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IZEDS FELIPE FACCHINI BASSETTO
ESTUDO DE CONFIABILIDADE DE
COMPRESSORES ALTERNATIVOS SEMI-
HERMÉTICOS DE SISTEMAS DE
REFRIGERAÇÃO
Dissertação apresentada à Escola
Politécnica da Universidade de São
Paulo como requisito para obtenção
do Título de Mestre em Engenharia.
SÃO PAULO
2007
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IZEDS FELIPE FACCHINI BASSETTO
ESTUDO DE CONFIABILIDADE DE
COMPRESSORES ALTERNATIVOS SEMI-
HERMÉTICOS DE SISTEMAS DE
REFRIGERAÇÃO
Dissertação apresentada à Escola
Politécnica da Universidade de São
Paulo como requisito para obtenção
do Título de Mestre em Engenharia.
Área de concentração:
Engenharia Mecânica
Orientador:
Prof. Dr. Alberto Hernandez Neto
Co-orientador:
Prof. Dr. Gilberto Francisco Martha
de Souza
SÃO PAULO
2007
II
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Dedicatória
Aos meus pais, Izeds e Ana Maria, á minha irmã Ana Francisca, sempre
presentes e incentivadores dos meus estudos.
III
Agradecimentos
Nos últimos três anos, conheci muitas pessoas incríveis, que se tornaram meus amigos e
que juntos com os de mais longa data me ajudaram, nos mais diversos momentos.
Faço especiais agradecimentos ao meu orientador professor Alberto Hernandez Neto.
Meu sincero obrigado ao Professor Gilberto Francisco Martha de Souza.
Obrigado ao amigo de sempre Douglas Lauria.
Agradeço por fim, aos tantos outros que me apoiaram, cujos nomes não citarei para não
ser injusto.
IV
RESUMO
Sistemas de refrigeração são sistemas reparáveis. Isto significa que os componentes
destes sistemas podem sofrer manutenção várias vezes durante a vida útil do sistema
como um todo. Em sistemas de refrigeração o mais conhecido é o que opera com ciclo
por compressão de vapor. Neste ciclo, o compressor é o equipamento mais complexo e
de maior custo. Dessa forma, deve-se tomar especial cuidado, pois além de problemas
como desgaste e falta de lubrificantes, ele está sujeito a sofrer danos decorrentes do
funcionamento incorreto ou falho de todos os outros componentes. Dentro dos
compressores existentes, o compressor alternativo pode ser comercialmente considerado
o cavalo de batalha da refrigeração industrial, dominando a faixa de capacidades
inferiores a 300 kW (85 TRs). O compressor alternativo também pode ser utilizado,
com vantagens, quando o controle de capacidade se faz necessário, através do
procedimento de desativação dos cilindros. Este compressor possui a possibilidade de
manutenção no campo de, praticamente, qualquer item construtivo. O termo
confiabilidade vem do inglês “reliability” que é a probabilidade de um item poder
desempenhar sua função requerida, por um intervalo de tempo estabelecido, sob
condições definidas de uso. Testes de confiabilidade possibilitam, através de estimativa,
com base em estudos de confiabilidade, caracterizar os comportamentos de
confiabilidade, da probabilidade de falha e da taxa de falha em relação ao tempo de um
componente ou sistema. Uma das ferramentas para permitir avaliar ações que aumentem
a confiabilidade é a Análise de Modos e Efeitos de Falha ou FMEA (“Failure Mode and
Effect Analysis”). Basicamente, esta ferramenta parte da definição das funções dos
sistemas e subsistemas analisados, verificando em seguida as falhas que afetam cada
função e todos os modos de falha que levam a cada falha. Para cada modo de falha,
analisam-se os efeitos e define-se a necessidade de ações para reduzir a possibilidade de
ocorrência deste evento, eliminá-lo ou, simplesmente controlar os efeitos indesejáveis.
O objetivo deste trabalho é o estudo das principais falhas, modos de falha de
compressores semi-herméticos alternativos de sistemas de refrigeração, suas ocorrências
e o comportamento destes equipamentos no seu período de garantia, sob a ótica da
confiabilidade.
V
ABSTRAT
Refrigeration systems are reparable systems. This means that one can perform
maintenance actions on them several times during the system life cycle. The most
common refrigeration system is the vapor compression cycle. In this cycle, the
compressor is the most complex and expensive component. So, the user should take
special care because , beside problems like wear and lubricant lack, the compressor can
also suffer damages caused by the incorrect work or fault from the others system
components. Among the compressor types, the reciprocating compressor can be
considered as the most used in the industrial refrigeration, from lowers capacities to up
to 300 kW. Also the reciprocating compressor has some advantages, where its cylinders
can be disabled for capacity control purposes. One can perform field maintenance of
almost every part for this compressor. The word reliability means the probability of
some equipment can not perform its requested function for an established time period,
under defined operation conditions.. One of the tools to allow actions to improve the
reliability is the failure mode and effect analysis (FMEA). This tool is based on the
analyzed function and sub function systems definitions seeking faults that affect each
function and all fault modes that lead to every fault. For each fault mode, the effects are
analyzed and the need of actions to decrease the occurrence of this event is defined,
excluding or control this undesirable events. This work objective is to study the most
important faults, fault modes of reciprocating semi-hermetic compressors, its
occurrences and its behavior during the guarantee period under reliability point of view.
VI
Sumário
Lista de figuras............................................................................XI
Lista de tabelas...........................................................................XV
Lista de símbolos........................................................................XV
Caracteres Gregos..................................................................................XVII
1. – INTRODUÇÃO.......................................................................1
1.1 – Contexto...............................................................................................1
1.1.1 – Condicionamento de ar.........................................................................................2
1.1.2 – Refrigeração industrial.........................................................................................3
1.1.3 – Compressores de fluido refrigerante....................................................................4
1.1.4 – Manutenção...........................................................................................................6
1.1.4.1 – Tipos de manutenção.........................................................................................8
1.1.5 – Confiabilidade.....................................................................................................10
1.1.5.1 – Ensaios Censurados.........................................................................................11
1.1.5.2 – Disponibilidade e FMEA..................................................................................11
1.2 – Motivação...........................................................................................13
1.3 – Objetivo..............................................................................................15
1.4 – Metodologia.......................................................................................16
2. Revisão bibliográfica...............................................................17
VII
2.1 – Confiabilidade de compressores de sistemas de
Refrigeração...............................................................................................17
2.2 – Ocorrência de falhas de compressores alternativos de sistemas de
refrigeração.................................................................................................21
2.2.1 – Definição de falha...............................................................................................21
2.3 – Observações.......................................................................................28
3. - CONCEITOS BÁSICOS DE CONFIABILIDADE ............30
3.1 – Histórico.............................................................................................31
3.2 - Funções de confiabilidade e taxa de falha........................................33
3.2.1 - Curva da Banheira..............................................................................................35
3.2.2 - Distribuições de probabilidade............................................................................36
3.2.2.1 - Distribuição Normal.........................................................................................38
3.2.2.2 - Distribuição exponencial..................................................................................40
3.2.2.3 - Distribuição Lognormal...................................................................................43
3.2.2.4 - Distribuição de Weibull....................................................................................44
3.2.2.5 - Teste de adequação...........................................................................................47
3.3 - Testes de confiabilidade.....................................................................50
3.3.1 - Métodos para estimativa de parâmetros de distribuições
probabilísticas..................................................................................................................52
3.3.2 - Ensaios censurados.............................................................................................53
3.4 - Análise de confiabilidade de sistemas...............................................55
3.4.1 - Análise de modos e efeitos de falha (FMEA).....................................................58
3.4.2 – Diagrama de Pareto............................................................................................63
VIII
4. – ESTUDO DE CASO.............................................................65
4.1 – Modos de falha de compressores alternativos considerados neste
trabalho.......................................................................................................65
4.2 - Ocorrência dos modos de falha.........................................................78
4.3 - Aplicação do FMEA para compressores alternativos......................84
4.4 - Estimativa de confiabilidade de compressores semi-herméticos
alternativos de sistemas de refrigeração....................................................87
4.4.1 - Considerações iniciais.........................................................................................90
4.4.2 – Avaliação inicial das falhas................................................................................92
4.4.2.1 - Problemas encontrados....................................................................................99
4.4.3 – Reavaliação dos modos de falha.......................................................................101
4.4.3.1 - Modelo A.........................................................................................................109
4.4.3.2 - Modelo B.........................................................................................................110
4.4.3.3 - Modelo C.........................................................................................................112
4.4.3.4 - Modelo D.........................................................................................................113
4.4.3.5 - Modelo E.........................................................................................................114
4.4.3.6 - Modelo F.........................................................................................................115
4.4.3.7 - Modelo G.........................................................................................................116
4.4.4 - Curvas selecionadas......................................................................117
4.4.5 - Considerações finais.....................................................................120
5. – CONCLUSÕES...................................................................121
5.1 – Considerações sobre o trabalho......................................................121
5.2 – Conclusão: Resumo dos resultados................................................123
IX
5.3 - Sugestão para trabalhos futuros.....................................................124
6. – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................126
7. – Anexo 1. FMEA de compressores alternativos semi-
herméticos de sistemas de refrigeração.....................................132
8. – Apêndice 1. Critérios para elaboração do FMEA.............138
9. – Apêndice 2. Extrapolação do FMEA.................................140
10. – Apêndice 3. Ocorrência individual dos modos de falha dos
compressores em estudo............................................................141
X
Lista de Figuras
Figura 1 – Esquema dos componentes principais e sua disposição em um sistema de
compressão de vapor simplificado.................................................................................2
Figura 2 – Curva da banheira......................................................................................35
Figura 3 – Função densidade de probabilidade da distribuição normal..................39
Figura 4 – Função Confiabilidade da distribuição normal........................................40
Figura 5 – Função Taxa de Falha da distribuição normal........................................40
Figura 6 – Função densidade de probabilidade da distribuição exponencial..........41
Figura 7 – Função Confiabilidade da distribuição exponencial................................42
Figura 8 – Função Taxa de Falha da distribuição exponencial.................................42
Figura 9 – Função densidade de probabilidade da distribuição Lognormal...........43
Figura 10 – Função Confiabilidade da distribuição Lognormal...............................44
Figura 11 – Função Taxa de Falha da distribuição Lognormal................................44
Figura 12 – Função densidade de probabilidade da distribuição de Weibull com β de
1 a 3,5...............................................................................................................................46
Figura 13 – Função confiabilidade da distribuição de Weibull com β de 1 a
3,5....................................................................................................................................47
Figura 14 – Taxa de falha da distribuição de Weibull com β de 1 a 3,5...................47
Figura 15 – Tipos de dados de confiabilidade.............................................................56
Figura 16 – Histórico de um sistema reparável..........................................................65
Figura 17 - Pistões desgastados por Retorno de fluido refrigerante no estado
líquido.............................................................................................................................66
Figura 18 - Compressor com carter congelado...........................................................67
Figura 19 - Virabrequim com sinais de desgaste por problemas de
XI
lubrificação.....................................................................................................................68
Figura 20 - Válvulas danificadas por golpe de líquido...............................................70
Figura 21 - Danos resultantes de um golpe de líquido...............................................70
Figura 22 - Válvulas carbonizadas...............................................................................71
Figura 23 - Pistão com óleo carbonizado.....................................................................72
Figura 24 - Umidade presente no bloco do compressor.............................................73
Figura 25 - Filtros de sucção entupidos.......................................................................74
Figura 26 - Filtro de óleo entupido por óxidos............................................................75
Figura 27 - Bomba de óleo “cobreada”.......................................................................76
Figura 28 - Motor queimado.........................................................................................77
Figura 29 - Queima de um único ponto do enrolamento do motor...........................78
Figura 30 – Diagrama de Pareto para os modos de falha do compressor
alternativo.......................................................................................................................83
Figura 31 – Esquema da distribuição dos componentes de uma câmara frigorífica
real...................................................................................................................................86
Figura 32 – Curvas de confiabilidade encontradas para as distribuições Lognormal e
de Weibull.......................................................................................................................95
Figura 33 – Curvas da taxa de falha encontradas para as distribuições Lognormal e
de Weibull.......................................................................................................................95
Figura 34 – Vidas estimadas dos compressores estudados........................................99
Figura 35 – Vidas médias estimadas dos compressores estudados.........................100
Figura 36 – Características construtivas/ tipos de blocos dos compressores.........103
Figura 37 – Características construtivas/ potência e numero de cilindros dos
compressores................................................................................................................104
XII
Figura 38 – Características construtivas/ potência e numero de cilindros dos
compressores................................................................................................................105
Figura 39 – Ocorrência de falhas ao longo da vida em garantia de cada modelo de
compressor...................................................................................................................106
Figura 40 – Ocorrência dos modos de falha dos compressores...............................107
Figura 41 – Ocorrência dos efeitos de falha dos compressores...............................108
Figura 42 – Curvas de confiabilidade do compressor A..........................................109
Figura 43 – Curvas de taxa de falha do compressor A............................................110
Figura 44 – Curvas de confiabilidade do compressor B..........................................111
Figura 45 – Curvas de taxa de falha do compressor B.............................................111
Figura 46 – Curvas de confiabilidade do compressor C..........................................112
Figura 47 – Curvas de taxa de falha do compressor C............................................112
Figura 48 – Curvas de confiabilidade do compressor D..........................................113
Figura 49 – Curvas de taxa de falha do compressor D............................................113
Figura 50 – Curvas de confiabilidade do compressor E..........................................114
Figura 51 – Curvas de taxa de falha do compressor E.............................................114
Figura 52 – Curvas de confiabilidade do compressor F...........................................115
Figura 53 – Curvas de taxa de falha do compressor F.............................................115
Figura 54 – Curvas de confiabilidade do compressor G..........................................116
Figura 55 – Curvas de taxa de falha do compressor G............................................116
Figura 56 – Curvas de confiabilidade selecionadas dos compressores...................118
Figura 57 – Curvas de taxa de falha selecionadas dos compressores.....................119
Figura 58 – FMEA Retorno de fluido refrigerante no estado líquido………...….132
Figura 59 – FMEA Partida Inundada……...………………………………………133
Figura 60 – FMEA Problemas de lubrificação…...………………………………..133
XIII
Figura 61 – FMEA Golpe de líquido………………………………………………..134
Figura 62 – FMEA Superaquecimento excessivo……...…………………………..134
Figura 63 – FMEA Contaminação por umidade………...………………………...135
Figura 64 – FMEA Contaminação por impurezas do ar…...……………………..135
Figura 65 – FMEA Contaminação por óxidos………………...…………………...136
Figura 66 – FMEA Cooper plating......…………………………...…………………136
Figura 67 – FMEA Sobrecarga do motor elétrico………………...……………….137
Figura 68 – FMEA Rompimento do enrolamento do motor elétrico......................137
XIV
Lista de tabelas
Tabela 1 - Exemplo de tabela de FMEA......................................................................63
Tabela 2 – Diagrama de Pareto para os modos de falha do compressor
alternativo.......................................................................................................................81
Tabela 3 - Índices de severidade de modo de falha....................................................85
Tabela 4 – Dados de entrada do programa de confiabilidade...................................89
Tabela 5 – Compressores alternativos selecionados para o teste de
confiabilidade.................................................................................................................91
Tabela 6 – Coeficientes de correlação..........................................................................93
Tabela 7 – Valores dos parâmetros encontrados para as distribuições Lognormal e de
Weibull............................................................................................................................94
Tabela 8 – Ocorrência dos modos de falha considerados para um funcionamento de
20 horas e 20 dias por mês............................................................................................96
Tabela 9 – Vidas estimadas dos compressores estudados..........................................99
Tabela 10 – Características físicas e de aplicação dos compressores......................102
Tabela 11 – Vida estimada do compressor com uma confiabilidade de 0,90.........120
Tabela 12 – Ocorrência dos modos de falha dos compressores estudos.................141
XV
Lista de Símbolos
E
i
- Classificação do valor estimado acumulado para a distribuição assumida;
( )
i
tF
ˆ
- Estimativa da função distribuição acumulada, no intervalo de tempo t
i
;
f(t) - Função densidade de probabilidade, no intervalo de tempo t;
F(t) - Função distribuição acumulada, no intervalo de tempo t;
f(x) - Função densidade de probabilidade de x;
F(x) - Função distribuição acumulada de x;
fi
- Função densidade de probabilidade ajustada, definida em um intervalo de tempo;
ku - Coeficiente de Kurtosis;
)...,,,;(
21 n
tttL
θ
- Função verossimilhança para uma amostra aleatória;
M - Intervalo de tempo;
µ
ˆ
- Média estimada;
N - Número de itens em teste;
n
1
, n
2
,..., n
i
- Numero de itens sobreviventes;
r - Coeficiente de correlação da definição;
R(t) - Função probabilidade acumulada da ocorrência de sobreviventes, probabilidade de
sucesso ou confiabilidade, no intervalo de tempo t;
( )
i
tR
ˆ
- Função confiabilidade estimada, no intervalo de tempo t
i
;
R
2
(r
2
) - Coeficiente de correlação;
sk - Coeficiente de assimetria;
S
x
2
e S
y
2
- Variâncias da amostra em estudo;
S
xy
- Covariância;
t - Tempo;
T
1
e T
2
- Intervalo de tempo;
XVI
t
1
, t
2
, ..., t
n
- Serie de tempos de falha para N unidades em teste;
t
i
- Nomenclatura estatística do teste;
t
o
- Constante de localização que define a origem da distribuição de Weibull;
t
0
- Mediana de t na distribuição lognormal;
x - Variável aleatória;
x
- Média da variável x;
x
i
- Classificação do valor acumulado da distribuição X
2
;
y - função de x.
y
i
- Coordenada da curva e a curva de regressão;
Caracteres gregos
α
- Desvio padrão da distribuição lognormal;
β
- Constante de forma, que primariamente controla a forma da curva da distribuição de
Weibull;
∆
x - Intervalo de x;
i
∆
- Intervalo de tempo discreto;
δt - Intervalo de tempo continuo;
λ
(t) - Taxa de falha;
θ
- Parâmetro da distribuição;
θ
ˆ
- Estimador máximo da verossimilhança de
θ
;
η
- constante de escala, que estima a distribuição de Weibull ao longo do tempo;
σ
- desvio padrão;
σ
2
- variância de x;
2
ˆ
σ
- variância estimada;
µ
- média de x;
XVII
1. – INTRODUÇÃO
1.1– Contexto
No mundo moderno, com o aumento do número de pessoas que ocupam os mais
diversos locais do planeta e com a ampliação da tecnologia, a refrigeração vem recebendo
cada vez mais importância, pois atua em diversas áreas: proporcionando conforto
ambiental das pessoas, melhorando a sensação de bem estar e aumentando assim a sua
produtividade; facilitando a conservação, armazenamento e o transporte de alimentos. Em
alguns casos especiais, a refrigeração faz parte do processo de transformação dos
alimentos. Nesse sentido, os sistemas de refrigeração atuam tanto diretamente quanto
indiretamente na produção, pois em determinados processos é necessário à utilização de
equipamentos que alterem a temperatura, fazendo parte do processo, enquanto alguns
equipamentos e processos necessitam funcionar em uma temperatura controlada.
O objetivo principal do ciclo de refrigeração ou frigorífico é transferir a energia
produzida em uma região em que se deseje manter a temperatura controlada para uma
outra região de alta temperatura.
Dentro dos ciclos de refrigeração, podemos citar os ciclos por compressão de
vapor, ciclos por absorção e outros de fins mais específicos utilizados pela indústria.
1
Compressor alternativo
Dispositivo de expansão
Condensador
Evaporador
Figura 1 – Esquema dos componentes principais e sua disposição em um sistema de compressão de
vapor simplificado.
Na Fig. 1 podemos visualizar um esquema simplificado de um sistema por
compressão de vapor e seus componentes principais. Para um sistema completo deveriam
ser incluídos os filtros, reservatórios, válvulas e equipamentos de controle.
Stoecker (1985) divide a refrigeração em dois ramos: condicionamento de ar e refrigeração
industrial. Os componentes básicos dos dois ramos não diferem e são: trocadores de calor,
ventiladores, bombas, tubos, dutos e controles, sendo que estes sistemas consistem num
ciclo frigorífico.
1.1.1 – Condicionamento de ar
Um dos principais objetivos do condicionamento de ar é gerar condições para o
conforto térmico humano, sendo que este é definido pela ASHRAE (2001) como
“Conforto térmico é a condição que a mente expressa satisfação com o meio ambiente”.
Esta definição deixa em aberto o que significa: mente ou satisfação, mas indica que
o julgamento da sensação térmica não só é definido por condições físicas como também
por condições psicológicas. As atividades do metabolismo do corpo humano resultam
quase que em sua totalidade em calor, que deve ser continuamente dissipado e regulado
para manter a temperatura normal do corpo.
