UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA MECANICA
CARACTERIZAÇÃO DE ESCOVAS DE GRAFITE E AVALIAÇÃO DO SEU
DESEMPENHO EM FUNÇÃO DA MICROESTRUTURA
Dissertação submetida à
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
como parte dos requisitos para a obtenção do grau de
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
Aldo Nonato Borges
ORIENTADORES
Prof. Rubens Maribondo do Nascimento, Dr. Eng.
Prof. Antonio Eduardo Martinelli, Ph.D
Natal RN – Junho 2007
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA MECÂNICA
CARACTERIZAÇÃO DE ESCOVAS DE GRAFITE E AVALIAÇÃO DO SEU
DESEMPENHO EM FUNÇÃO DA MICROESTRUTURA
Aldo Nonato Borges
Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
sendo aprovada em sua forma final.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Rubens Maribondo do Nascimento, Dr. Eng. - UFRN
Presidente
Prof. Antonio Eduardo Martinelli, Ph.D – UFRN
Prof. Carlos Alberto Paskocimas, DSc. - UFRN
Prof. Antonio Carlos Pereira Santos, DSc. - CEFET/Ba
A busca por melhores condições de agir, pensar, fazer, crescer, viver nos torna cada
vez mais Homens insaciáveis. Acredito que desta forma a minha vida terá sempre
continuidade neste túnel onde vejo a luz no final e ainda não consegui alcançar.
Aldo Nonato Borges
DEDICATÓRIAS
Aos meus
pais Edwiges e Acidalia (em memorium), aos
filhos Paterson, Patrese, Sara e Aldo Jr. E a minha
esposa Nivaldina
Dedico este trabalho como resposta ao estimulo que todos me dão ao longo de cada
etapa da minha vida.
AGRADECIMENTOS
Aos meus colegas Sandro Gonçalves, Rodrigo Pascini, Paulo Felix, pelo grande apoio
durante a execução deste trabalho...
Aos meus orientadores Professores Rubens Maribondo e Antonio Martinelli que contribuíram
e incentivaram durante todas as etapas de evolução deste trabalho..
À instituição CEFET-BA por proporcionar este convenio com a UFRN oportunizando a mim e
demais colegas Professores a realização deste mestrado.
A instituição UFRN representada por todos os professores do mais alto gabarito o
conhecimento necessário para o desenvolvimento de todos os mestrandos.
A empresa USIBA a qual trabalho por oportunizar evolução dos experimentos deste trabalho
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ..............................................................................................................................15
2
OBJETIVOS ...................................................................................................................................17
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................................18
2.1 MOTOR ELÉTRICO......................................................................................................................18
2.2 ESCOVAS ELÉTRICAS................................................................................................................20
2.2.1Fabricação ......................................................................................................................................20
3
2.2.2
Tipos de Escovas..................................................................................................................20
2.2.3
Propriedades.........................................................................................................................22
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL..........................................................................................35
3.1 Materiais.......................................................................................................................................... 35
3.2 Densidade de corrente...................................................................................................................... 39
3.3 Formação de pátina e desgaste do comutador ................................................................................ 41
3.4 Desgaste das escovas....................................................................................................................... 43
4
RESULTADOS E DISCUSSÕES .............................................................................................. 44
4.1 Caracterização das escovas............................................................................................................. 47
4.2 Densidade de corrente..................................................................................................................... 57
4.3 Formação de pátina e desgaste do comutador ............................................................................... 59
4.4 Fenômenos...................................................................................................................................... 61
5 CONCLUSÕES...................................................................................................................... ......... 64
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ...................................................................................................67
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Motor de Corrente Contínua com 2 pólos ..............................................................................19
Figura 2: Princípio de funcionamento de motores) ................................................................................19
Figura 3: Demonstração de teste de resistência mecânica .....................................................................25
Figura 4: Gráfico de desgaste das escovas x Velocidade periférica.......................................................27
Figura 5: Gráfico de Coeficiente de atrito x Temperatura .....................................................................29
Figura 6: Demonstração do método de medição da pressão na escova..................................................30
Figura 7: Desgaste da escova em função da variação na pressão que ela sofre .....................................32
Figura 8: Dimensional da escova............................................................................................................36
Figura 9: Foto da escova do tipo “AMOSTRA 2”.................................................................................36
Figura 10: Visualização do gráfico de velocidade (RPM) dos motores das gaiolas do Laminador –
Software IbaAnalyzer – Versão 1.0.......................................................................................................40
Figura 11: Visualização do gráfico de corrente (A) dos motores das gaiolas do Laminador - Software
IbaAnalyzer – Versão 1.0 ......................................................................................................................40
:Figura 12: Parâmetro de aceitabilidade para formação de pátina............. ............................................42
Figura 13: Parâmetro de aceitabilidade para desgaste do comutador.............. .. .... .. ...........................42
Figura 14: Micrografia da microestrutura da escova “AMOSTRA 1” - Imagem obtida por BSE.........45
Figura 15: Análise química por EDS dos pontos indicados na Figura 14..............................................47
Figura 16: Microestrutura da escova “AMOSTRA 2” - Imagem obtida por BSE.................................49
Figura 17: Análise química por EDS......................................................................................................51
Figura 18: Análise de imagem para quantificação de porosidade da "AMOSTRA 1"..... .... .. .............52
Figura 19: Porosidade para “AMOSTRA 2”.................................................. .. .... .. ............................53
Figura 20: Dureza na amostra 1............................................................................... .. .... .. .........54
9
Figura 21: Ensaio de dureza na escova tipo “AMOSTRA 2”.................................. .. .... .. .........55
Figura 22: Foto da pátina do comutador com a escova ”AMOSTRA 1” em operação..............59
Figura 23: Foto da pátina do comutador com a escova ”AMOSTRA 2” em operação..............59
Figura 24: Sistema de registro de inspeção de manut. do motor 10.............................................60
Figura 25: Gráfico de desgaste das escovas ”AMOSTRA 2” por anel........................................62
Figura 26: Gráfico de desgaste das escovas ”AMOSTRA 2” por tirante....................................63
10
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Classificação de queda de tensão.............................................................................. 29
Tabela 2: Faixas adequadas de pressão na escova dependendo da aplicação .......................... 32
Tabela 3: Faixas de trabalho de temperatura das escovas para cada aplicação........................33
Tabela 4: Comparativo de propriedades eletro-mecânicas entre classes de escovas................34
Tabela 5: Tabela de equivalência de durezas (norma SAE J-417b)..........................................37
Tabela 6: Dados técnicos dos motores onde as escovas em teste são usadas........................... 40
Tabela 7: Formulário para medição da dureza Brinell..............................................................55
Tabela 8: Análise comparativa microestrutura e dureza...........................................................56
Tabela 9: Dados de carga dos motores retirados após período de observação.........................56
Tabela 10: Medição de desgaste mensal das duas classes de escovas......................................60
Tabela 11: Comparativo estatístico dos desgastes das classes de escovas................................61
11
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES
ºC – grau Celsius
Ω - Ohm
A - ampére
A/cm2 – ampére por centímetro quadrado
C.C. – corrente contínua
cm - centímetro
g/cm2 – grama por centímetro quadrado
g/cm3 – grama por centímetro cúbico
HB – dureza Brinell
kg – quilograma
kgf/cm2 – quilogramaforça por centímetro quadrado
kW - quilowatt
mm – milímetro
m/s – metros por segundo
mW – miliWatt
W – Watt
12
RESUMO
A energia elétrica pode ser reconvertida em energia térmica, luminosa, eletromagnética, e
também em energia mecânica. Neste contexto os motores elétricos desempenham papel
fundamental, em específico os motores elétricos de corrente continua que trabalham muito
abaixo da sua capacidade nominal, com conseqüente baixa densidade de carga. Em ambiente
industrial, estas características de trabalho dos motores CC geraram um consumo excessivo de
escovas de carvão e também ataque no comutador, reduzindo a vida útil do motor,
aumentando as horas de manutenção e o custo. O objetivo geral do presente trabalho é
caracterizar os diferentes tipos de escovas de grafite utilizados em motores de corrente
contínua e avaliar seu desempenho em função do processamento a que foi submetido durante
sua fabricação, assim como determinar os ganhos mensuráveis e não mensuráveis quando a
escova utilizada é a mais adequada à aplicação. As escovas foram produzidas por indústrias
do setor e testadas em ambiente industrial, quanto ao seu desempenho e desgaste. Resultados
preliminares evidenciam uma substancial alteração no desempenho destas escovas e no seu
desgaste em função da sua microestrutura e da aplicação na qual é utilizada.
Palavras-chave: Grafite, escova, porosidade
13
ABSTRACT
The electric can be converted into thermal, luminous, electromagnetic, and also in
mechanical energy. In this context the electric engines plays a fundamental role, specially that
they work very below of its nominal capacity, with consequent decrease load density. In
industrial environment, these characteristics of work of DC engines had also generated an
extreme consumption of coal brushs and attack in the commutator reducing the useful life of
the engine and increasing maintenance demand and cost. The general objective of the present
work is to study the influence of the granulometry of the coal brush used in DC engines with
the resistance to the consumption of the same ones, as well as in the performance presented by
the commutator of the engine. Additionally, determining the measurable and not measurable
profits when the brush used is adjusted to the application. The brushes had been produced by
an industry of the sector and tested in industrial environment to evaluate their performance
and consumption. Preliminary results evidence a substantial improvement in the performance
of these brushes in function of its microstructure and the application in which it is used.
Keywords: Graphite, brush, porosity
15
1 INTRODUÇÃO
Em algumas máquinas elétricas (por exemplo, motores de indução “gaiolas de
esquilo”) a parte rotativa é completamente independente, na maioria das máquinas elétricas
rotativas, há a necessidade de alguma conexão elétrica com a parte girante. Para permitir a
contínua rotação da parte girante, esta conexão deve permitir um movimento deslizante.
Assim, os primeiros problemas da escova de carbono, comum a todos os tipos de máquinas
elétricas, é a dificuldade mecânica em manter contato contínuo com a parte girante da
máquina e evitar os arcos elétricos e carbonizações decorrentes da interrupção do circuito
elétrico.
