas a través de la función de transferencia del sistema de control PID. Por otro
lado, se desarrolló un modelo para el rotor utilizando el método de elementos finitos y las características
modales fueron obtenidas. Finalmente, un análisis modal experimental del rotor se llevó a cabo y los
resultados son comparados con los resultados de la simulación numérica.
- Jantar de Gala.
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
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Quinta-feira, 25 de outubro
- Palestra: Problemas y retos de la industria metalmecánica en México para ubicarse en la classe mundial.
Prof. Mag. Ing. Carlos Acosta - Universidad de las Américas de Puebla / México.
- Palestra: Cómo conseguir que el Ingeniero Mecánico. Salga del quadro. Técnicas simples para provocar
la innovación.
Prof. Mag. Ing. Eduardo Ísmodes - PUCP / Perú.
- Sessão Técnica (Trabalhos relacionados com minha área de interesse - DINÂMICA):
1) APLICAÇÃO DA METODOLOGIA FMEA PARA AUMENTO DA DISPONIBILIDADE DO TRANSPORTADOR
CABLE BELT (Trabalho apresentado por JORGE NEI BRITO)
AUTORES: Silva, M. H.*, Silva, V. R. V.°, Brito, J. N.°°
* UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, SJDR, MG, Brasil, [email protected]
° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, SJDR, MG, Brasil, [email protected]
°° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, SJDR, MG, Brasil, [email protected]
RESUMEN: Neste trabalho aplicou-se a metodologia FMEA para identificação e classificação dos modos de
falha presentes no transportador Cable Belt. Também foram elaboradas ações a curto e longo prazo a fim
de obter aumento da disponibilidade física do equipamento. Dessa forma, foram verificados diversos
modos de falha presentes no transportador, e identificados as causas e efeitos relacionados aos mesmos.
O mapeamento dos problemas foi realizado por uma equipe multidisciplinar, constituída por
componentes da Engenharia de Manutenção Industrial, Equipe de Manutenção da Área, Planejamento e
Controle da Manutenção e Operação. Os resultados obtidos validam a eficácia da metodologia aplicada,
norteando o trabalho e ressaltando a importância do trabalho em grupo.
2) ASSOCIAÇÃO DAS TÉCNICAS PREDITIVAS: ANÁLISE DE VIBRAÇÃO E ANÁLISE DE GRAXA, PARA
DETECÇÃO DE FALHAS EM ROLAMENTOS (Trabalho apresentado pelo meu orientado LUCAS COSTA BRITO)
AUTORES: Brito, L. C*, Pereira, J. G.°, Brito, J. N.°°
* UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, São João del Rei - MG, CEP 36307-352, [email protected]
° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, São João del Rei - MG, CEP 36307-352, [email protected]
°° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, São João del Rei - MG, CEP 36307-352, [email protected]
RESUMEN: Neste trabalho apresenta-se uma associação de técnicas preditivas aplicadas na detecção de
falhas em rolamentos (análise de vibração - técnica de envelope e análise de graxa). Os sinais de vibração
foram coletados em uma bancada experimental em dois rolamentos W209 PP retirados de um motor de
indução trifásico pertencente a um sistema de refrigeração do carro do metrô. Posteriormente ao teste
foram retiradas a graxa dos rolamentos e feito o teste. Os resultados dos testes realizados mostraram a
eficiência das técnicas utilizadas podendo serem incluídas em um programa de Manutenção Preditiva.
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
29/11/2012
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3) DETECÇÃO DE CURTO-CIRCUITO ENTRE ESPIRAS DO ENROLAMENTO DO ESTATOR DO MOTOR
ELÉTRICO UTILIZANDO ANÁLISE TERMOGRÁFICA (Trabalho apresentado por JORGE NEI BRITO)
AUTORES: Silva, V. A. D. *, Baccarini, L. M. R.. V.°, Brito, J. N.°°
* UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, SJDR, MG, Brasil, [email protected]
° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, SJDR, MG, Brasil, [email protected]
°° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, SJDR, MG, Brasil, [email protected]
RESUMEN: Motores elétricos são componentes essenciais na grande maioria dos processos industriais. As
diversas falhas nas máquinas de indução podem gerar consequências drásticas para um processo
industrial. Assim, a detecção de falhas entre espiras é especialmente importante, pois acredita-se que é o
começo para a ocorrência das demais falhas nos enrolamentos, tais como: curto-circuito entre bobinas de
uma mesma fase e entre bobinas de fases diferentes e, curto-circuito entre fase e terra, que podem
resultar em perdas irreversíveis do núcleo do estator. O objetivo é a utilização de diferentes técnicas
preditivas, tais como, análise de vibração, fluxo magnético e termografia para detecção de curto-circuito
entre espiras do enrolamento do estator. Desta forma é possível detectar a falha utilizando técnicas
amplamente disseminadas no meio industrial avaliando a viabilidade de cada uma independente, além de
validar a termografia, que é uma técnica que possui uma análise mais simplificada em comparação com as
tradicionais, aumentando assim a confiabilidade e a disponibilidade das máquinas nas plantas industriais,
tornando o processo de manutenção cada vez mais eficiente e eficaz.
4) ANÁLISIS DE FALLA DE UNA REJILLA DE REACTOR DE SULFATO DE COBRE DE ACERO INOXIDABLE 316L
AUTORES: Francisco Rumiche y Carlos Juarez
Sección Ingeniería Mecánica, Facultad de Ciencias e Ingeniería, Pontificia Universidad Católica del Perú,
Avenida Universitaria 1801, Lima 32, Perú, [email protected], [email protected]
RESUMEN: En la presente investigación se muestran los resultados del análisis de falla de una rejilla de un
reactor de sulfato de cobre de acero inoxidable AISI 316L. La investigación comprendió el análisis de la
región dañada de la rejilla mediante inspección visual y microscopía electrónica de barrido (SEM). Se
evaluó la composición química del material así como su microestructura, tanto en la región dañada como
en una región sin daño. Los resultados de la evaluación revelaron un mecanismo de falla por corrosión
localizada y un elevado contenido de ferrita delta en la microestructura. El análisis de los productos de
corrosión y de las aguas empleadas en el reactor reveló un elevado contenido de cloruros. La agresividad
del medio originó picaduras en las paredes de los agujeros de la rejilla, las cuales se propagaron al interior
del material mediante un mecanismo de disolución preferencial de la ferrita delta; disminuyendo de esta
manera la resistencia mecánica de la rejilla, y generado finalmente el colapso de la misma.
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
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5) ANÁLISIS DE FALLA DE UNA TUBERÍA DE ACERO INOXIDABLE 304L PARA LA INDUSTRIA CERVECERA
AUTORES: Rolando Nuñez*, Aníbal Rozas**, Francisco Rumiche***
Laboratorio de Materiales, Sección Ingeniería Mecánica
Pontificia Universidad Católica del Perú
* [email protected]
**[email protected]
***[email protected]
RESUMEN: El presente estudio está enfocado en la determinación del mecanismo de falla de una tubería
de acero inoxidable austenítico 304L, utilizada en el proceso de elaboración de cerveza, la cual falló tan
solo a un mes después de su instalación. La metodología del estudio comprendió la inspección visual de la
superficie de fractura y el análisis de las fisuras generadas, mediante microscopía electrónica de barrido
(SEM). A través del análisis microestructural se pudo observar que la propagación de las fisuras fue de
modo transgranular. Por otro lado, una visita al lugar donde ocurrió la falla permitió determinar la
existencia de tubos de CPVC de transporte de cloruro de calcio y cloruro de zinc (CaCl2, ZnCl2) ubicados
exactamente por encima de la tubería dañada; estos tubos presentaban fugas, generando de esta manera
una exposición de la tubería a estas sustancias corrosivas. Las condiciones de operación, la agresividad del
entorno y la exposición del material a sustancias corrosivas, propiciaron un mecanismo de corrosión bajo
tensión (SCC), derivando finalmente en la falla catastrófica de la tubería.
Quinta-feira, 25 de outubro
COQUETEL DE DESPEDIDA COM SHOW DE DANÇA E MÚSICA
PREPOSIÇÕES/RECOMENDAÇÕES A SEREM APLICADAS NO SISTEMA PELA EXPERIÊNCIA ADQUIRIDA.
- De forma geral destaco a grandeza e importância do evento que abrangeu trinta e duas áreas temáticas
da Engenharia Mecânica, sendo apresentados sessenta e quatro trabalhos e proferidas seis palestras por
pesquisadores de renome internacional da Espanha, Venezuela, Itália, Canadá, México e Peru.
- Estive presente em todas as sessões técnicas e assisti às seis palestras. Assisti vários trabalhos técnicos,
principalmente os da minha área de interesse (Dinâmica - Detecção de Falhas), conforme destacados
neste relatório. Também participei de todas as atividades sociais (coquetel de boas vindas, jantar de gala e
coquetel de despedida com show de música e dança).
- Apresentei os trabalhos E.1.3 e E.1.5 na língua espanhola e meu orientado de Iniciação Científica, Lucas
Costa Brito, aprensentou o trabalho E.1.2. Estes trabalhos chamou a atenção dos presentes gerando
várias perguntas e também o interesse de professores presentes em possíveis parcerias.
- Destaco a importância da participação de profissionais do Sistema CONFEA/CREA/MÚTUA em eventos
nacionais e internacionais, principalmente quando estes tiverem trabalhos a serem apresentados, como
foi o meu caso.
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
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CONSIDERAÇÕES FINAIS.
- O "Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica - VII COBIM" (Congreso Iberoamericano de
Ingeniería Mecánica - VII COBIM) reuniu professores, pesquisadores, alunos, engenheiros, cientistas e
técnicos que puderam apresentar e e/ou assistir trabalhos técnicos-científicos relacionados com as trinta
e duas áreas temáticas, onde foram apresentadas soluções inteligentes e desafiadoras para a evolução da
Engenharia Mecânica.
- Além do excelente nível técnico destaco as várias oportunidades em que foi possível trocar ideias com os
profissionais de várias empresas e professores e estudantes das instituições de ensino presentes no
congresso.
- Com relação aos profissionais de empresas do Peru, presentes no evento, os mesmos mostraram
interesse em conhecer na prática as técnicas preditivas, ainda pouco conhecidas por eles. Nos oferecemos
para fazer-lhes uma visita técnica onde na oportunidade faríamos inspeção através da análise de vibração,
análise termográfica, análise de óleo e análise de fluxo magnético.
- Há também uma grande possibilidade de parceria com a Pontificia Universidad Católica del Perú. A ideia
é que seus alunos de mestrado e doutorado possam usar o Laboratório de Sistemas Dinâmicos (LASID) da
Universidade Federal de São João del Rei (UFSJ) para realização de testes usando as técnicas preditivas
supracitadas uma vez que eles não possuem os equipamentos para realizá-las.