2
A troca de calor insuficiente superaquece o corpo gerando uma condição de
hipertermia enquanto um excesso de troca de calor promove uma condição de hipotermia,
ambas maléficas ao corpo humano. Quando a temperatura da pele atinge temperaturas
maiores que 45ºC ou menores que 18ºC causam dor e elevado desconforto, temperaturas
internas do corpo abaixo de 28ºC pode causar arritmia e morte enquanto temperaturas
maiores que 46ºC podem causar danos irreversíveis ao celebro (ASHRAE, 2001). Portanto,
mesmo em regiões onde as temperaturas sejam amenas, os edifícios podem ser refrigerados
para compensar a liberação de calor por pessoas, luzes e outros aparelhos elétricos.
Em edifícios comerciais e indústrias, o condicionamento de ar ajuda a aumentar a
eficiência dos usuários (funcionários), já em outras instalações como hospitais que exigem
condições controladas de temperatura e umidade, o condicionamento de ar se mostra
imprescindível para garantir que se evita o processo de contaminação, por exemplo, em
salas de cirurgia.
Em outras áreas industriais (laboratórios, imprensa, têxteis, processos de precisão,
salas limpas, salas de computador usinas), em que existem funcionários trabalhando em
condições insalubres, esta modalidade da refrigeração serve para atenuar problemas e
aumentar a sensação de conforto e conservar componentes e equipamentos, que são
sensíveis a temperaturas e umidade elevadas.
1.1.2 – Refrigeração industrial
A refrigeração industrial apresenta uma série de similaridades com o
condicionamento de ar, mas também se distingue por diversos aspectos como
componentes, procedimentos de projeto e mercadológico (Stoecker, Jabardo; 2002).
Ela pode ser caracterizada pela faixa de temperatura de operação. No limite inferior
as temperaturas podem atingir valores entre -60ºC a -70ºC e 15ºC no limite superior.
Aplicações em que se verifiquem temperaturas menores que as citadas pertencem
ao ramo da criogenia, ao qual se especializa na produção e utilização de gás natural
liquefeito, oxigênio e nitrogênio líquidos. Outra forma de se caracterizar a refrigeração
industrial seria através das aplicações. Assim a refrigeração industrial poderia ser descrita
como sendo o processo utilizado nas indústrias químicas, de alimentos e de processos
(envolvendo dois terços das aplicações) e a indústria manufatureira e de laboratórios.
Algumas aplicações de bombas de calor poderiam ser associadas à refrigeração
3
industrial, onde a rejeição de calor se realiza a temperaturas relativamente elevadas em
relação à temperatura ambiente.
A refrigeração industrial abrange vários setores tais como: o de alimentos
refrigerados onde a conservação em baixas temperaturas (sem congelamento) aumenta a
vida útil dos produtos; de alimentos congelados no qual o processamento de alimentos com
o uso do processo de congelamento é utilizado para transformar as características dos
alimentos ou controlar a ação de determinados microorganismos.
Pode-se observar o uso da refrigeração em diversos setores como na fabricação de
concreto ou na indústria química e de processos onde são utilizados sistemas de
refrigeração de grande porte para a separação de componentes de uma mistura por
condensação de gases ou por solidificação de uma espécie química, remoção do calor de
uma reação química e mesmo a manutenção de uma substância no estado líquido a baixa
temperatura para controlar a pressão no interior do vaso de armazenamento.
1.1.3 – Compressores de fluido refrigerante
Em uma instalação de refrigeração ou climatização, a função do compressor é
aspirar uma determinada quantidade de fluido refrigerante no estado de vapor produzido
pelo evaporador e elevar a sua pressão e, consequentemente, a sua temperatura. Em
seguida, o gás é liquefeito no condensador, sendo sua pressão reduzida na válvula de
expansão e finalmente voltando para o estado de vapor no evaporador, onde o fluido
refrigerante absorve energia (calor) que deve ser retirada do ambiente condicionado para
depois ser novamente rejeitada no condensador.
Desta forma, na indústria de refrigeração, compressores são equipamentos
essenciais, e defeitos e mau funcionamento destes componentes resultam em grandes
perdas devido à deterioração de produtos e desconforto térmico (Stoecker, 1994).
De acordo com Venturini et al (2005) e baseado nas características do processo de
compressão, os compressores utilizados em processos de refrigeração podem ser divididos
em: máquinas de deslocamento positivo ou máquinas de fluxo. O compressor de
deslocamento positivo aumenta a pressão do fluido refrigerante pela redução do volume
interno de uma câmara de compressão por meio de uma força mecânica aplicada. Os
compressores alternativos, de palheta, parafusos e caracol são classificados como de
deslocamento positivo enquanto os compressores centrífugos são os únicos classificados
4
como máquinas de fluxo. Para este último tipo de compressor, o aumento de pressão se
deve principalmente a conversão de pressão dinâmica em pressão estática.
Segundo Stoecker (1994), na indústria de refrigeração são utilizados todos os
principais tipos de compressores: alternativos, rotativos de parafuso, de palhetas e
centrífugos. Entre eles, os mais comuns em instalações com capacidade de até 1.000 kW
são os alternativos e os rotativos do tipo parafuso, ou simplesmente de parafuso.
Compressores centrífugos encontram aplicação na indústria química e de processos,
uma vez que tanto podem ser acionados por turbinas a gás quanto por motores elétricos. Os
compressores rotativos de palhetas encontram aplicação como “booster” em sistemas de
compressão de estágio duplo de pressão.
Os compressores alternativos são construídos em distintas concepções, destacando-
se entre elas os tipos aberto, semi-hermético e selado (hermético). No compressor aberto o
eixo de acionamento atravessa a carcaça sendo, portanto, acionado por um motor exterior.
Ele é o único utilizado nas instalações de amônia, podendo também operar com
compostos halogenados. No compressor semi-hermético, a carcaça exterior aloja tanto o
compressor propriamente dito quanto o motor de acionamento. Normalmente este tipo de
compressor opera com fluido refrigerante halogenado que entra em contato com o motor
promovendo o seu resfriamento. Este compressor deve seu nome ao fato de permitir a
remoção do cabeçote, tornando-os acessíveis as válvulas e os pistões. Os compressores
herméticos são utilizados na refrigeração doméstica e condicionadores de ar até potências
da ordem de 30 kW. Eles são semelhantes aos semi-herméticos, destes diferindo pelo fato
da carcaça só apresentar acesso para entrada e saída do refrigerante e para as conexões
elétricas do motor. Tanto os compressores herméticos quanto os seus similares, os semi-
herméticos, eliminam a necessidade de um selo para a vedação do eixo, o que já não ocorre
nos compressores abertos. Entretanto, os compressores herméticos e semi-herméticos
podem perder um pouco de sua eficiência devido ao aquecimento ocasionado pelo contato
do refrigerante com os enrolamentos do motor.
O compressor alternativo tem sido ao longo dos anos, o cavalo de batalha da
refrigeração industrial apesar de ter perdido um pouco de espaço no mercado para os
compressores rotativos de parafuso. Entretanto, o compressor alternativo ainda domina a
faixa de capacidades inferiores a 300 kW (85 TRs), para a qual apresenta maior eficiência
que o de parafuso. Acima desta faixa, o tamanho avantajado do compressor alternativo
constitui uma desvantagem. O compressor alternativo também pode ser utilizado com
vantagem quando o controle de capacidade se faz necessário, através do procedimento de
5
desativação dos cilindros. Outra vantagem do compressor alternativo, em relação ao de
parafuso, é a possibilidade de manutenção no campo de, praticamente, qualquer item
construtivo.
A tendência que se verifica nos dias de hoje é o domínio absoluto do compressor
alternativo na faixa de baixas capacidades, como já foi observado. Mesmo em instalações
de grande porte, onde se utiliza o compressor parafuso, o alternativo pode encontrar
aplicação como compressor de apoio, operando quando ocorrem picos de carga.
1.1.4 – Manutenção
Uma outra preocupação cada vez mais crescente atualmente e que é atingida pela
manutenção bem realizada é a eficiência dos sistemas de refrigeração com a redução do
consumo de energia. A incorreta operação e as falhas dos equipamentos acarretam grande
desperdício de energia (Tassou, Grace; 2004); (House, Lee, Norford; 2003).
Sistemas de refrigeração, climatização, ventilação e aquecimento são sistemas reparáveis.
Isto significa que os componentes destes sistemas podem sofrer manutenção durante a vida
útil do sistema como um todo.
Cada vez que um sistema sofre manutenção, a conseqüência pode ser benéfica ou
não no funcionamento do componente (a substituição de um componente danificado por
um novo pode ocasionar o sobre-carregamento dos demais componentes mais
desgastados), sendo que isto irá ocorrer com quase todos os componentes e subsistemas.
Em um ciclo de compressão de vapor, o compressor é o equipamento mais
complexo e de maior custo. Dessa forma, deve-se tomar especial cuidado, pois além de
problemas como desgaste e falta de lubrificantes, ele está sujeito a sofrer danos decorrentes
do funcionamento incorreto ou falho de todos os outros componentes.
A atividade de manutenção pode ser considerada uma função estratégica dentro de
uma organização fabril, pois a mesma é responsável por manter os equipamentos operando,
com a capacidade exigida ou mesmo superior a mínima requerida para execução da
atividade desejada (Cardoso, 2004).
A manutenção deve ser baseada primordialmente num plano bem elaborado,
estudado com grande cuidado e objetividade e que leve em consideração todos os
elementos da instalação, até os mínimos detalhes da organização e da metodologia que é
empregada, visando à obtenção do menor gasto de recursos financeiros e humanos
6
possível. Para isso é importante não somente reduzir os custos, mas realizar esta redução
de maneira eficiente.
Por tais motivos, o estabelecimento de rotinas para organização e gerenciamento da
manutenção deve ser elaborado mediante estudos cuidadosos. Como a manutenção
normalmente abrange toda a instalação, os seus procedimentos devem atender às
necessidades de todos os departamentos, secções e divisões de toda a fábrica.
Assim Nepomuceno (1985) ressalta que tanto os envolvidos com a chefia dos
outros departamentos ou secções devem contribuir e colaborar (inclusive a alta direção)
com a política de manutenção, pois a operação é integrada, abrangendo todos os
componentes da instalação, devendo ser considerada como uma unidade que funciona
harmoniosamente de maneira global. Isto deve ser feito de forma que todos os setores
tenham responsabilidade e consciência das rotinas de mantenimento da fábrica.
Outro aspecto que deve ser levado em conta e é cada vez mais lembrado nos dias de
hoje, é o impacto ambiental das soluções adotadas. Várias nações tem se unido, entre elas o
Brasil, para se chegar a uma solução os problemas como a destruição da camada de ozônio
e o aquecimento global.
A concentração de ozônio na estratosfera do planeta é conhecida como camada de
ozônio. Esta camada cumpre um papel de grande importância, pois é responsável por filtrar
as radiações solares, que com sua maior incidência, podem causar grandes prejuízos à
humanidade como câncer, catarata, queda do sistema imunológico. Alguns elementos
químicos, como cloro e o bromo, quando dispersos na atmosfera atingem a estratosfera e
reagem com o ozônio, que muda de estado. Desta forma, reduzindo a camada de ozônio,
estes elementos eram comumente empregados nos fluídos refrigerantes, clorofluorcarbonos
(CFCs) e hidroclorofluorcarbonos (HCFCs).
Em 1990, o Brasil firmou o protocolo de Montreal sobre substâncias que destroem
a camada de ozônio. Assim o governo brasileiro assumiu o compromisso de eliminar a
produção e o consumo de CFCs até o final da década. Estes gases já deixaram de ser
fabricados no país e o consumo vem caindo devido a restrições nas cotas de importações,
que acarretam numa elevação do valor de venda destes produtos (GTZ, 2005).
O acúmulo de dióxido de carbono e outros gases tóxicos têm sido considerados
responsáveis pela elevação da temperatura do planeta nos últimos anos. O acúmulo destas
substâncias na atmosfera forma uma camada que impede o calor emitido pelo planeta de se
dispersar e desta forma causa grandes mudanças climáticas como aumento dos níveis de
chuva, elevação dos níveis dos oceanos entre outros.
7
No inicio dos anos 90 foram introduzidos no mercado o hidrofluorcarbonos (HFCs)
como substitutos aos CFCs e os HCFCs, pois não agridem a camada de ozônio, mas, no
entanto, estes novos fluídos contribuem para o aquecimento global e devem ser reduzidos.
Ao longo da década de 90 foi amplamente discutido este tema e finalmente no ano
de 2005, um grande número de países firmou um acordo conhecido como Protocolo de
Kyoto onde se busca frear o aquecimento global. Dentre os países ditos do “primeiro
mundo” o único a ficar de fora foram os Estados Unidos da América. O protocolo de
Kyoto funciona por metas onde os países do grupo 1 (países industrializados) devem
reduzir em 5,2% suas emissões de seis gases em relação aos níveis de 1990, enquanto
países mais pobres, como os da América Latina, devem tentar reduzir suas emissões, mas
sem metas definidas. Sendo os HFCs amplamente utilizados no Brasil e este se
enquadrando no segundo grupo do acordo a utilização destes refrigerantes ainda são
previstas por muitos anos (Embraco; 2005).
Neste contexto se encaixa outra importância da manutenção, que além de promover
a diminuição de custos, aumento da produtividade, ou mesmo segurança imediata dos
consumidores e funcionários, deve minimizar ou impedir a perda ou vazamento dos fluidos
refrigerantes para se evitar danos ambientais.
1.1.4.1 – Tipos de manutenção
O tipo mais conhecido de manutenção é sem duvida a manutenção corretiva que é
feita após a ocorrência da falha, ou seja, depois da quebra do equipamento. Em geral, ela é
executada com a parada total e/ou parcial do equipamento. Historicamente, foi o primeiro
tipo de manutenção que se conhece e a única realizada até Segunda Guerra Mundial (Pinto,
Xavier; 2005).
Já a manutenção preventiva surgiu a partir da Segunda Guerra Mundial quando as
pressões do período da guerra aumentaram a demanda por todo tipo de produtos. Ao
mesmo tempo, o contingente de mão de obra industrial diminuiu sensivelmente, como
conseqüência houve um grande aumento da mecanização, bem como da complexidade das
instalações industriais (Pinto, Xavier; 2005).
Começa a evidenciar-se a necessidade de maior disponibilidade, bem como maior
confiabilidade, na busca por maior produtividade, fazendo com que a indústria dependa
cada vez mais do bom funcionamento das máquinas. Isso exige que as falhas dos
equipamentos devam ser evitadas, o que resultou no conceito de manutenção preventiva,
8
caracterizada por intervenções regulares e em períodos fixos, para executar tarefas pré-
determinadas. Isto se traduz na necessidade do conhecimento dos modos de falha mais
freqüentes, da taxa de falhas e, principalmente, a periodicidade com que as falhas ocorrem.
Porém, este tipo de manutenção baseia-se em análises estatísticas, de elevada
incerteza, sendo comum o aparecimento de ruptura prematura no componente substituído
(Nepomuceno, 1989).
A partir da década de 70, acelerou-se o processo de mudança na indústria, com a
implementação de novas tecnologias, com elevado aumento da capacidade de produção de
produtos bem como das linhas de montagem, tornando estas mais complexas e as
indústrias mais competitivas. Desta forma a paralisação da produção indicava um aumento
maior dos custos e reduzia a qualidade dos produtos. Na manufatura, os efeitos dos
períodos de paralisação foram se agravando pela tendência mundial de utilizar sistemas
“just in time”. Isto promoveu o surgimento do conceito de estoques reduzidos que exigia a
redução de qualquer parada não programada da linha de produção ou da fábrica inteira. O
crescimento da produção com automação e mecanização resultou em um aumento no
número de falhas e na capacidade de manter “padrões de qualidade” estimados. Isso pode
ser aplicado tanto a qualidade de serviços quanto de produtos e, neste ambiente, reforça-se
o conceito de manutenção preditiva (Pinto, Xavier; 2005).
A manutenção preditiva de máquinas e equipamentos vem encontrando aceitação
crescente na indústria e a economia resultante desta prática se torna tanto mais significativa
quanto maior o valor unitário da máquina ou das perdas decorrentes de interrupções de seu
funcionamento por defeitos ou reparos (Vânia, Pennacchi; 2003).
Este tipo de manutenção consiste basicamente em monitorar parâmetros que
caracterizam a condição de operação correta da máquina, de forma a poder prever a época
da provável ocorrência da falha e, se possível, localizar e diagnosticar o tipo de falha para
ser feito um planejamento adequado da operação de manutenção da forma mais
conveniente. Os parâmetros que melhor caracterizam a condição dessa operação variam de
acordo com o equipamento em análise.
1.1.5 - Confiabilidade
A confiabilidade e a disponibilidade são palavras do cotidiano da manutenção
(Pinto, Xavier; 2005).
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O termo confiabilidade vem do inglês “reliability” e teve origem na análise de
falhas de equipamentos eletrônicos para uso militar durante a década de 50 nos Estados
Unidos.
Já nos anos 60, foi criado pela “Federal Aviation Administration” um grupo para
estudo e desenvolvimento de um programa de confiabilidade para a indústria aeronáutica.
Das várias conclusões desenvolvidas pelo grupo, duas delas provocaram uma reorientação
nos procedimentos até então em vigor:
• Se um item não possui um modo de falha predominante e característica de falha,
revisões programadas afetam muito pouco o nível de confiabilidade.
• Para muitos itens a prática da manutenção preditiva não é eficaz.
Com base nestas conclusões, foi desenvolvido o conceito de confiabilidade que é a
probabilidade de um item poder desempenhar sua função requerida, por um intervalo de
tempo estabelecido, sob condições definidas de uso.
Testes de confiabilidade possibilitam, através de estimativa, com base em
estudos/testes de confiabilidade, caracterizar os comportamentos de confiabilidade, da
probabilidade de falha e da taxa de falha em relação ao tempo de um componente ou
sistema.
No caso de um estudo de confiabilidade em relação a um determinado grupo de
falhas, testes de confiabilidade permitem: a melhoria da qualidade; o estudo sobre aspectos
relacionados à fixação do período de garantia; ou a reposição de componentes defeituosos
de um produto já em produção. Estes testes permitem a obtenção de uma quantidade de
elementos suficiente para atender as exigências de critérios estatísticos quanto a compor
uma amostra para ensaio de falhas.
Dificilmente se tem acesso a todos os elementos de uma população, e, portanto
devem-se obter estimativas dos parâmetros do comportamento do equipamento, com a
análise dos dados de amostras retiradas da população (família de equipamentos em estudo),
para obter-se uma estimativa dos parâmetros significativos desta população analisada.
1.1.5.1 – Ensaios Censurados
O ensaio de componentes ou sistemas nem sempre é executado até que ocorra a
falha de todos os elementos da amostra. Nesta situação diz-se que houve um ensaio
censurado.
10
Na literatura estes ensaios são chamados de truncados. Neste tipo de ensaio, as
unidades que não falharam são conhecidas como fora de escopo, sobreviventes, removíveis
ou suspensas.
Ensaios censurados simples acontecem quando todas as unidades são acionadas
simultaneamente durante o teste e os ensaios são interrompidos e analisados antes que
todas as unidades tenham falhado.
Um ensaio é conhecido como censurado pela direita quando algumas unidades
(equipamentos) não falharam, e suas vidas úteis são conhecidas apenas até o período que
está sendo realizado o ensaio. Este tipo de ensaio censurado começa quando algumas
unidades são removidas do teste antes de falharem, continuam operando depois do período
de análise, ou são removidas do teste ou serviço porque falharam devido a uma causa
diferente da simulada no teste.
Similarmente, um ensaio é chamado de ensaio censurado pela esquerda quando o
tempo de falha é conhecido apenas por ser anterior a um determinado modo de falha.
Se as unidades que não falharam têm um tempo de vida similar e todos os tempos
de falha são anteriores a este, este ensaio é chamado de ensaio censurado simples pela
direita. (Nelson, 1990).
1.1.5.2 – Disponibilidade e FMEA
Todo equipamento é projetado segundo uma especificação, ou seja, todo
equipamento é projetado segundo a função básica que irá desempenhar. A manutenção é
capaz de restaurar o desempenho do equipamento se o mesmo não for o desejado, no
entanto, não aumenta o seu desempenho acima do original.
A disponibilidade pode ser definida como sendo um tempo que equipamento,
sistema ou instalação está disponível para operar ou em condições de produzir.
Uma das ferramentas para permitir avaliar ações que aumentem a confiabilidade e a
disponibilidade é a Análise de Modos e Efeitos de Falha ou FMEA (“Failure Mode and
Effect Analysis”).