Várias pesquisas já foram realizadas (S.C. Ho, J.H. Chern Lin, C.P. Ju, Elsevier, 2004
e X. Liao, H.A. Oye, Elsevier, 1995), sobre as propriedades físico-químicas dos materiais a
base de carbono, bem como as alterações que essas propriedades sofrem em certas condições.
M. Milkovic, e D. Ban, mostraram em trabalho publicado em 1996, ”Influence of the
pulsating current amplitude on friction coefficient of electrographite of electrographite
brushes” (MILKOVIC, M.; BAN, D, Elsevier, 1996) através de um modelo experimental
realizado em um laboratório, como o coeficiente de fricção de uma escova eletrografítica
depende das diferentes amplitudes dos pulsos de corrente elétrica que ela conduz.
Enfim, grande parte dos estudos científicos das aplicações de compostos de carbono,
mostra modelos e experimentos sobre suas propriedades físico-químicas bem como os fatores
que oferecem influência nessas propriedades. Para qualquer aplicação, portanto, de um
material à base de um composto de carbono, é necessário conhecer o significado de suas
propriedades e as influências que elas sofrem em determinadas condições.
Verificou-se ao longo dos anos no setor de manutenção de uma empresa siderúrgica
no estado da Bahia, que os motores elétricos de corrente continua trabalham muito abaixo da
sua capacidade nominal, com conseqüente baixa densidade de carga, face à alterações no
processo ao longo dos anos. Com isto, iniciou-se um consumo excessivo de escovas de carvão
e também ataque no comutador reduzindo a vida útil do motor, aumento de horas de
manutenção e custo. O custo elevado de manutenção, a grande demanda de intervenções
planejadas para manutenção preventiva e o aumento do risco operacional, são fatores que,
com certeza, compõem um cenário que precisa ser investigado e solucionado.
16
Contextualizando o problema, atualmente esta planta possui 18 horas mensais destinadas a
manutenção programada dos seus equipamentos. Para se ter uma idéia, o tempo demandado
de manutenção programada para cada motor de CC em operação é de 2h / mês. A necessidade
de intervenção após o início dos fenômenos de desgaste excessivo praticamente triplicou.
Como são 9 motores enquadrados neste fenômeno, em constante operação, o tempo
demandado para paradas programadas de manutenção também elevou-se na mesma
proporção. Como a área de manutenção tem metas de parada programada de manutenção para
cumprir, tem-se dois cenários. Ou eleva-se o tempo disponível para paradas programadas e é
realizada a manutenção adequada, ou cumpre-se o prazo atual de paradas programadas, porém
o risco operacional aumenta. Sendo a indústria siderúrgica um setor produtor de commodities,
e com um custo alto de capital (máquinas e estruturas caras), ela necessita de alto volume de
produção para cobrir seus custos fixos de operação. Dessa forma houve a necessidade
imediata do estudo do desgaste excessivo das escovas de carvão dos motores de corrente
contínua.
Uma possível solução para um caso como este, é a mudança da classe da escova, de
acordo com a carga empregada e o regime de operação das máquinas. Para isto é necessário
que haja o conhecimento dos tipos de escovas de motores de corrente contínua, bem como
suas características físico-químicas, além das aplicabilidades do material. A importância da
operação contínua dos equipamentos representa para empresa, seus acionistas e empregados a
garantia de atendimento ao cliente, gerando com isso benefícios para toda a comunidade.
Na indústria metal-mecânica motores elétricos de corrente contínua de acionamento de
máquina pesadas são empregados largamente. Em função da baixa densidade de carga muitas
vezes as escovas de carvão apresentam desgaste excessivo onerando os custos de produção e
manutenção. Estudos realizados entre usuários de escovas e fabricante envolvendo as
variáveis da densidade de carga e classes das escovas, permitiram obter um conjunto em
condição altamente adequada ao uso. Reduções nos custos de novas escovas, tempo de
manutenção, desgaste com aumento de desempenho do comutador são evidentes neste
trabalho. Dessa forma, uma avaliação através de estudo detalhado quanto à sua aplicabilidade
nos equipamentos deve ser feita. Geralmente, na indústria metal-mecânica, diversos outros
equipamentos encontram-se na mesma necessidade, porém, falta a seus mantenedores,
conhecimento técnico específico sobre materiais alternativos que possam trazer os ganhos
supracitados.
17
2 OBJETIVOS
O objetivo geral do presente trabalho é estudar a influência das características da escova
utilizada em motores de corrente contínua na resistência ao desgaste das mesmas, bem como a
performance apresentada pelo comutador. Determinar os ganhos mensuráveis e não
mensuráveis quando a escova aplicada é a mais adequada. Como objetivos específicos para o
trabalho destaca-se:
a) Caracterizar a microestrutura das diferentes escovas de carvão utilizadas;
b) Relacionar a classe e a microestrutura das escovas com o desgaste das mesmas em
serviço;
c) Avaliar qual das escovas que apresente o melhor desempenho nas máquinas de corrente
contínua com baixa densidade de carga.
18
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 MOTOR ELÉTRICO
O motor é um elemento de trabalho que converte energia elétrica em energia mecânica
de rotação. Num motor elétrico, distinguem-se essencialmente duas peças: o estator, conjunto
de elementos fixados à carcaça da máquina, e o rotor, conjunto de elementos fixados em
torno do eixo, internamente ao estator.
O rotor é composto de:
a) Eixo da Armadura: responsável pela transmissão de energia mecânica para fora do motor,
pelo suporte dos elementos internos do rotor e pela fixação ao estator, por meio de rolamentos
e mancais.
b) Núcleo da Armadura: composta de lâminas de Fe-Si, isoladas umas das outras, com
ranhuras axiais na sua periferia para a colocação dos enrolamentos da armadura.
c) Enrolamento da Armadura: São bobinas isoladas entre si e eletricamente ligadas ao
comutador.
d) Comutador: consiste de um anel com segmentos de cobre isolados entre si, e eletricamente
conectados às bobinas do enrolamento da armadura.
O estator é composto de:
a) Carcaça: serve de suporte ao rotor, aos pólos e de fechamento de caminho magnético.
b) Enrolamento de campo: são bobinas que geram um campo magnético intenso nos pólos.
c) Pólos ou sapatas polares: distribui o fluxo magnético produzido pela bobinas de campo.
d) Escovas: são barras de carvão e grafite que estão em contato permanente com o comutador.
As máquinas elétricas possuem praticamente os mesmos elementos principais, porém
com diferenças importantes entre eles. Às vezes a bobina de armadura está no estator e não no
rotor, o mesmo acontecendo com a bobina de campo. Outras não possuem escovas, outros
ainda não possuem bobina de armadura, e assim por diante. Porém, os nomes dados aos
componentes da máquina são gerais e valem para a maioria das máquinas elétricas.
De forma geral os motores elétricos são classificados em:
· Motores de Corrente Contínua
· Motores de Corrente Alternada
· Motores Especiais
19
Na figura 1 tem-se as partes internas de uma máquina de corrente contínua básica e
sua representação.
Comutador
Escovas
Bobina de campo
Bobina de
armadura
Bobinas da
Armadura e
Comutador
Bobinas
de Campo
Carcaça
Escova
Eixo
Eixo da Máquina
Base
(a) Partes Internas
(b) Representação
Figura 1: Motor de Corrente Contínua com 2 pólos
O motor de corrente contínua apresenta quatro terminais acessíveis, dois para as
bobinas de campo (terminais 3 e 4 ) e dois para as bobinas de armadura ( terminais 1 e 2 ). Em
alguns motores de baixa potência, as bobinas de campo são substituídas por ímãs
permanentes. Neste caso, o motor apresenta apenas dois terminais de acesso (terminais 1 e 2).
O princípio de funcionamento elementar de um motor de corrente contínua está baseado na
Força Mecânica que atua sobre um condutor imerso num campo magnético, quando sobre ele
circula uma corrente elétrica. Observe a fig. 1, na bobina 1 as forças são iguais e opostas, não
produzindo nenhuma força de rotação (torque ou par binário), mas as bobinas 2,3 e 4 tem
sobre elas um torque Fx tal que impulsiona o rotor para girar, levando consigo a bobina 1, que
então entra na região ( da bobina 2) onde estava a bobina 2, e então passa a exercer uma força
de giro também. Observe que para este esquema funcionar, é necessário inverter o sentido da
corrente da armadura a cada 180 º.
O elemento que faz a comutação do sentido da corrente é o comutador. O princípio de
funcionamento do motor de corrente contínua também pode ser baseado na ação de forças
magnéticas sobre o rotor, geradas pela interação do campo magnético criado pelas bobinas de
campo com o campo magnético criado pelas bobinas da armadura, conforme mostra a fig. 2.
Observa-se que o comutador possui a função de inverter o sentido da corrente na bobina da
armadura em 90º e 270º dando continuidade ao movimento rotativo do motor. Um dos itens
imprescindíveis para que ocorra a comutação, é a escova elétrica, justamente o objeto central
do estudo apresentado nesta dissertação.
20
Figura 2: Princípio de funcionamento de motores
2.2
ESCOVAS ELÉTRICAS
A primeira escolha do grafite natural para este propósito veio 90 anos atrás devido o
material ser conhecido pelas suas propriedades de um lubrificante sólido. Carbono e grafite,
diferentes formas de um mesmo elemento químico, continuaram a ser usados em
componentes elétricos, pois, além desta propriedade, notou-se uma série de outras
propriedades como:
Resistência aos efeitos da alta temperatura: O carbono mantém suas propriedades físicoquímicas e mantém-se na forma sólida até temperaturas próximas a 3.000ºC. O carbono não
possui estado líquido em pressão abaixo da atmosférica. Nessa condição, o material passa do
estado sólido para o estado gasoso em temperaturas entre 3.600ºC e 4.000ºC.
Baixa densidade: O carbono é menos denso que a maioria dos metais. A baixa inércia das
escovas de carbono faz com que ela deslize com facilidade mesmo considerando
irregularidades na superfície onde ela realiza o movimento.