- Os anais do evento estão à disposição para os interessados.
- Os três trabalhos apresentados estão anexados a este relatório.
- CRACHÁ DE PARTICIPAÇÃO NO Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica - VII COBIM
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
29/11/2012
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- CERTIFICADOS DE PARTICIPAÇÃO NO Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica - VII COBIM
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
29/11/2012
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- CERTIFICADOS DE PARTICIPAÇÃO NO Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica - VII COBIM
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
29/11/2012
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- ALGUMAS FOTOS DO Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica - VII COBIM
OBSERVAÇÃO: Como minhas fotos estavam no notebook que caiu e danificou-se em Houston perdi todas
as fotos tiradas durante o evento. Não havia back-up e não foi possível recuperar os arquivos que estavam
no HD As fotos apresentadas foram cedidas por um professor brasileiro que também participou do evento.
Centro de Convenciones de la Municipalidad del Cusco
Centro de Convenciones de la Municipalidad del Cusco
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
São João del Rei
29/11/2012
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- ALGUMAS FOTOS DO Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica - VII COBIM
Jantar de Gala no Centro de Convenciones de la Municipalidad del Cusco
Engenheiro Mecânico Jorge Nei Brito
Presidente da FENEMI
SãoJoão del Rei, 29 de novembro de 2012.
UNIVERSIDAD
NACIONAL SAN
ANTONIO ABAD
DEL CUSCO
SOCIEDAD
BOLIVARIANA
DE INGENIERÍA
MECÁNICA
VII CONGRESO BOLIVARIANO
DE INGENIERÍA MECÁNICA
vii cobim-071-2012
Lima, 07 de agosto del 2012
Señores
M. H. Silva
V. R. V. Silva
J. N. Brito
Federal University of São João del Rei
UFSJ
Brasil.Estimados señores:
Por la presente tenemos el agrado de comunicarle que el trabajo in extenso que nos hiciera
llegar con el título “APLIÇÃO DA METODOLOGIA FMEA PARA AUMENTO DA
DISPONIBILIDADE DO TRANSPORTADOR CABLE BELT”, ha sido revisado por pares
seleccionados por nuestra comisión académica, y, como consecuencia de ello, ha sido
aceptado por la Comisión Académica del VII Congreso Bolivariano de Ingeniera Mecánica
para ser expuesto en el Congreso que se celebrará entre el 23 y 25 de octubre próximos en la
ciudad del Cusco.
Le solicitamos que proceda a la inscripción (El link para inscripción estará activo a partir del
lunes 20 de agosto) según los términos expresados en la página web del congreso
http://congreso.pucp.edu.pe/vii-cobim/inscripcion.html
Adicionalmente le comunicamos que hemos asignado a su trabajo el código E.1.3
Aprovecho la oportunidad para agradecerle por su interés en participar en el VII COBIM.
Con saludos cordiales,
Dr. Luis Chirinos García
Director Académico
VII Congreso Bolivariano de Ingeniería
Mecánica
Pontificia Universidad Católica del Perú
Sección de Ingeniería Mecánica
Av. Universitaria 1801, San Miguel, Lima
www.pucp.edu.pe
Teléfono: (00511) 626 2000 anexo 4843
email: [email protected]
fax: (00511) 626 2461
http://congreso.pucp.edu.pe/vii-cobim
VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA
Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012
APLICAÇÃO DA METODOLOGIA FMEA PARA AUMENTO
DA DISPONIBILIDADE DO TRANSPORTADOR CABLE BELT
Silva, M. H.*, Silva, V. R. V.°, Brito, J. N.°°
* UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, SJDR, MG, Brasil, [email protected]
° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, SJDR, MG, Brasil, [email protected]
°° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, SJDR, MG, Brasil, [email protected]
RESUMEN
Neste trabalho aplicou-se a metodologia FMEA para identificação e classificação dos modos de falha presentes no
transportador Cable Belt. Também foram elaboradas ações a curto e longo prazo a fim de obter aumento da
disponibilidade física do equipamento. Dessa forma, foram verificados diversos modos de falha presentes no
transportador, e identificados as causas e efeitos relacionados aos mesmos. O mapeamento dos problemas foi
realizado por uma equipe multidisciplinar, constituída por componentes da Engenharia de Manutenção Industrial,
Equipe de Manutenção da Área, Planejamento e Controle da Manutenção e Operação. O acompanhamento do plano
de ação traçado foi realizado em reuniões semanais, onde também foram discutidos novos pontos e estratégias para
ganhos e melhorias. Os resultados obtidos validam a eficácia da metodologia aplicada, norteando o trabalho e
ressaltando a importância do trabalho em grupo.
PALABRAS CLAVE: Transportador de Correia, Cable Belt, FMEA, Disponibilidade.
ÁREA TEMÁTICA PRINCIPAL:
12 MANTENIMIENTO
INTRODUÇÃO
Após a Segunda Grande Guerra Mundial os processos industriais passaram por um grande incremento
tecnológico. Esta evolução ocorre, atualmente, sob uma dinâmica extremamente acelerada. Paralelo a este fato
intensifica-se a globalização da economia, algo que se tornou irreversível atualmente. Dessa forma, a concorrência
num mercado global acirrou-se, exigindo das grandes empresas adequação a padrões mundiais de qualidade.
Ser competitivo, dentro desse cenário, pode ser sintetizado em atender aos padrões de qualidade exigidos pelo
cliente, fazendo frente aos concorrentes, não deixando, porém, de garantir economia de seus processos produtivos.
Portanto, eficiência e eficácia são conceitos importantes e necessários ao sucesso, não só dos grandes grupos, mas
também aos pequenos produtores.
A busca pela excelência na gestão da manutenção é uma das formas de garantir o sucesso dentro desse ambiente
de acirrada competitividade e grande é a literatura a este respeito. Muitas ferramentas são utilizadas pelas mais
variadas empresas, visando gerenciar adequadamente a manutenção.
Segundo [Rocha, 1995] o departamento de manutenção tem importância vital no funcionamento de uma indústria.
Pouco adianta o administrador de produção procurar ganho de produtividade se os equipamentos não dispõem de
manutenção adequada. À manutenção cabe zelar pela conservação da indústria, especialmente de máquinas e
equipamentos, devendo antecipar-se aos problemas através de um contínuo serviço de observação dos bens a serem
mantidos. O planejamento criterioso da manutenção e a execução rigorosa do plano permitem a fabricação
permanente dos produtos graças ao trabalho contínuo das máquinas, reduzindo ao mínimo as paradas temporárias da
fábrica. Assim, podem-se relacionar os objetivos intermediários, fundamentais como meio de chegar ao propósito
explícito do trabalho, conforme destacado a seguir.
• Identificar e classificar os modos de falha e as causas relacionadas aos mesmos através da utilização da
ferramenta FMEA, mapeando os problemas estudados.
• Propor melhorias aos componentes do transportador.
• Reformular procedimentos e adotar melhores práticas à manutenção e operação do equipamento.
Os resultados obtidos validam a eficácia da metodologia aplicada, norteando o trabalho e ressaltando a
importância do trabalho em grupo.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Manutenção Centrada na Confiabilidade
Um das metodologias atualmente aplicadas à manutenção trata-se da Manutenção Centrada na Confiabilidade
(MCC), do inglês, Reliability Centered Maintenance (RCM). De acordo com [Siqueira, 2005] uma das
características da MCC é fornecer um método estruturado para selecionar as atividades de manutenção para qualquer
processo produtivo. Pode-se caracterizar a atividade de manutenção como aquela com fim de manter a
funcionalidade do equipamento, seja através do seu restabelecimento ou sua preservação. Dessa forma, o conceito de
falha é importante dentro do contexto analisado e ele será analisado posteriormente. Mas é a partir dessa observação
que parte o conceito relativo às metodologias aplicadas à manutenção.
De acordo com [Seixas, 2009] a metodologia da MCC deve começar identificando a funcionalidade ou
desempenho requerido pelo equipamento no seu contexto operacional, identificando os modos de falha e as causas
prováveis e, posteriormente, detalhar os efeitos e consequências da falha. Isto permite avaliar a criticidade das falhas
e onde se pode identificar consequências significantes que afetam a segurança, a disponibilidade ou custo. A
metodologia permite selecionar as tarefas adequadas de manutenção direcionadas para os modos de falha
identificados.
As estratégias de manutenção, em vez de serem aplicadas independentemente, são integradas de forma a tirarem
vantagens de seus pontos fortes de modo a aperfeiçoar a operacionalidade e aumentar a eficiência da instalação e dos
equipamentos, enquanto minimizam o custo do ciclo de vida. Os fatores que geralmente influenciam a falha dos
equipamentos são: erro de projeto, falha de material, fabricação e/ou construção inadequada, operação inadequada,
manutenção inadequada e erros de manutenção (erro humano).
A manutenção é uma das muitas abordagens para melhorar a confiabilidade do equipamento e, consequentemente,
a confiabilidade do sistema. A MCC foca a análise na redução de falhas resultantes de manutenção inadequada,
assim como auxilia na identificação de falhas prematuras dos equipamentos introduzidas pelos erros de manutenção.
A análise da MCC pode recomendar mudanças ou modificações de projeto e/ou melhoramentos operacionais quando
a confiabilidade do equipamento não pode ser assegurada através da manutenção. Para desenvolver um
gerenciamento efetivo das falhas, a estratégia deve estar baseada no entendimento dos mecanismos de falha.
Segundo [Moubray, 2000] para ser desenvolvida, a metodologia utiliza sete perguntas sobre cada item em revisão
ou sob análise crítica, para que seja preservada a função do sistema produtivo, conforme mostrado a seguir.
1.
Quais são as funções e padrões de desempenho do ativo no seu contexto atual de operação?
2.
De que forma ele falha em cumprir sua função?
3.
O que causa cada falha funcional?
4.
O que acontece quando ocorre cada falha?
5.
De que modo cada falha importa?
6.
O que pode ser feito para predizer ou prevenir cada falha?
7.
O que deve ser feito se não for encontrada uma tarefa proativa apropriada?
Dependendo das respostas dadas às sete perguntas, a MCC vai sugerir e direcionar o replanejamento do programa
de manutenção, de modo a se estabelecer o nível de desempenho aceitável por quem aplica esta metodologia.
Cabe destacar que, como esta metodologia busca mapear o cenário operacional e as falhas que podem incidir
sobre os sistemas funcionais do equipamento, bem como os efeitos e consequência dessas falhas, é importante uma
documentação adequada do processo. Dessa forma busca-se assegurar operações confiáveis e seguras de um sistema
ou equipamento. Os registros perpetuam boas práticas e se alinham as práticas da Gestão do Conhecimento.