Basicamente, esta ferramenta parte da definição das funções dos sistemas e
subsistemas analisados, verificando em seguida as falhas que afetam cada função e todos
os modos de falha que levam a cada falha. Para cada modo de falha, analisam-se os
11
defeitos e define-se a necessidade de ações para reduzir a possibilidade de ocorrência deste
evento, eliminá-lo ou, simplesmente controlar os efeitos indesejáveis.
Esta técnica tem a desvantagem de ser uma análise indutiva, exclusivamente
qualitativa, e considera os modos de falha independentes (Cornet, 2004).
A análise de modos e efeitos de falha surgiu como metodologia formal nos anos 60,
quando a demanda por segurança e confiabilidade se estendeu do estudo das falhas de
componentes para incluir os efeitos das falhas no sistema dos quais os componentes faziam
parte.
Uma das primeiras descrições de uma apresentação formal aplicando os conceitos
de FMEA foi executada por J.S. Coutinho da Academia de Ciências de Nova York em
1964.
A Military Standard MIL – Std 1629 “Procedures for Performing a Failure mode,
Effect and Criticality Analyses” que de uma forma livre pode ser traduzido como:
“Procedimentos para execução de um modo de falha, efeitos e analise de criticidade” foi
publicada em 1974, e depois de várias revisões, definiu a forma básica para se analisar um
sistema e seus modos de falha.
Em 1988, a Ford Motor Company publicou “Potential Failure Mode and Effect
analysis in Design” (FMECA de projeto) e “For Manufacturing and Assembly Processes”
(FMECA de processo). Estes manuais apresentam a metodologia de análise de modo e
efeito de falha para o processo produtivo tanto quanto para o projeto do produto.
Estes processos focados nas necessidades particulares da indústria automobilística
e, com a força das maiores fabricantes de automóveis e seus fornecedores, desenvolveu
uma norma denominada SAE J1739, “Práticas recomendadas SAE de veículos de
superfície” instituída pela SAE em 1994.
A análise tipo FMEA manipula conceitos nem sempre usuais como taxas de falhas
associadas a um modo de falha específico, sua execução sempre demanda tempo e
conhecimento sobre o equipamento (processo), embora sua aplicação possa ser
simplificada com o uso de ferramentas computacionais.
Como método, o FMEA tem diretrizes gerais as quais norteiam sua elaboração.
Desta forma, é necessário refletir sobre cinco questões a respeito do sistema (equipamento)
como base para elaboração do FMEA (Cardoso, 2004), a saber:
• Como cada componente do sistema pode falhar (quais seus modos de falha)?
• Quais os efeitos destas falhas sobre o sistema?
12
• Quão críticos são estes efeitos?
• Como detectar a falha?
• Quais as medidas contra estas falhas (evitar, prevenir a ocorrência das mesmas ou
minimizar seus efeitos)?
A análise por meio da metodologia de FMEA baseia-se na execução de uma tabela,
a qual apresenta um número mínimo de informações para a execução de um estudo
adequado.
A indústria aeroespacial adota o FMEA como técnica de análise de problemas antes
que as aeronaves sejam construídas e utilizadas. Deste modo, se está analisando o futuro e
buscando determinar falhas potenciais. No entanto, este procedimento tem como
desvantagem o emprego de grande quantidade de homem/hora. Uma forma de minimizar
este fato é o uso de formulários e construir o FMEA com um histórico das falhas já
ocorridas. A análise de falhas já ocorridas apresenta um enorme potencial de ganho com o
uso desta ferramenta. Deve-se acrescentar que isto não representa um desvio da filosofia
básica da ferramenta mais sim uma adaptação bastante interessante para a área de
manutenção.
1.2 - Motivação
Ao longo da pesquisa bibliográfica já realizada, foram encontrados poucos
trabalhos que avaliam as principais falhas e a confiabilidade dos compressores alternativos
de sistemas de refrigeração principalmente referente ao mercado brasileiro. Dos trabalhos
até o momento analisados, verificou-se que os manuais dos fabricantes são a maior fonte
de informações relacionadas às falhas deste tipo de compressor, que por suas
características tem sido considerado ao longo dos anos, “o cavalo de batalha da
refrigeração industrial” (Stoecker, Jabardo; 2002).
A tendência que se verifica nos dias de hoje é o domínio absoluto do compressor
alternativo na faixa de baixas capacidades, como já foi observado. Mesmo em instalações
de grande porte, onde se utiliza o compressor parafuso, o alternativo pode encontrar
aplicação como compressor de apoio, operando quando ocorrem picos de carga (Stoecker,
Jabardo; 2002).
Para termos uma idéia da importância destes equipamentos numa instalação de
refrigeração, Breuker e Braun (1998) identificam as falhas mais comuns de sistemas de
climatização do tipo “roofttop” (equipamentos que abrangem uma grande gama de
13
capacidades, sendo encontrados no mercado de 7 a 370 kW). Nesta identificação, os
impactos no custo de manutenção do sistema são avaliados bem como as freqüências de
ocorrência e custos relativos dos serviços executados são estimados pela análise dos
relatórios de serviço.
As informações de falhas na pesquisa de Breuker e Braun (1998) foram obtidos em
uma base de dados de uma companhia especializada na manutenção dos chamados “roof
top” utilizado em lojas. Durante o período de 1989 a 1995, foram estudados, com uso de
ferramentas estatísticas, mais de 6000 ocorrências de falhas e sua freqüência de ocorrência
bem como o custo destas falhas. A informação de freqüência de ocorrência permite a
avaliar as falhas ou pontos a serem protegidos do equipamento. Observa-se que nem todas
estas falhas tem um custo alto para serem reparadas, mas causam grande desconforto e um
grande número de visitas do técnico de manutenção. O custo total de reparo aponta as
falhas que mais aparecem nos custos das folhas de serviços.
No caso da distribuição de ocorrência das falhas, foi verificado que os
compressores representam apenas 5% das ocorrências das falhas. A maior parte das
ocorrências é devida às falhas elétricas e de controle que representam 41% das ocorrências
e problemas por falta de fluido refrigerante que ocasionam 12% das ocorrências.
Entretanto, o estudo da distribuição do custo de reparo de cada equipamento
revelou que, apesar de representar apenas 5% das ocorrências, o compressor representa
24% do custo de reparo do sistema, enquanto as falhas elétricas e de controle representam
17% e perda de fluido refrigerante 5% do custo de reparo. Dessa forma, apesar da baixa
incidência de falhas no compressor, o seu impacto do ponto de vista de custos de
manutenção é bastante significativo.
Para que se possa verificar quais os principais modos de falha destas máquinas e
suas características, é necessário um levantamento de um histórico, pois é um equipamento
amplamente utilizado e conhecido pela indústria. Com esta informação, pode-se verificar a
ocorrência destas falhas e sua confiabilidade.
Sendo assim, é possível verificar quais os pontos mais sensíveis de uma instalação
de refrigeração e dos seus componentes e em particular do compressor. Este último, por ser
um equipamento complexo ligado diretamente à linha de refrigerante, sofre as
conseqüências das falhas dos outros componentes. Sendo assim, sua análise permite ter-se
uma idéia da “saúde” do sistema. Com análise da propagação e origem dos modos de falha,
é possível verificar onde atuar e quais as conseqüências de não corrigir os problemas
detectados.
14
1.3 - Objetivo
O objetivo deste trabalho é o estudo das principais falhas, modos de falha de
compressores semi-herméticos alternativos de sistemas de refrigeração, suas ocorrências e
o comportamento destes equipamentos no seu período de garantia sob a ótica da
confiabilidade.
Para isso foi realizado primeiro um levantamento das principais falhas e modos de
falha de compressores alternativos semi-herméticos na literatura disponível.
Com este dados, foi realizado um levantamento em campo da ocorrência destes modos de
falha das principais falhas e modos de falha aos quais estes equipamentos estão sujeitos.
Este levantamento foi realizado com base em dados disponibilizados por um grande
fabricante destes equipamentos.
Na seqüência foi realizado um estudo destes modos de falha com o uso da
ferramenta Análise de Modos e Efeitos de Falha (FMEA), onde se verificou a causa destes
modos de falha e seus efeitos bem como as ações a serem tomadas para se evitar ou
minimizar seus efeitos e ocorrência.
Foi realizado o estudo da confiabilidade deste tipo de compressor no seu período de
garantia não só se vinculando as falhas do compressor, mas também as do sistema de
compressão de vapor que o afetam.
Com estas análises, espera-se poder complementar a informação sobre o
comportamento deste equipamento e de suas características de operação no mercado
brasileiro.
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1.4 - Metodologia
Este trabalho será divido em três partes: a primeira é um estudo das principais
falhas e modos de falhas de compressores alternativos semi-heméticos de sistemas de
refrigeração. Além disso, será feito um estudo da ocorrência de falhas em compressores
alternativos deste sistema, utilizando-se dados coletados no setor de manutenção de uma
empresa do setor de refrigeração comercial referente a um período de dois anos de
ocorrências registradas.
A segunda parte focará o uso do FMEA como ferramenta de gestão de manutenção,
pois o FMEA é normalmente considerado uma ferramenta da confiabilidade, por atuar
diretamente na disponibilidade do equipamento sendo assim utilizado como ferramenta
pela manutenção. Para a criação do FMEA, é necessária a reunião de uma equipe para
estudar como determinado componente pode falhar. No entanto, uma forma de se evitar
este gasto ou mesmo ganhar tempo é o uso do histórico do equipamento e com isso já se ter
um ponto de partida para o estudo. Para um equipamento novo que não possui um histórico
pode-se recorrer ao fabricante ou a um banco de dados, ou neste trabalho o banco de dados
criado no estudo já realizado.
A última parte deste trabalho será um estudo de confiabilidade de compressores
alternativos, que será realizado durante o período de garantia, com os dados coletados
junto a um grande fabricante do setor. Com este estudo será possível quantificar a
capacidade deste tipo de equipamento operar corretamente durante este período.
Cada parte deste trabalho está ligada diretamente à outra, pois o estudo de falhas e
modos de falhas forneceram informações para a construção do FMEA, que por sua vez
fornecerá dados e conhecimento, junto com a análise de ocorrência, para o estudo de
confiabilidade.
16
2. Revisão bibliográfica
2.1 – Confiabilidade de compressores de sistemas de refrigeração
Existem diversos trabalhos envolvendo a confiabilidade para equipamentos eletro-
eletrônicos segundo Nelson et al (1989), no entanto equipamentos mecânicos no geral são
“extremamente complicados e difíceis de serem modelados segundo este conceito, por isso
possui-se pouca informação disponível e organizada para uma metodologia de análise”.
O uso das ferramentas da confiabilidade para sistemas de refrigeração é ainda mais
raro, todavia foram encontrados alguns trabalhos que abrangem este tema.
A análise da forma como proposta para a pesquisa aqui desenvolvida onde se avalia
as principais ocorrências de falhas em equipamentos de refrigeração, principalmente
compressores, só foi encontrada no trabalho de Nelson et al (1989), onde é apresentada
uma metodologia para auxiliar os projetistas destes componentes com o uso de ferramentas
da confiabilidade.
Na metodologia desenvolvida por Nelson, inicialmente, define-se o equipamento a
ser estudado. O sistema que contém este equipamento deve ser divido em classes
funcionais, e estes componentes em partes menores até o ponto onde se deseja aprofundar
o estudo.
O próximo passo é a elaboração de um FMEA (simplificado abordando apenas
causa e efeito) para facilitar a definição dos mecanismos primários e secundários de falha.
Em seguida, realiza-se uma busca na literatura disponível dos dados relativos às
falhas e após esta busca, deve-se acessar uma fonte de dados para aplicar a análise desta
fonte. Sugere-se que o banco de dados de uma empresa do setor com os dados de garantia
do equipamento, para uma maior qualidade de informação. Deve-se levar em consideração
a dificuldade de se definir as falhas, pois as mesmas podem ocorrer de forma similar ou ao
mesmo tempo.
O passo seguinte é a aplicação destes dados em uma expressão desenvolvida para
este fim (apresentada em Nelson et al (1988) para equipamentos mecânicos é equacionada
a partir de um banco de dados através do método da regressão linear), para se conseguir
um valor quantitativo da confiabilidade.
O trabalho de Nelson é realizado a título de demonstração da ferramenta de FMEA,
não sendo executados todos os passos propostos e abordando-se poucos problemas para
17
simplificar o estudo, sendo considerados como sistema diversos tipos de compressores,
entre eles, o alternativo.
Aplicações da confiabilidade na refrigeração podem ser encontradas de forma mais
detalhada em outros trabalhos que abrangem diferentes equipamentos de refrigeração.
O trabalho de Yan-Qiao et al (1996) para containeres frigoríficos e de Nutter et al
(2002) para carretas frigoríficas são mais completos e detalhados. Ambos partiram do
banco de dados de empresas de manutenção dos respectivos equipamentos, bem como
optaram por testes conhecidos como censurados (onde os equipamentos estudados não
necessitam todos terem falhado), que permite a inclusão de um maior número de itens ao
escopo da análise, no entanto apresentam objetivos diferentes.
O trabalho de Yan-Qiao et al (1996) visa o estudo da confiabilidade de containeres
frigoríficos no geral extrapolando os dados observados ao longo de quatro anos de
relatórios. Para isso, foram assumidos os problemas descritos nos relatórios e a informação
foi padronizada e organizada, para após isso ser aplicado o método de estimação de
parâmetros estatísticos da máxima verossimilhança (que foi considerada a mais adequada
dadas as características dos dados) com a distribuição de Weibull (que abrange um grande
número de comportamentos). Vale ressaltar neste trabalho que os fabricantes dos
equipamentos foram chamados de A, B, C e D para se evitar a identificação dos mesmos.
Isto também foi feito, devido à dificuldade de se identificar o problema do
equipamento quando mais de um modo de falha foi identificado.
O trabalho de Nutter et al (2002) parte para uma abordagem mais voltada para a
manutenção visando fornecer uma ferramenta para sua otimização e levantamento do custo
de operação de carretas frigoríficas. Partindo do levantamento do banco de dados é
realizado um FMEA para padronização e um melhor entendimento das falhas. Em seguida,
é elaborada uma árvore de analise de falhas (FTA) que permite o entendimento da
propagação das falhas ao longo do sistema bem como a visualização da ocorrência de mais
de uma falha ao mesmo tempo. Em seguida, o autor utiliza o diagrama de Pareto visando a
sua hierarquização em função das ocorrências das falhas e do seu custo. A confiabilidade é
levantada pelo método da regressão linear onde se verificam os valores como: tempo
médio até a falha e intervalo entre falhas, para desta forma se estimar o custo de operação e
os pontos a serem atacados.
Nota-se, pelos trabalhos pesquisados aqui, que a maioria não aborda
especificadamente o componente aqui focado, ou seja, o compressor. Desta forma, a
pesquisa bibliográfica teve que ser expandida e contemplou outros equipamentos e
18
componentes relacionados à refrigeração, porém buscou trabalhos que utilizassem à
metodologia de confiabilidade e análise de falhas. Dentre os trabalhos encontrados, pode-
se afirmar que Nelson et al (1989) foi o que mais se aproximou em termos do equipamento
analisado, porém a sua análise foi bastante simplificada. Já os trabalhos de Yan-Qiao et al
(1996) e Nutter et al (2002) apresentam um detalhamento maior no que diz respeito à
metodologia de confiabilidade e resultados.
O trabalho de Dhillon (1995) apresenta uma abordagem que visa auxiliar a gestão
da manutenção, pois realiza um estudo de otimização dos custos de manutenção usando
ferramentas da confiabilidade, onde o autor afirma: “Custo de operação de um
equipamento pode ser muito significativo e ultrapassa o custo de aquisição do mesmo, por
exemplo, um estudo realizado pelo ministério da defesa dos Estados Unidos, que o custo
de manutenção de um equipamento ultrapassa por diversas vezes o custo de aquisição do
mesmo ao longo de sua vida útil”. A distribuição estatística utilizada para modelar o
comportamento dos equipamentos é a exponencial, pois é a que permite a melhor análise
de eventos aleatórios. Inicialmente, o trabalho aborda as principais falhas e problemas
encontrados na literatura disponível, como forma de se conhecer estes itens e criar uma
padronização de linguagem. Este foi o único trabalho encontrado que ressalta a
importância da manutenção de maneira significativa bem como faz uso de ferramentas
estatísticas como ferramenta para a gestão de manutenção.
Em seguida serão abordados trabalhos relativos à ocorrência de falha, cuja
importância já foi ressaltada anteriormente.
O primeiro trabalho a ser analisado é o de Clarotti et al (2004) que apresenta um
método para análise de falha em equipamentos mecânicos de uma forma geral. Para isso
ele propõe um FMECA aplicado a estes equipamentos. O autor verifica a dificuldade de se
separar as diferentes falhas encontradas devido ao fato destas falhas ocorrerem de forma
simultânea em um mesmo equipamento. Em virtude disto, o método se apresenta muito
subjetivo e, conseqüentemente, muito dependente do profissional que o realiza.
Dentre as ferramentas para a análise de ocorrência de falha, Nutter (Nutter et al,
2002) enfatiza o uso do diagrama de Pareto, pois esta permite uma hierarquização das
falhas de forma quantitativa.
O uso do FMEA é particularmente amplo, sendo utilizado no projeto e fabricação
de produtos. Em manutenção, o FMEA é empregado como forma de otimização do tempo,
hierarquização de falhas (componentes) e como forma de padronização de conhecimento
sobre o equipamento e medidas necessárias para projeto, produção e gestão da manutenção
19
(Nelson et al, 1988) (Nelson et al, 1989) (Nutter et al, 2002) (Clarotti et al 2004) (Garcia et
al, 2005).
O estudo da confiabilidade de equipamentos mecânicos é amplo e complexo, dada
à variedade de forma que as falhas podem ocorrer. A forma tradicional destes estudos é
efetuada com o auxílio do banco de dados de empresas fornecedoras dos equipamentos
e/ou de sua manutenção, usualmente utilizando a análise com dados censurados (limitados
no tempo que este banco de dados fornece) como apresentados nos trabalhos de Nelson
(Nelson et al, 1988; Nelson et al, 1989), Nutter (Nutter et al, 2002), Metwalli (Metwalli et
al, 1998), Adelmir (Adelmir et al, 1994) e Amoako-Gyampah (Amoako-Gyampah, 1999).
Amoako-Gyampah apud Meredith (1999) realiza uma avaliação do tempo de
ocorrência de falha e das condições de operação dos equipamentos. Para isso, assumiu
como hipótese que os equipamentos operariam apenas 80% do tempo máximo possível.
Isto foi feito, pois o trabalho baseou-se em dados de campo que dificilmente
apresentam informações bem definidas (tempo de operação, ações de manutenção, etc.).
Para os dados coletados, o autor assumiu a distribuição de Weibull como a mais
adequada (como Yan-Qiao et al) para equipamentos mecânicos.
No mesmo trabalho equipamento eletromecânicos foram melhor modelados pela
distribuição lognormal como foi verificado usando testes de adequação. Este estudo foi
refeito abordando-se o efeito de múltiplas falhas. O trabalho ainda segue estudando da
mesma forma o tempo de reparo dos equipamentos.
Os trabalhos de Metwalli et al (1998) e Adelmir et al (1994) abordam o uso da
distribuição de Weibull para modelar, no primeiro um plano de manutenção de
equipamentos mecânicos e no segundo a confiabilidade de tubulações em plantas
nucleares.
20
2.2 – Ocorrência de falhas de compressores alternativos de sistemas de
refrigeração
Apesar do estudo da ocorrência de falhas de compressores alternativos de sistemas
de refrigeração não ser muito comum, foram encontrados na literatura alguns trabalhos que
abrangem este tema, sendo que os dois mais completos foram realizados por fabricantes na
forma de material de apoio ao setor de manutenção.
Como material complementar, foi incluído trechos de um boletim técnico de um
fabricante de válvulas de expansão e acessórios.
Para se iniciar o estudo das falhas e modos de falhas de compressores alternativos
semi-herméticos de sistemas de refrigeração, que de agora em diante serão referidos
apenas como compressores, deve-se discutir sobre o significado do termo falha.
2.2.1 – Definição de falha
Segundo Pinto et al (2005), falha pode ser definida como “A cessação da função de
um item ou incapacidade de satisfazer a um padrão de desempenho previsto”.
A definição de Mirshawka (1991) é “Falha é o fenômeno que compromete o
desempenho ou impossibilita a interpretação de um item”.
Já Halm-Owoo (2002) define falha como: “uma variação não permitida das
propriedades características que impedem que um sistema cumpra seu propósito definido”;
ou “uma mudança indesejável que tende a mudar todo desempenho do conjunto”.
As falhas podem surgir por várias razões como:
• Erro de projeto, construção, instalação ou uso;
• Envelhecimento;
• Desgaste;
• Corrosão.