21
Sem efeito de solda: O carbono quando sofre um aquecimento instantâneo, como um arco
elétrico por exemplo, não tem o mesmo comportamento dos metais que podem se comportar
como uma “solda”.
2.2.1 Fabricação
As várias formas do carbono natural, produzido pela decomposição de compostos de
carbono, entre eles coque provindo do carvão, carvão de lenha provindo da madeira, negro de
fumo do óleo, têm características físicas que diferem consideravelmente de um para outro.
Eles retêm essas diferentes características físicas até que atinjam todos a temperatura de
2.500ºC. Neste estado, todos assumem a forma de grafite, o estágio de forma cristalina do
carbono (MORGANITE CARBON LIMITED, 1961).
Em função da ausência de seu estado líquido, componentes de carbono apenas podem
ser fabricados através da aglomeração de finos de pó. A seqüência comum de fabricação para
um artigo composto de carbono é: seleção de finos de pó de carbonos naturais, mistura em
proporções pré-determinadas, mistura em um composto na forma de pasta. A pasta se torna
por si própria um composto de carbono. O pó compactado é misturado em peças de forma e
tamanho desejados através de alta pressão. O composto na sua forma compacta é então
aquecido e tratado em atmosfera inerte (sinterização). O composto final é puramente carbono
(se não houver adições de outros materiais) e não depende de nenhum outro material para suas
propriedades físico-químicas. Durante o tratamento térmico de sinterização, o material
também sofre uma retração e, geralmente, o material precisa ser manufaturado até seu
tamanho desejado após o processo.
O carbono é um material muito estável termodinamicamente. Um vez completo o
processo, as características do material não podem ser alteradas, a não ser que o lote
produzido tenha saído fora da especificação, ou seja, tenha sido rejeitado.
2.2.2 Tipos de Escovas
Através da mistura controlada, realizada em proporções pré-determinadas,
processando o carbono da maneira como foi descrito anteriormente, os fabricantes têm
inúmeras possibilidades de combinar diferentes propriedades físicas para produzir seus
materiais. Isto é essencial quando parte-se do princípio que as máquinas elétricas apresenta
características elétricas diferentes e necessitam de escovas otimizadas para cada aplicação
22
com o objetivo de obter a melhor performance possível. Um número extremamente grande de
classes de escovas é necessário para cobrir todo o campo de aplicação adequadamente. A cada
ano, novas escovas são desenvolvidas para acompanhar o próprio desenvolvimento
tecnológico das máquinas elétricas. As classes de escovas de carbono podem ser divididas
basicamente em:
ƒ
Escovas de grafite natural;
ƒ
Escovas de carbono duro;
ƒ
Escovas eletrografíticas;
ƒ
Escovas de metal-grafite;
ƒ
Escovas de metal-carbono;
ƒ
Escovas com tratamento especial para operações particulares.
Escovas de grafite natural – De todas as formas de carbono natural, o grafite natural é o que
possui a maior propriedade lubrificante. Macia e gordurosa é usada em aplicações de alta
velocidade ou onde seja necessário o menor ruído possível de operação.
Escovas de carbono duro ou amorfas – São mecanicamente robustas e sofrem pouco desgaste,
porém sua baixa capacidade elétrica e térmica de condução, limita seu uso à moderada
velocidade e densidade de corrente.
Escovas eletrografíticas – Como citado anteriormente, todas as formas de carbono se
transformam em grafite quando submetidas a temperaturas na casa de 2.500ºC. Essas
temperaturas são geralmente obtidas através de fornos elétricos. O cristal obtido não é
idêntico à grafite natural e o produto retém alguma propriedade de robustez do carbono
enquanto ganha algumas propriedades lubrificantes do grafite. O grafite produzido dessa
maneira é conhecido como eletrografite.
Escovas de metal-grafite – Em anéis deslizantes, onde as escovas têm apenas o papel de
coletar a corrente, a relativamente alta resistência de contato do grafite é uma desvantagem.
Entretanto o excessivo desgaste em um contato metal-metal é observado na ausência de um
material com propriedadades lubrificantes como o grafite.
Neste tipo de escova há a
possibilidade de combinar propriedades dos metais com o grafite para obter inúmeros
compostos com características distintas.
Escovas de metal-carbono – O desenvolvimento deste tipo de escova acabou com muitas
limitações mecânicas do carbono como um material de contato e permitiu o uso em aplicações
que necessitam de um preciso controle.
23
Escovas com tratamento especial para operação particulares: Todo composto de carbono
manufaturado é poroso. Outras substâncias absorvidas pelo carbono são incrustadas nesses
poros e têm papel importante nas reações químicas e exerce influência na formação do filme
superficial dos comutadores ou anéis deslizantes. Algumas condições especiais de operação,
necessitam da introdução de aditivos químicos para ajudar a controlar a formação do filme
superficial.
2.2.3 Propriedades
A escova de carbono é uma das aplicações do carbono na qual as características de
contato são muito mais importantes do que as propriedades físicas do material. Entretanto,
várias propriedades físicas do composto de carbono manufaturado têm uma importante função
na operação das escovas de carbono.
2.2.4 Propriedades Físicas
2.2.4.1 Resistência Específica
Estabelece-se que a resistência de um condutor homogêneo de seção S e comprimento
1 é expressa pela relação R=p 1/S, sendo um coeficiente experimental, o qual depende,
exclusivamente, da natureza do material condutor que se considera. Esse coeficiente
experimental é chamado resistência específica ou resistividade do material em exame.
Calculando, por meio da expressão
R=p 1/S,
(1)
a resistência elétrica de um condutor, tendo comprimento e seção unitário 1=1 e S=1 resulta
R=p.
A resistência específica ou resistividade de um material fica definida, portanto, como a
resistência elétrica de um prisma desse material, tendo unidade de comprimento e unidade de
seção transversal.
No cálculo das resistências elétricas expressas em ohms, é necessário se definir a
resistência específica ou resistividade dos condutores em ohms, mas, sendo esta a resistência
de um condutor que tem 1 cm² de seção e 1 cm de comprimento, seria expressa por números
24
muito pequenos para quase todos os materiais usados em eletrotécnica. Para evitar este
inconveniente, praticamente exprime-se a resistividade dos materiais em microhms. Portanto,
a resistência específica dos materiais é expressa em microhms cm² por cm (mWcm). Na
aplicação da relação expressa na equação (1) R=p 1/S, querendo obter a resistência expressa
em ohms, é necessário multiplicar o segundo membro pelo fator de redução 10 -6, exprimindo
o comprimento do condutor em cm e a seção em cm². A equação para o cálculo da resistência
dos condutores será:
R(W) = 10 -6 . p (mWcm) . 1(cm)/S(cm²)
(2)
O carvão tem um coeficiente negativo de resistência, isto é, a resistência diminui com o
aumento da temperatura dentro da variação normal do trabalho das aplicações da escova.
Escovas de metal-grafite geralmente mostram poucas modificações de resistência específica
com a temperatura devido ao efeito de balanceamento do carvão cobre. A resistência
específica é muito importante no controle de uniformidade da escova quando de sua
fabricação. É proveitosa também na seleção da mesma quanto à variação geral da
especificação do material.
2.2.4.2 Condutividade térmica
A condutividade térmica do melhor eletrografite, medida na unidade do sistema C.G.S, é
da ordem de 0,3, e da escova de eletrografite é da ordem de 0,15. Elementos metais
correspondentes são a prata (1,0). cobre (0,9) e o ferro (0,11). A condutividade de calor do
grafite é comparável a estes metais. A condução de calor de um material de uma escova de
carbono varia entre uma faixa de valores e isto afeta diretamente a capacidade de condução de
corrente da mesma. É óbvio que a temperatura da superfície de contato da escova sempre será
maior que em qualquer outro ponto da escova. O carbono começa a oxidar rapidamente no
ambiente com temperaturas acima de 350ºC. Se a condutividade térmica da escova for
inadequada para determinada aplicação, é possível que a alta temperatura da superfície de
contato seja suficiente para produzir um desgaste fora do normal.
2.2.4.3 Densidade e Porosidade
25
A densidade do grafite é da ordem de 2,3 g/cm3. As densidades atuais das escovas de
carbono variam na faixa de 1,22 a 2,15 g/cm3. Deve-se isto ao fato de que os materiais de
carbono são porosos e, aproximadamente um sexto do seu volume são espaços vazios. A
porosidade assume uma forma de finas e tortuosas passagens interconectadas por onde o ar
pode passar com certa dificuldade. O tamanho e a distribuição desses poros exercem uma
importante influência no comportamento da escova. Se os poros são relativamente pequenos
em quantidade e grandes em tamanho, para que o ar possa permear livremente através deles, e
não forem preenchidos pelo resto do desgaste das escovas, a estabilidade no comportamento
do contato à altas velocidades é geralmente obtida. Por outro lado, material denso, com
pequenos poros, tem boa resistência ao desgaste e apresentam vida útil elevada.
2.2.4.4 Dureza
A dureza é obtida pelo teste da unidade de medida SHORE através do aparelho
escleroscópio SHORE C2, e utilizando-se uma ponta de diamante e soltando-a de uma altura
predefinida observa-se então o resultado. A variação do acabamento do material sob testes
tem algum efeito na interpretação obtida. A interpretação é relativa; por exemplo, o aço tem
normalmente 105 e o latão 20 (CARBOMEC IND PRODUTOS ELETROMECÂNICOS
LTDA)
2.2.4.5 Resistência mecânica
É a resistência mecânica (flexão em três pontos) expressa em quilogramas força por
centímetro quadrado (kgf./cm²), determinado através de testes de resistência em uma máquina
Olsen. O teste é feito em corpos-de-prova de tamanho uniforme. O corpo-de-prova é
sustentado por dois apoios, enquanto um cutelo desce sobre o centro do corpo-de-prova até
que este se rompa. Nesse instante, lê-se no dinamômetro a carga aplicada e utiliza-se a
seguinte fórmula para obter a resistência do material:
S = 3PL/2bd²
(3)
onde
S= tensão em quilogramas por centímetro quadrado na fibra mais solicitada no momento da
ruptura.