Análise dos Modos de Falha e Efeito (FMEA)
Inserida dentro do conceito da MCC, a metodologia aplicada pela Análise dos Modos de Falha e Efeito, do inglês,
Failure Mode and Effect Analysis (FMEA), é uma ferramenta que busca, em princípio, evitar o acontecimento de
falhas. Isso é possível através da análise das mesmas e propostas de ações de melhoria.
A análise consiste basicamente na identificação para o processo em questão suas funções, os tipos de falhas que
podem ocorrer, os efeitos e as possíveis causas desta falha. Em seguida são avaliados os riscos da falha por meio de
índices e, com base nesta avaliação, são tomadas as ações necessárias para diminuir estes riscos, aumentando a
confiabilidade do produto/processo.
Para melhor entender a sistemática da ferramenta destaca-se os pontos explorados durante a análise, ou seja:
função, falha, modos de falha, efeitos de falha e quantificação desse efeito em virtude de seu impacto e recorrência.
A preservação da funcionalidade dos equipamentos constitui o principal objetivo das metodologias de manutenção
contemporâneas. Dessa forma, alguns mecanismos são utilizados para identificar, definir, classificar e documentar as
funções desempenhadas pelo sistema.
Como não poderia deixar de ser, prevenir e corrigir falhas são objetivos da manutenção. Assim como feito para
análise das funções, a seguir é sugerida uma sistemática para classificação e identificação de falhas. Este é um dos
pontos constituintes da ferramenta FMEA.
Segundo [Afonso, 2006] um equipamento, ou componente, falha quando ele não é mais capaz de executar a sua
função com segurança. Este último termo pode ser entendido quanto da avaliação da confiabilidade de
funcionamento do componente.
As falhas podem ser classificadas sob diversos aspectos. Dentre eles pode-se citar, por exemplo, a classificação
quanto à origem, velocidade, criticidade e idade. Pela [NBR 5462, 1994], elas podem ser classificadas segundo
quatro tipos: graduais, parciais, por defeito ou completas. Segundo esta classificação, as falhas graduais podem ser
detectadas através de exames prévios. As falhas parciais são resultantes de desvios de característica funcionais dos
itens, além dos limites especificados, sem, entretanto, representar perda da função. Os defeitos vêm a serem falhas
tanto graduais quanto parciais, podendo a caracterizar-se como uma falha completa. Por fim, as falhas completas,
estariam associadas ao término da capacidade de desempenho da função requerida.
Depois de identificadas as falhas, deve-se descrever as formas pelas quais elas podem ocorrer. Aqui trata-se de
definir e classificar os modos de falha e ainda tratar de sua documentação, já que este também é um ponto constante
do FMEA.
De acordo com as normas [SAE JA 1011, 2002] e [IEC 60300-3-11, 2009], tem-se, respectivamente, as definições
para modo de falha conforme mostrado a seguir.
•
Um evento ou condição física, que causa uma falha funcional.
•
Um dos possíveis estados de falha de um item, para uma dada função.
Segundo [Siqueira, 2005], ao contrário da falha funcional, usualmente associada a um estado anormal da função
do equipamento, o modo de falha está associado ao evento ou fenômeno físico que provoca a transição do estado
normal ao estado anormal. Os modos de falha descrevem como as falhas funcionais acontecem, ou seja, o
mecanismo de falha ou o que pode falhar. Assim, um compressor pode não executar sua função, incorrendo em falha
funcional devido ao desgaste das paletas do rotor, devido a um desgaste do mancal, por exemplo. Deve-se atentar a
componentes redundantes, já que se podem apresentar modos de falha sem consequências imediatas ou visíveis.
Ainda segundo [Siqueira, 2005] é importante distinguir modo de falha de causa de falha. O modo descreve o que
está errado na funcionalidade do item. Já a causa descreve porque está errada a funcionalidade do item. Esta
distinção é essencial para se entender as finalidades da manutenção e do projeto.
A classificação dos modos de falha também pode ser feita através de estudos relativos aos mecanismos de falhas.
Desta forma, a classificação se dá através da taxa de falhas, obtida através da modelagem estocástica dos fenômenos
envolvidos, antes e durante a ocorrência de falhas. Além dos mecanismos de falha, a MCC baseia a escolha das
atividades preventivas e corretivas nos efeitos adversos decorrentes das falhas, e nas consequências sobre a
instalação, usuários e meio ambiente, [Siqueira, 2005].
Alguns conceitos são utilizados para verificação dos efeitos de falhas, sua classificação e definição. O efeito é
necessariamente o que acontece quando um modo de falha se apresenta. É conveniente distinguir sintoma de falha de
efeito de falha. O sintoma é uma manifestação de que uma falha potencial existe. Se uma falha funcional ficar
caracterizada após isso, não temos mais um sintoma, mas sim um efeito de falha. Também é importante observar que
funções e componentes redundantes podem modificar os efeitos produzidos por um modo de falha, ou retardar a sua
manifestação. Eventualmente, a redundância pode tornar um modo de falha oculto. Estes fatos são importantes para a
análise MCC.
Segundo [Siqueira, 2005] o efeito de cada modo de falha deverá ser pesquisado e descrito de tal forma que seja
suficiente para avaliar suas consequências. Descrições típicas consideram a forma como a falha se evidencia, o
impacto na segurança, o impacto ambiental, o reflexo operacional, o impacto econômico, a forma de reparo e
características compensatórias para reduzir os efeitos.
A pesquisa dos efeitos de uma falha consiste na determinação do impacto devido ao modo de falha nos itens
conforme a estrutura funcional dos sistemas, na capacidade funcional do sistema principal, e riscos para pessoas e
meio ambiente. Nessa pesquisa é conveniente listar os efeitos mais severos, os razoáveis e qualificar os menos
prováveis, possíveis ou potenciais. Dentro da metodologia, são propostas formas de classificação dos efeitos. Um
efeito de um modo de falha pode ser mensurado através de uma avaliação de risco. Conforme Eq. (1) pode-se
verificar uma forma de quantificar o risco.
Risco = Severidade x Frequência
(1)
Segundo [Castro, 2008] são apresentadas quantificações para a severidade e para a frequência em que ocorrem os
modos de falha. Os níveis de frequência de ocorrência de modos de falha podem ser observados na Tabela 1. Da
mesma forma, são definidos níveis para a severidade dos modos de falha conforme mostrado na Tabela 2.
Tabela 1: Níveis de frequência de modos de falha
Nível
0a2
2a4
4a6
6a8
8 a 10
Descrição
Falhas pouco prováveis (maior ou igual a 1 ano)
Falhas pouco frequentes (maior ou igual a 1 mês)
Frequência moderada de falha (maior que 1 semana)
Frequência elevada de falha (semanal)
Frequência moderada de falha (diária)
Tabela 2: Níveis de severidade de risco.
Nível
0a2
2a4
4a6
6a8
8 a 10
Descrição
Sem consequência para o processo, incapaz de causar ferimentos a pessoas, ou danos ao
sistema ou meio ambiente.
Consequência pequena para o processo com consequências reduzidas na operação, meio
ambiente e segurança, abaixo dos níveis permitidos legalmente.
Consequência interfere no processo com risco de ferir levemente pessoas ou dano de
pequeno porte ao sistema ou ao ambiente.
Consequência extrema para o processo com risco de ferimento ou mesmo morte de
pessoas ou dano significante ao sistema ou meio ambiente.
Consequência séria para o processo com risco de causar morte ou perda do sistema ou
grande impacto ambiental.
METODOLOGIA
Avaliação do cenário
Frente a uma grande indisponibilidade física do transportador Cable Belt, Figura 1, impactando diretamente no
transporte de minério de ferro para a área de Estocagem e Embarque, um grupo foi criado para buscar maior
confiabilidade de operação do referido transportador através da busca dos fatores impactantes à sua operação.
Fig. 1: Transportador de correia Cable Belt.
O principal objetivo do Grupo de Engenharia de Manutenção era buscar alternativas viáveis que elevassem a
disponibilidade física do equipamento. Neste sentido fez-se uma avaliação baseada na metodologia MCC e escolheuse a ferramentas FMEA por ser fundamental para análise das falhas que impactavam sobre o Cable Belt.
Por se tratar de um equipamento de grande porte, com extensão de aproximadamente 4 km dentro das
dependências da mineração, e até extrapolando suas fronteiras, procurou-se realizar uma análise de falhas que
efetivamente envolvesse o equipamento. Para tanto realizou-se uma busca dos eventos causadores das paradas do
equipamento.
Pela análise da Figura 2 observa-se que o circuito mais impactado, em termos percentuais, por intervenções
corretivas na usina de beneficiamento Casa de Pedra, foi o empilhamento, no qual está inserido o transportador
Cable Belt. As intervenções atribuídas à expansão devem-se a montagem de novos equipamentos ou ajustes de
equipamentos novos.
No caso do circuito de empilhamento, a montagem de novos equipamentos já havia ocorrido em período anterior a
este estudo. Dessa forma, pode-se entender o pequeno percentual relativo às paradas para ajustes, sobretudo do
próprio Cable Belt, que foi um equipamento repotenciado dois anos antes deste estudo.
Fig. 2: Composição das paradas de manutenção e/ou montagem de equipamentos.
Aplicação da ferramenta FMEA ao transportador Cable Belt
Pela identificação das paradas observaram-se os principais sistemas funcionais afetados no Cable Belt. Ao sistema
de carga estão relacionadas as paradas ligadas à correia, troca de polias, cabo e até mesmo descarrilamentos. Ao
sistema de estrutura está relacionada grande parte das paradas por descarrilamento. E ao sistema de proteção elétrica
estão ligadas as paradas por atuação de limite de segurança. Em relação a este último, deve-se ser cautelosos, já que
os limites são componentes do sistema de proteção quando do acontecimento de descarrilamentos, arrebentamento da
correia ou cabo de locomoção e outros sinistros que possam acometer à correia de forma a cortar a alimentação
elétrica dos motores de acionamento.
Entretanto, foram observadas muitas atuações indevidas dos limites de segurança e observou-se que tais fatos são
devidos a fragilidade do sistema elétrico ao ambiente agressivo. Na Figura 3 tem-se o Formulário de Análise dos
Modos de Falha e Efeito do transportador Cable Belt.
Fig. 3: Formulário de Análise dos Modos de Falha e Efeito do transportador Cable Belt.
Formulação de ações de melhoria
Observado o problema e analisado com auxílio da FMEA, procurou-se adotar ações e medidas para efetivamente
alcançar maior disponibilidade física do transportador Cable Belt. Aqui também se faz necessário algumas ressalvas.