Em sistemas mecânicos, como compressores de refrigeração, as falhas são
normalmente aleatórias e podem ocorrer a qualquer momento (Myrefelt, 2004).
As falhas que ocorrem em um sistema podem ser separadas em diferentes grupos com base
nos seguintes termos:
• O local de ocorrência da falha;
• O projeto e uso do sistema;
21
• O tipo de falha;
• A natureza da falha.
Entre os trabalhos realizados, destaca-se o artigo escrito por Breuker et al (1998)
sobre compressores alternativos herméticos, que mesmo sem fornecer dados quantitativos,
é o mais abrangente e se fundamenta em pesquisa realizada junto a uma companhia
especializada na manutenção de sistemas de refrigeração nos Estados Unidos.
Em seu trabalho, Breuker (Breuker et al, 1998) conclui que a maioria das falhas
diagnosticadas em compressores alternativos herméticos são falhas do motor, mas estas
falhas são geralmente o resultado de problemas mecânicos que sobrecarregam o motor.
Além do mais, “a principal causa de falhas mecânicas” ou seu principal problema é o
retorno do fluido refrigerante no estado líquido ao compressor.
Pela sua forma construtiva, a presença de líquido na câmara de compressão do
compressor pode danificar seus componentes como válvulas, bielas, e pistões.
Se o fluido refrigerante no estado líquido estiver contido dentro do compressor
durante a partida, o óleo pode ser carregado em grande quantidade para fora do
compressor, resultando em uma perda de lubrificação temporária até que óleo retorne ao
compressor, depois de percorrer o sistema de refrigeração.
Em manhãs com baixas temperaturas, como as que ocorrem na primavera e outono,
ocorrem à condensação do fluido refrigerante dentro do bloco do compressor resultando
numa partida inundada.
O contínuo retorno de fluido refrigerante no estado líquido causado pelo falta de
superaquecimento também causa o resfriamento do bloco do compressor. Quando o
sistema é desligado, o fluido refrigerante no estado líquido retido no bloco resfriado do
compressor promove um golpe de líquido quando o compressor é ligado novamente.
Devido ao fato que muitos sistemas de climatização operam com controle do tipo
liga/desliga, o sistema poderia ter inúmeros golpes de líquido durante um dia devido ao
retorno do fluido refrigerante no estado líquido estar ocorrendo. Algumas das causas do
retorno de fluido refrigerante no estado líquido são: falha dos ventiladores do evaporador e
condensador, sobrecarga de fluido refrigerante e falha do dispositivo de expansão.
Outros motivos que levam o compressor a falhas incluem altas temperaturas de
descarga do compressor e problemas de alimentação elétrica, como baixa voltagem e picos
de tensão. Altas temperaturas de descarga podem ser causadas por falha dos ventiladores
do condensador, falhas do condensador, restrição de líquido e falta de fluido refrigerante.
22
Portanto, neste trabalho, podemos identificar seis problemas que são:
• Retorno de fluido refrigerante no estado líquido;
• Perda de óleo;
• Partido inundada;
• Golpe de líquido;
• Altas temperaturas de descarga;
• Problemas de alimentação elétrica.
Prasad (2002) considerou que o retorno de líquido no compressor é o principal
problema que atinge este equipamento, sendo assim realizou ensaios para determinar a
gravidade deste modo de falha e suas características.
Líquido pode entrar no compressor junto com o vapor superaquecido de
alimentação (ou óleo) como impureza ou pode entrar na forma de condensação no
equipamento anterior como na linha de fluido refrigerante de baixa pressão ou outros
processos que envolvam baixos pontos de ebulição dos fluidos, especialmente durante uma
partida fria, ou pode ocorrer internamente quando o compressor trabalha com menor
temperatura que o evaporador.
Em compressores alternativos, quando um grande volume de líquido surge dentro
do cilindro, o pistão não consegue expelí-lo pela válvula de descarga durante um pequeno
período de tempo quando ele é aberto, criando assim uma pressão excessiva no interior do
cilindro. Esta pressão excessiva no cilindro impõe excessivas cargas no pistão, que irá
transmiti-la através da biela, virabrequim, etc. até o mancal principal, até que um dos
componentes não agüente e falhe. A seriedade deste evento transitório depende do projeto
do cilindro, particularmente do volume da câmara e da taxa de compressão, e da natureza
do líquido que adentra na câmara. Isto ocorre, pois, sendo o líquido dentro do cilindro
muito mais denso que o gás, ele tende a se acumular próximo a válvula de descarga,
gerando uma carga grande e assimétrica durante a compressão nesta lateral do pistão, que
pode gerar a falha do pistão e biela.
A respeito da seriedade da natureza dos efeitos do líquido dentro do cilindro do
compressor quanto à confiabilidade e desempenho, a atenção dada por Prasad (2002) é
mínima.
O trabalho realizado pela Copeland (2004), um grande fabricante do setor, para
esclarecer alguns pontos quanto à origem da maioria dos modos de falha em compressores,
constatou que os modos de falha são deficiências do sistema ou projeto. Portanto, quando
23
uma falha não é encontrada e o compressor é apenas substituído, é muito provável que o
mesmo problema ocorra novamente.
Neste trabalho verifica-se que a grande parte das falhas elétricas é ocasionada por
falhas mecânicas, sendo assim os problemas principais são os de origem mecânica, não
sendo descritos modos de falha de origem elétrica.
Fazem parte do escopo deste trabalho os compressores alternativos semi-
herméticos refrigerados pelo ar e pelo próprio fluido refrigerante.
Os problemas principais de compressores alternativos apresentados são:
Retorno de Fluido Refrigerante Líquido. Ocorre com o compressor em operação no
qual o fluido refrigerante líquido se mistura com o lubrificante, alterando sua capacidade
de lubrificação. Este problema se apresenta tanto em compressores resfriados a ar como em
compressores que usam o fluido refrigerante como arrefecimento. No primeiro caso,
devido a sua forma construtiva, tem-se desgaste e pode-se gerar um golpe de líquido. Este
problema não ocorre no segundo tipo de compressor, onde o fluido refrigerante que retorna
ao compressor se aloja no fundo do cárter do compressor. A bomba de óleo succionará
uma mistura de óleo rica em fluido refrigerante e a bombeará para as buchas dos mancais
do virabrequim as quais se encontram aquecidas. O calor vaporizará o fluido refrigerante
presente na mistura, eliminando o filme de óleo lubrificante, o que acarretará o contato de
metal contra metal e o conseqüente desgaste. Este desgaste se manifestará de forma
progressiva, tornando-se mais pronunciado nas buchas dos mancais próximas ao estator, as
quais estão mais aquecidas.
Partida inundada. Migração de fluido refrigerante na fase vapor para o cárter do
compressor desligado por tempo prolongado. O fluido refrigerante em estado de vapor é
capaz de migrar naturalmente para o cárter do compressor, independentemente de existir
um diferencial de pressão, enquanto o compressor estiver operando em uma temperatura
mais baixa que o evaporador. O vapor superaquecido misturar-se-á então com o
lubrificante até saturá-lo. No momento da partida, a diminuição brusca de pressão no cárter
provocará uma evaporação violenta que alterará as condições normais de lubrificação.
Dessa forma, os componentes não podem ser convenientemente lubrificados
durante a partida, até que desapareça a turbulência causada pela evaporação do fluido
refrigerante.
Golpe de Líquido. Ocorre quando um compressor tenta comprimir fluido
refrigerante no estado líquido, óleo ou uma mistura de ambos. A causa desta falha se deve
a presença de líquido (óleo, fluido refrigerante) durante a fase de compressão.
24
Superaquecimento excessivo. É gerado diante de uma elevada temperatura na
descarga do compressor. As temperaturas de descarga elevadas afetam a viscosidade do
óleo e inclusive podem carbonizá-lo. A diminuição na viscosidade do óleo ocasionará uma
diminuição da resistência da película lubrificante, a qual pode chegar a romper-se e
permitir o contato de metal contra metal, com o conseqüente desgaste.
Perda de Lubrificação. Ocorre quando o lubrificante não retorna ao cárter do
compressor. A causa desta falha pode ser originada por uma má disposição dos sifões de
óleo na saída dos evaporadores ou no início de tubulações ascendentes da linha de sucção,
falta de inclinação da linha de sucção em direção ao compressor ou inclinação no sentido
oposto em tubulações horizontais, desenho ou seleção errônea do diâmetro da linha de
sucção, perdas de fluído lubrificante, operação em ciclos curtos de partida.
Falta de lubrificação. Ocorre quando o lubrificante se encontra no cárter do
compressor, porém não lubrifica. Isto pode ocorrer quando o óleo se encontra misturado
com fluido refrigerante no estado líquido no cárter devido a um retorno de fluido
refrigerante no estado líquido ou a uma migração de fluido refrigerante na fase de vapor.
Também poderá manifestar-se quando a viscosidade do lubrificante for afetada por
um aumento excessivo de temperatura devido a um possível superaquecimento excessivo
do fluido refrigerante.
Foram analisados mais alguns artigos que utilizam as mesmas divisões e conceitos
que os apresentados pela Emerson Climate Technologies (Copeland), a saber: Jourdan
(2004), Checket-hanks (2003A), Gauge (2003), Tomezyk (2003A), Tomezyk (2003B),
Schaub (2001), Ar conditioning, heating e refrigeration news (2000) e Nohle (1999).
Os trabalhos de Jourdan e Checket-hanks (2003A) se referem os modos de falha de
forma geral, Schaub e o trabalho publicado pelo periódico Ar conditioning, heating e
refrigeration news tratam dos efeitos da perda de óleo, Gauge e Tomezyk (2003B)
escrevem sobre o retorno de refrigerante líquido, em quanto Tomezyk (2003A) comenta
sobre os danos causados pelo golpe de líquido.
Destes artigos analisados, deve-se ressaltar que o artigo de Nohle (1999) apresenta
estudo sobre a queima de motores elétricos por superaquecimento excessivo. Neste
trabalho se conclui que quando o fluido refrigerante atinge temperaturas muito elevadas,
seu “ponto de quebra” pode ser atingido, ou seja, ocorrem mudanças nas propriedades do
fluido refrigerante. Isto pode ser explicado, pois o fluido refrigerante usado (HCFC – 22)
contém cloro e flúor na sua composição, que quando expostos a altas temperaturas pode
formar ácidos hidroclorídrico e hidrofluorídrico, que são corrosivos e podem atacar o
25
isolamento do enrolamento do motor. O resultado é um aumento na corrente elétrica do
motor para o aterramento do conjunto, resultando num aumento da corrente total
consumida pelo motor. Quanto maior for o aumento da quantidade de ácidos, maior será a
corrente consumida que em um processo contínuo acarretará na queima do motor.
Silva (2004) apresenta um trabalho que tem por objetivo aperfeiçoar a técnica de
diagnóstico na identificação e correção dos problemas de sistemas de refrigeração e de sua
aplicação. Neste manual também se conclui que o compressor raramente é o problema em
sistemas que apresentam falhas.
Os problemas aqui são apresentados como:
Retorno de líquido: Surge principalmente quando o superaquecimento (que é
admitido como a diferença entre a temperatura do refrigerante na sucção do compressor e a
temperatura de evaporação do fluido refrigerante) do fluido refrigerante está muito baixo
(indicando desta forma que o fluido não evaporou totalmente antes de adentrar o
compressor). Nestas condições, o compressor pode succionar não só fluido refrigerante no
estado de vapor superaquecido, mas também no estado líquido. Sendo assim, devido ao
efeito detergente do fluido refrigerante, ocorre à remoção de toda a película de lubrificação
das partes móveis do compressor, como conseqüência provocará sua quebra mecânica.
Golpe de líquido: Dano causado pela pressão hidrostática quando o compressor
tenta comprimir fluido no estado líquido, que pode ser fluido refrigerante, óleo ou uma
mistura de ambos.
Problemas de lubrificação: Problemas relacionados ao desgaste excessivo causado
pela falta de quantidade suficiente de óleo lubrificante nas partes móveis do compressor.
Contaminação do sistema: Material estranho resultando em desgaste específico
causando dano mecânico do motor ou aquecimento.
Umidade na instalação: Formação do “cooper plating” nas partes móveis
ocasionado pela ocorrência de temperaturas altas no compressor, em conjunto com a
presença da mistura de umidade, fluido refrigerante e óleo que produzem reações capazes
de atacar quimicamente tubulações de cobre, e principalmente os motores elétricos dos
compressores herméticos e semi-herméticos. Isso ocorre principalmente nas instalações
onde não foi realizada uma boa desidratação do sistema.
Sujeira da instalação: Decorrente da falta de cuidado durante a instalação do
sistema, ou de qualquer outra intervenção que ocorrer. Estas sujeiras são principalmente
26
limalhas e óxidos de cobre e ferro, provenientes da instalação onde não foram utilizados
cortadores de tubos adequados e gás de proteção durante a soldagem.
Temperatura de descarga elevada: Ocorre principalmente quando se trabalha com
um valor elevado de superaquecimento do vapor superaquecido na seção de sucção do
compressor, resultando-se na carbonização do óleo lubrificante e consequentemente a
quebra mecânica do compressor.
Problemas elétricos: Problemas de origem exclusivamente elétrica que podem
gerar falhas, como falta de fase da rede, sobre tensão, ou problemas elétricos causados por
danos mecânicos, como travamento, rompimento do enrolamento do motor por choque
com restos de outros danos.
Sporlan (2006) publicou em seu boletim técnico os efeitos da contaminação do
sistema de refrigeração e como isso afeta principalmente o elemento de expansão. Mesmo
não sendo um trabalho ligado diretamente a compressores, apresentou aspectos
importantes no tocante a contaminação de sistemas de refrigeração que foi utilizado na
análise de falhas desta pesquisa.
No trabalho da Sporlan é apresentado que os contaminantes são inseridos ou
gerados em um sistema de refrigeração durante a instalação, manutenção ou condições
operacionais inadequadas.
A contaminação por umidade é responsável pela formação de ácidos, borra de óleo,
“cooperplating” e corrosão. Na presença de umidade e calor, tanto o fluido refrigerante
quanto o óleo lubrificante que possuem flúor e cloro em sua formulação, podem se
dissociar criando ácidos. Estes ácidos são uma das razões de queimas dos motores elétricos
dos compressores, pois estes ácidos atacam o isolamento do enrolamento dos mesmos.
O material particulado, que são os óxidos metálicos, sujeira (pó), partículas
metálicas, borra de óleo e resto de fluxo de solda, são responsáveis por desgaste de
componentes do compressor e obstrução do dispositivo de expansão. Durante a instalação,
são deixados restos devido à imprudência do instalador como: restos de solda, óxidos de
cobre (falta de uma atmosfera inerte) e em particular de cobre (falta de preparação da
superfície).
A borra de óleo originada na decomposição do óleo, junto com outro contaminantes
como verniz e pó carbonoso, se depositam ao longo da tubulação causando restrição ao
fluxo de fluido refrigerante e entupimento do elemento de expansão.
27
2.3 – Observações
Trabalhos de confiabilidade de equipamentos mecânicos, principalmente de
equipamentos da indústria de refrigeração não são muitos, principalmente devido sua
complexidade e dificuldade de se obter uma fonte de dados confiável, e se separar e
organizar estes dados.
O modelo proposto na pesquisa aqui desenvolvida para compressores semi-
herméticos de sistemas de refrigeração não foi encontrado diretamente em nenhum outro.
No entanto estudos mais simples foram encontrados bem como estudos mais
complexos só que outros equipamentos.
A criação do FMEA completo para o uso da manutenção não foi verificada em
outros trabalhos, pois usualmente é utilizado para o estudo das falhas tão somente (nos
trabalhos de confiabilidade) abordando falhas, modos de falhas, causas e efeitos, enquanto
o estudo das ocorrências com o uso do diagrama de Pareto foi encontrado, todavia não na
análise de compressores herméticos e semi-herméticos.
O estudo da confiabilidade abordando diferentes distribuições estatísticas foi
apenas encontrado em um trabalho. Constatou-se que, para os trabalhos analisados, o
tratamento e posterior análise eram realizados apenas com o uso da regressão linear como
parâmetro para seleção da distribuição mais adequada.
No presente trabalho, a regressão linear é utilizada num primeiro momento para a
seleção da distribuição mais adequada, junto com métodos de verificação (como o
coeficiente de correlação) para depois se estimar os parâmetros com o método da máxima
verossimilhança.
No entanto muitos trabalhos abordam pontos como tempo de reparo e custo de
operação e manutenção, que por dificuldade de se obter dados adequados para o
equipamento aqui analisado não serão abordados.
28
3. - CONCEITOS BÁSICOS DE CONFIABILIDADE
O mundo está passando por mudanças de tecnologia cada vez mais rápidas. Este
rápido desenvolvimento, aliado com o crescente aumento da produção, tem como
conseqüência o aumento da competição em escala mundial acarretando em um aumento
nos padrões de consumo e segurança.
Neste contexto, as empresas se empenham cada vez mais para desenvolver sistemas
de gestão suficientemente fortes e flexíveis que lhes permitam produzir mais e com maior
qualidade, sem com isso aumentar os seus custos.
O conceito de confiabilidade se encaixa neste meio, pois a confiabilidade de um
produto tem, sob diversos aspectos, impacto na satisfação do consumidor, aparecendo em
muitos casos de maneira inconsciente durante a compra.
A confiabilidade também influi diretamente na produção, onde o tempo de parada
por quebras, desgaste e regulagens de equipamentos influenciam o custo final do produto
ou serviço, onde a manutenção tem papel essencial.
Com sistemas de refrigeração e climatização não é diferente, pois é um meio cada
vez mais competitivo, onde de forma geral não se trabalha com equipamentos
sobressalentes, e as paradas inesperadas causam perdas de produtos, elevado desconforto
térmico, quando não param toda uma produção, pois estes equipamentos fazem parte da
linha ou, de forma indireta, atuam na segurança dos funcionários e usuários.
Um fator essencial para uma definição lógica para qualquer conceito ou ferramenta
são precisão e clareza. Com a confiabilidade não é diferente, pois segundo Carter (1986) a
definição utilizada por instituições respeitáveis é uma forma de se conseguir confiabilidade
e não defini-la.
A seguir são apresentadas algumas entidades e suas definições para o termo
confiabilidade, a saber:
European organization for quality control (1965): Ӄ a medida da capacidade de um
produto funcionar corretamente, por um período e em ambiente definidos e é avaliada
como uma probabilidade” (Carter, 1986).
US military handbook (1970): ”A probabilidade que um item irá executar sua
função sobre determinadas condições e durante um determinado período de tempo”
(Carter, 1986).
29
UK Ministry of defense (1979): “A aptidão de um item em executar, ou ser capaz
de executar, uma determinada função sobre determinadas condições sem falhar por um
período de tempo estabelecido ou de operação é também expressa como uma
probabilidade” (Carter, 1986).
A definição da confiabilidade como uma probabilidade é muito interessante, pois
permite a sua quantificação de forma que possa ser entendida de forma mais ampla,
permitindo o uso das várias ferramentas estatísticas.
3.1 - Histórico
De acordo com Marais et al (2006), Samuel T. Coleridge foi o primeiro a utilizar o
termo “confiabilidade” quando, em 1816, escreveu em uma carta para um amigo, “ele
inspira confiança em todos a sua volta, que estão ligados a ele e com perfeita consciência,
(se tal palavra pode ser usada) com absoluta confiabilidade”.
Na década de 30, quando não se utilizava o termo confiabilidade, as primeiras
publicações sobre o uso de ferramentas estatísticas para incrementar a qualidade na
produção foram feitas por Walter Shewhart, engenheiro dos laboratórios Bell, todavia a
comunidade da época não deu a devida importância.
Antes da Segunda Guerra Mundial, o conceito de qualidade e produção em massa
já estava implantado, mas por causa do emprego de um precursor dos equipamentos
eletrônicos, a válvula ou tubo de vácuo (criado por Lee Forest em 1906), uma mudança foi
necessária, pois, durante a guerra, foi notado que as válvulas falhavam cinco vezes mais
que os demais equipamentos, incentivando o início de diversos estudos nesta área. Estes
estudos, que continuaram após o termino da guerra, podendo ser considerados o início do
estudo da confiabilidade como conhecemos hoje.
Em 1952, foi criada, nos Estados Unidos a AGREE, que era uma associação do
Exército com os fabricantes de equipamentos materiais eletrônicos. Em um relatório
publicado em 1957 são especificados os usos, aplicações e demonstrações da
confiabilidade, que, com isso, passou de um conceito para um método.
Paralelamente, ainda no começo dos anos 50, tanto o Exército quanto a Marinha
dos Estados Unidos seguiram com estudos cada vez mais profundos para resolver os
problemas de confiabilidade das válvulas. Nesta época, a Marinha contratou a ARINC
30
(Aeronautical Radio Inc.) para analisar seus dados de campo enquanto o Exército contratou
a Universidade de Cornell.