P= carga em quilogramas aplicada entre os suportes.
26
L= distância entre os suportes em centímetros.
b= largura da seção do corpo de provas em cm.
d= espessura da seção do corpo de provas em cm. (fig. 3)
Figura 3: Demonstração de teste de resistência mecânica (“Manual de escovas elétricas” –
www.carbomec.com.br)
2.2.5 Propriedades Elásticas
Mesmo com os mais elevados padrões de construção e manutenção, nenhum
comutador ou anel deslizante pode ser considerado como geometricamente perfeito. As
irregularidades podem ser bem pequenas, porém as forças de aceleração impostas às escovas
para acompanhar a superfície são de considerável magnitude. Pode-se associar o problema a
um automóvel viajando em uma auto-estrada em alta velocidade, sendo a escova posicionada
no local da roda. A suspensão do automóvel irá prover resiliência e pressão para que a roda
permaneça em contato com o asfalto. O mecanismo do porta escovas não consegue responder
as altas freqüências produzidas pelos segmentos do comutador e a resiliência e a pressão
devem ser providas pelo próprio material da escova. As propriedades elásticas dos materiais
de escovas conseqüentemente têm considerável influência sobre a performance do
deslizamento.
2.2.6 Propriedades de contato
O grau de precisão com que a propriedade física e mecânica de qualquer material pode
ser medida depende da precisão do instrumento e da uniformidade do material. Por exemplo,
o módulo de elasticidade e tensão de metais dúcteis como o aço, pode ser medido
precisamente e os resultados obtidos serão muito próximos, com poucos desvios. Testes em
27
materiais menos homogêneos como o carbono que possui uma quantidade de fissuras internas
elevada, não fornecerão o mesmo grau de precisão. Entretanto, fazendo um número
considerável de medições, o valor médio e o grau de dispersão dos resultados podem ser
determinados. Propriedades de contato como a fricção e a resistência de contato não podem
ser definidas sem também especificar condições ambientais que têm influência direta no
resultado como:
ƒ
Natureza dos materiais;
ƒ
Condições da superfície: limpeza, polimento, etc;
ƒ
Pressão entre superfícies;
ƒ
Tipo de movimento: estacionário, deslizante, rotativo e velocidade;
ƒ
Temperatura;
ƒ
Corrente.
Alguns desses fatores podem ser controlados e medidos, alguns podem ser medidos e
não controlados, e outros, não há nenhuma das duas opções. Mesmo quando se consegue
controlar essas variáveis em condições de laboratório, os fatores não controlados introduzem
uma vasta variação nos resultados. Dados de escovas elétricas publicados pelos fabricantes
representam uma média estatística de uma série de resultados obtidos durante um longo
período de tempo incluindo todas as variáveis conhecidas. Estas informações são valiosas na
análise comparativa do comportamento de diferentes materiais, mas os resultados obtidos em
uma determinada máquina, podem diferir consideravelmente dos dados conhecidos. Essa
variação não se deve a uniformidade do material da escova e sim a influência das condições
ambientais sobre as propriedades de contato.
2.2.7 Perdas por atrito nas escovas
A experiência tem mostrado grandes variações nos ensaios feitos na fábrica antes de o
consumidor e as escovas adquirirem superfícies lisas, como ocorre após certo tempo de
operações. Por causa disso, devem ser usadas as seguintes fórmulas empíricas, que
representam valores médios obtidos em muitos ensaios:
Escovas de grafite e eletrografite: W=0,25 x V x S
Escovas de grafite e metalizadas: W=0,15 x V x S, onde:
28
W= perdas por atrito nas escovas em centímetros quadrados.
V= velocidade periférica do comutador, em metros por segundo.
S= área de contato das escovas, em centímetros quadrados.
2.2.8 Velocidade periférica
A velocidade superficial do comutador ou do anel expressa em metros por segundo. Os
valores podem ser encontrados pela seguinte expressão:
Vs = πx D x N / 60
(4)
onde
π= 3,1416
Vs= velocidade superficial em m/s.
D= diâmetro do comutador ou anel em metros.
N= velocidade da máquina em rotações por minuto.
Para a obtenção de um valor muito aproximado, pode-se usar a seguinte fórmula:
Vs = D x N / 20
(5)
A escolha incorreta de uma qualidade pode acarretar um desgaste acentuado das
escovas. Considerando-se que um comutador ou um anel deslizante nunca será idealmente
redondo, com o aumento da velocidade periférica ocorrem falhas e até interrupções de
contato, causando um excesso de desgaste mais do que proporcional (fig. 4).
Figura 4: Gráfico de desgaste das escovas x Velocidade periférica
2.2.9 Queda de tensão no ponto de contato
É a queda de tensão entre a face da escova e o coletor. Os números da Tabela 1, que se
segue, foram obtidos sob rigorosas condições de controle, e só serão obtidos novamente se
29
forem obedecidas estas mesmas condições. Esta tabela servirá para se ter uma idéia ao
comparar uma qualidade com outra.
Tabela 1: Classificação de queda de tensão (“Manual de escovas elétricas” –
www.carbomec.com.br)
Queda de tensão em Volts (Pos + Neg)
Classificação
muito alta
Carvão Grafite e Eletrografite
Metal-Grafite
Variação
Símbolo
Variação
Símbolo
acima de 2,5
MA
acima de 1,0
ma
alta
1,9 a 2,5
A
0,7 a 1,0
a
média
1,3 a 1,9
M
0,4 a 0,7
m
baixa
muito baixa
0,8 a 1,3
B
0,2 a 0,4
b
abaixo de 0,8
MB
abaixo de 0,2
mb
O valor da queda de tensão varia consideravelmente dependendo da película do
comutador ou do anel. Alguns fatores influenciáveis na queda de contato são a pressão da
escova, temperatura da escova e do comutador, velocidade periférica e condições atmosféricas
como umidade, gases estranhos, oxigênio e outros.
2.2.10 Coeficiente de atrito
Atrito é a resistência que se opõe ao deslizamento de um objeto sobre outro. Nas
escovas, refere-se ao contínuo atrito da escova com o coletor em movimento. É muito
importante, pois afeta a máquina no que diz respeito ao trabalho silencioso, à elevação de
temperatura do coletor e à energia total perdida da máquina. É considerado satisfatório
quando se obtêm o mínimo de atrito, ou seja, um coeficiente mínimo de atrito entre a escova e
coletor. Por exemplo: um homem, puxando uma caixa com 100 kg de peso sobre uma
superfície áspera de concreto, emprega uma força de 75 kg para colocá-la em movimento. O
coeficiente de atrito entre as duas superfícies (caixa e concreto áspero) será:
75 kg/ 100 kg = 0,75
Porém, quando este homem puxa a mesma caixa sobre uma superfície polvilhada com
grafite, ele encontra muito maior facilidade em deslocá-la, usando apenas um esforço de 25
kg; portanto, o coeficiente de atrito será:
30
25 kg / 100 kg = 0,25
Logo, alterando a natureza do contato entre as superfícies, também altera-se o
coeficiente de atrito. A fig. 5 mostra, através de gráfico, o comportamento do coeficiente de
atrito em relação à temperatura. Para propósitos de comparação, classifica-se o coeficiente de
atrito como segue:
Alto - (A) - acima de 0,3 - 10 a 12 A/ cm²
Médio - (M) - de 0,225 a 0,3 - 8 a 12 A/ cm²
Baixo - (B) - abaixo de 0,225 - 6 a 12 A/ cm²
Figura 5: Gráfico de Coeficiente de atrito x Temperatura
2.2.11 Densidade de corrente (A/cm2)
É a densidade de corrente medida em amperes por centímetro quadrado (A/cm²), da
seção do material que uma escova pode suportar sem grande aquecimento. Também deve-se
levar em conta o aquecimento produzido pelas correntes em curto-circuito, pelo atrito de
contato entre as duas superfícies. O valor então obtido, após estas considerações, representa a
capacidade de carga que uma escova pode suportar, sem danos, sob condições normais de
operação, em uma máquina de propósitos comuns. Dada a grande faixa de segurança com que
é feito este material para compensar as correntes em curto-circuito e o aquecimento, é
freqüentemente possível, em máquinas possuindo ótima comutação, exceder o valor tabelado
da densidade de corrente. Em máquinas que trabalham intermitentemente, e para pequenos
períodos, como, por exemplo, os motores de elevadores, o valor normal tabelado pode ser
ultrapassado em 50 a 75%. Para escovas de comutadores e anéis, o valor tabelado pode ser
excedido em 25%, ou talvez um pouco mais para o caso de anéis, dependendo das condições
de ventilação e outras condições de operação. Para máquinas de corrente contínua, onde a
corrente em amperes é conhecida, a densidade de corrente (Dc), em amperes por cm² da seção
da escova, pode ser calculada através da seguinte fórmula:
31
Dc = In/ N/2 x L x E
(6)
onde
Dc= densidade de corrente em A/ cm².
I= corrente da máquina em amperes.
N= número total de escovas na máquina.
L= largura da escova em centímetro.
E= Espessura da escova em centímetro.
Para anéis coletores, onde In é a intensidade da corrente por anel e N é o número de escovas
por anel, aplica-se a seguinte fórmula:
Dc = In / N x L x E
(7)
2.2.12 Pressão na escova
A pressão é dada em gramas por cm² de seção da escova. A medição da pressão nas
molas dos porta-escovas pode ser feita de forma acurada através das balanças de pressão
(dinamômetro); esta operação pode ser bem compreendida através da fig. 6.
Figura 6: Demonstração do método de medição da pressão na escova (“Manual de escovas
elétricas” – www.carbomec.com.br)
32
Coloca-se o laço de couro envolvendo o dedo de pressão, e, assim que a escova deixar
de ter contato com o coletor, faz-se a leitura na escala. A fim de saber quando a escova deixa
de ter contato com o coletor, coloca-se entre ambos uma tira de papel e, logo que esta tira se
soltar deve-se ler na escala a pressão correspondente. A tira de papel deve ser levemente
puxada. Para geradores e motores estacionários, recomenda-se uma pressão nunca inferior aos
valores apresentados na Tabela 2, exceto em condições especiais. Uma boa regra a seguir é
usar a pressão dentro do limite recomendado, o que fornece a mais satisfatória comutação.