Nas literaturas a este respeito do tema em estudo, interpretou-se como sendo uma das funções da Engenharia de
Manutenção, a busca pelas melhores práticas de manutenção. Nesse sentido, é conveniente fazer uso de indicadores,
tais como a confiabilidade relacionada a determinados sistemas ou equipamentos. A sugestão e aplicação de
modificações e melhorias também cabem a Engenharia de Manutenção. Neste trabalho, especificamente, sentiu-se a
necessidade de promover algumas melhorias em componentes do Cable Belt.
Fator preponderante para o sucesso desta empreitada foi a assiduidade dos membros do Grupo de Engenharia de
Manutenção às reuniões semanais, a fim de analisar periodicamente as novas situações que se impunham, discutir
soluções e avaliar a efetividade das ações tomadas. Neste ponto, especialmente, coube a Engenharia de Manutenção
a coordenação do trabalho. Destaca-se a seguir algumas ações de forma a ilustrar o trabalho realizado.
Entre os modos de falha relacionados na Figura 2 está o rompimento da correia na emenda metálica. Uma
possibilidade causadora deste problema seria o subdimensionamento e/ou desgaste dos cabos de aço usados para
execução das emendas de trechos de correia.
Estes cabos são inseridos no interior de grampos fixados a correia, fazendo a junção de uma parte da correia com
outra. Na Figura 4 tem-se o detalhe de emenda na correia do Cable Belt.
Fig. 4: Detalhe de emenda na correia do Cable Belt.
A ação tomada, nesse caso, foi o redimensionado do cabo além de se fazer um acompanhamento da troca dos
cabos. Na Figura 5 tem-se o acompanhamento das trocas de varetas (cabos internos de emendas).
Fig. 5: Acompanhamento das trocas de varetas (cabos internos de emendas).
Outro modo de falha observado, o travamento das polias, e que pode também resultar em seu arrancamento da
instalação, é devido à contaminação interna dos mancais das polias.
Observa-se que o ambiente de trabalho do Cable Belt é extremamente agressivo. Para agravar o fato, observou-se
que a vedação dos mancais é deficiente. Neste sentido foram conduzidos testes de vedação e também de renovação
de lubrificante dos mancais automaticamente.
Num primeiro momento, o teste em que se adaptou o lubrificador automático a uma polia gerou um resultado
significativo. Mesmo em comparação com os testes de polias apenas com vedação melhorada, a polia com
lubrificador trabalhou por mais tempo, sendo que sua retirada foi realizada para verificar as condições da polia
quanto à contaminação, folga, entre outros.
Em comparação com uma polia instalada em local próximo, foi notória a melhoria do desempenho da polia com
lubrificador, Figura 6. Esta não apresentou contaminação aparente nem folga dos rolamentos.
Relacionado à estrutura do transportador foi detectado outro modo de falha. Novamente, melhorias e
intensificação foram, e continuam sendo, necessárias para sanar os problemas ou amenizá-los.
Mais de 500 estruturas chamadas line stand suportam as cargas sobre a correia transmitindo-as ao solo ao longo
de todo o transportador. Logo no início da formação do grupo de melhorias foi observado que muitos dos
descarrilamentos da correia eram devidos a line stands danificados e que não conferiam segurança operacional à
operação do transportador. A combinação de carência de manutenção destes componentes, aliada às condições
críticas ao longo do Cable Belt, implicou na constatação de que aproximadamente 70% dos line stands ao longo da
correia trabalhavam em condições inadequadas, seja por desgaste das paredes que comportam as travessas ou
degradação com o tempo.
Fig. 6: Esquerda - Aplicado lubrificador automático. Direita - Sem lubrificador.
Na Figura 7 tem-se a deterioração de janela do line stand para inserção de travessa. Uma das melhorias foi o
reforço estrutural realizado nas paredes dos line stands para melhor suportar as cargas das travessas, Figura 8.
Fig. 7: Deterioração de janela do line stand
Fig. 8: Reforço estrutural das paredes dos line stands
Também, neste caso, foi realizado acompanhamento das trocas necessárias após mapeamento da condição dos line
stands. Inúmeras outras ações foram tomadas com base nos diversos modos de falha observados e listados no FMEA
a fim de alcançar melhor disponibilidade do transportador.
RESULTADOS E CONCLUSÕES
O indicador Disponibilidade Física (DF) do Circuito do Empilhamento é o principal parâmetro para ressaltar a
relevância deste trabalho. O indicador em questão é a Disponibilidade Física (DF), dado na Eq. (2), onde HC são as
Horas de Calendário, ou seja, total de horas no período avaliado e HM são as Horas de Manutenção no período
avaliado, incluindo paradas programadas (preventivas e corretivas) e não programadas (corretivas).
DF 
HC  HM
HC
(2)
Na Figura 9 tem-se os valores de disponibilidade física do Circuito do Empilhamento durante o período de um
ano. Conforme pode ser observado, o trabalho conseguiu bons resultados a partir de setembro. Muito embora, nos
meses de setembro e outubro a disponibilidade física real ainda tenha ficado abaixo do previsto, foi nesse momento
que este indicador passou a crescer, culminando no cumprimento do valor previsto nos meses de novembro e
dezembro.
Set
Out
Conforme mostrado na Tabela 3, após a aplicação da FMEA teve-se uma redução significativa de horas de
paradas corretivas. No mês de novembro foi alcançado o recorde produtivo do equipamento, tendo sido transportado
Previsto
Realizada
um total de 1.114.584 toneladas de minério.
Tabela 3: Comparação das principais horas de paradas corretivas no Cable Belt.
Ocorrência
Correia
Descarrilamento
Troca de polia
Limite atuado
Média
Janeiro / Agosto
28,63
18,29
10,86
9,07
Média
Setembro / Dezembro
8,94
7,84
7,36
5,73
Redução de horas
deparadas corretivas
68,77 %
57,11 %
32,27 %
36,80 %
A metodologia aplicada através da ferramenta FMEA foi relevante para nortear a análise e auxiliar no
desmembramento das ações que foram propostas. É notória que a organização ganha com a aplicação da FMEA o
trabalho, com adequada documentação. Assim, o trabalho se torna acessível mesmo a pessoas que não participam do
estudo, porém, as mesmas têm condições de entender e interpretar o trabalho, permitindo inclusive a continuidade do
mesmo através de outras pessoas. Outro aspecto importante é a fluência do trabalho em equipe. A discussão de
ideias, a possibilidade de aprendizado através dessas mesmas discussões.
REFERENCIAS
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D. Rocha. Fundamentos Técnicos da Produção. São Paulo: Makron Books, p. 12., 1995.
I. P. Siqueira. Manutenção Centrada na Confiabilidade: Manual de Implantação. Rio de Janeiro: Qualitymark,
408 pag., 2005.
E. S. Seixas. Manutenção Centrada na Confiabilidade: Estabelecendo a Política de Manutenção com Base nos
Mecanismos
de
Falha
dos
Equipamentos.
Disponível
em:
<http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA648AH/manutencao-centrada-na-confiabilidade>.
Acesso
em
28/06/2012
J. Moubray. Manutenção Centrada em Confiabilidade. Aladon Ltd. Lutterworth, 426 p., 2000.
O. A. Affonso. Equipamentos Mecânicos: Análise de Falhas e Solução de Problemas. 2ª ed. Rio de Janeiro:
Qualitymark, 336 pag., 2006.
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5462 - Confiabilidade e Mantenabilidade. Nov. 1994.
IEC 60300-3-11 CHF 175.00 - Dependability management - Part 3-11: Application guide - Reliability centred
maintenance. Ed. 2.0. 2009.
SAE - JA1012. A Guide to the RCM Standard. 2002.
D. H. Castro. Análise de Falhas. In: Curso in Company - CSN Casa de Pedra. Associação Brasileira de
Manutenção, agosto de 2008.
90,25%
82,54%
Ago
79,82%
74,20%
78,80%
67,98%
76,56%
77,52%
78,72%
80,68%
75,75%
100,00%
90,00%
80,00%
70,00%
60,00%
50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00% Fig. 9: Disponibilidade do Empilhamento ao longo de um ano.
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Nov
UNIVERSIDAD
NACIONAL SAN
ANTONIO ABAD
DEL CUSCO
SOCIEDAD
BOLIVARIANA
DE INGENIERÍA
MECÁNICA
VII CONGRESO BOLIVARIANO
DE INGENIERÍA MECÁNICA
vii cobim-072-2012
Lima, 07 de agosto del 2012
Señores
L. C. Brito
J. G. Pereira
J. N. Brito
Federal University of São João del Rei
UFSJ
Brasil.Estimados señores:
Por la presente tenemos el agrado de comunicarle que el trabajo in extenso que nos hiciera
llegar con el título “ASSOCIAÇÃO DAS TÉCNICAS PREDITIVAS: ANÁLISIS DE
VIBRAÇÃO E ANÁLISE DE GRAXA, PARA DETECÇÃO DE FALHAS EM
ROLAMENTOS”, ha sido revisado por pares seleccionados por nuestra comisión académica,
y, como consecuencia de ello, ha sido aceptado por la Comisión Académica del VII Congreso
Bolivariano de Ingeniera Mecánica para ser expuesto en el Congreso que se celebrará entre el
23 y 25 de octubre próximos en la ciudad del Cusco.
Le solicitamos que proceda a la inscripción (El link para inscripción estará activo a partir del
lunes 20 de agosto) según los términos expresados en la página web del congreso
http://congreso.pucp.edu.pe/vii-cobim/inscripcion.html
Adicionalmente le comunicamos que hemos asignado a su trabajo el código E.1.4
Aprovecho la oportunidad para agradecerle por su interés en participar en el VII COBIM.
Con saludos cordiales,
Dr. Luis Chirinos García
Director Académico
VII Congreso Bolivariano de Ingeniería
Mecánica
Pontificia Universidad Católica del Perú
Sección de Ingeniería Mecánica
Av. Universitaria 1801, San Miguel, Lima
www.pucp.edu.pe
Teléfono: (00511) 626 2000 anexo 4843
email: [email protected]
fax: (00511) 626 2461
http://congreso.pucp.edu.pe/vii-cobim
VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA
Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012
ASSOCIAÇÃO DAS TÉCNICAS PREDITIVAS: ANÁLISE DE VIBRAÇÃO
E ANÁLISE DE GRAXA, PARA DETECÇÃO DE FALHAS EM ROLAMENTOS
Brito, L. C*, Pereira, J. G.°, Brito, J. N.°°
* UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, São João del Rei - MG, CEP 36307-352, [email protected]
° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, São João del Rei - MG, CEP 36307-352, [email protected]
°° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, São João del Rei - MG, CEP 36307-352, [email protected]
RESUMEN
As falhas em rolamentos são comuns em vários seguimentos industriais. Em muitas aplicações, o impacto econômico
de uma falha em rolamentos pode exceder inclusive o custo da própria máquina. Monitorar o estado de
funcionamento dos rolamentos, através de técnicas preditivas, é imprescindível para evitar que as falhas inesperadas
ocorram, aumentando assim a disponibilidade e confiabilidade dos equipamentos dentro da planta industrial.