Em 1954, ocorre a primeira conferência de controle de qualidade e confiabilidade e
começa a ser publicado o jornal “IEEE Transactions on Reliability” que apresenta estudos
de casos e técnicas de projeto para incrementar a confiabilidade.
Já em 1956, a Radio Corporation of America, o maior produtor de válvulas dos
Estados Unidos, publicou o relatório conhecido como TR-1100, que apresenta modelos
analíticos para a estimação da taxa de falha de equipamentos e que acabou sendo o
percussor da Military Standard MH-217 de 1961.
Durante os anos 60, os esforços foram voltados para sistemas complexos como os
de armas (Aeronáutica) e nos programas espaciais Mercury, Gemine e Apollo.
Ainda nos anos 60, foi criado, pela Federal Aviation Administration, um grupo para estudo
e desenvolvimento de um programa de confiabilidade para a indústria aeronáutica (Pinto,
Xavier; 2005). Das várias conclusões atingidas pelo grupo, duas delas provocaram uma
reorientação nos procedimentos até então em vigor:
• Se um item não possui um modo de falha predominante e característica de falha,
revisões programadas afetam muito pouco o nível de confiabilidade.
• Para muitos itens a prática da manutenção preditiva não é eficaz.
No final desta década, as válvulas estavam sendo quase que totalmente substituídas
por outro componente da eletrônica, o transistor.
Nos anos 70, o estudo da confiabilidade seguiu em três frentes: segurança, no caso
de sistemas que envolviam grandes riscos como usinas nucleares, confiabilidade de
programas (software) e em contratos de garantia de produtos, este último foi
experimentado com sucesso pelo sistema de compras do governo dos Estados Unidos.
31
3.2 - Funções de confiabilidade e taxa de falha
Considerando a probabilidade como integrante da confiabilidade. É necessário se
destacar alguns elementos importantes (Carter, 1986):
a) Um desempenho especificado é esperado.
b) Ele é esperado apenas em determinadas condições de uso.
c) Ele é esperado durante um período de tempo determinado.
d) E a confiabilidade neste período é expressa como uma probabilidade.
Estes elementos estão listados de forma a favorecer o tratamento dos dados e cada
um deles pode abranger uma grande variedade de interpretações.
Para se poder ter uma estimativa da proporção total de itens que falham ao longo do
tempo até a falha do último item, recorre-se a distribuição acumulada F(t), onde:
).(1)( tRtF
−=
(1)
Sendo que R(t) é a função probabilidade acumulada da ocorrência de sobreviventes
(equipamentos que não falharam), probabilidade de sucesso ou confiabilidade.
Na sua forma mais elementar a taxa de falha é a taxa em que cada falha ocorre no
tempo, e pode ser expressa na forma:
dt
tdF )(
(2)
No entanto é usual expressar a taxa de falha
λ
(t) como uma proporção da população
de equipamentos sobreviventes no instante que a taxa se refere:
.
)(
)(
)(
tR
dt
tdF
t
=
λ
(3)
Onde R(t) é a proporção da população inicial que não falhou até o momento t.
.
)()(
dt
tdR
dt
tdF
−
=
(4)
)(
)(
)(
tR
dt
tdR
t
−
=
λ
(5)
32
Como
λ
(t), R(t) e F(t) são normalmente valores que variam com o tempo, o
símbolo (t) enfatiza o fato que cada uma das funções é função do tempo, mas deve ser
omitido quando a função não varia no tempo.
A função densidade de probabilidade f(t) é dada por:
dt
tdF
tf
)(
)(
=
(6)
Que é uma taxa definida, sendo que a proporção total esperada de falhas, acumuladas,
no intervalo T1 a T2 é dada por:
∫∫
2
1
2
1
)(
)(
T
T
T
T
dttfoudt
dt
tdF
(7)
Tal definição é importante na aplicação dos conceitos da estatística na
confiabilidade.
A importância real da taxa de falha,
λ
(t), pode ser demonstrada pelo produto de
λ
(t)
δ
t onde
δ
t é um pequeno intervalo de tempo. Aplicando isto na equação (3) temos:
.)(
)(
)(
tt
tR
tF
δλ
δ
=
(8)
Este produto representa:
a) A proporção de sobreviventes em um momento t de uma grande população
inicial que falha no próximo intervalo
δ
t; ou:
b) A proporção esperada de sobreviventes de uma amostra que falha no próximo
intervalo
δ
t; ou:
c) A probabilidade que um item individual que sobreviveu até o momento t irá
falhar durante o próximo intervalo
δ
t.
Em seu livro, Carter (1986) adota a Eq. (5) como sendo a de melhor entendimento
por aqueles que não estão familiarizados com o assunto.
A relação entre a função densidade de probabilidade f(t) e a função confiabilidade
R(t) fica:
)(
)(
)(
)(
)(
tR
tf
tR
dt
tdF
t
==
λ
(9)
33
3.2.1 - Curva da Banheira
A curva que representa a taxa de falha de um equipamento em função do tempo é
também conhecida como curva da banheira devido ao seu formato (vide Fig.02). Esta
curva representa o comportamento, ao longo da sua vida útil, de vários dispositivos
elétricos, mecânicos e sistemas, sendo determinada a partir de estudos estatísticos.
Figura 02 – Curva da banheira.
A curva da banheira apresenta três períodos distintos:
A. Mortalidade infantil: Há grande incidência de componentes com erro de aplicação
ou erro de instalação. A taxa de falha decai com o tempo.
B. Aleatória: A taxa de falha é sensivelmente menor e relativamente constante ao
longo do tempo. A ocorrência de falhas advém de fatores menos controláveis, como
fadiga por sobrecarga ou corrosão acelerada devido à interação dos materiais com o
meio. Este tipo de falha se caracteriza pela dificuldade de predição/prevenção.
C. Envelhecimento ou degradação: Há um aumento da taxas de falha decorrente do
desgaste natural (atrito, corrosão), que será tanto maior quanto mais passa o tempo.
Esta curva foi considerada por muito tempo como um padrão para o
comportamento de equipamentos e sistemas. Porém, a partir dos estudos elaborados pela
Federal Aviation Administration nos anos 60 e da possibilidade de uma boa atuação nas
fases que antecedem a entrada em operação dos equipamentos (projeto, desenvolvimento),
já não pode ser considerada como tal.
34
3.2.2 - Distribuições de probabilidade
Existem diversas distribuições de probabilidade e elas são utilizadas na modelagem
do comportamento das funções confiabilidade, densidade de probabilidade dos tempos de
falha e da função probabilidade ao longo do ciclo de vida de um produto. As principais
distribuições de confiabilidade são a normal, lognormal, exponencial e de Weibull.
Para se definir a função densidade de probabilidade é necessário se conhecer
algumas propriedades que definem o comportamento da variável aleatória em estudo.
Começamos definindo a variável aleatória X e os seus valores que podem ser
especificados como x. As propriedades da variável aleatória são tratadas em termos de
probabilidade. A primeira das principais probabilidades utilizadas para uma variável
aleatória, onde F(x) é a função distribuição acumulada de x é:
F(x) = P{X
≤
x}, (10)
A equação (10) indica a probabilidade de X ter um valor igual ou menor que x.
A equação (11) permite determinar a probabilidade com que X varia entre x e x+
∆
x:
f(x)
∆
x = P{x
≤
X
≤
x+
∆
x}, (11)
Sendo f(x) a função densidade de probabilidade de x. Como f(x) e F(x) são
probabilidades, ambas devem ser maiores que 0.
Estas duas funções de X são relacionadas e como x pode assumir valores entre
-
∞
≤
X
≤
+
∞
. A função distribuição acumulada é a integral da função densidade de
probabilidade para X
≤
x.
( )
( )
∫
∞−
=
x
dxxfxF
''
. (12)
Invertendo esta expressão e diferenciando obtemos:
( ) ( )
xF
dx
d
xf
=
. (13)
As distribuições de probabilidade f(x) e F(x) são normalizadas como segue:
primeiro verifica-se que a variável X varia entre a e b como na expressão:
35
( )
∫
a
b
dxxf
= P{b
≤
X
≤
a}. (14)
Agora, X deve assumir valores entre -
∞
e +
∞
.
P{-∞
≤
X
≤
+∞}=1. (15)
A combinação das equações (14) e b= -
∞
e a= +
∞
leva a:
( )
∫
∞
∞−
dxxf
= 1. (16)
Normalmente não é necessário ou possível se conhecer os detalhes da função
densidade de probabilidade de uma variável aleatória. Em muitos casos, basta conhecer
algumas de suas propriedades; sendo as duas mais importantes à média e a variância.
A média de x é definida como:
( )
∫
∞
∞−
=
dxxxf
µ
(17)
E a variância pode ser definida como:
( ) ( )
∫
∞
∞−
−=
.
2
2
dxxfx
µσ
. (18)
A variância é a medida da dispersão dos valores sobre a média.
Alem da média e da variância, outras duas propriedades podem ser utilizadas para a
função densidade de probabilidade, que são os coeficientes de assimetria e de Kurtosis.
O coeficiente de assimetria é definido como:
( ) ( )
∫
∞
∞−
−=
.
1
3
3
dxxfxsk
µ
σ
. (19)
Este coeficiente é a medida da assimetria da função densidade de probabilidade na média.
E o coeficiente de Kurtosis é definido como:
( ) ( )
∫
∞
∞−
−=
.
1
4
4
dxxfxku
µ
σ
. (20)
36
O coeficiente de Kurtosis é a medida da dispersão da função densidade de
probabilidade sobre a média.
Em estudos de confiabilidade, segundo Carter (1986), os principais modelos de
distribuição de probabilidade utilizados são normal, lognormal, exponencial e Weibull.
Freitas et al (1997) não utiliza em seu trabalho a distribuição normal e aplica a
distribuição de Pareto não como uma distribuição de probabilidade e sim como mais uma
ferramenta da qualidade. Diferentes autores ainda ressaltam outras distribuições como
Lewis (1996) apresenta a distribuição Dirac Delta e de Poisson e O´Connor (2002)
apresenta as distribuições gama e X
2
.
3.2.2.1 - Distribuição Normal
A distribuição normal também conhecida como Gaussiana, é segundo O´Connor
(2002) e Carter (1986), a mais amplamente utilizada, isto porque materiais naturais,
fenômenos biológicos têm um comportamento que pode ser representado por esta
distribuição.
Para Lewis (1987), esta distribuição representa equipamentos que sofrem desgaste
crescente, de forma que a taxa de falha apresenta uma curva crescente em função do
tempo. Esta distribuição pode ser verificada quando se observa o comportamento da vida
de ferramentas de corte durante a usinagem.
A forma geral da distribuição normal, suas propriedades e aplicações são muito
bem cobertas pelos livros de estatística (Carter, 1986).
A função densidade de probabilidade nesta distribuição é dada por:
( )
.
2
exp
2
1
)(
2
2
−
−=
σ
µ
πσ
t
tf
(21)
Onde
σ
é o desvio padrão da população,
µ
a média e t seguindo a pratica padrão é o
tempo. A função distribuição acumulada define-se como:
( )
.
2
exp
2
1
)(
2
2
dt
t
tF
t
∫
∞−
−
−=
σ
µ
πσ
(22)
A função confiabilidade é dada por:
37
( )
.
2
exp
2
1
1)(
2
2
dt
t
tR
t
∫
∞−
−
−−=
σ
µ
πσ
(23)
A taxa de falha é definida como:
( )
( )
.
2
exp2
2
exp
)(
2
2
2
2
dt
t
t
t
t
∫
∞−
−
−−
−
−
=
σ
µ
πσ
σ
µ
λ
(24)
Função Densidade de Probabilidade x Tempo
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0
Tempo
Função densidade de
probabilidade
Figura 3 – Função densidade de probabilidade da distribuição normal.
38
Confiabilidade x Tempo
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Tempo
Confiabilidade
Figura 4 – Função Confiabilidade da distribuição normal.
Taxa de Falha x Tempo
0
2
4
6
8
10
12
14
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
Tempo
Taxa de falha
Figura 5 – Função Taxa de Falha da distribuição normal.
3.2.2.2 - Distribuição exponencial
A distribuição exponencial representa uma situação onde a taxa de falha é
constante. Isso pode ser expresso matematicamente como:
=
)(t
λ
constante=
λ
(25)
39
Onde a constante
λ
é medida em (tempo)
-1
. A função confiabilidade é definida
como:
( )
ttR
λ
−=
exp)(
(26)
A função distribuição acumulada define-se como:
( )
ttF
λ
−−=
exp1)(
(27)
Assim a função densidade de probabilidade fica:
( )
ttf
λλ
−=
exp)(
(28)
Segundo Carter, as Eqs. (27) e (28) definem a distribuição exponencial negativa.
Função densidade de probabilidade x Tempo
0,00
0,05
0,10
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0
Tempo
Função dencidade de
probabilidade
Figura 6 – Função densidade de probabilidade da distribuição exponencial.
40
Confiabilidade x Tempo
0,00
0,50
1,00
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0
Tempo
Confiabilidade
Figura 7 – Função Confiabilidade da distribuição exponencial.
Taxa de Falha x Tempo
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0
Tempo
Taxa de Falha
Figura 8 – Função Taxa de Falha da distribuição exponencial.
Esta distribuição representa a faixa das falhas aleatórias da curva da banheira (vide
Fig. 2), pois apresenta uma taxa de falha constante.
Segundo Alkaim apud Smith (2003), durante a vida de uma aeronave os rolamentos
seguem esta distribuição de taxa de falhas.
Em seu livro Carter (1986) considera que o comportamento de equipamentos
(componentes) eletrônicos segue esta distribuição ao longo da vida.
41
3.2.2.3 - Distribuição Lognormal
A distribuição lognormal é bastante utilizada para caracterizar o tempo de vida de
produtos e materiais. A distribuição lognormal é a que melhor descreve o tempo de vida de
componentes semicondutores cujos mecanismos de falha envolvem interações químicas,
como as encontradas em processos de corrosão, acúmulo superficial de cargas elétricas,
degradação de contatos, sendo também adequada para mecanismos de fadiga em materiais
(Freitas, Colossimo; 1997). Para Carter (1986) esta distribuição é a que melhor define o
comportamento de equipamentos mecânicos sobre a ação de fadiga.
Na distribuição lognormal a função densidade de probabilidade é definida como:
.
loglog
2
1
exp
2
1
)(
2
0
−
−
=
α
πα
tt
t
tf
(29)
Onde
α
é o desvio padrão do logaritmo de t, t
0
é a mediana de t e t é o tempo de falha.
Função densidade de probabilidade x Tempo
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0
Tempo (t)
Função densidade de
probabilidade
Média de t = 3
Média de t = 1
Figura 9 – Função densidade de probabilidade da distribuição Lognormal.
42
Confiabilidade x Tempo
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0
tempo (t)
Confiabilidade
Média de t = 3
Média de t = 1
Figura 10 – Função Confiabilidade da distribuição Lognormal.
Taxa de Falha x Tempo
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0
Tempo (t)
Taxa de Falha
Média de t = 3
Média de t = 1
Figura 11 – Função Taxa de Falha da distribuição Lognormal.
3.2.2.4 - Distribuição de Weibull
A distribuição de Weibull foi proposta originalmente por W. Weibull (1951) em
estudos relacionados ao tempo de falha devido à fadiga em metais. Ela é frequentemente
empregada para descrever o tempo de vida de produtos industriais. Ela também descreve
adequadamente o tempo de vida de produtos formados de várias partes (elementos) cuja
43
falha ocorre quando a primeira parte falhar. Outra vantagem da aplicação da distribuição
de Weibull em aplicações práticas deve-se ao fato de ela apresentar uma grande variedade
de formas, todas com uma propriedade básica: a função taxa de falha é monótona. Isto
significa que ela pode ser crescente, decrescente ou constante (vide Fig. 20). Ela descreve
adequadamente a vida de mancais, componentes eletrônicos, cerâmicas, capacitores
dielétricos, etc. (Freitas, Colossimo; 1997).
Para Carter (1986), a distribuição de Weibull “é muito desejável, pois se tem em
mãos uma distribuição que pode representar qualquer curva de taxa de falha no tempo”.
Para esta distribuição temos que:
[ ]
)(
)(
)(
tR
tR
dt
d
t
−
=
λ
(30)
Que integrando:
( ) ( )
[ ]
∫
−=
dtttR
λ
exp
(31)
A expressão empírica que Weibull sugeriu em 1951 é dada por:
( )
∫
−
=
β
η
λ
o
tt
dtt
(32)
então:
.exp)(
−
−=
β
η
o
tt
tR
(33)
Rearranjando estas expressões temos:
.exp1)(
−
−−=
β
η
o
tt
tF
(34)
A função densidade de probabilidade pode ser escrita como:
.exp)(
1
−
−
−
=
−
ββ
ηηη
β
oo
tttt
tf
(35)
44
E a função taxa de falha:
.)(
1
−
=
−
β
ηη
β
λ
o
tt
t
(36)
Nas Eqs. (33), (34) e (35) só se deve aplicar valores de
( )
0
≥−
o
tt
. Para valores de
( )
0
<−
o
tt
, f(t) e
λ
(t) são zero, onde:
• t
o
é a constante de localização que define a origem da distribuição.
•
η
é a constante de escala, que estica a distribuição ao longo do eixo do tempo.
•
β
é a constante de forma, que primariamente controla a forma da curva.
Função densidade de probabilidade x Tempo
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0,014
0,016
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Te m po
Função densidade de probabilidade
Figura 12 – Função densidade de probabilidade da distribuição de Weibull com
β
de 1 a 3,5.
45
Confiabilidade x Tempo
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Tem po
Confiabilidade
Figura 13 – Função confiabilidade da distribuição de Weibull com
β
de 1 a 3,5.
Taxa de falha x Tempo
-0,01
0,01
0,03
0,05
0,07
0,09
0,11
0,13
0,15
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Tem po
Taxa de falha
Figura 14 – Taxa de falha da distribuição de Weibull com
β
de 1 a 3,5.
3.2.2.5 - Teste de adequação
Para a escolha da distribuição mais adequada para um determinado teste de
confiabilidade, pode-se empregar métodos estatísticos. O´Connor (2002) separa em três
46
testes de adequação para verificar a distribuição mais adequada, ou seja, X
2
(ou chi-
quadrado), Kolmogorov-Smirnov e mínimos quadrados.
Um teste versátil e comumente utilizado é o teste X
2
já que ele pode ser igualmente
aplicado para qualquer distribuição escolhida, desde que se possua um considerável
número de amostras disponíveis. Para se conseguir precisão, é necessário que se possua
pelo menos três classes de amostras, com pelo menos cinco amostras em cada uma.
A base para este método é a hipótese que, se uma amostra for dividida em “n”
classes, então os valores de cada classe serão normalmente distribuídos em sobre o valor
esperado, se a distribuição escolhida for correta.
A expressão para o calculo do X
2
pode ser expressa como:
( )
( )
.1
2
2
liberdadedegrausncom
Ei
Ex
X
ii
−
−
=
(37)
onde:
x
i
= Classificação do valor acumulado;
E
i
= Classificação do valor estimado acumulado para a distribuição assumida;
Caso a distribuição X
2
apresente um valor elevado (fora do percentil de 90%), ela
tende a resultar de uma hipótese duvidosa. Neste caso, esta hipótese é normalmente
descartada quando o grau de confiança se apresenta menor que o desejado. Sendo o valor
da distribuição inferior a este valor, a informação fornecida é insuficiente para rejeitar uma
suposta distribuição de dados (O´Connor, 2002).
Outro teste de adequação, comumente utilizado na confiabilidade é o teste de
Kolmogorov-Smirnov (K-S). Ele é tão simples quanto o teste X
2
e pode chegar a melhores
resultados com um pequeno número de amostras.
Também é conveniente utilizá-lo em conjunto com suas tabelas probabilísticas,
desde que ele seja baseado em uma classificação acumulada de informações. O
procedimento segue a seguinte seqüência:
1. Construir as tabelas para o calculo de (x
i
-E
i
);
2. Determinar o maior valor;
3. Comparar este valor com o adequado de K-S (tabela de probabilidade).
O teste de adequação dos mínimos quadrados é usado para medir a correlação
linear da amostra com a equação da reta que melhor se ajusta com os dados inseridos. A
linha que melhor se ajusta aos dados é chamada linha de regressão, e o coeficiente de
adequação que melhor se ajusta é chamado de coeficiente de correlação.
47
O coeficiente de correlação é dado por:
.
SxSy
S
r
xy
=
(38)
Onde as variâncias da amostra são:
( )
∑
=
−=
n
i
iz
xx
n
S
1
2
2
1
(39)
( )
∑
=
−=
n
i
iy
yy
n
S
1
2
2
1
(40)
sendo:
x
= média da variável x.
y = função de x.