Esta raramente deverá ser menor que 125 g/cm² para motores estacionários, exceto para
determinadas escovas de grafite que podem trabalhar com pressão abaixo deste valor.
Tabela 2: Faixas adequadas de pressão na escova dependendo da aplicação (“Manual de
escovas elétricas” – www.carbomec.com.br)
Tipos de Máquinas
Pressão na
Escova
Máquinas estacionárias livres de vibração e ruído
150 a 200 g/cm²
Anéis deslizantes
170 a 250 g/cm²
Motores de tração
250 a 570 g/cm²
Máquinas com alta vibração
até 350 g/cm²
Motores fracionários
até 450 g/cm²
Pressões abaixo das recomendadas nunca devem ser usadas com o intuito de aumentar
a eficiência ou reduzir o atrito. Tal prática pode resultar em dano para o coletor, pois não
haverá o firme contato entre escovas e coletor. A mesma recomendação se aplica também
para o caso de anéis. Para escovas de tração, é usada geralmente uma pressão que varia de 250
a 570 g/cm², dependendo da velocidade ou de outras condições. Para máquinas sujeitas a
grande vibração, a pressão recomendada é aproximadamente a mesma das escovas de tração.
Para motores e geradores modernos de alta velocidade para tarefas pesadas, como, por
exemplo, para laminadores, onde são usadas as escovas de eletrografite, deve-se ter um
especial cuidado no uso de uma pressão exata e também verificar se todas as escovas possuem
a mesma pressão. Na fig. 7 é mostrado como a pressão afeta o desgaste da escova.
33
Figura 7: Desgaste da escova em função da variação na pressão que ela sofre (“Manual de
escovas elétricas” – www.carbomec.com.br)
2.2.13 Temperatura
Como o filme (pátina) que se forma nos comutadores ou anéis tem propriedades
largamente semicondutoras, ele é altamente influenciado pela temperatura de trabalho, a
resistência de contato medida em rotores frios é alta em função da baixa condutibilidade
elétrica do filme (pátina); com o gradativo aumento de temperatura esta resistência vai
diminuindo. De forma idêntica ocorre com o coeficiente de atrito: com o aumento de
temperatura ele vai se reduzindo a um mínimo, porém, torna a elevar-se após uma certa faixa
de temperatura. Na Tabela 3 demonstra-se os valores ideais de funcionamento de temperatura.
Tabela 3: Faixas de trabalho de temperatura das escovas para cada aplicação (“Manual de
escovas elétricas” – www.carbomec.com.br)
Aplicação
Motores
de
Máquinas
tração
normais
de
Máquinas
fracionárias
Máquinas
Anéis
potência
de
de
aviação
turbo
Alternadores
Anéis de prata
de
Coletor
Escova
Temperatura
Temperatura
125 oC
150 oC
80 oC
90 oC
85 a 100 oC
100 oC
100 oC
150 oC
geradores
80 oC
80 oC
carro
75 oC
75 oC
70 oC
70 oC
2.2.14 Filme – Pátina
Filme é a película lubrificante formada sobre o comutador ou anel coletor que tem a
espessura de aproximadamente 0,02 μm, ou seja, 1000 vezes mais fino que o fio de cabelo
humano. A operação eficiente de todas as máquinas de C.C. depende da formação de uma
34
película apropriada na superfície do comutador. Essa película de carvão, grafite, óxido de
cobre e vapor de água é depositada no comutador por ação eletroquímica, sendo formada pelo
contato deslizante da escova sobre o comutador e pelo fluxo normal de corrente entre a escova
e o comutador. O fato de a superfície do comutador não ser nunca absolutamente lisa, embora
possa ter esse aspecto ao tato e à primeira vista, possibilita a permanência da película.
Normalmente, nos comutadores novos ou recondicionados, a escova começa a formar essa
película característica logo que é iniciado o fluxo de corrente. Podem ser necessárias várias
horas ou alguns dias para completar uma película de boa qualidade. Mas, depois disso, a
tarefa principal consiste em preservá-la. A temperatura, o ambiente e o tipo de escova adotado
afetam a formação dessa película. Se ela for deteriorada elétrica ou mecanicamente, tanto o
desgaste da escova quanto o do comutador serão acelerados. Nunca será demais acentuar a
importância da superfície da película do comutador. A formação e preservação adequada
dessa película assegurarão o bom desempenho das escovas (menor desgaste das escovas e do
comutador)
e
a
comutação
satisfatória
(sem
faiscamento
destrutivo).
As alterações na cor do cobre, até marrom escuro ou cor de chocolate, não devem
constituir motivo para preocupações, enquanto a superfície for mantida lisa e polida
(aparência brilhante).
As causas que contribuem para que haja um filme inadequado são:
a) Contatos perigosos
b) Incorreta granulação da escova para a aplicação
c) Excesso de umidade
d) Pouca ou ausência de umidade
e) Densidade da corrente
Chama-se de contatos perigosos toda a substância que, entrando em contato com as
escovas e o comutador, pode prejudicar o funcionamento da máquina, inclusive, danificando o
comutador. Aponta-se a seguir alguns contatos perigosos mais freqüentes em nossas
indústrias: Vapores Ácidos - Graxas - Poeiras - Detergentes - Álcoois - Cetonas - Fumaça
de cigarro-Amônia. No caso de contatos perigosos, o que se deve fazer é tentar eliminá-los
ou, na sua impossibilidade, pelo menos, tentar atenuar ao máximo seus efeitos, através de
ventilação forçada. No caso de óleo ou graxa, melhorar a proteção contra poeiras, evitar a
limpeza do comutador com detergentes, gasolina, removedores, etc., evitar a aproximação do
álcool, amoníaco, cetonas, bem como até fumaça do seu próprio cigarro. Deve-se, por outro
35
lado, ter muito cuidado na escolha de uma granulação para as escovas, porque uma escolha
errada pode trazer conseqüências trágicas para sua máquina. A escolha de uma granulação na
faixa de trabalho de 10 a 12 A/ cm² e a máquina trabalhar na faixa de 6 a 12 A/ cm², tem-se
ausência de filme e desgaste rápido do comutador e das escovas. Se a densidade de corrente
for alta demais para as escovas, esta irá formar muito filme, sujando o comutador,
aumentando a resistência entre escovas e comutador, provocando um centelhamento
destrutivo. Se, no caso inverso, a densidade da corrente for baixa demais para a granulação
escolhida, pouco ou nenhum filme irá formar. Como resultado um comutador ranhurado e um
desgaste muito grande no coeficiente de atrito que poderá causar trepidação nas escovas,
desprendimento dos flexíveis e até quebra nas escovas. No caso de ambiente muito úmido,
também haverá muita formação de filme. Nesta situação, deve-se usar escovas que tenham
pouca tendência à formação de filme; no caso de termos pouca ou mesmo ausência de
umidade na atmosfera, deve-se usar escovas com tendência pronunciada à formação de filme.
36
3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Neste tópico os ensaios realizados serão descritos, com o cuidado de não mencionar
nomes de empresas usuárias e ou fabricantes dos materiais, assim como dos laboratórios que
colaborarem com este estudo exceto àqueles que permitiram a divulgação de seu nome.
Buscou-se durante toda a execução do trabalho colaboração intensa do fabricante do
componente envolvido quanto a informações a respeito dos materiais usados, amostras e
ensaios necessários respeitando sua política de segurança de informação aliando este estudo à
sua necessidade de crescimento no mercado de escovas de motores e seus clientes em busca
da redução dos custos operacionais e de manutenção. Neste tópico, serão descritas as
características essenciais para a avaliação de um bom desempenho das escovas no motor e o
método como serão avaliadas. No próximo tópico serão apresentados os resultados e
realizadas as discussões sobre essas mesmas características.
3.1 – Materiais
Os fabricantes de escovas fornecem tabelas onde podem ser encontrados os dados de
propriedades físicas de cada tipo e classe de escova. Com um conhecimento técnico das
propriedades físico-químicas e de sua influência na aplicação onde será utilizada, pode-se
determinar a escova que resultará em melhor desempenho. A seguir tem-se um comparativo
entre as duas classes de escovas em questão, fornecido pelos próprios fabricantes. As
amostras denominadas de 1 e 2 são de fabricantes diferentes, de classes iguais
(eletrografíticas) porém com propriedades físico-químicas diferentes. Utilizou-se na presente
dissertação material comercial, similar ao utilizado industrialmente.
Tabela 4: Comparativo de propriedades eletro-mecânicas entre classes de escovas utilizadas
no presente trabalho (dados do fabricante)
UNIDADE
TIPO
-
CLASSE DA ESCOVA
AMOSTRA 1
AMOSTRA 2
Eletrografítica
3
Eletrografítica
DENSIDADE APARENTE
g/cm
1,53
1,60
RESISTIVIDADE
µΩ.cm
4,30
2,50
DUREZA
Shore
53,00
35,00
DENSIDADE DE CORRENTE (MÁX)
A/cm
2
12,00
12,00
VELOCIDADE PERIFÉRICA
m/s
50,00
50,00
DIMENSÃO DA ÁREA DE CONTATO
mm
8 x 32
8 x 32
37
As dimensões da escova do tipo “AMOSTRA 1” e da escova tipo “AMOSTRA 2” são
idênticas, sem necessidade de ajustes no porta-escovas em caso de uma substituição. Nas
figuras 8 e 9 a seguir tem-se o desenho da escova com as dimensões e a foto ilustrando a
amostra 2, respectivamente.
r = 65 mm
t = 8 mm
‘
a = 32 mm
Figura 8: Dimensional da escova.