Atualmente existem diversas técnicas consagradas nesse contexto, sendo a Análise de Vibração e Análise de Graxa,
uma das mais importantes. Neste trabalho apresenta-se uma associação de técnicas preditivas aplicadas na detecção
de falhas em rolamentos (análise de vibração - técnica de envelope e análise de graxa). Os sinais de vibração foram
coletados em uma bancada experimental em dois rolamentos W209 PP retirados de um motor de indução trifásico
pertencente a um sistema de refrigeração do carro do metrô. Posteriormente ao teste foram retiradas a graxa dos
rolamentos e feito o teste. Os resultados dos testes realizados mostraram a eficiência das técnicas utilizadas podendo
serem incluídas em um programa de Manutenção Preditiva.
PALABRAS CLAVE: Análise de Vibração, Análise de Graxa, Rolamento, Manutenção Preditiva.
ÁREA TEMÁTICA PRINCIPAL: 12 MANTENIMIENTO
INTRODUÇÃO
O crescimento da competitividade e os novos desafios relacionados com o aumento de produtividade entre as
indústrias têm exigido sistemas cada vez mais complexos e sofisticados, por isso, o sistema de monitoramento da
condição dessas máquinas tem se tornado muito importante [Silva et al., 2009]. Observa-se que a confiabilidade
exigida para os motores elétricos cresce constantemente devido à importância de suas aplicações e do avanço
tecnológico. No cenário, o custo anual de manutenção representa, em média, 4,39% do faturamento bruto das
empresas [Kardec e Nascif, 2007].
As máquinas que têm maior velocidade, em geral, utilizam mancais de rolamento e os defeitos em rolamentos são
um dos tipos mais comuns de falhas em vários seguimentos da indústria. De acordo com os trabalhos publicados pelo
Electric Power Research Institute (EPRI) em 1985 e pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.
(IEEE) em 1986, os problemas nos rolamentos são responsáveis por dois quintos de todas as falhas. Em muitas
aplicações, o impacto econômico de uma falha desta natureza pode extremamente exceder o custo da própria
máquina [Stack et al., 2003].
Os defeitos do rolamento introduzem no equipamento vibrações características bem peculiares e, na maioria das
vezes, não são fáceis de serem evidenciadas. Dentre as causas mais comuns de defeitos em rolamentos destacam-se a
seleção incorreta, estocagem e lubrificação inadequada (excessiva ou insuficiente), falha de vedação e descargas
elétricas através dos mancais [Brito, 2002].
Portanto, uma melhoria na utilização de técnicas adequadas de manutenção torna-se indispensável. Conhecer as
técnicas de monitoramentos já existentes aprimorá-las e até mesmo desenvolver novas tecnologias significa uma
manutenção de melhor qualidade e, consequentemente, com menos tempo de horas paradas na planta industrial
[Brito, 2002].
Com o avanço da tecnologia, novas técnicas ou métodos de diagnóstico de falhas mecânicas têm surgido.
Conhecer essas técnicas e métodos pode ser um grande diferencial neste cenário de globalização, principalmente para
as empresas que buscam ser benchmark em seu segmento.
Muitos programas de manutenção preditiva e sistemas de diagnóstico utilizam a condição da máquina para
identificar e classificar falhas através da análise de vibração [Zhang et al., 1996]. Essa tem sido amplamente utilizada
no diagnóstico de falhas e monitoramento da condição de máquinas rotativas. O que ainda não é tão difundido é a
utilização da Análise de Graxa.
Até hoje, a análise de lubrificantes estava voltada mais para os óleos lubrificantes, no entanto, a graxa tem suma
importância no processo de lubrificação, [Trevisan, 2010].
Neste trabalho apresenta-se o resultado de três testes distintos (consistência, propriedades de mudança no óleo e
contaminação), além dos sinais de vibração coletados em quatro rolamentos (dois novos e dois usados) utilizados em
ventiladores industriais. Alcançando os propósitos de uma análise de lubrificantes e de vibração os quais são
monitorar as condições do lubrificante e do equipamento [Singh, 2010].
ANÁLISE DE GRAXA
Teste de Consistência
A principal propriedade dos óleos lubrificantes é a viscosidade, já a da graxa é a consistência. Através dela é
possível determinar a rigidez da graxa e auxiliar em um diagnóstico tanto para o equipamento quanto para a graxa,
[SKF, 2011]. O método de teste de consistência está de acordo com a norma ASTM D217. Basicamente, é medido o
grau de penetração de um cone padrão em uma amostra da graxa e convertido em termos de grau NLGI (National
Lubrification Grease Institute) [ASTM, 2010].
Com o TKGT 1 da SKF, Figua 1, é possível determinar, em campo, a consistência da graxa. Certa quantidade de
graxa é pressionada por um peso entre duas placas de vidro durante 15 segundos, Figura 2. Com uma escala
calibrada, determina-se o grau NLGI, [SKF, 2011].
Fig. 1: Kit de análise de graxas TKGT 1.
Fig. 2: Teste de Consistência.
Propriedades de Mudança do Óleo (Teste de Sangria do Óleo)
As graxas são compostas de 70 a 95% de óleo base e é função do espessante mantê-la na estrutura [Texaco, 2005].
Mudanças nas propriedades de sangria da graxa são fortes indicativos de falhas. O teste de sangria do óleo, Figura 3,
consiste em colocar uma quantidade de graxa em um aquecedor e depois de duas horas medir a área molhada para
posteriormente comparar com os resultados da graxa nova.
Fig. 3: Teste de Sangria do Óleo.
Teste de Contaminação
Entre 70 e 80% das falhas sistemas hidráulicos são devido a contaminantes, principalmente sólidos, presentes nos
lubrificantes [Vieira et al., 2007]. Daí, conclui-se a importância de um teste de contaminação para orientar no
diagnóstico de falha. Com o microscópio portátil, Figura 4, presente no kit TKGT 1 é possível observar os principais
tipos de contaminantes. Com isso, associado aos testes anteriores, chega-se a um diagnóstico confiável.
Fig. 4: Teste de Contaminação.
ANÁLISE DE VIBRAÇÃO
Vibrações Características De Rolamento
Quando um defeito localizado (por exemplo, o pitting) aparece na superfície de rolamento, surge uma série de
vibrações devido ao impacto dos elementos rolantes sobre o defeito. A taxa de repetição do impacto, denominada
"frequência característica de defeito", está relacionada com a velocidade do eixo, a geometria do rolamento e a
localização do defeito e, geralmente, apresenta valores baixos de frequência, [Almeida e Góz, 2000], [Brito, 2002].
Na Figura 5, tem-se os sinais típicos de vibrações geradas por defeitos localizados em vários componentes de um
rolamento, pista externa, interna e esferas.
Figura 5: Forma de onda e espectro de rolamento com defeito [Shi et al,. 2004].
Se houver um defeito na pista externa, a direção e a amplitude da vibração impulsiva captada pelo sensor ao longo
de um ciclo completo se mantém constante, porque a posição do defeito é mantida fixa em relação ao sensor durante
a rotação, conforme mostrado na Figura 5a.
A presença de um defeito na pista interna ou nos elementos rolantes está associada a comportamentos de vibração
mais complexos, em comparação com o defeito localizado em uma pista externa. A intensidade da carga e um
caminho de transmissão da vibração muda continuamente com a posição relativa entre o defeito e o sensor. Quando o
defeito gira mais perto do sensor durante um ciclo a amplitude de oscilação atinge o máximo. Com o aumento da
distância entre o sensor e o defeito, a energia da vibração impulsiva captado pelo sensor é atenuada suavemente,
conforme mostrado na Figura 5b.
Especialmente, quando há um defeito em um elemento rolante, o comportamento de vibração torna-se bastante
complexo. Em cada ciclo, o contato do defeito, tanto com a pista interna como com a pista externa gera dois
impactos com diferentes níveis de energia, conforme mostrado na Figura 5c.
Cada tipo de falha em rolamento tem sua própria frequência característica de defeito. Essas frequências podem ser
calculadas a partir de relações cinemáticas, velocidade de rotação e geométrica do rolamento.
Análise De Envelope
A Análise de Envelope é uma técnica de análise de sinais que consiste basicamente em evidenciar a repetição de
um pulso dentro de um intervalo de tempo. Para rolamentos, a função da técnica de envelope é identificar a
frequência de repetição dos pulsos, causados pelos sucessivos impactos gerados pela passagem de um elemento
rolante sobre um defeito. Na técnica de envelope há uma formulação matemática complexa, que se resume nos
passos descritos a seguir e mostrado, de forma simplificada, na Figura 6.
Fig. 6: Análise de Envelope [Bezerra, 2004].
1. Aplica-se a Transformada de Fourier ao sinal. Com isso se consegue definir a faixa de filtragem. O intuito deste
procedimento é conhecer a frequência central de ressonância (fc).
2. A segunda etapa é a aplicação do Filtro Passa Banda. O objetivo deste filtro é eliminar as frequências de
vibrações indesejáveis como, por exemplo, as baixas frequências de alta amplitude que, em geral, estão relacionadas
ao desalinhamento e desbalanceamento.
3. A terceira etapa é a aplicação do Filtro Passa Alta para eliminação da componente DC.
4. O passo seguinte é a aplicação da Transformada de Hilbert para obtenção do envelope do sinal do defeito. Essa
transformada é responsável por evidenciar quantas vezes o pulso se repetiu em um segundo, ou seja, ela diz qual é a
frequência característica de defeito do rolamento.
5. Na última etapa aplica-se novamente a Transformada de Fourier ao envelope do sinal para a obtenção das
frequências características do defeito.
ANÁLISE EXPERIMENTAL
Na Figura 7, tem-se a bancada experimental de testes montada no Laboratório de Sistemas Dinâmicos do
Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de São João del Rei. Componentes da bancada: [1]
motor de indução trifásico WEG-0596 EJ94209, 2 CV, 4 pólos, 1800 RPM, 60 Hz, 6,9 A; [2] acoplamento flexível;
[3] mancal MDS SN 509 (LA - Lado do Acoplamento); [4] acelerômetro CMSS2200 SKF (LA - Lado do
Acoplamento); [5] mancal MDS SN 509 (LOA - Lado Oposto do Acoplamento); [6] acelerômetro CMSS2200 SKF
(LOA - Lado Oposto do Acoplamento); [7] freio mecânico Twiflex da Tec Tor; [8] multímetro para controlar a carga
aplicada através da corrente do motor elétrico; [9] microlog GX-70 da SKF e [10] decibelímetro da SKF.