A covariância é dada por:
( )( )
∑
=
−−=
n
i
iixy
yyxx
n
S
1
.
1
(41)
Onde x
i
e y
i
são as coordenadas da curva e a curva de regressão é dada por:
( )
xx
Sx
S
yy
xy
−=−
2
(42)
Se r for positivo isso indica que os dados são correlatos com uma curva de
regressão crescente e o inverso também é valido. Se
r
=1, a correlação é perfeita e todos
os pontos se encaixam na curva de regressão. No caso de r = 0, as variáveis não são
linearmente correlatas.
O coeficiente R
2
(r
2
) é comumente usado ao invés de r para indicar correlação, pois
ele se apresenta como uma forma mais precisa, particularmente com curvas probabilísticas,
e é chamado de coeficiente de correlação.
A regressão linear pode ser utilizada para dados que não são linearmente
correlacionados se os eixos forem transformados para linearizar a equação. Este método
também pode ser usado para avaliar o ajuste de adequação de curvas em papéis de
probabilidade, que são folhas graduadas (quadriculadas) em função da distribuição
desejada, utilizadas para simplificar o uso das distribuições estatísticas.
48
3.3 - Testes de confiabilidade
Testes de confiabilidade podem ser divididos em dois grupos: os testes
paramétricos e não paramétricos.
Os testes não paramétricos são aqueles onde os dados são analisados de forma
direta sem o uso de nenhuma distribuição estatística em particular. Esta análise é valida por
permitir entender e visualizar o comportamento a confiabilidade. Segundo Lewis (1986),
eles também servem como um primeiro passo para a tomada de decisão entre a escolha da
distribuição de testes paramétricos, fornecendo uma indicação visual de qual distribuição é
mais adequada.
Tanto os testes paramétricos quanto os testes não paramétricos podem ser divididos
em mais duas classes, ou seja, dados agrupados e não agrupados. Dados agrupados
consistem em um determinado número de itens falhos, e o tempo de falha separado por
períodos, de forma que não se conhece o tempo exato até a falha. Já os dados não
agrupados consistem em um número de itens e o tempo até a falha de cada um deles.
Dados não agrupados são típicos resultados de laboratório onde as amostras não são
grandes, mas as pessoas ou instrumentação são capazes de gravar o tempo exato até a
falha. Grandes amostras estão geralmente à disposição para testes (principalmente
equipamentos eletrônicos), mas nem sempre é viável se providenciar instrumentos para
gravar o tempo até a falha de todos. Uma forma de se resolver este problema é parando o
teste em intervalos e anotando-se os equipamentos que falharam.
Grandes amostras também podem vir de dados de campo, mas geralmente, são
constituídas de relatórios de manutenção ou bancos de dados de empresas. Estes dados
agrupados ou não normalmente precisam ser pré-analisados para se determinar o tempo de
funcionamento até a falha.
Para O´Connor (2002), os testes não paramétricos podem ser usados como testes
rápidos por serem matematicamente simples, antes de estudos mais detalhados,
principalmente antes de se selecionar uma distribuição de probabilidade para análise de
falhas.
Dados não agrupados consistem numa série de tempos de falha t
1
, t
2
, ..., t
n
para N
unidades em teste. Na nomenclatura estatística t
i
se refere à classificação estatística do
teste. A estimativa da função distribuição acumulada
( )
i
tF
ˆ
é:
49
( )
1
ˆ
+
=
N
i
tF
i
(43)
Como a função confiabilidade e distribuição acumulada são relacionadas por
R = 1 – F, a função confiabilidade estimada é:
( )
1
1
ˆ
+
−+
=
N
iN
tR
i
(44)
As equações da média e da variância estimada ficam:
,
1
ˆ
1
∑
=
=
N
i
i
t
N
µ
(45)
( )
2
1
2
ˆ
1
1
ˆ
∑
=
−
−
=
N
i
i
t
N
µσ
(46)
Para se estimar a confiabilidade, taxa de falha ou taxa de risco acumulada de uma
distribuição de probabilidade de uma amostra com dados agrupados inicia-se o teste pela
confiabilidade. O teste começa com N itens e o número de itens sobreviventes é tabulado
ao fim de cada intervalo de tempo M onde os dados são agrupados como t
1
, t
2
,..., t
i
,..., t
M
.
O número de itens sobreviventes é encontrado como sendo n
1
, n
2
,..., n
i
,... Como a
função confiabilidade é definida como a probabilidade do sistema operar com sucesso pelo
período de tempo t, a confiabilidade do tempo t
i
é:
( )
....,,2,1,
ˆ
Mi
N
n
tR
i
i
==
(47)
Para se obter curvas dos resultados do teste agrupado, deve-se estimar a média,
variância ou outra propriedade da distribuição.
A função densidade de probabilidade pode ser aproximada por um histograma, no
intervalo t
i-1
<t<t
i
e f(t) ajustada para:
,
1
iN
nn
fi
ii
∆
−
=
−
(48)
Onde o tamanho do intervalo é:
50
,
1 ii
tti
−=∆
−
(49)
A média fica:
∑
=
∆=
M
i
i
ifit
1
,
ˆ
µ
(50)
Onde
ti
= 0,5(t
i-1
+ ti), e a variância é estimada por:
.
ˆˆ
1
2
2
2
∑
=
−∆=
M
i
i
ifit
µσ
(51)
3.3.1 - Métodos para estimativa de parâmetros de distribuições probabilísticas
Uma análise de confiabilidade geralmente envolve modelos de distribuição que
possuem um ou mais parâmetros. Os valores destes parâmetros frequentemente não são
conhecidos, todavia, dados estatísticos podem fornecer uma estimativa destes parâmetros
de interesse.
Modarres (1993) sugere dois métodos de determinação de estimadores: o método
da máxima verossimilhança e o dos momentos.
O método da máxima verossimilhança permite uma formulação, a partir das quais será
possível obter estimadores para os parâmetros de uma distribuição. Tomados os tempos t
1
,
t
2
,..., t
n
como uma amostra de uma população de interesse, representada pela função
densidade de probabilidade f(t;
θ
), onde
θ
é o parâmetro da distribuição, a função
verossimilhança para uma amostra aleatória fica:
( )
∏
=
=
n
i
n
tiftttL
1
21
,)...,,,;(
θθ
(52)
O método da máxima verossimilhança consiste em avaliar
θ
ˆ
como estimativa de
θ
.
Logo para todo valor de
θ
:
( )
.,)
ˆ
,(
θθ
tLtL
≥
(53)
51
Desta forma, o único valor de
θ
na função L(t,
θ
), que satisfaz
θ
é o máximo valor
de L(t,
θ
), é estipulado
θ
ˆ
. Assim
θ
ˆ
é chamado de estimador máximo da verossimilhança de
θ
. Onde:
( )
,0
,
ˆ
=
∂
∂
=
θθ
θ
θ
tL
(54)
onde
θ
ˆ
pode ser obtido e nota-se que a expressão (56) é equivalente a:
( )
,0
,ln
ˆ
=
∂
∂
=
θθ
θ
θ
tL
(55)
Em certos casos, a expressão (55) pode ser resolvida analiticamente sendo que, na
maioria dos casos, deve ser resolvida numericamente.
O método dos momentos é baseado em equações de momentos da população para a
amostra. Para uma distribuição com m parâmetros, os momentos são equacionados para
gerar um sistema de m equações e m incógnitas. Este método é normalmente menos
preciso que o método da máxima verossimilhança, mas ele é muito utilizado em situações
que o método da máxima verossimilhança é difícil de ser aplicado.
3.3.2 - Ensaios censurados
Os testes realizados para obter as medidas de durabilidade de produtos são
demorados e caros. Por serem demorados, usualmente os testes podem terminar antes de
todos os itens terem falhado. Uma característica decorrente destes testes é então a presença
de observações incompletas ou parciais. O resultado do teste corresponde ao número de
ciclos até a falha, que é superior a um determinado número preestabelecido ou considerado
e estas medidas (observações) são ditas censuradas.
Ressalta-se o fato que, mesmo censurados, todos os resultados provenientes de um
teste de durabilidade devem ser utilizados na análise estatística. Duas razões justificam tal
procedimento. A primeira razão nos diz que, mesmo sendo incompletos ou censurados, os
dados disponíveis nos fornecem informações sobre o tempo de vida dos produtos. A
segunda razão diz respeito ao efeito da omissão das censuras nos cálculos das estimativas
das medidas de confiabilidade de interesse, pois se o objetivo for a obtenção da estimativa
52
do tempo médio até a falha de um produto, certamente obteremos um valor “viciado”, se
for levado em consideração apenas as medidas não censuradas.
Alguns mecanismos de censura são diferenciados em testes de durabilidade. A
censura por tempo ou do tipo I (ou pela direita), conforme apresentado na Fig. 21, pode ser
caracterizado quando algumas unidades (equipamentos) não falharam, e suas vidas úteis
são conhecidas apenas até o período que está sendo realizado o ensaio. Este tipo de ensaio
censurado começa quando algumas unidades são removidas do teste antes de falharem, e
continuam operando depois do período de análise, ou são removidas do teste ou serviço
porque falharam devido a uma causa diferente da simulada.
Já a censura por falha ou tipo II (ou pela esquerda), conforme apresentado na Fig.
21, é aquela em que o teste será terminado após ter ocorrido a falha um número
preestabelecido de itens sobre teste.
Ensaios censurados simples acontecem quando todas as unidades são acionadas
simultaneamente durante o teste e os ensaios são interrompidos e analisados antes que
todas as unidades tenham falhado.
Figura15 – Tipos de dados de confiabilidade. Fonte: Freitas et al (1997).
Na prática, o tratamento estatístico de dados oriundos dos três mecanismos de
censura é geralmente o mesmo. Por outro lado, existem vantagens de um tipo de relação
53
em comparação com outro, dependendo das condições que o teste será realizado e de
informações de histórico do produto em estudo.
A censura por falha, do tipo II, é geralmente usada quando não se tem muita ou
nenhuma informação sobre a durabilidade do produto em estudo. Desta forma garante-se
um número mínimo de falhas para realizar uma análise estatística dos dados adequada.
A censura por tempo (tipo I), por outro lado, é geralmente utilizada em combinação
com informações anteriores sobre o produto e nos permite planejar o tempo de duração do
estudo.
3.4 - Análise de confiabilidade de sistemas
Aqui será apresentada uma distinção em relação aos estudos de confiabilidade
citados até agora. Usualmente, nos estudos de confiabilidade, são incluídas todas as falhas
de um sistema ou equipamento e visam obter “a capacidade de um sistema ou equipamento
que está operando durante um determinado período sob determinadas circunstâncias”.
Sendo assim, pode-se entender que o que se busca são métodos quantitativos de análise.
No entanto, em muitos casos, uma análise qualitativa já é capaz de atuar na
confiabilidade de um equipamento, principalmente naqueles chamados de reparáveis (vide
Fig. 22) que são equipamentos onde se prevê ajustes, limpeza e substituição de
componentes ao longo de sua vida útil. Desta forma, prevê-se manutenção como item
fundamental para que estes equipamentos operarem durante o tempo esperado. Outra
abordagem é a de se aumentar a vida útil de equipamentos, principalmente aos submetidos
a condições severas de operação, ou seja, que operam em ambientes insalubres, com
sobrecarga controlada, entre outros.
54
Figura 16 – Histórico de um sistema reparável. Fonte: Leitch (1995).
Para Leitch (1995), atividades que asseguram a manutenibilidade de um
equipamento são diferentes daquelas que asseguram a confiabilidade, “manutenibilidade é
a probabilidade que um equipamento ser restaurado ao seu estado de funcional, em um
determinado tempo e ambiente”, ou seja, é o estudo dos tempos de reparo.
A Fig. 22 mostra o histórico de um típico sistema reparável. Nota-se que parte da
vida útil é utilizada em operação (períodos U
1
, U
2
,...,) e outra parte o sistema está sendo
reparado (períodos D
1
, D
2
,...). Nesta figura, pode-se observar que os tempos de reparo são
diferentes, e que no caso de uma manutenção não planejada, eles também são
imprevisíveis.
A disponibilidade segundo Modarres (1993) é a probabilidade de um equipamento
ou componente estar funcionando como planejado, quando for necessária sua utilização.
Segundo Pinto et al (2005), a disponibilidade é função da confiabilidade e da
mantenabilidade.
A disponibilidade de um equipamento é composta pelo tempo disponível para
produção dividido pelo tempo total, que é formado pelo tempo disponível para produção
acrescido do tempo de manutenção. Portanto, quanto menor o tempo de manutenção, maior
a disponibilidade de um equipamento.
Os métodos para se analisar a confiabilidade de sistemas podem variar, sendo que a
seguir são apresentados alguns dos mais relevantes, a saber:
• Modarres (1993) aborda o diagrama de blocos, FMEA/FMECA e a árvore de
análise de falhas (FTA).
• Leitch (1995) que realiza uma abordagem ligada ao projeto de equipamentos,
utilizando a FTA e o FMEA.
55
• Lewis (1996), que aborda a questão da segurança, lança mão do FMEA/FMECA,
árvore de eventos e FTA.
• Freitas et al (1997) aborda FMEA/FMECA e a FTA.
• Pinto et al (2005) descreve como ferramenta para analise de confiabilidade de
sistemas o FMEA, as Causas raízes de falha e a manutenção centrada em
confiabilidade (RCM).
Dentre estes trabalhos nota-se que os métodos que são mais utilizados na maioria
das abordagens são o FMEA/ FMECA.
Deve-se observar que, para a maioria destes autores, o FMEA e FMECA são
chamados de forma genérica de FMEA, pois entre estes dois métodos o único que é
considerado como um método quantitativo de confiabilidade é FMECA, como já será
abordado.
Segundo O´Connor (2002), o FMEA (FMECA) “é o método de análise de
confiabilidade mais amplamente utilizado e de maior eficácia em uso atualmente”.
Já de acordo com Freitas et al (1997), a ligação do FMECA com a confiabilidade
vem do fato desta ferramenta, juntamente com a árvore de análise de falhas (FTA), é a
única técnica de confiabilidade citada textualmente pelas normas ISO 9000, em particular
na norma ISO 9004, subitem 8.4 “Qualificação e validação de projeto”.
A diferença entre a análise de modos e efeitos de falha (FMEA) e a análise de
modos, efeitos e criticidade de falhas (FMECA), refere-se justamente ao “C” de
criticidade. Em outras palavras, este método é primeiramente um FMEA acrescido de
índices de ocorrência, gravidade, facilidade de detecção e risco.
Desta forma, apesar do FMEA ser considerado um método qualitativo, o FMECA é
considerado um método quantitativo de aumento da confiabilidade.
Em seguida, será explorado com mais detalhes o método do FMEA, que apesar de
ser um método subjetivo e qualitativo de aumento da confiabilidade, pode ser feito com
uma base de dados mais simples que a do FMECA.
3.4.1 - Análise de modos e efeitos de falha (FMEA)
Basicamente, a Análise de Modos e Efeitos de Falha (FMEA) parte da definição
das funções dos sistemas e subsistemas analisados, verificando em seguida as falhas que
afetam cada função e os principais modos de falha que levam a cada falha. Para cada modo
de falha, analisam-se os defeitos e defini-se a necessidade de ações para reduzir a
56
possibilidade de ocorrência deste evento, eliminá-lo ou, simplesmente controlar os efeitos
indesejáveis.
O FMEA é um sistema lógico que hierarquiza as falhas potenciais e fornece as
recomendações para as ações preventivas. É um processo formal que utiliza especialistas
dedicados a analisar as falhas e solucioná-las (Pinto, Xavier; 2005).
Dois tipos de FMEA surgiram desde seu desenvolvimento: o FMEA de projeto e o
FMEA de processo.
A diferença do FMEA de projeto e de processo está nos objetivos: o primeiro atua
durante o projeto do produto e por isso deve prever as falhas e modos de falha possíveis,
para com isso se corrigir ou retrabalhar o produto antes da produção, levando em
consideração todos os aspectos, desde mantenabilidade até aspectos ligados a segurança.
Segundo Nelson et al (1989), estudos da confiabilidade e do comportamento de um
equipamento durante o projeto podem identificar os pontos fracos e de potenciais falhas.
Com este conhecimento, o projetista pode criar alternativas e implantar mudanças
no projeto antes que o equipamento entre em produção e sejam necessárias mudanças de
ferramentas e processos. Se as deficiências não forem sanadas antes do equipamento ser
lançado, o número de alternativas do projeto economicamente viáveis é reduzido e as
mudanças se tornam muito mais custosas. No entanto, quanto mais cedo estas deficiências
forem identificadas e corrigidas, mais barato e eficiente será o equipamento.
Já o FMEA de processo, onde o produto já está definido, focaliza em como o
equipamento ou linha é mantido em operação. Sendo assim, as falhas e modos de falhas
têm ligação com o funcionamento, instalação e operação do produto.
Pinto et al (2005) ressalta o fato da manutenção estar ligada principalmente ao
FMEA de processo, pois é nesta fase que os equipamentos estão instalados e estão
operando. Esta aplicação se torna mais vantajosa com a análise das falhas já ocorridas,
devido à economia de tempo e objetividade na seleção e priorização das falhas.
Garcia et al (2005) aponta a importância do FMEA para direcionar a manutenção e
identificar as formas mais eficientes de operação e levantar as ações mais recomendadas
para aqueles pontos com altos potenciais de danos.
Segundo Cardoso (2000), o FMEA tem como uma de suas deficiências considerar o
avanço dos modos de falha isoladamente, não sendo possível avaliar os efeitos para a
combinação de diversos modos de falha ocorrendo simultaneamente. Ainda a ocorrência de
um determinado modo de falha pode afetar negativamente o desempenho do sistema que,
57
ocorrendo com outros modos de falha, podem amplificar seus efeitos, especialmente se os
modos de falha são interdependentes.
De forma similar, Freitas et al (1997) nota que FMEA é restrito quando considera
as falhas simultâneas do produto (ou processo), não fornecendo elementos para
quantificação da confiabilidade do produto (processo).
Em muitos casos, o FMEA é expresso utilizando-se termos como possível,
provável, importante entre outros, pois é muito difícil determinar precisamente os eventos
em estudo. Perda de rendimento é o caso onde geralmente se usa comparações qualitativas
(Xu et al, 2002).
A análise de FMEA manipula conceitos nem sempre usuais como taxas de falhas
associadas a um modo de falha específico e a sua execução sempre demanda tempo e
conhecimento sobre o equipamento (processo), embora sua aplicação possa ser
simplificada com o uso de ferramentas computacionais (Cardoso, Souza; 2004).
Para se melhor entender a construção do FMEA, Nelson et al (1989) sugere que
primeiro se divida os componentes mecânicos em classes funcionais, que podem ser de
várias formas (no caso de uma câmara frigorífica, esta pode ser dividida em equipamentos
de controle, elétricos e mecânicos). Depois se pode dividir o sistema no nível dos
componentes (ainda em relação à câmara frigorífica, seus componentes são condensador,
evaporador, compressor, elemento de expansão, isolamento, linha).
Assim as características básicas de cada componente podem ser examinadas,
levando em consideração as similaridades e diferenças entre cada um deles. Neste nível,
todos os componentes devem ser levados em consideração de forma flexível, analisando-se
seus vários usos, para desta forma o tornar mais adaptável ao ambiente que os mesmos irão
operar.
Como método, o FMEA tem diretrizes gerais as quais norteiam sua elaboração.
Desta forma, é necessário refletir sobre cinco questões a respeito do sistema
(equipamento) como base para elaboração do FMEA (Cardoso, Souza; 2004), a saber:
• Como cada componente do sistema pode falhar (quais seus modos de falha)?
• Quais os efeitos destas falhas sobre o sistema?
• Quão críticos são estes efeitos?
• Como detectar a falha?
• Quais as medidas contra estas falhas (evitar, prevenir a ocorrência das mesmas ou
minimizar seus efeitos)?
58
Para iniciar o trabalho com o FMEA, ainda deve-se definir mais alguns aspectos,
como:
o Quais são as funções deste equipamento, principal e secundarias?
o Quais as falhas pertinentes para este trabalho?
A análise, com base na metodologia de FMEA, fundamenta-se na execução de uma
tabela, a qual apresenta um número mínimo de informações para a execução de um estudo
adequado.
Usualmente na primeira coluna desta tabela apresenta-se a identificação do
componente, que seria um código ou numeração indicado pelo projetista do equipamento
analisado (sistema de TAG).
Na segunda coluna apresenta-se a descrição do equipamento que está sendo
analisado, podendo conter ainda outras informações como localização e características
adicionais.
Em uma terceira coluna descreve-se a função do componente indicando sua relação
com o resto do sistema.