Figura 9: Foto da escova do tipo “AMOSTRA 2”
3.1.1 – Ensaio de dureza “Brinell”
Para uma análise comparativa da estrutura dos materiais das escovas do tipo
“AMOSTRA 1” e “AMOSTRA 2”, realizaram-se alguns testes, entre eles, o ensaio de dureza
“Brinell”.
Foi utilizado para a realização do ensaio de dureza, o equipamento: Durômetro
Universal Otto Wolpert com medidor de perfil para determinação de durezas Brinell e
38
Vickers. Em 1900, J. A. Brinell divulgou este ensaio, que passou a ser largamente aceito e
padronizado, devido a relação existente entre os valores obtidos no ensaio e os resultados de
resistência à tração. O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera
de aço temperado, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, por
meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d A
dureza Brinell é representada pelas letras HB. Esta representação vem do inglês “Hardness
Brinell”, que quer dizer “dureza Brinell”. A dureza Brinell (HB) é a relação entre a carga
aplicada (F) e a área da calota esférica impressa no material ensaiado (Ac). Em linguagem
matemática: a área da calota esférica é dada pela fórmula:
Ac = π*Dp
(8)
onde p é a profundidade da calota.
Substituindo Ac pela fórmula para cálculo da área da calota:
(9)
Devido à dificuldade técnica de medição da profundidade (p), que é um valor muito pequeno,
utiliza-se uma relação matemática entre a profundidade (p) e o diâmetro da calota (d) para
chegar a fórmula matemática que permite o cálculo da dureza HB, representada a seguir:
(10)
Os ensaios de dureza “Brinell” e dureza “Shore” são equivalentes, e a tabela abaixo
(Tabela 5), norma SAE J-417b.
39
Tabela 5: Equivalência de durezas (norma SAE J-417b)
3.1.2 – Análise microestrutural
As amostras das escovas na condição nova e após utilização foram caracterizadas por
microscopia eletrônica de varredura. Análise de imagens foram realizadas para quantificar a
porosidade presente em cada amostra e em seguida se relacionar com o desempenho em
serviço das escovas.
40
3.2 Densidade de corrente
Em função das informações já apresentadas, é necessário um levantamento das
características das máquinas de corrente contínua que interferem direta ou indiretamente no
desempenho das escovas de carbono para se poder calcular a densidade de corrente real sobre
as escovas. O conjunto de motores nos quais o objeto deste estudo está inserido é
representado por: 9 motores em operação e 1 motor reserva. Seus dados de placa (fornecidos
pelo fabricante do equipamento) relevantes estão descritos na tabela (Tabela 6):
Tabela 6: Dados técnicos dos motores onde as escovas em teste são usadas.
Característica
Fabricante
Potência
Tensão Nominal
Tensão Máxima
Corrente Nominal
Corrente Máxima
Velocidade Nominal
Velocidade Máxima
Número de Pólos
Número de escovas / braço
Dimensão axial escova "a"
Dimensão tangencial escova "t"
Unidade
kW
V
V
A
A
RPM
RPM
mm / inches
mm / inches
Valor
BBC
800
750
750
1130
1260
0-400-1100
1100
6
8 pares
32,0
8/8
Apesar da importância dos dados fornecidos pelo fabricante, é essencial a análise dos
dados dos equipamentos durante sua operação em campo. Para isso, utilizou-se um software
específico de monitoramento de variáveis de operação (IbaAnalyzer v.1.0). Este programa
computacional é capaz de realizar o monitoramento e armazenamento das principais variáveis
de um motor, como corrente real e velocidade. A seguir, dois exemplos da coleta de dados
realizado no software específico de monitoramento (fig. 10 e 11).
41
As três curvas são relativas as
velocidades reais dos motores
das gaiolas 10, 11 e 12
Figura 10 : Visualização do gráfico de velocidade (RPM) dos motores das gaiolas do
Laminador – Software IbaAnalyzer – Versão 1.0
Figura 11: Visualização do gráfico de corrente (A) dos motores das gaiolas do Laminador - –
Software IbaAnalyzer – Versão 1.0
Através do posicionamento de dois cursores sobre o gráfico, o software mostra uma
tabela com a posição do cursor no eixo X, os valores de amplitude máxima e mínimos
42
encontrados bem como a média e o desvio padrão do intervalo. No primeiro, o programa
apresenta os valores de velocidade dos motores das gaiolas 10, 11 e 12 na unidade RPM
(rotações por minuto). Já no segundo, ele apresenta os valores de corrente dos mesmos
motores no mesmo instante na unidade % (percentual). Este percentual é calculado com base
na corrente nominal das máquinas, neste caso, já apresentado na Tabela 5.
3.3 Formação de pátina e desgaste do comutador
A verificação da formação de pátina e do desgaste do comutador é uma das avaliações
mais importantes para se determinar um bom ou mau desempenho da escova em um motor
elétrico. Esta avaliação foi feita com o equipamento parado em paradas programadas de
manutenção, sendo estas registradas em fotos pelos técnicos. Esta verificação é feita de forma
visual e os parâmetros de aceitabilidade são fornecidos de acordo com as figuras abaixo
fornecidas pelos próprios fabricantes:
43
BOM
BOM
BOM
Figura 1: Parâmetro de aceitabilidade para formação de pátina
BOM
Figura 2: Parâmetro de aceitabilidade para desgaste do comutador
44
Para uma boa análise do desempenho, é essencial também, a observação da ocorrência
de fenômenos como quebra/trinca de escovas, centelhamento (entre escova-comutador) ou
faiscamentos no comutador que podem se traduzir em sintomas de mau desempenho do
equipamento. Esta observação foi realizada em inspeções periódicas de manutenção realizada
por técnicos especializados, utilizando-se um software de gestão de manutenção preditiva
(Techanalysis versão 3.2.0.xB) onde são registrados as anomalias e programados os reparos
corretivos.
3.4 Desgaste das escovas
Criou-se uma planilha específica para a medição do desgaste individual de cada uma
das 40 escovas utilizadas no motor. Foi realizado a medição de desgaste (considerando o
mesmo período em operação) para as duas escovas (AMOSTRA 1 E AMOSTRA 2) para
efeito de comparação. Esta medição foi efetuada utilizando-se um paquímetro digital com
data de calibração um mês anterior
45
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Caracterização das escovas
As escovas de grafite utilizadas no presente trabalho tiveram sua microestrutura
caracterizada através de microscopia eletrônica de varredura. A porosidade e a morfologia das
fases observadas foram caracterizadas. O aparelho utilizado possui as seguintes
características: Captura de Imagens IMAGE, Software Image-Pro Express Evolution, Camara
colorida digital Evolution - 1.3 megapixel - Midia Cybernetics - resolução 1280x1024 - 14
quadros/s ou 640x480 - 30 quadros/s com placa e cabo, adaptador UTV 0,5x, lente macro
25mm F/1,4. Na Figura 14 tem-se a microestrutura da escova denominada de amostra 1,
verifica-se na Figura 14, por meio da imagem obtida com o detector de baixo vácuo, a
existência de fases com colorações diferentes na microestrutura da escova. Os pontos de
maior destaque estão marcados na micrografia pelos pontos A, B e C e foram analisados
quimicamente por EDS. Na figura 14 tem-se a imagem da mesma escova obtida com o
detector de elétrons secundários, onde percebe-se mais claramente a morfologia da superfície
da escova, assim como a porosidade.
46
Figura 14 (a) : Micrografia da escova “amostra1” - Imagem obtida por BSE
Figura 14 (b) : Micrografia da escova “amostra1” - Imagem obtida por BSE
47
Verifica-se que os poros estão uniformemente distribuídos no material e que não tem
uma geometria esférica. Observa-se também a presença de uma fase com a forma de
bastonetes, que em princípio pode ser contaminação durante a preparação da amostra para
análise. A composição química semi-quantitativa destas fases (figura 15) mostra que o ponto
A (Figura 15) é uma fase rica em alumínio, provavelmente na forma de óxido e está
distribuída ao longo de toda a microestrutura analisada. O ponto B é rico em alumínio e silício
(Figura 15), devendo ser um alumínio-silicato, que em conjunto com a alumina foi adicionado
intencionalmente na escova para aumentar a sua dureza. O ponto C, que é fase na forma de
bastonete tem praticamente a mesma composição observada para o ponto B.
48
Ponto A
Figura 15 (a): Análise química por EDS dos pontos indicados na Figura 14
Ponto B
Figura 15 (b): Análise química por EDS dos pontos indicados na Figura 14
49
Na Figura 16 tem-se a microestrutura da denominada amostra 2, na qual também
percebe-se a existência de diversas fases. As fases distintas estão marcadas na micrografia
com as letras A, B, C e D, pontos nos quais foi feita análise química semi-quantitativa por
EDS. Na Figura 16 é apresentada a imagem obtida pelo detector de elétrons secundários,
ressaltando a morfologia das fases. Verifica-se na figura 16 a presença de partículas soltas na
superfície da amostra, que provavelmente foram arrancadas da escova durante a etapa de
preparação metalográfica.
50
Figura 16 (a): Microestrutura da amostra 2 - Imagem obtida por BSE
Figura 16 (b): Microestrutura da amostra 2 - Imagem obtida por BSE
51
A análise química semi-quantitativa por EDS no ponto A marcado na figura 16 revela
tratar-se se uma fase com alto teor de silício, que provavelmente encontra-se na forma de
óxido. No ponto B encontrou-se a presença de Si, Al, La e Ni que são elementos que podem
ser adicionados as escovas eletrografiticas para desempenhar função específica. Salienta-se,
que apesar de morfologicamente as amostras 1 e 2 serem similares, a composição química das
fases é diferente, o que explica seu distinto comportamento mecânico. No ponto C tem-se
alumínio-silicato e no ponto D composição similar a observada no ponto B. Na figura 17 (A,
B e C) tem-se o espectro obtido por EDS das análises semi-quantitativas realizadas nos pontos
A, B e C indicados na Figura 16.