Os testes foram realizados nos rolamentos W209 PP (dois usados montados no motor do lado do ventilador). Para
montagem dos rolamentos na bancada de testes usou-se o aquecedor indutivo da SKF, Figura 8.
Fig. 8: Aquecedor Indutivo SKF.
Fig. 7: Bancada Experimental.
Na Tabela 1, tem-se as frequências características de falha da pista externa (BPFO), da pista interna (BPFI), do
elemento rolante - esferas (BSF) e da gaiola (FTF) dos rolamentos W209 PP.
Tabela 1: Frequências características dos rolamentos W209 PP.
Frequência
Característica
BPFO
BPFI
BSF
FTF
Rolamento W209 PP
3,621 fr
5,379 fr
2,461 fr
0,402 fr
Das quatro frequências determinísticas a única que apresentou falha foi a da pista interna. Abaixo, Figuras 9 a 12,
tem-se os espectros de envelope destas frequências para os rolamentos inspecionados.
Análise de Vibração - Envelope: W209PP Usado 1 x W209PP Usado 2
Fig. 9: Analise de Envelope - W209 PP Usado 1 / Bancada Lado do Acoplamento / Posição Horizontal.
Fig. 10: Analise de Envelope - W209 PP Usado 1 / Bancada Lado do Acoplamento / Posição Vertical.
Fig. 11: Analise de Envelope - W209 PP Usado 2 / Bancada Lado do Disco / Posição Horizontal.
Fig. 12: Analise de Envelope - W209 PP Usado 2 / Bancada Lado do Disco / Posição Vertical.
Análise de Graxa: W209PP Usado 1 e W209PP Usado 2
Foram coletadas amostras de graxa dos rolamentos W209PP e também amostras frescas de um rolamento novo.
As amostras, Figura 13, foram testadas com o analisador de graxa SKF TKGT 1.
Também foram feitas análises físico-químicas para comprovar a eficácia dos resultados obtidos com o minilaboratório de graxa.
Fig. 13: Amostras de graxa dos rolamentos W209PP usado I e II, respectivamente.
Na Tabela 2 tem-se os resultados dos testes da amostra de graxa fresca comparada com a coletada dos rolamentos
W209PP usado I e usado II.
A consistência das amostras usadas I e II não variaram em relação à fresca. No entanto foi comprovada no teste de
Sangria que a viscosidade do óleo base da amostra I diminuiu, houve aumento de 43,3% da área molhada. Em contra
partida o rolamento usado II teve variação de -29,5%, considerada normal pois com o tempo de uso o óleo é expulso
da graxa, deixando somente o sabão, motivo pelo qual deve-se relubrificar o equipamento no tempo correto.
Tabela 2: Resultados dos testes para a amostra de graxa retirada dos rolamentos Usado I e II.
Teste
Amostra Fresca
Usado I
Inspeção Visual
Azul, inodor e
consistência normal
Preta, inodor e
consistência normal
Classe (Grau NLGI)
3
3
Preta, inodor e
consistência
normal
3
Variação (%)
-----------
0
0
Diâmetro médio (mm)
22,0
25,5
19,25
Área molhada (mm²)
301,44
431,95
212,39
Variação (%)
----------
+43,3
Partículas
carbonizadas e
partículas metálicas
-29,5
Consistência
Sangria
Contaminação
Nada encontrado
Usado II
Poucas partículas
carbonizadas
O craqueamento térmico ocorre quando a energia absorvida pelas moléculas do fluido é capaz de quebrar as
ligações intermoleculares existentes e, através de um rearranjo, formar novas interações [Mariano, 2001]. Assim, a
viscosidade que é definida como a resistência ao escoamento molecular, diminui de forma irreversível.
Em rolamentos lubrificados a graxa, para ter a condição de lubrificação elastohidrodinâmica (ideal), é preciso que
o óleo base tenha quantidade e viscosidade cinemática ideal. Quando os valores são inferiores ao necessário, surge a
condição de lubrificação mista ou limítrofe (lubrificação deficiente) que é responsável pelo aumento da taxa de
desgaste.
No rolamento I não houve elevação da consistência provavelmente em função da existência de um elevado
número de partículas carbonizadas, assim como da elevada concentração de ferro (desprendimento de material
ocasionado pelas micro-soldas) diagnosticada na espectrometria. Como o método utilizado para verificar a
consistência é baseado no cisalhamento do fluido entre lâminas de vidro, logo esse material de natureza sólida, foi
responsável por gerar um alto coeficiente de atrito, interferindo no cisalhamento do fluido e posteriormente no
deslocamento das lâminas.
A análise físico-química realizada no rolamento I, comprovou o elevado nível de desgaste existente através das
altas concentrações de elementos químicos de natureza de desgaste. Também foi verificada, por meio do ensaio
qualitativo de morfologia de partículas, a presença de materiais de desgaste com elevada micragem.
Já o rolamento II, a amostra de graxa analisada no kit TKGT 1 não evidenciou variações que levassem a
considerar que a amostra apresentou falhas no período de uso. A liberação de óleo de qualquer amostra de graxa
ocorre em função do tempo de uso devido ao seu mecanismo de funcionamento. A variação de 29,5% foi normal,
não havendo a necessidade de tomar medidas corretivas.
A análise físico-química realizada, não apresentou sinais de desgaste tribológico representativo. A concentração
de ferro evidenciada foi gerada, provavelmente, durante o procedimento de coleta da amostra.
Neste caso é necessário apenas acompanhar as condições da graxa, relubrificando de acordo com o tempo
recomendado. Desse modo, o equipamento não sofrerá nenhum dano inesperado devido a falhas na lubrificação e,
portanto, evitar imprevistos.
Na Figura 14, tem-se as marcas da pista interna do rolamento W209PP Usado I. A presença de flauteamentos
(arranhões), crateras, micro-soldas e corrosão nas pistas do rolamento são devido a corrente parasita circulando pelo
eixo (shaft current) [Costello, 1991] e [Sohler, 1998]. Na Figura 15 tem-se as marcas da fuga de corrente em forma
de estria no rolamento W209PP Usado II.
Fig. 14: Rolamento Usado I.
Fig. 15: Rolamento Usado II.
A passagem desse fluxo de corrente pelo rolamento gera arcos elétricos repetitivos provocando aquecimento
localizado [Kowal,1999]. Consequentemente esse fluxo de calor afetou as propriedades da graxa: redução da
viscosidade por craqueamento e quebra da resistência dielétrica, por exemplo [Sohler, 1998], rolamento usado I.
CONCLUSÃO
Os resultados mostram a eficiência do monitoramento das condições dos rolamentos através da análise de graxa
e análise de vibração. Essas técnicas preditivas são valiosas para empresas que objetivam reduzir tempo com paradas
e economizar custos com manutenção.
Comparando o kit SKF TKGT 1 com a análise físico-químicas laboratoriais e análise de vibração, fica evidente
que com esse analisador de graxa, é possível obter e monitorar o estado de conservação do equipamento e da graxa.
Outra vantagem é a economia com análises laboratoriais desnecessárias, ou seja, para as amostras que ainda estejam
adequadas para uso.
Percebe-se que os testes são rápidos e eficientes, permitindo ao profissional da área de manutenção ter uma boa
compreensão da condição da graxa e do equipamento, e assim tomar decisões diretamente em campo. Dessa maneira,
a confiabilidade e a disponibilidade do maquinário atingem níveis ideais exigidos pelo mercado atual.
Em ambos os rolamentos a Análise de Graxa detectou presença de partículas carbonizadas o que evidencia a
passagem de corrente pelo mesmo. Com a utilização da Análise de Vibração e Inspeção Visual pode-se confirmar o
problema.
Fica evidente também, pelo resultado da análise de graxa e inspeção visual, que o rolamento usado I apresenta o
problema em nível mais elevado do que o rolamento usado II. Basta olhar o acentuado desgaste na pista do mesmo.
Através dos testes realizados é possível afirmar que tanto a Técnica do Envelope como a Análise de Graxa se
mostraram muito eficientes na detecção da falha. Sugere-se que as mesmas sejam incluídas em um programa de
Manutenção Preditiva.
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J. N. Brito , 2002. Desenvolvimento de um Sistema Inteligente Híbrido para Diagnóstico de Falhas em Motores
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S. Zhang , R. Ganesan, G. D. Xistris. Self-Organising Neural Networks for Automated Machinery Monitoring
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11. A.D. Vieira, F.L. Dalavia, W. Olimpio, T.R.G. Solis, F.L. Santos, K.A. Abade, 2007, “Controle De
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15. J. B. Mariano, 2001, “Impactos Ambientais do Refino de Petróleo”, Dissertação de Mestrado, Universidade
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Incorporated, CSI, Knoxville, Tennessee, United States of America.
UNIVERSIDAD
NACIONAL SAN
ANTONIO ABAD
DEL CUSCO
SOCIEDAD
BOLIVARIANA
DE INGENIERÍA
MECÁNICA
VII CONGRESO BOLIVARIANO
DE INGENIERÍA MECÁNICA
vii cobim-073-2012
Lima, 07 de agosto del 2012
Señores
V. A. D. Silva
L. M. R.. V. Baccarini
J. N. Brito
Federal University of São João del Rei
UFSJ
Brasil.Estimados señores:
Por la presente tenemos el agrado de comunicarle que el trabajo in extenso que nos hiciera
llegar con el título “DETECÇÃO DE CURTO-CIRCUITO ENTRE ESPIRAS DO
ENROLAMIENTO DA ESTATOR DO MOTOR ELÉTRICO UTILIZANDO ANÁLISE
TERMOGRÁFICA”, ha sido revisado por pares seleccionados por nuestra comisión
académica, y, como consecuencia de ello, ha sido aceptado por la Comisión Académica del
VII Congreso Bolivariano de Ingeniera Mecánica para ser expuesto en el Congreso que se
celebrará entre el 23 y 25 de octubre próximos en la ciudad del Cusco.
Le solicitamos que proceda a la inscripción (El link para inscripción estará activo a partir del
lunes 20 de agosto) según los términos expresados en la página web del congreso
http://congreso.pucp.edu.pe/vii-cobim/inscripcion.html
Adicionalmente le comunicamos que hemos asignado a su trabajo el código E.1.5
Aprovecho la oportunidad para agradecerle por su interés en participar en el VII COBIM.