Na quarta coluna descrevem-se os possíveis modos de falha que podem ser
apresentados pelo equipamento e em qual modo de operação do sistema (partida, uso
contínuo, desligamento). Aqui o modo de falha pode ser definido como a maneira pela qual
o item pode falhar (Freitas, Colosimo; 1997).
Entre as definições encontradas de modos de falha, ainda, pode-se citar a de
Cardoso apud O´Connor (2004): “Modo de falha é o conjunto de fatores e solicitações as
quais um equipamento esta sujeito durante a sua operação, que o levam a atingir o fim de
sua vida útil” ou a definição do próprio Cardoso “é o mecanismo pelo qual um item falha”.
Outra definição a ser mencionada: “Modos de falha são as categorias de falha que
são normalmente descritas” (Pinto, Xavier; 2005).
O conhecimento dos modos de falha permite o direcionamento do banco de dados
de manutenção, indicando para onde olhar e o que observar. Definindo-se os modos de
falha mais significativos, juntamente com as características estatísticas das falhas pode-se
não apenas padronizar um banco de dados, mas também orientar os envolvidos sobre o
nível de detalhamento exigido em cada caso, desta forma fornecendo diretrizes para a
tomada de decisões como a necessidade de substituições periódicas, revisões, monitoração
ou mesmo se concluir a impossibilidade de medidas antes do surgimento da falha (Cornet,
2004).
59
Os modos de falha, além de serem a maneira pela qual um item pode falhar, podem
ser denominados como determinada “falha” é popularmente conhecida.
Eventualmente poderão ser listados todos os possíveis modos de falha do
equipamento, pois dependendo do tipo de sistema em análise, do ambiente que o mesmo
irá operar, ou outras causas, apenas alguns modos de falha se aplicam ao caso em estudo,
devendo esta hipótese ser claramente especificada na folha de análise. Ainda segundo
Corrêa et al (2004) esta coluna deve conter registros de falha anteriores e a experiência
adquirida em casos análogos ou semelhantes.
Na próxima coluna (quinta) listam-se, de forma simples e concisa, todas as causas
ou razões possíveis que possam resultar ou originar o modo de falha considerado.
Causas são o meio pelo qual um elemento particular do projeto ou processo resulta em um
modo de falha (Pinto, Xavier; 2005).
Na seqüência da tabela (sexta coluna), são discutidas as ocorrências da falha, que
são denominadas de efeito de falha, ou seja, elas descrevem o que acontece quando ocorre
cada modo de falha. Os efeitos de falha devem descrever os efeitos locais (local), sobre
outros subsistemas (próximo nível) e sobre o todo (final). A descrição dos efeitos deve
conter todas as informações necessárias para suportar a avaliação da conseqüência da
falha, tais como:
• Qual a evidência, se existe alguma, de que ocorreu uma falha?
• De que modo ela é uma ameaça (se existe algum) à segurança ou ao meio
ambiente?
• Como ela (falha) afeta (se afeta) a produção e operação?
• Qual o dano físico causado pela falha (se é causado algum)?
Por exemplo: Em um caminhão de transporte de congelados, o travamento do
virabrequim do compressor da câmara frigorífica causa a falha do compressor no nível
local, e subsequentemente causa uma falha do sistema (toda a câmara), no próximo nível.
Isto provoca um atraso na entrega do alimento congelado, devido à parada para
manutenção, no nível final (Nutter et al, 2002).
Para completar ainda devem-se apresentar em outra coluna as possíveis formas de
se detectar um dado tipo de modo de falha, ou indicação que o mesmo está para ocorrer, de
forma a possibilitar a manutenção do problema e conseqüente minimização ou correção de
seus efeitos sobre o sistema.
60
A penúltima coluna da tabela mostra a classificação da severidade de um modo de
falha, a qual tem como efeito fornecer uma idéia qualitativa da gravidade do efeito do
modo de falha do componente do sistema como um todo. Vários trabalhos apresentam
opções de como classificar a severidade. Helman et al (1985), Freitas et al (1997), Palady
(1997) apresentam tabelas baseadas na norma MIL-STD-1629A que Cardoso et al (2004)
aplica como:
I. Catastrófica: um modo de falha que cause a interrupção do funcionamento ou perda
do sistema podendo causar inclusive mortes;
II. Crítica: um modo de falha que cause um dano severo ao sistema, ou grave
degradação na operação do mesmo, provocando redução em seu desempenho ou e a
ocorrência de ferimentos graves;
III. Marginal: Um modo de falha que cause ferimentos leves ou degradação moderada
no desempenho do sistema.
IV. Menor: um modo de falha que não cause ferimentos ou degradação no desempenho
do sistema, mas resulte na sua falha, exigindo manutenção não programada.
Nas tabelas citadas são atribuídos valores para cada grau de severidade indo de 1 a
10, sendo 1 para uma falha menor severidade e 10 para uma falha catastrófica. Estes
valores são divididos por faixas, podendo-se graduar a severidade dentro destas faixas,
como por exemplo, uma falha marginal pode variar de 3 a 4.
A última coluna deve ser preenchida com as ações a serem tomadas no caso da
identificação de um modo de falha, que esteja ocorrendo com o equipamento.
Se os modos de falha forem diagnosticados no início, pode-se implementar, na
maioria das vezes, ações que, sem a obrigatoriedade de substituição de componentes,
devem ser capazes de corrigir o problema. Desta forma, além da manutenção corretiva
(com troca de componentes ou substituição do total do compressor), as ações de
diagnóstico podem ser adotadas a fim de evitar gastos e paradas do equipamento.
O objetivo do FMEA é a construção de uma tabela de fácil consulta, onde se possa
verificar qual falha está ocorrendo (ou ocorreu) e a melhor ação a ser tomada, a fim de se
evitar ou pelo menos minimizar os danos ao equipamento. Os dados devem ser agrupados
em tabelas como mostrado na Tab. 1.
61
Tabela 1: Exemplo de tabela de FMEA.
3.4.2 – Diagrama de Pareto
Um diagrama estatístico, que permite a hierarquização de falhas e modos de falha
por ocorrência, verificando-se dados coletados em campo ou ensaios, muito útil é o
Diagrama de Pareto, que aliada ao FMEA, torna-se uma ferramenta que permite de uma
forma simples a definição de qual problema determinado equipamento é mais vulnerável,
aliando esta informação aos efeitos causados.
Este diagrama tem diversas aplicações. Para exemplificar isto se tem o trabalho de
Nutter et al (2002) onde foram coletados aproximadamente 170 dados de falhas de câmaras
frigoríficas de caminhões de transporte de alimentos congelados de diferentes idades e
condições. Neste estudo, o diagrama de Pareto foi usado para definir a ocorrência das
falhas destas câmaras, concluindo que 56% das falhas foram provenientes do compressor.
Sua origem vem dos estudos do economista italiano Vilfredo Pareto (1848-1923).
Durante seus estudos, Pareto notou que cerca de 80% da riqueza de Milão estava
concentrada com 20% da população (Evans, 1997).
A forma peculiar que ele apresentou seus dados recebeu mais tarde seu nome, mas
também é conhecida como curva 80/20. Entretanto, deve-se ressaltar que esta proporção
ocorre com freqüência durante a análise de várias situações cotidianas como: estoques,
atrasos de entregas, problemas de qualidade e falhas de equipamentos.
Esta constatação levou J. M. Juran a propor, na década de 1960, esta análise como
forma de se separar os elementos vitais, os elementos que mais produzem problemas
(Corrêa, Corrêa; 2004).
O objetivo do estudo é classificar os problemas que produzem os maiores efeitos e
priorizar sua solução.
Para isto se constrói uma tabela onde na primeira coluna se indica os equipamentos,
fornecedores ou falhas. Na segunda coluna indicam-se as quantidades de itens, ou seja, as
ocorrências dos itens da primeira coluna. Em seguida, é feita a totalização dos itens em
62
estudo sendo que o próximo passo é o calculo do percentual individual da ocorrência de
cada item da primeira coluna. Esta etapa consiste na divisão das ocorrências individuais
pelo total, sendo que o resultado é colocado na terceira coluna.
O próximo passo é a reordenação das linhas da tabela, de acordo com a ordem
decrescente das participações percentuais individuais (terceira coluna). Depois são
calculadas as participações acumuladas, e o resultado posicionado em uma quarta coluna.
Neste processo, a primeira linha do percentual acumulado é igual à primeira linha
do percentual individual. Dessa forma, a partir da segunda linha, os valores do percentual
acumulado são obtidos pela soma do percentual individual ao percentual acumulado
anterior (vide Tab. 1).
Os valores obtidos das participações individuais e das participações acumuladas são
traçados em um gráfico chamado gráfico de Pareto. As barras do gráfico são as
participações individuais de cada item no sistema enquanto que a curva indica a
participação acumulada.
63
4. – ESTUDO DE CASO
4.1 – Modos de falha de compressores alternativos
Como resultado do estudo realizado com a bibliografia disponível, acrescido do
conhecimento adquirido com a análise de ocorrências de falhas em campo, os principais
modos de falha dos compressores de sistemas de refrigeração foram definidos como:
Retorno de fluído refrigerante líquido: É uma das falhas mais comuns que
encontramos nos compressores que sofrem quebra mecânica e ocorre com o compressor
em operação em que o refrigerante líquido se mistura com o lubrificante alterando sua
capacidade de lubrificação. Esta falha se caracteriza principalmente quando o
superaquecimento do gás na admissão do compressor está baixo permitindo que o fluido
que deveria estar totalmente evaporado ainda apresenta líquido na entrada do compressor
na sucção.
Devido ao efeito detergente do refrigerante, ele é capaz de remover todo o filme de
lubrificação nas partes móveis do compressor. Consequentemente provocará o contato de
metal contra metal, gerando desgaste e quebra mecânica, cuja característica é que este
desgaste se manifestará de forma progressiva (vide Fig. 17).
Figura 17: Pistões desgastados por Retorno de líquido (Silva, 2004).
64
• Causas:
o Válvula de expansão imprópria (superdimensionada): uma válvula mal
dimensionada permite uma maior passagem de refrigerante líquido do que o
necessário, principalmente durante o funcionamento em carga parcial;
o Perda de eficiência da evaporadora do lado do ar, por formação de gelo e
incrustações: o fluxo reduzido de ar através de uma serpentina de expansão
direta acarreta no congelamento da mesma. A camada de gelo isola a
superfície de transferência de calor impedindo a correta evaporação do
fluido refrigerante;
o Má distribuição de ar na face da serpentina do evaporador (queima de
ventilador do evaporador): a má distribuição de ar ao longo da serpentina
pode ocasionar uma temperatura de sucção irregular, que acarreta em uma
flutuação da válvula de expansão gerando retorno de fluido refrigerante no
estado líquido.
o Excesso de fluido refrigerante no sistema.
• Efeitos:
o Devido ao efeito detergente do fluido refrigerante, este modo de falha é capaz
de remover todo o filme de lubrificação das partes móveis do compressor,
gerando desgaste progressivo e consequentemente sua quebra mecânica.
• Outros modos de falha que podem ser gerados:
o Partida inundada;
o Golpe de líquido.
Partida inundada: A migração de fluido refrigerante ocorre normalmente durante
as paradas do compressor, resultado da condensação de fluido refrigerante na parte do
sistema com temperaturas mais baixas.
O fluido refrigerante que circula como vapor é retido em forma de líquido, quando
se condensa no local com temperaturas mais baixas (geralmente este local é o compressor).
Isto irá continuar até que o sistema entre em equilíbrio em relação à temperatura e pressão
do fluido refrigerante. Sendo o compressor construído com uma grande massa de ferro
fundido, ele é normalmente o último a esfriar em uma parada e é geralmente o último
componente do sistema frigorífico a se aquecer. À medida que a temperatura ambiente é
65
elevada, conseqüentemente o compressor é o componente com temperatura mais elevada
do sistema após várias horas de parada do equipamento (vide Fig. 18).
Figura 18: Compressor com cárter congelado (Silva, 2004).
Este fluido condensado que se aloja no compressor tende a se misturar com o óleo
lubrificante, que possui grande afinidade pelo mesmo, tendendo a diluí-lo. Isto faz com que
o lubrificante perca grande parte de suas propriedades lubrificantes e causando muitos
outros problemas.
• Causas:
o Migração do fluido refrigerante, que se condensa, para o compressor
quando o mesmo se encontra como a parte com temperaturas mais baixas do
sistema.
o Falha dos ventiladores do evaporador e condensador.
o Falha do dispositivo de expansão.
o Excesso de fluido refrigerante no sistema.
o Retorno de fluido refrigerante líquido: o contínuo retorno de fluido
refrigerante no estado líquido causa o resfriamento excessivo do bloco do
compressor, acarretando a migração do fluido refrigerante que, por sua vez,
promove a chamada partida inundada quando o sistema é ligado.
66
• Efeitos:
o Diluição do óleo afetando sua capacidade de lubrificante principalmente
durante a partida, causando contado de metal contra metal gerando desgaste e
travamento das partes móveis.
o Espumação, se o fluido refrigerante no estado líquido estiver contido dentro do
compressor durante a partida, o óleo pode ser carregado em grande quantidade
para fora do compressor na forma de espuma. Isto acarreta uma perda de
lubrificação temporária até que óleo retorne ao compressor, depois de percorrer
todo o sistema de refrigeração.
• Outros modos de falha que podem ser gerados:
o Golpe de líquido;
o Problemas de lubrificação.
Problemas de lubrificação: A perda de óleo consiste no não retorno do óleo ao
cárter do compressor, impedindo assim a correta lubrificação ou o arrefecimento
suficiente, o que resulta na geração de calor e desgaste (vide Fig. 19).
Figura 19: Virabrequim com sinais de desgaste por problemas de lubrificação (Silva, 2004).
Se um projeto inadequado permitir que grandes quantidades de óleo sejam retidas
quando em carga mínima, o óleo poderá voltar como um golpe de líquido quando o
compressor voltar a trabalhar com capacidade mais elevada. O excesso de óleo lubrificante
tem o mesmo efeito.
67
• Causas:
o Ciclagem curta (muitas partidas durante um curto espaço de tempo): dificulta a
circulação do fluido refrigerante ao longo do sistema impedindo o retorno de
óleo suficiente ao compressor, e pode gerar espumação.
o Longos períodos de funcionamento com carga mínima: não permite a correta
circulação de óleo, pois o óleo retorna diluído no fluido refrigerante.
o Projeto inadequado de tubulação: a má disposição dos sifões de óleo na saída
dos evaporadores ou no início de tubulações ascendentes da linha de sucção,
falta de inclinação da linha de sucção em direção ao compressor ou inclinação
no sentido oposto em tubulações horizontais, desenho ou seleção errônea do
diâmetro da linha de sucção, não permitem o retorno do óleo junto com o fluido
refrigerante ao longo do sistema.
o Partida inundada, se o fluido refrigerante no estado líquido estiver contido
dentro do compressor durante a partida, o óleo pode ser carregado em grande
quantidade para fora do compressor na forma de espuma, resultando em um
problema de lubrificação.
o Superaquecimento excessivo, a falta de gás impede a correta circulação do óleo
lubrificante pelo sistema.
o Entupimento do filtro de óleo por impurezas.
• Efeitos:
o Falta de óleo no cárter do compressor impede a correta lubrificação dos
mancais dos componentes móveis, como virabrequim.
• Outros modos de falha que podem ser gerados:
o Golpe de líquido (retorno do óleo retido ou excesso do mesmo);
o Superaquecimento excessivo, gerado pelo aquecimento do compressor.
Golpe de líquido: Em compressores alternativos quando um grande volume de
líquido (que pode ser fluido refrigerante, óleo lubrificante ou ambos) se encontra dentro do
cilindro, o pistão não consegue expeli-lo pela válvula de descarga durante um pequeno
período de tempo durante a compressão. Portanto, ele cria uma pressão excessiva no
interior do cilindro. Esta pressão hidrostática cria excessivas cargas no pistão, que irá
transmiti-la através da biela, virabrequim, etc. até o mancal principal, até que um dos
componentes não agüente e falhe (vide Fig. 20).
68
Figura 20: Válvulas danificadas por golpe de líquido (Silva, 2004).
O contínuo retorno de fluido refrigerante no estado líquido causado pelo falta de
superaquecimento também causa a refrigeração do bloco do compressor. Quando o sistema
é desligado, o fluido refrigerante no estado líquido retido no bloco resfriado do compressor
causa um golpe de líquido quando o compressor é ligado novamente. Como muitos
sistemas de climatização operam com controle do tipo liga/desliga, o sistema pode ter
inúmeros golpes de líquido durante um dia devido ao retorno do fluido refrigerante no
estado líquido estar ocorrendo (vide Fig. 21).
Figura 21: Danos resultantes de um golpe de líquido (Silva, 2004).
69
• Causas:
o Retorno de fluído refrigerante no estado líquido;
o Partida inundada;
o Problemas de lubrificação;
o Excesso de óleo lubrificante no sistema;
o Excesso de fluido refrigerante no sistema.
• Efeitos:
o Quebra mecânica causada pela tentativa do compressor de comprimir líquido.
Superaquecimento excessivo: É gerado diante de uma elevada temperatura na
descarga do compressor. Ocorre principalmente quando se trabalha com um valor elevado
do superaquecimento do vapor de fluido refrigerante na sucção deste equipamento. As
temperaturas de descarga elevadas afetam a viscosidade do óleo e inclusive podem
carbonizá-lo. A diminuição na viscosidade do óleo ocasionará uma diminuição da
resistência da película lubrificante, a qual pode chegar a romper-se e permitir o contato de
metal contra metal, com o conseqüente desgaste (vide Figs. 22 e 23).
Figura 22: Válvulas carbonizadas (Silva, 2004).
70
Figura 23: Pistão com óleo carbonizado (Silva, 2004).
• Causas:
o Alta razão de compressão
∗
;
o Baixa carga de fluido refrigerante
*
;
o Controle de capacidade do motor abaixo do seu limite de projeto
*
;
o Restrição da linha de fluido refrigerante
*
;
o Contaminação por umidade, obstrução da linha
*
;
o Falha dos ventiladores do condensador, isto ocorre devido ao fato de não
ocorrer transferência suficiente do fluido refrigerante para o ar;
o Falhas do condensador, incrustações podem impedir a correta transferência de
calor, em equipamentos de refrigeração que trocam calor com um segundo
fluido (trocadores de calor casco tubo que podem utilizar água) a troca
insuficiente com este segundo fluido pode gerar o superaquecimento excessivo;
o Falha do dispositivo de expansão, uma válvula de expansão subdimensionada
pode impor uma elevada restrição ao fluxo desta forma alterando a troca de
calor no evaporador;
Segundo Silva (2004) “Cada uma destas causas leva ao mesmo resultado” baixo fluxo de massa
de refrigerante, como o calor gerado pelo motor e o atrito entre as partes girantes estão sempre presentes.
Qualquer condição que reduza a vazão de fluido refrigerante abaixo do especificado pelo projeto do
compressor tende a aquecer o fluido refrigerante e o compressor.
71
o Problemas de lubrificação geram calor que aquecem o fluido refrigerante e o
compressor.
• Efeitos;
o Perda da viscosidade do óleo que acarreta na falta de lubrificação das partes
móveis do compressor, gerando desgaste intenso, aderência de componentes e
carbonização do óleo.
o Quebra de válvulas por mudanças de propriedades devido ao calor.
o Desgaste do pistão por expansão térmica.
o Superaquecimento do compressor.
o Queima do motor elétrico.
• Outros modos de falha que podem ser gerados:
o Superaquecimento excessivo.
Contaminação por umidade: Práticas inadequadas quando realizadas durante a
instalação e manutenção (falta de cuidado, defeito de acabamento, falta de equipamentos e
insumos), permitem a entrada de ar úmido na linha de fluido refrigerante. Esta umidade
ataca a linha, componentes (corrosão), o fluido refrigerante e ainda pode acarretar a
formação de gelo que pode causar restrições de vazão do fluido refrigerante (vide Fig. 24).
Figura 24: Umidade presente no bloco do compressor (Silva, 2004).
72
• Causas:
o Ar introduzido no sistema durante a instalação ou manutenção da tubulação;
o Manuseio incorreto dos óleos lubrificantes do compressor durante a
manutenção, permitindo contato com umidade.
• Efeitos:
o Oxidação, corrosão, decomposição do fluido refrigerante;
o Calor excessivo devido à fricção;
o Desgaste das superfícies de contato.
• Outros modos de falha que podem ser gerados:
o Superaquecimento excessivo, devido a restrições na linha do fluido
refrigerante.
Contaminação por impurezas do ar: Materiais estranhos, tais como sujeira, fluxo
de solda, ou produtos químicos juntamente com o ar, resultam em desequilíbrios químicos
que provocam ruptura das moléculas de óleo. Esta condição aliada ao calor oriundo das
altas temperaturas de descarga do sistema e das temperaturas devido ao aumento da
fricção, pode resultar na formação de ácidos, incrustação ou ambos (vide Fig. 25).