52
Ponto A
Ponto B
Ponto C
Figura 17: Análise química por EDS
53
A porosidade das amostras 1 e 2 foi avaliada quantitativamente por análise de
imagens, utilizando-se micrografias geradas por microscopia ótica e um programa de análise
digital, especificado no procedimento experimental. Na figura 18 é apresentado a distribuição
de tamanho de poros da amostra 1. Para uma ampliação de 300x observou-se um teor médio
de poros de 0,35%, que pode ser considerado baixo. O valor médio de poros para a amostra 2
também foi de 0,35%, indicando que não existe diferença significativa quantidade de poros
entre as duas amostras analisadas (figura 19), entretanto, existe diferença na distribuição da
tamanho de poros.
Figura 18: Análise imagem para quantificação de porosidade na amostra 1.
54
Figura 19: Porosidade para amostra 2.
Medidas de dureza nas escovas fornecidas pelos 2 fabricantes foram realizadas, sendo
constatado uma diferença considerável nesta propriedade. Na Figura 20 tem-se o detalhe da
indentação realizada na amostra 1 e na Figura 21 para a amostra 2.
55
Figura 20: Dureza na amostra 1.
56
Figura 21: Ensaio de dureza na escova tipo “AMOSTRA 2”.
57
Com base nos dados coletados, pode-se calcular o coeficiente HB (Dureza Brinell) de
cada amostra, conforme equação 1. Na tabela 7 são apresentados os valores de Dureza para as
duas escovas. Constata-se que a dureza da escova denominada de amostra 1 é de 30 HB
enquanto que a da amostra 2 é de 14 HB.
Tabela 7: Dureza Brinell
FORMULÁRIO PARA MEDIÇÃO DE DUREZA BRINELL
N
AMOSTRA/CORRIDA
Nº/VEIO
LOCAL
(CENTRO/BORDA)
DIAMETRO
1 (mm)
DIAMETRO
2 (mm)
1
2
3
4
AMOSTRA 1
AMOSTRA 1
AMOSTRA 2
AMOSTRA 2
1
2
1
2
CENTRO
CENTRO
CENTRO
CENTRO
1,28
1,24
1,76
1,86
1,24
1,28
1,76
1,76
DIÂMETRO
DA ESFERA CARGA HB
(mm)
30,0
2,5
40
30,0
2,5
40
14,1
2,5
40
13,1
2,5
40
Na tabela 8, são apresentados as características microestruturais das amostras 1 e 2,
assim como os valores de dureza, de forma a permitir uma melhor avaliação do seu
comportamento. Aparentemente uma escova deve possuir as menores quantidades possíveis
de poros, partículas irregulares ou na forma de bastões, ou seja, deve ser microestruturalmente
homogênea. Frente aos resultados prévio de dureza, induz-se a acreditar que menores durezas,
devam ser causadas pelas menores quantidades de partículas existentes na escova de melhor
desempenho. Sabe-se no estudo de materiais que as menores valores de dureza estão
relacionadas a menores resistências a desgaste. Logo, o aumento da vida útil deve estar
diretamente relacionado a homogeneidade da microestrutura que por sua vez está relacionada
as propriedades elétricas. As proporções medidas pelo tratamento de imagens são
aparentemente iguais para ambas as escovas.
58
Tabela 8: Análise comparativa microestrutura e dureza
TIPO DE
ESCOVA
Amostra 1
Amostra 2
MICROESTRUTURA
POROSIDADES
PARTÍCULAS
BRANCAS E
CINZAS
Relativamente em
Relativamente
menor quantidade
GRANDES e
porém em diâmetro
em MAIOR
médio aparente
quantidade
MAIOR.
aparente.
Em maior quantidade, Em MENOR
mas aparentemente em diâmetro médio
e em MENOR
MENOR diâmetro
médio.
quantidade.
DUREZA
DESEMPENHO
HB 30,0
BAIXO
BASTÕES
GRANDE
variação de
comprimentos,
espessuras e
quantidades.
MENOR
variação de
comprimentos,
espessuras e
quantidades.
Relativamente
MAIOR
HB 13,6
ALTO
MENOR
4.2 Densidade de corrente
Após um mês de coleta de dados sobre a corrente e velocidade reais dos motores em
operação, pôde-se estabelecer um levantamento das cargas dos motores em operação. A
seguir, a tabela de carga para os motores do laminador com base no período de observação:
Tabela 9: Dados de carga dos motores retirados após período de observação
Máquina Potência [kW]
Corrente
Corrente
Velocidade (Real) Velocidade (Armadural)
(Pico) [A]
(Regime) [A]
[RPM]
[RPM]
Motor 1
400
400
250
490
450
Motor 2
400
200
150
495
450
Motor 3
400
300
200
460
400
Motor 4
500
600
490
450
450
Motor 5
500
550
490
530
400
Motor 6
500
600
450
522
450
Motor 7
500
700
400
540
450
Motor 8
800
550
300
635
700
Motor 9
500
700
490
512
450
Motor 10
800
500
320
515
700
Motor 11
800
400
250
560
740
Motor 12
800
600
450
840
700
Motor 13
800
450
320
845
700
Motor 14
800
500
300
680
750
Motor 15
800
200
140
725
750
Motor 16
800
600
450
852
700
Motor 17
800
700
450
670
800
59
Pode-se observar que a corrente real de operação não chega a 50% da corrente nominal do
equipamento. Ou seja, todos os motores de 800kW do laminador operam com baixa densidade
de carga. A densidade de corrente que circula na superfície da escova, que é expressa no
cálculo abaixo, também não sofre mudança pois a propriedade (densidade de corrente) não
varia para as duas classes de escovas. No caso do motor 10 (sujeito a alteração do tipo de
escova empregada), pode-se calcular (de acordo com eq.6, item 2.2.11 deste documento) que:
D = C / (A*N)
Onde:
D = Densidade de corrente que circula na superfície de cada escova (em A/cm2);
C = Corrente do motor CC em regime de operação (em A);
A = Área da superfície da escova (em cm2);
N = Número de escovas empregadas (no caso, 40 escovas distribuídas em 5 anéis);
Dos dados retirados das Tabelas 5 e 6, deduz-se que:
D = 320 A / (0,8cm x 3,2cm x 40)
D = 3,125 A / cm2
A densidade máxima de corrente de ambas as escovas empregadas (AMOSTRA 1 E
AMOSTRA 2) é 12 A/cm2, segundo seus fabricantes. Ou seja, em nenhum dos casos, o valor
de corrente que circula na superfície da escova em operação normal, excede o valor máximo
descrito na especificação pelo fabricante. Porém em ambos os casos, a densidade de corrente
em regime normal de operação, é bem inferior a densidade de corrente da especificação,
motivo este da eliminação das escovas em um anel todo conforme pode-se notar pelas figuras
10 e 11. Após uma melhor formação de pátina com o motor em operação com a escova
”AMOSTRA 2”, poderá se retirar mais um anel de operação, reduzindo a quantidade de
escovas para 32 e conseqüentemente, deixando o valor de circulação de corrente mais
próximo do valor especificado de densidade de corrente do material. O ideal é que o valor de
densidade de corrente em regime normal de operação seja menor que o valor máximo de
densidade de corrente da escova fornecido pelo fabricante, porém quanto mais próximo este
valor, melhor o desempenho, pois a abrasividade da escova é reduzida. A redução da
abrasividade contribui para um melhor desempenho quanto ao desgaste da escova bem como
uma menor geração de pó sobre o comutador.
60
4.3 Formação de pátina e desgaste do comutador
Comparando-se as observações em campo da operação utizando escovas “AMOSTRA 1”
e após a utilização das escovas do tipo da “AMOSTRA 2” pode-se notar três fatos
importantes:
Degradação do comutador: Conforme demonstrado nas figuras abaixo (fig. 22 e 23), o
comutador do motor quando operando com a escova ”AMOSTRA 1”, sofreu uma degradação
na sua superfície, enquanto a operação com a escova ”AMOSTRA 2” proporcionou uma
formação de pátina mais uniforme e adequada ao bom funcionamento do motor:
Figura 22: Foto da pátina do comutador com a escova ”AMOSTRA 1” em operação
Figura 23: Foto da pátina do comutador com a escova ”AMOSTRA 2” em operação
61
Uma boa formação de pátina, garante um bom desempenho das escovas quanto ao seu
desgaste bem como uma boa comutação no motor (vide item 2.2.14 deste documento).
Sobretudo é importante ressaltar que a boa ou má formação da pátina depende de cinco
fatores essencialmente (conforme item 2.2.14): umidade presente no interior do comutador,
granulação da escova empregada, densidade de corrente nas escovas e contatos perigosos.
Destes fatores, o único que sofre alteração devido à mudança da escova empregada é a classe
da escova (características diferentes) visto que a umidade presente é a mesma, bem como os
contatos perigosos.
Conforme identificado nas manutenções preventivas e inspeções periódicas dos
técnicos eletrotécnicos, os motores de 800kW que operavam com as escovas ”AMOSTRA 1”,
além da alteração na superfície do comutador, começaram a apresentar dois efeitos:
centelhamento na superfície de contato (escovas e comutador) e quebra de escovas.
Abaixo (fig. 24) está ilustrada a rota de inspeção que mostra relatos de centelhamento
no referido motor (Motor 10):
Figura 24: Sistema de registro de inspeção de manut. do motor 10
62
Os sintomas de quebra de escovas e centelhamento devem-se principalmente ao excesso
de vibração das escovas no contato deslizante com o comutador. Com uma granulação
inadequada e degradação do comutador, o mesmo passa a apresentar desgaste heterogêneo,
comprovado pela formação de canais na superfície do comutador. O comutador não
apresentando uma superfície lisa, faz com que a diferença de distância entre a superfície do
comutador e a superfície da escova, seja diferente ao longo do comprimento da mesma. Esta
diferença acarreta na ocorrência do fenômeno de vibração da escova e o do centelhamento na
superfície de contato. Este fenômeno de quebra de escovas, além da necessidade de
manutenções corretivas constantes, excesso de troca de escovas, gera um aumento do risco de
um “flash-over” no comutador. Após o início da operação com a escova ”AMOSTRA 2” não
observou-se mais a ocorrência dos fenômenos de quebra de escovas e centelhamento na
superfície de contato.