Con saludos cordiales,
Dr. Luis Chirinos García
Director Académico
VII Congreso Bolivariano de Ingeniería
Mecánica
Pontificia Universidad Católica del Perú
Sección de Ingeniería Mecánica
Av. Universitaria 1801, San Miguel, Lima
www.pucp.edu.pe
Teléfono: (00511) 626 2000 anexo 4843
email: [email protected]
fax: (00511) 626 2461
http://congreso.pucp.edu.pe/vii-cobim
VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA
Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012
DETECÇÃO DE CURTO-CIRCUITO ENTRE ESPIRAS DO ENROLAMENTO
DO ESTATOR DO MOTOR ELÉTRICO UTILIZANDO ANÁLISE TERMOGRÁFICA
Silva, V. A. D. *, Baccarini, L. M. R.. V.°, Brito, J. N.°°
* UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, SJDR, MG, Brasil, [email protected]
° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, SJDR, MG, Brasil, [email protected]
°° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, SJDR, MG, Brasil, [email protected]
RESUMEN
Motores elétricos são componentes essenciais na grande maioria dos processos industriais. As diversas falhas nas
máquinas de indução podem gerar consequências drásticas para um processo industrial. Os principais problemas
estão relacionados ao aumento dos custos, piora nas condições do processo e de segurança e qualidade do produto
final. Muitas destas falhas mostram-se progressivas. Nesse cenário, o custo anual de manutenção representa, em
média, 4,39% do faturamento bruto das empresas e, por esse motivo, uma manutenção mal conduzida pode levar à
perda de faturamento e redução do lucro da organização. Assim, a detecção de falhas entre espiras é especialmente
importante, pois acredita-se que é o começo para a ocorrência das demais falhas nos enrolamentos, tais como: curtocircuito entre bobinas de uma mesma fase e entre bobinas de fases diferentes e, curto-circuito entre fase e terra, que
podem resultar em perdas irreversíveis do núcleo do estator. O objetivo é a utilização de diferentes técnicas
preditivas, tais como, análise de vibração, fluxo magnético e termografia para detecção de curto-circuito entre espiras
do enrolamento do estator. Desta forma é possível detectar a falha utilizando técnicas amplamente disseminadas no
meio industrial avaliando a viabilidade de cada uma independente, além de validar a termografia, que é uma técnica
que possui uma análise mais simplificada em comparação com as tradicionais, aumentando assim a confiabilidade e
a disponibilidade das máquinas nas plantas industriais, tornando o processo de manutenção cada vez mais eficiente e
eficaz.
PALABRAS CLAVE: Motor Elétrico, Termografia Infravermelha, Curto Circuito, Estator.
ÁREA TEMÁTICA PRINCIPAL:
12 MANTENIMIENTO
INTRODUÇÃO
O crescimento da competitividade e os novos desafios relacionados com o aumento de produtividade entre as
indústrias têm exigido sistemas cada vez mais complexas e sofisticadas, por isso, o sistema de monitoramento da
condição dessas máquinas tem se tornado muito importante.
Com esse alto grau de produtividade, qualquer parada não programada (manutenção corretiva não planejada)
causa grandes prejuízos. Portanto, uma melhoria no uso adequado das técnicas de manutenção torna-se
imprescindível. Conhecer as técnicas existentes, aprimorá-las e desenvolver novas tecnologias significam uma
manutenção de melhor qualidade e, consequentemente, com menos tempo de horas paradas [Brito, 2002].
A termografia é uma técnica de inspeção, "não destrutiva", que tem como base a detecção da radiação
infravermelha, que é emitida naturalmente pelos corpos com intensidade proporcional a sua temperatura, permitindo
efetuar medições de temperaturas, "sem contato físico" com os equipamentos a serem inspecionados.
A análise termográfica permite uma melhor programação, minimizando a mão de obra e recursos envolvidos, pois
possibilita identificação de sobreaquecimento nas instalações "sem a interrupção do processo produtivo". Tais
resultados são apresentados em forma de imagens térmicas, denominadas "termogramas" (Imagem Térmica Digital),
que nos permite pré analisá-las no momento da medição.
Um Sistema de Inspeção Termográfica é formado pelo conjunto de recursos que permitem a realização de tarefas
de análise preditiva nos campos de redes elétricas, equipamentos mecânicos, redes de vapor, fornos, reatores e
processos. A base para tais sistemas é dada pelo equipamento empregado.
Os relatórios são partes integrantes de um programa de prevenção de perdas, onde a análise da gravidade dos
problemas encontrados e as recomendações para a sua eliminação ou redução são desenvolvidas pela a área de
manutenção.
Das análises dos trabalhos técnicos e científicos relacionados com detecção de assimetrias no estator encontrados
na literatura, pôde-se observar que nos últimos três anos a detecção de falhas de curto-circuito entre espiras de uma
mesma fase vem despertando muito interesse na comunidade científica. Entretanto, as pesquisas estão ainda
começando. Nos trabalhos publicados, são apresentados poucos resultados, tanto de simulações quanto
experimentais, que validem os métodos propostos, [Baccarini, 2005].
Neste trabalho, apresenta-se uma contribuição ao estudo e caracterização de curto circuito entre espiras em
motores elétricos através da termografia. Este trabalho viabilizou a utilização da termografia para detecção de curtocircuito entre espiras do enrolamento do estator mediante as convencionais técnicas utilizadas.
DETECÇÃO DE FALHAS ATRAVÉS DA TERMOGRAFIA
Todos os objetos que nos cercam são constantes fontes emissoras de energia térmica sob forma de energia
radiante invisível, o infravermelho. Quando um objeto aquece, ele irradiará cada vez mais energia de sua superfície.
O ser humano é capaz de sentir essa radiação, mas não poderá vê-la. No entanto a temperatura de um corpo qualquer
não depende exclusivamente da radiação do mesmo, os valores de temperatura também são avaliados em função da
emissividade do corpo. Segundo [RoMiotto, 2007], a emissividade é a medida da capacidade de um objeto em
absorver, transmitir e emitir a energia infravermelha. A técnica capaz de tornar visível essa radiação é chamada
termografia infravermelha, [Ferreira, 2002].
Em motores elétricos, Figura 1, geradores e transformadores, a termografia deve ser aplicada de forma
correlacionada com outras técnicas, como a análise de vibração.
111,1°C
100
80
AR01: 112,7°C
60
40
25,3°C
Fig. 1: Termograma de um motor elétrico.
Para os diagnósticos de falhas potenciais elétricas, a termografia infravermelha parte do princípio de que a
potência de tais máquinas que não saem na forma de serviço, de alguma maneira está se transformando em perdas e
sendo dissipada no meio, através de efeito joule. Estas análises termográficas são tanto qualitativas quanto
quantitativas e permitem ao usuário acompanhar o envelhecimento da máquina, bem como diagnosticar outras falhas
decorrentes de curto circuito parcial entre espiras, falha parcial de isolação, refrigeração etc., Rezende Filho (2007).
Curto Circuito Entre Espiras do Enrolamento do Estator
A deterioração do isolamento do estator normalmente começa com curto-circuito envolvendo poucas espiras de
uma mesma fase. A corrente de falta que é de aproximadamente duas vezes a corrente de rotor bloqueado, provoca
aquecimento localizado que rapidamente se estende para outras seções do enrolamento, [Tallam et al., 2003]. Assim,
a detecção de falhas entre espiras é especialmente importante, pois se acredita que é o começo para a ocorrência das
demais falhas nos enrolamentos, tais como: curto-circuito entre bobinas de uma mesma fase e entre bobinas de fases
diferentes e, curto-circuito entre fase e terra, que podem resultar em perdas irreversíveis do núcleo do estator,
[Boqiang et al,.2003] e [Sottile et al., 2000].
O tempo de evolução de falhas de curto-circuito entre espiras, Figura 2, para as demais falhas não pode ser
estimado, pois depende das condições de operação do motor, [Baccarini, 2005].
Fig. 2: Curto-circuito entre espiras.
Aplicação da Termografia para detecção de Curto Circuito Entre Espiras do Enrolamento do Estator
A radiação térmica, ou infravermelha, é energia que se propaga no espaço na forma de ondas eletromagnéticas.
Essa radiação está na faixa do infravermelho do espectro eletromagnético que é classificado em faixas de acordo com
o comprimento de onda (λ) da radiação. As categorias de ondas vão das ondas de rádio (comprimentos de onda
maiores e baixas energias) até os raios gama (comprimentos de onda menores e altas energias), [Silva et al., 2006].
Na Figura 3, tem-se a região do espectro que é relevante, ou seja, a região infravermelha, que se estende do
comprimento de onda de 1 mm até 770 nm, no limite com a luz visível.
Fig. 3: Espectro Eletromagnético.
Na Eq. (1), tem-se que o comprimento de onda se relaciona com dois outros parâmetros das ondas
eletromagnéticas: a frequência e a energia do fóton, onde ν é a frequência da onda [Hz], c a velocidade da luz no
vácuo [2,998 x 108 m/s] e λ o comprimento de onda [m]. Na Eq. (2), tem-se a energia do fóton, onde E é a energia
do fóton [J] e h a Constante de Planck [6,626x10-34 J.s].
(1)
E=h.ν
(2)
A Eq. (2) é a hipótese de Planck para o corpo negro, onde admitia que a energia radiante fosse emitida e absorvida
em quantas de energia (h × ν), mas esta hipótese era considerada como artifício de cálculo apenas. Foi em 1905 que
Einstein, investigando o efeito fotoelétrico, sugeriu a natureza quântica da luz e a quantização da energia em
pequenos pacotes, os fótons, dada pela Eq. (2), também chamada de Equação de Einstein. Como a frequência
permanece constante, já que é o parâmetro que caracteriza a onda, a velocidade de propagação e o comprimento de
onda mudam proporcionalmente quando as ondas viajam em diferentes materiais. Todo corpo que está acima do zero
absoluto emite radiação térmica e é justamente essa energia que é captada pelas câmeras de infravermelho para a
obtenção de imagens térmicas de corpos, [Silva et al., 2006].
Cada material emite radiação de uma forma, e um corpo negro é aquele capaz de absorver e emitir todas as
radiações em todos os comprimentos de onda. Na Eq. (3), tem-se a distribuição espectral da radiação emitida por um
corpo negro descrita por Max Planck onde Wλb é a radiância espectral do corpo negro no comprimento de onda λ
[Watt/m².μm], k é a Constante de Boltzmann [1,381x10-23 J/K] e T a temperatura absoluta do corpo negro [K].
(3)
⁄
A radiância espectral total do corpo negro, ou fórmula de Stefan-Boltzmann, Eq. (4) é a integração de λ = 0 a λ =
∞, onde Wb é a radiância espectral total do corpo negro [W/m²] e σ é a Constante de Stefan-Boltzmann [W/m².K4].
Wb = σ.T4
(4)
A importância de se estabelecer equações para a distribuição espectral do corpo negro vem do fato de que ela
estabelece um limite máximo de toda emitância espectral de uma fonte. Um objeto, ou fonte, real não tem o mesmo
comportamento de emissão de radiação do corpo negro, e a sua curva de emitância é limitada pela correspondente do
corpo negro na mesma temperatura do objeto, [Silva et al., 2006].