4.4 Fenômenos
Após o período de medição do desgaste das escovas, os dados foram inseridos em uma
planilha para efeito de análise e discussão. Abaixo, os dados de desgaste (altura) das duas
classes de escovas.
Tabela 10: Medição de desgaste mensal das duas classes de escovas
DESGASTE “AMOSTRA 1” NO PERÍODO DE 04-03 A 04-04
A
B
C
D
E
F
G
H
Média
Média
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
1
2,40
1,10
2,50
2,50
2,80
2,30
2,70
2,90
2,40
1,70
2,10
2,70
2,70
2,00
2,50
2,20
2,51
2,18
2
2,20
2,60
3,00
2,60
2,80
2,50
2,70
2,70
2,80
2,70
2,10
2,40
3,00
2,70
2,50
3,00
2,64
2,65
3
3,20
2,30
3,70
2,50
2,50
2,30
3,10
2,80
2,60
2,70
2,30
2,90
2,90
2,70
2,70
3,10
2,88
2,66
4
2,70
2,10
3,50
3,00
3,30
2,70
2,90
3,30
3,10
2,00
2,90
3,30
3,10
2,80
2,60
3,30
3,01
2,81
6
0,40
0,40
1,60
1,10
1,40
1,60
2,70
1,80
1,20
0,70
1,60
1,40
1,20
1,10
1,00
1,30
1,39
1,18
DESGASTE “AMOSTRA 2” NO PERÍODO DE 04-04 A 04-05
Média
2,18
1,70
2,86
2,34
2,56
2,28
2,82
2,70
2,42
1,96
2,20
2,54
2,58
2,26
2,26
2,58
2,49
2,30
A
B
C
D
E
F
G
H
Média
Média
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
1
3,05
2,15
3,05
2,75
2,95
2,70
2,85
3,10
1,85
2,50
2,70
2,60
3,00
2,90
2,75
2,75
2,78
2,68
2
3,45
3,25
2,40
3,15
3,05
3,60
3,10
3,20
2,70
3,15
2,75
3,30
2,00
3,90
3,15
4,15
2,83
3,46
3
3,75
3,10
4,35
3,40
3,10
3,70
3,25
3,55
3,00
3,05
3,05
3,35
3,60
4,05
3,50
3,75
3,45
3,49
4
3,95
3,70
4,15
3,20
4,00
3,75
3,55
4,00
3,35
3,25
3,80
3,40
3,60
3,55
3,15
4,40
3,69
3,66
6
1,95
2,00
2,00
1,50
1,95
1,85
2,20
1,95
1,90
1,40
1,70
1,70
1,40
1,85
1,40
1,35
1,81
1,70
Média
3,23
2,84
3,19
2,80
3,01
3,12
2,99
3,16
2,56
2,67
2,80
2,87
2,72
3,25
2,79
3,28
2,91
3,00
63
DESGASTE “AMOSTRA 1” NO PERÍODO DE 04-01 A 04-02
A
B
C
D
E
F
G
H
Média
Média
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
1
2,60
1,30
2,60
2,50
3,00
2,60
3,00
3,20
2,60
1,90
2,60
2,90
2,70
2,50
2,50
2,60
2,70
2,44
2
2,40
2,90
3,10
2,60
2,90
2,80
3,00
3,20
2,90
2,90
2,10
2,50
2,90
2,70
2,60
3,10
2,74
2,84
3
3,40
2,90
3,80
3,00
2,40
2,30
3,30
2,90
2,90
2,80
2,50
2,90
3,40
3,20
2,80
3,00
3,06
2,88
4
2,70
2,00
3,60
3,10
3,20
2,70
2,80
3,20
3,00
2,40
3,00
3,50
3,20
3,60
2,80
3,60
3,04
3,01
6
0,45
0,50
2,50
2,40
1,60
1,80
2,50
2,50
3,00
1,50
2,50
2,60
2,50
2,10
2,90
2,00
2,24
1,93
DESGASTE “AMOSTRA 2” NO PERÍODO DE 04-03 A 04-04
Média
2,31
1,92
3,12
2,72
2,62
2,44
2,92
3,00
2,88
2,30
2,54
2,88
2,94
2,82
2,72
2,86
2,76
2,62
A
B
C
D
E
F
G
H
Média
Média
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
Entrada
Saída
1
3,20
2,60
3,60
2,80
2,90
2,80
3,60
3,60
1,85
2,65
2,95
2,95
3,10
3,00
3,00
3,10
3,03
2,94
2
3,50
3,50
2,60
3,15
3,10
3,60
3,60
3,40
2,85
3,15
2,80
3,45
2,10
3,95
3,60
4,60
3,02
3,60
3
3,60
3,30
5,10
3,60
3,60
3,90
3,40
3,50
3,10
3,56
3,55
3,55
3,85
4,15
4,60
4,10
3,85
3,71
4
3,80
3,90
4,50
2,90
4,20
3,90
3,60
3,45
3,65
3,65
3,85
3,65
3,85
3,70
4,00
4,60
3,93
3,72
6
2,00
2,10
3,00
2,00
2,50
2,60
2,40
2,45
2,90
2,60
2,05
2,10
2,20
2,00
2,60
2,00
2,46
2,23
Média
3,22
3,08
3,76
2,89
3,26
3,36
3,32
3,28
2,87
3,12
3,04
3,14
3,02
3,36
3,56
3,68
3,26
3,24
Dos dados da tabela acima (Tabela 7), retira-se que:
Tabela 11: Comparativo estatístico dos desgastes das classes de escovas
DADOS ESTATÍSTICOS
Média desgaste mensal na entrada (mm)
Média desgaste mensal na saída (mm)
Desvio Padrão médio
Coeficiente de variação
AMOSTRA 1
AMOSTRA 2
3,01
2,93
0,65
21,9%
2,70
2,65
0,76
28,3%
Gráficos comparativos de comportamento de desgaste das escovas do tipo “AMOSTRA
2”
Desgaste das Escovas por Posição
Desgaste mensal (mm)
4,00
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
1
2
3
4
6
Média
Período 1
2,18
2,65
2,66
2,81
1,18
2,30
Período 2
2,68
3,46
3,49
3,66
1,70
3,00
Posição da escova
Figura 25: Gráfico de desgaste das escovas ”AMOSTRA 2” por anel
Pela figura acima (fig. 25), pode-se observar que o desgaste nos anéis centrais
utilizando-se a escova ”AMOSTRA 2”, foi mais acentuado do que nos anéis das extremidades
do comutador. Outra característica que pode ser observada, é o maior desgaste no segundo
período comparado ao primeiro.
64
Desgaste das escovas - Por Tirante Geral
3,50
Desgaste (mm)
3,00
2,50
2,00
Período 1
Período 2
1,50
1,00
0,50
0,00
Período 1
Período 2
A
B
C
D
E
F
G
H
1,94
3,04
2,60
3,00
2,42
3,07
2,76
3,08
2,19
2,62
2,37
2,84
2,42
2,99
2,42
3,04
Tirante
Figura 26: Gráfico de desgaste das escovas ”AMOSTRA 2” por tirante
Na figura acima (fig. 26), percebe-se também que o desgaste médio separado por
tirante (considerando média entre entrada e saída), sofre pequena variação, ou seja,
demonstrando um consumo homogêneo.
65
5 CONCLUSÕES
Sabe-se que o desempenho de escovas de carvão, em motores elétricos, pode ser
avaliado, em sua aplicação, por três fatores: desgaste das escovas, formação de pátina e
desgaste do comutador. Já as condições que influenciam para um bom ou mau desempenho
das escovas estão diretamente ligados ao: material da escova empregada, condições de
operação e condições de manutenção.
Nos experimentos realizados no item 3, avaliou-se os dois tipos diferentes de escovas
(“AMOSTRA 1” e “AMOSTRA 2”) quanto ao: material de composição, desgaste das
escovas, formação de pátina e desgaste do comutador, ocorrência de fenômenos. Em todos os
itens acima descritos e analisados, conforme discussões apresentadas no item 4, observou-se
ganho de performance quando da utilização da escova do tipo “AMOSTRA 2” em relação a
escova do tipo “AMOSTRA 1”.
Em relação ao desgaste das escovas a observação realizada permite chegar a duas
conclusões importantes:
•
O desvio padrão médio e o coeficiente de variação em ambos os casos estão dentro
dos níveis aceitáveis para uma operação dessa natureza, o que demonstra um desgaste
praticamente homogêneo em todos as escovas localizadas nos diferentes anéis e pólos
do motor;
•
O desgaste da escova “AMOSTRA 2” é menor pois:
A vida útil de uma escova se resume a 2/3 (dois terços) de sua altura nominal. Portanto:
Altura nominal de especificação da escova (”AMOSTRA 1” ou ”AMOSTRA 2”) = 65
mm ;
Vida útil da escova(meses) = ((Altura nominal(mm) / Desgaste mensal (mm/mês)) / 3) * 2
Vida útil da escova ”AMOSTRA 1” = ((65 mm/3,01)/3)*2) = 14 meses
Vida útil da escova “AMOSTRA 2” = ((65 mm / 2,70)/3)*2) = 16 meses
Isto significa que a vida útil da escova ”AMOSTRA 2” comparada à escova ”AMOSTRA
1” é aproximadamente 14% maior.
No desenvolvimento deste trabalho, as condições operacionais e de manutenção não
sofreram qualquer tipo de alteração durante o período de observação da “AMOSTRA 1” em
operação, quanto da “AMOSTRA 2”. Portanto, a única variável que sofreu alteração durante
os dois períodos, foi a classe da escova empregada.
Com as observações laboratoriais realizadas e os próprios dados de fabricante
fornecidos, pode-se observar que uma diferente classe de escova possui uma diferente
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microestrutura e propriedades físicas distintas. Estas diferentes propriedades por sua vez,
levaram a um ganho de desempenho considerável considerando que houve redução no
desgaste das escovas, melhora na formação de pátina e no desgaste do comutador, além da
eliminação da ocorrência de fenômenos indesejáveis como centelhamento e quebra de
escovas.
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