A emissividade é um fator que diminui a emitância espectral total de um objeto real em relação à energia emitida
pelo corpo negro na mesma temperatura. A emissividade do objeto, ε(λ,T), é calculada pela Eq. (5) onde Wo é a
radiância espectral total de um objeto real e W b é a potência total de radiação emitida pelo corpo negro na mesma
temperatura do objeto. Então, considerando a emissividade do material, na Eq. (6), tem-se a radiância espectral total
de um objeto real.
(5)
Wo = ε(λ,T).σ.T4
(6)
A verificação contínua da temperatura de uma máquina rotativa é um dado importantíssimo na manutenção
preditiva. Como é natural, uma alteração qualquer na temperatura de funcionamento da máquina rotativa é indicativo
de modificação no comportamento da mesma. Por tais motivos, a temperatura é um parâmetro que deve ser levado
em consideração em todo e qualquer programa de manutenção, em qualquer nível.
Processo de Medição.
A radiação medida pela câmera depende tanto da temperatura quanto da emissividade do corpo que está sendo
analisado. Portanto, a informação da emissividade da câmera é fundamental para uma estimativa precisa da
temperatura do fluxo radiante medido. Normalmente os valores variam de 0,1 a 0,95.
Para superfícies extremamente polidas temos emissividades inferiores a 0,1 e, para superfícies oxidadas os valores
são superiores a 0,95, [Silva et al., 2006].
Além da emissividade, outros parâmetros do objeto analisado devem ser inseridos na câmera tais como
temperatura refletida, temperatura atmosférica, distância entre objeto e a câmera e a umidade relativa. A temperatura
refletida é aquela admitida para todas as superfícies emissoras no meio adjacente ao objeto em estudo. Enquanto que
temperatura atmosférica é a da atmosfera entre objeto e câmera. A distância entre o objeto e a câmera e a umidade
relativa são parâmetros inseridos com o objetivo de se calcular a atenuação que a radiação sofre até chegar à lente do
equipamento, [Silva et al., 2006].
A câmera de infravermelho ao visualizar um objeto recebe radiações emitidas não só pelo próprio objeto, mas
também pelo meio adjacente, refletidas pela superfície do objeto. Ambas as radiações são, em parte, atenuadas pela
atmosfera na trajetória da medição. A estas, é adicionada uma terceira contribuição de radiações emitidas pela
própria atmosfera. Esse processo é ilustrado na Figura 4, [Bezerra et al., 2006].
Fig. 4: Representação da medição termográfica (a) Objeto Analisado (b) Meio Adjacente (c) Atmosfera.
No entanto, a radiação medida pela câmara não depende apenas da temperatura do objeto, mas também da
temperatura ambiente e da emissividade do objeto. Essa radiação resulta também do meio externo que se reflete no
objeto, [Bezerra et al., 2006].
BANCADA DE TESTES
A bancada experimental, Figura 5, montada no Laboratório de Pesquisa Experimental, situado na Universidade
Federal de São João del Rei - UFSJ, Departamento de Engenharia Elétrica, foi utilizada para o estudo proposto.
4
1
5
Fig. 5. Bancada de Teste.
3
2
O curto circuito foi introduzido num motor de indução trifásico {1}, WEG (GF 12087), rotor gaiola, 3 CV, 1730
rpm, 220 V, 60 Hz, , 4 polos, categoria N, 28 ranhuras, rolamento SKF 6205-2Z, classe de isolamento B, FS 1,15,
Ip/In 7,5, IP 55, 13,8 A. Um gerador de corrente contínua {2} é utilizado como sistema de carga e está acoplado ao
motor através de um acoplamento flexível {3}, é possível a variação da carga através de um painel de cargas
resistivas e consegue-se controlar o curto-circuito através do quadro {4}.
Os termogramas foram coletados pela câmera termográfica FLIR Systems InfraCAM {5}. As informações
contidas na câmera termográfica FLIR Systems InfraCAM foram transferidas para o computador através do software
de apoio QuickView, permitindo, desta forma, realizar análises detalhadas, em um ambiente mais amigável.
Para o teste do curto-circuito entre espiras, foram extraídas dez derivações em duas bobinas de duas fases
distintas, o que permite fazer o fechamento de três espiras de uma mesma bobina, que representa o início da falha.
Além disso, a corrente do curto-circuito foi controlada através de uma resistência de forma a não ultrapassar a duas
vezes a corrente nominal. Assim, foram feitas, praticamente, testes de degradação do isolamento que é o começo de
um problema que pode evoluir para curto-circuito.
As fotos da Figura 6 mostram a vista lateral e frontal do estator, onde os cabos brancos são as derivações e os
cabos pretos são os terminais para o fechamento e alimentação das três fases. Essas derivações foram dispostas
externamente em uma placa de bornes de modo a facilitar o controle da corrente de curto-circuito, alimentação do
motor de indução e aplicação de carga no gerador CC. Antes dos testes foi feito o balanceamento dinâmico e
alinhamento a laser, verificando-se também possíveis folgas mecânicas (base frouxa do motor). Este procedimento
permite que os termogramas coletados sejam representativos da falha induzida.
Fig.6. Fotos do estator do motor elétrico que foi rebobinado de forma a permitir o curto-circuito entre espiras.
Detecção do Curto-Circuito Inicial através de Fluxo Magnético.
Segundo [Thomson, 2001], pode existir um tempo de operação do motor antes que o curto-circuito entre espiras
evolua para curto-circuito entre fase-terra e fase-fase, o que justifica o desenvolvimento de sistemas de detecção de
falhas.
Pode-se dizer que a presença de uma anormalidade no circuito do rotor e ou no circuito do estator irá proporcionar
um distúrbio na densidade de fluxo magnético que atravessa o entreferro da máquina, causando uma modificação no
espectro de referência e que podem ser identificadas através da análise das componentes de frequências.
Segundo [Nandi, 2000] o 21° harmônico rede (1260 Hz) está sempre presente quando há uma falha no estator.
Após a comparação de vários espectros de fluxo magnético, pôde-se verificar que os harmônicos 19º e 21º da rede de
alimentação foram os mais excitados pela inserção do curto circuito. Esses harmônicos serão considerados como
sendo frequências características de falhas.
Os espectros de fluxo magnético foram coletados utilizando o equipamento da CSI UltraSpec 8000, através da
bobina de fluxo CSI A03430A.
Na Figura 7 tem-se o espectro de fluxo magnético para o motor funcionando com 100 % de carga na condição
sem defeito. Na Figura 8 tem-se o espectro de fluxo magnético para o motor funcionando com 100 % de carga e três
espiras curto circuitadas. Na Figura 9 tem-se o espectro de fluxo magnético para o motor funcionando com 100 % de
carga e seis espiras curto circuitadas.
1260 Hz
1140 Hz
Fig. 7: Espectro de fluxo magnético para o motor funcionando com 100 % de carga na condição sem defeito.
1260 Hz
1140 Hz
Fig. 8: Espectro do fluxo magnético para três espiras em curto-circuito.
1140 Hz
1260 Hz
Fig. 9: Espectro do fluxo magnético para seis espiras em curto-circuito.
Resultados Experimentais com a Câmera Termográfica
Para a realização dos experimentos a câmera termográfica foi configurada com emissividade de 0,85, após
igualar-se a temperatura da câmera a um termopar, tendo assim certeza da temperatura coletada. A umidade relativa
e a temperatura ambiente foram preservadas, sendo a primeira monitorada por um termômetro de bulbo úmido e
estando em torno de 75%.
Foi mantida uma distância, entre o motor e a câmera, de 0,40 m. Antes do inicio do processo de medição, esperouse 2 horas, para que a temperatura do motor se estabilizasse como mostrado em Figura 10. Foram coletados vários
termogramas nas condições: sem falhas, curto-circuito entre 3 espiras e curto-circuito entre 6 espiras, Figura 11.
Fig. 10: Curva de temperatura de um motor elétrico isolamento classe B.
Três espiras em curto-circuito
Seis espiras em curto-circuito
Visão Lateral Direita
Visão Lateral Esquerda
VIsão do Topo
Ausência de Falha
Fig. 11: Termogramas do motor elétrico para os testes realizados.
Desta forma foi possível verificar a elevação da temperatura, comparando o motor com presença de falha com a
condição sem falha. A área escura no motor representa a área onde houve um maior aquecimento. No termograma
superior aparece a área de maior elevação de temperatura. Pode-se observar o aumento de 8,41% do nível de
temperatura com curto-circuito de três espiras em relação ao teste sem falhas.
CONCLUSÃO
Os resultados mostram que a utilização da termografia na detecção do curto -circuito é uma ferramenta de
grande auxilio. Juntamente com outras técnicas de manutenção preditiva, a ferramenta torna o processo de
inspeção muito mais rápido, pois consegue detectar pontos ou regiões aquecidas, com temperaturas superiores da
condição normal de funcionamento.
Com a termografia é possível verificar uma grande quantidade de máquinas em um pequeno intervalo de tempo, e
assim a análise do fluxo magnético pode ser executada apenas na máquina que apresentar uma temperatura elevada,
confirmando-se o curto-circuito. Se a mesma inspeção fosse feita somente com o fluxo magnético, todo o processo
seria mais oneroso, pois o tempo necessário aumentaria significativamente. No caso de curto-circuito a redução do
tempo de análise torna-se ainda mais importante, pois a evolução de um curto-circuito é muito rápida.
Desta forma, a manutenção preditiva dispõe de mais uma aliada, e que torna o processo cada vez mais eficiente e
eficaz, aumentando assim a confiabilidade e a disponibilidade dos equipamentos de uma planta industrial, evitandose as paradas não planejadas.
REFERENCIAS
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Indução Trifásico. Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2002.
Tese (Doutorado).
2. L. M. R. Baccarini. Detecção e Diagnóstico de Falhas em Motores de Indução. Belo Horizonte, Faculdade de
Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Minas Gerais, 2005. Tese (Doutorado).
3. RoMiotto Instrumentos de Medição Ltda. Como Determinar a Emissividade dos Objetos. 2007.
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elétricos de potencia. Brasília, 2002. 120 f.
5. O. Rezende Filho. Aplicações termográficas na Manutenção Onde normalmente erramos! Revista Manutenção
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9. R. N. T. Silva, F. S. Magnani, and R. C. F. Lima. Algumas Aplicações do Uso da Termografia na Detecção de
Falhas. IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Recife-PE.2006.
10. L. A. Bezerra, R. N. T. Silva, J. R. H. Guerrero and F. S. Magnani. Estudo da influência de parâmetros na
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