Figura 25: Filtros de sucção entupidos (Silva, 2004).
73
• Causas:
o Ar com impurezas introduzido no sistema durante a instalação ou
manutenção da instalação da tubulação aliada a altas temperaturas;
o Manuseio incorreto dos óleos lubrificantes do compressor durante a
manutenção aliada a altas temperaturas.
• Efeitos:
o Formação de ácidos e incrustação (lodo) que aumentam a fricção e geram
desgaste.
• Outros modos de falha que podem ser gerados:
o “Copper plating”.
Contaminação por óxidos: A formação de óxidos ocorre quando o calor aplicado
pelo maçarico é realizado na presença de ar. Estes óxidos se acumulam no filtro de óleo
acarretando em uma perda de óleo.
• Causas:
o Ocorre quando o calor aplicado pelo maçarico é realizado na presença do ar.
• Efeitos:
o Entupimento do filtro de óleo causando perda de lubrificação.
Figura 26: Filtro de óleo entupido por óxidos (Silva, 2004).
74
Cooperplating: O cobreamento surge em duas fases. Primeiramente, o cobre é
dissolvido nos subprodutos de uma reação entre óleo e o fluido refrigerante. A quantidade
de cobre dissolvido é determinada pela natureza do óleo, pela temperatura e pela presença
de impurezas. Na segunda fase, o cobre dissolvido é depositado nas partes metálicas numa
reação eletroquímica (vide Fig. 27).
Figura 27: Bomba de óleo “cobreada” (Silva, 2004).
• Causas:
o Temperatura de descarga do fluido refrigerante muito elevada e presença de
impurezas.
• Efeitos:
o Cobreamento de superfícies das peças de tolerância rígidas que funcionam a
altas temperaturas resultando em desgaste e emperramento e na conseqüente
quebra mecânica de componentes.
Sobrecarga do motor elétrico: Há maior probabilidade de ocorrer uma sobrecarga
resultando na queima completa do motor elétrico quando o motor esta na posição parada.
No momento que o motor é energizado, as solicitações elétricas e mecânicas sobre os
enrolamentos são as mais fortes. Se nesta ocasião, a tensão for baixa ou o compressor
75
estiver mecanicamente travado, o motor se queimará se os componentes de proteção não
forem acionados a tempo (vide Fig. 28).
Figura 28: Motor queimado (Silva, 2004).
• Causas:
o Temperatura de descarga de refrigerante muito elevada;
o Falta de fase elétrica: a falta de corrente numa das fases de um motor elétrico
trifásico faz com que ele atue como se fosse monofásico. Isso faz com que as
duas fases resultantes trabalhem com corrente excessiva. Se os reles de
sobrecarga não desligarem o motor rapidamente, estas duas fases se queimarão;
o Sub e sobre tensão;
o Travamento por falha mecânica;
o Ciclagem curta, que causa o superaquecimento do motor elétrico;
• Efeitos:
o Queima do motor elétrico do compressor que acarreta parada total do
compressor.
Rompimento do enrolamento do motor elétrico: Fragmentos de metal resultantes de
falhas mecânicas podem ficar alojados nos enrolamentos do motor. Estes fragmentos
podem funcionar como ferramentas de corte, causando danos aos isolamentos do mesmo.
Este modo de falha pode surgir meses após a ocorrência da falha mecânica que originou o
fragmento. Outra forma de danificar de forma pontual o enrolamento do motor é com a
76
sobre correção do fator de potência (correção feita com o uso de capacitores no quadro
elétrico) que irá ocasionar um pico de tensão (vide Fig. 29).
Figura 29: Queima de um único ponto do enrolamento do motor (Silva, 2004).
• Causas:
o Ponto queimado (curto circuito) causado por um fragmento de palheta do
conjunto de placa de válvulas aspirado pela sucção do compressor;
o Ruptura do isolamento resultado de um esforço normal (variações de
temperatura causam expansão do cobre maior que a do isolamento).
o Pico de tensão resultante da sobrecorreção do fator de potência (estes
equipamentos trabalham sobra de potência no motor elétrico, quando a correção
feita com o uso de capacitores ultrapassa, o estabelecido pelo fabricante do
compressor, causa o aquecimento localizado do enrolamento do motor gerando
a queima).
• Efeitos:
o Queima do motor elétrico que acarreta parada total do compressor.
4.2 - Ocorrência dos modos de falha
Nesta parte do trabalho será apresentada a ocorrência dos principais modos de falha
de compressores alternativos.
77
A fonte das informações para a elaboração desta parte do trabalho foram os laudos
técnicos e de controle de uma grande empresa do setor de refrigeração comercial. Estes
laudos totalizam mais de 600 modos de falha que foram registrados no período de 2 anos.
Deve-se ressaltar que os modos de falha que serão utilizados podem ser
considerados apenas prováveis. Isto porque a empresa é a única a realizar a manutenção
dos compressores e na maioria das vezes não se possui dados referentes ao sistema que,
como foi notado anteriormente, tem grande influência sobre as condições de operação do
compressor.
O critério de separação dos modos de falha adotado é o que foi definido no item
anterior, ou seja:
• Retorno de fluído refrigerante líquido;
• Partida inundada;
• Problemas de lubrificação;
• Golpe de líquido;
• Superaquecimento excessivo;
• Contaminação por umidade;
• Contaminação por impurezas do ar;
• Contaminação por óxidos;
• “Cooperplating”;
• Sobrecarga do motor elétrico;
• Rompimento do enrolamento do motor elétrico;
A análise dos relatórios se mostrou um tanto quanto subjetiva. Isto ocorre, pois,
durante esta análise, foi notado que em diversos relatórios apresentavam-se indícios da
ocorrência de mais de um modo de falha. Em outros relatórios, verificou-se que, para um
modo de falha, mais de um efeito nos componentes foi constatado.
No primeiro caso foi atribuído ao modo de falha que se considerou o “culpado
imediato”, ou seja, o modo de falha que estava em estado mais avançado e apresentando
maiores danos. Como exemplo, pode-se citar que a ocorrência de um modo de falha com
características de um provável superaquecimento excessivo. No entanto, estavam claros os
danos causados por um golpe de líquido devido a excesso de óleo que pode ser atribuído a
problemas de lubrificação (excesso de óleo). Neste caso, considerou-se como modo de
falha o problema de lubrificação que foi a origem do golpe de líquido por ser mais severo
78
que o superaquecimento excessivo caracterizado pelo desgaste e indícios de temperatura
alta.
No caso dos componentes danificados que apresentaram indícios que podem ser
atribuídos a mais de um modo de falha, se levaram em consideração traços que
“geralmente” caracterizam apenas um dos casos, por exemplo: um golpe de líquido, que
gera elevados danos, pode ser atribuído ao retorno de líquido ou problemas de lubrificação.
Porém em muitos casos, no primeiro momento geralmente os pistões e anéis se
encontram desgastados (“arranhados”) junto com o cilindro ao qual pertencem, devido à
lavagem das paredes do mesmo pelo refrigerante líquido, que acarreta em falta de
lubrificação. Então no falta de outros indícios o modo de falha considerado foi o retorno de
refrigerante líquido.
Durante o processo de separação das diversas ocorrências de falhas, notou-se que
as categorias de falhas adotadas não eram as mais adequadas. Isto porque alguns modos de
falha não apresentaram ocorrência no período, em outros essa ocorrência foi muito
pequena. Ainda em outros casos, dada as suas características, as falhas se originaram de
outros modos de falha ou mesmo apresentaram danos aos componentes com características
semelhantes, que dificultam sua distinção, apesar dos modos de falha serem claramente
distintos.
Acrescente-se a isto a existência de casos que não se encaixavam em nenhuma das
categorias apresentadas, ou não foi possível definir a qual ele pertence, sendo necessário a
inclusão de uma nova categoria. Em função destas constatações, uma nova categorização
dos modos de falha foi realizada, a saber:
• Retorno de fluído refrigerante líquido, que engloba partida inundada;
• Problemas de lubrificação;
• Superaquecimento excessivo;
• Contaminação, que reúne: contaminação por umidade, por impurezas do ar, por
óxidos e cooperplating;
• Problema elétricos, que é a junção da sobrecarga do motor elétrico e rompimento
do enrolamento do motor elétrico;
• Defeitos de fabricação;
• Outros casos.
A análise das ocorrências dos modos de falha dos compressores alternativos será
analisada com o auxílio do diagrama de Pareto, apresentado a seguir.
79
Tabela 2 – Diagrama de Pareto para os modos de falha do compressor alternativo.
Observando a distribuição dos valores da Tab. 2, verifica-se que o comportamento
dos modos de falha não seguem a distribuição normal do diagrama de Pareto (a curva não
apresenta o formato característico de grande concentração de ocorrências por uma pequena
minoria de causas, como 80% das ocorrências em apenas 20% das causas), isto é devido ao
provável “vício” dos dados analisados, que podem ser tendenciosos, dada as características
da coleta dos dados.
80
Diagrama de Pareto
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
Retorno de fluído
refrigerante líquido
Problemas de
elétricos
Superaquecimento
excessivo
Problemas de
lubrificação
Defeitos de
fabricação
Outros casos Contaminação
Modos de falha
Ocorrência individual (%)
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
Ocorrência acumulada (%)
Participação individual (%) Participação acumulada (%)
Figura 30 – Diagrama de Pareto para os modos de falha do compressor alternativo.
81
4.3 - Aplicação do FMEA para compressores alternativos
A aplicação do FMEA em compressores alternativos semi-herméticos tem por
finalidade servir como estudo deste componente do sistema de refrigeração, de forma
que se crie um banco de dados dos principais modos de falha destes equipamentos, suas
causas, efeitos e junto com esta informação as medidas a serem adotadas no caso de uma
manutenção preventiva (na forma de inspeção) ou preditiva. Esta análise indicará dados
que podem ser monitorados e ações que podem, se o modo de falha for identificado no
início, evitar sua propagação e minimizar seus efeitos.
Este FMEA foi construído com base em informações coletadas na bibliografia já
citada. A base de dados onde se dispunha da ocorrência de diversos modos de falha dos
compressores alternativos foi adquirida por meio da análise de relatórios de manutenção
de uma empresa do setor de refrigeração. A análise desta base de dados permitiu avaliar
os principais modos de falha dos compressores semi-herméticos durante a sua operação.
Entre a bibliografia citada vale ressaltar os trabalhos de Copeland (2004) e Silva
(2004) que foram os mais completos encontrados. No entanto, deve-se observar que
trabalhos como o de Breuker et al (1998), no qual é realizado um estudo de aplicação de
sistemas de monitoramento de ciclos de compressão com compressores alternativos,
permitiu ampliar o escopo dos aspectos a serem analisados e que estão relacionados ao
monitoramento de falhas em compressores de uma forma geral.
Além disso, os trabalhos de Jourdan (2004), Gauge (2003), Tomezyk (2003B),
Schaub (2001), Ar conditioning, heating e refrigeration news (2000) indicam
características e efeitos de alguns dos modos de falha, como discutido no capitulo dois.
Estes trabalhos abordam alguns modos de falha e indicam medidas para
minimizar ou corrigir seus efeitos.
Para facilitar o preenchimento da coluna da severidade, foi atribuído um conceito
conforme a tabela abaixo.
84
Tabela 3 - Índices de severidade de modo de falha.
Índice Conceito
1 Falha de menor importância, o efeito quase não é percebido.
2 a 3 Provoca redução de desempenho e surgimento gradual de ineficiência
4 a 5 O equipamento sofrerá degradação progressiva, ineficiência moderada, queda
de rendimento (problemas para cumprir sua função).
6 a 8 O equipamento não desempenha sua função, baixa eficiência.
9 a 10 Falhas catastróficas (Interrupção do sistema) e podem ocasionar danos a bens e
pessoas
Esta tabela foi criada como uma simplificação da norma MIL-STD-1629A, para
facilitar a consulta e aplicação dos índices de severidade, pois uma das características
dos modos de falhas de compressores alternativos e sua ação gradual e crescente ao
longo da vida do equipamento.
No anexo deste trabalho se localizam as tabelas do FMEA realizado para
compressores alternativos.
A Fig. 31 representa o esquema de uma câmara frigorífica real onde é possível se
verificar a montagem dos sistemas de proteção como “pump dow” e acumulador de
sucção.
A extrapolação do uso deste FMEA (anexo 1) para os demais compressores
alternativos pode ser realizada conforme algumas observações anotadas na apêndice 2.
85
03
01- Compressor
02- Variador de freqüência
03- Tanque de armazenagem de líquido
04- Separador de óleo
05- Válvula KVR
07- Condensador
08- Válvula de serviço
09 - Válvula termostática
10 - Visor de umidade
11- Filtro
12 - Serpentina
13 - Válvula solenóide
14 - Válvula KVP
05
04
01
02
08
11
14
08 10 13 08 12
07
080908
06
06 – Acumulador de sucção
Área com fluido armazenado, durante a
parada prolongada, sistema “pump
down”.
Figura 31 – Esquema da distribuição dos componentes de uma câmara frigorífica real.
86
4.4 - Estimativa de confiabilidade de compressores semi-herméticos
alternativos de sistemas de refrigeração
Para se obter uma estimativa do comportamento da confiabilidade de
compressores alternativos, serão analisados dados coletados de campo durante o período
de um ano de vida destes componentes. Entre os componentes observados, foram
separados alguns que apresentavam uma boa relação de unidades produzidas com a
quantidade de falhas.
A distribuição de Weibull foi proposta originalmente para estudos relacionados
ao tempo de falha de produtos sujeitos a fadiga. Uma vantagem da aplicação da
distribuição de Weibull em aplicações práticas deve-se ao fato de ela apresentar uma
grande variedade de formas podendo compreender as outras distribuições citadas (Pinto,
Xavier; 2005).
A variação do parâmetro de forma β pode indicar algumas características da
distribuição de Weibull em estudo (O´Connor, 2002):
• β<1, indica que a taxa de falha diminui com o tempo. Comportamento de
equipamentos com elevada “morte infantil” como alguns programas eletrônicos
(Lewis, 1996).
• β=1, indica que a distribuição é semelhante à distribuição exponencial. Ou seja, a
distribuição é caracterizada por falhas aleatórias, no entanto pode indicar que os
dados são suspeitos, ou que a amostra esta comprometida. Componentes
eletrônicos podem assumir esta distribuição.
• β>1, sugere taxa de falha crescente ao longo da vida do equipamento.
Comportamento característico de equipamentos sujeitos a desgaste.
• β=2,5 a distribuição se assemelha a distribuição lognormal. Ela descreve o tempo
de vida de produtos e materiais, componentes semicondutores cujos mecanismos
de falha envolvem interações químicas, como as encontradas em processos de
corrosão, acúmulo superficial de cargas elétricas, degradação de contatos, sendo
também adequada para mecanismos de fadiga em materiais (Freitas, Colossimo;
1997) para alguns autores como Carter (1986) este comportamento é
característico de componentes mecânicos sujeitos a desgaste ("wear out").
87
• β=3,44 é semelhante à distribuição normal. Utilizada para materiais naturais,
fenômenos biológicos (Carter, 1986), equipamentos que sofrem desgaste
crescente no tempo (Lewis, 1996).
Este desgaste referido também chamado de “wear out” é um termo mais amplo
que somente desgaste, segundo Carter (1986) o wear out engloba:
• Erosão (ação mecânica);
• Corrosão;
• Fadiga;
• Degradação superficial;
• Envelhecimento;
• Fluência;
• Contaminação;
• Vazamentos
• Variação térmica;
• Desmontagem;
• Acúmulo de sujeira.
Sendo os compressores equipamentos eletro mecânicos com vários componentes,
os quais podem falhar de forma independente e afetar todo o equipamento, as
distribuições selecionadas para se efetuar o teste foram as distribuições de Weibull e
lognormal (vide capítulo 3.2.2 Distribuições de confiabilidade).
As demais distribuições, normal e exponencial, não se adequam para
equipamentos onde a taxa de falha pode ser decrescente ou não com o tempo. A
distribuição normal apresenta uma taxa de falha sempre crescente no tempo e a
exponencial a taxa de falha é constante no tempo.
A execução do teste foi feita no programa de confiabilidade de equipamentos
“Reliasoft Weibull ++”, para facilitar a análise.
O software Weibull++ da Reliasoft foi desenvolvido para realizar a análise de
dados de vida (Análise de Weibull) utilizando diversas distribuições de vida para
análises paramétricas, incluindo a distribuição Weibull com 1, 2 e 3 parâmetros, a
Weibull mista, gama generalizada, lognormal, exponencial e normal bem como modos
de falhas competitivos para todas a combinações destas distribuições.
Possui também diversas ferramentas de análise permitindo diversos tipos de
cálculos e relatórios gráficos, como estimadores de parâmetros e cálculos, geração de
88
gráficos e relatórios automatizados. Ele executa diversas outras análises como as de
garantia.
Como testes realizados para obter as medidas de durabilidade de produtos são
demorados e caros, pode-se optar por fazer uma análise de dados coletados em campo.
No entanto, alguns equipamentos duram relativamente muito tempo, no caso de
compressores de sistemas de refrigeração temos uma vida estimada em 20 anos.
Assim optou-se por fazer testes censurados pela direita, onde as vidas úteis dos
equipamentos são conhecidas apenas até o período que está sendo realizado o ensaio,
definindo-se os dados observados de um ano de funcionamento a partir da fabricação.
A razão deste tipo de teste é que, mesmo sendo incompletas, as informações
censuradas nos fornecem informações sobre o tempo de vida dos produtos.
Os equipamentos selecionados foram separados e organizados da seguinte forma:
Tabela 4 – Dados de entrada do programa de confiabilidade.
Os itens sobreviventes foram separados dos demais em função do mês de
fabricação do compressor e do mês em que ocorreu a falha.
Pelo método da regressão linear, através do comportamento estatístico da
amostra, consegue-se obter o comportamento da distribuição. Por esse método foi obtido
o coeficiente de correlação das curvas das distribuições lognormal e de Weibull,
verificando-se qual é a mais adequada.
Sendo o método dos momentos normalmente menos preciso que o método da
máxima verossimilhança, optou-se pelo segundo método para análise (vide capítulo 3.3.1
Método para estimativa de parâmetros de distribuições de confiabilidade).
Além dos gráficos de confiabilidade e taxa de falha em função do tempo, o
programa fornece os valores do tempo de vida médio do equipamento (“mean time to
failure”) e dados de confiabilidade para uma determinada parcela da amostra (95%,
85%).
89
Os dados utilizados no desenvolvimento deste trabalho foram dados coletados em
campo, onde não se possui controle de todas as variáveis do teste de confiabilidade, logo
muitos dos valores são estimados conforme algumas características do equipamento.
Para compressores alternativos semi-herméticos de sistemas de refrigeração
pode-se citar:
O tempo de operação dos compressores é estimado em dezoito a vinte horas por
dia. Valores como o número de partidas por hora dos compressores são avaliados de
forma qualitativa em virtude das características do equipamento, conforme apresentado
na Tab. 5.
Muitos dos dados de operação e da instalação dos compressores não são
conhecidos, portanto erros como falta de ventilação são novamente estimados. Os
compressores possuem diversos equipamentos de segurança (que podem ser
“desarmados”, ou seja, desligados rapidamente, nos casos de baixas e altas pressões ou
alguns problemas elétricos), todavia os mesmos podem ser burlados pelos usuários
acarretando em danos desnecessários.
4.4.1 - Considerações iniciais
Foram analisados compressores com um ano de vida dos quais foram separados
os que apresentavam uma boa relação de unidades produzidas por quantidade de falhas.
Os compressores selecionados podem ser verificados na tabela a seguir:
Tabela 5 – Compressores alternativos selecionados para o teste de confiabilidade
Os compressores selecionados apresentam algumas características distintas entre
si, estas diferenças serão citadas conforme surgem suas colunas na tabela.
90
A primeira esta na coluna chamada de OBS/ Tipo onde os compressores podem
se observados em dois grupos, compactos e normais. Os compressores se diferenciam
pelo fato dos compressores chamados de “compactos” apresentarem uma relação volume
ocupado deslocamento mais conveniente (menor) e menor peso. Mas estas não são as
únicas mudanças entre os dois tipos de maquinas os compressores compactos apresentam
otimizações no sistema de lubrificação eliminando alguns componentes.
Na coluna de aplicação pode-se verificar novamente a ocorrência de dois tipos de
aplicações, com um agrupamento distinto em relação ao encontrado na coluna das OBS/
Tipo. A aplicação chamada de congelados são os compressores usados em câmaras
frigoríficas enquanto que a aplicação chamada de altas e médias temperaturas são os
compressores de sistemas de ar condicionado (altas temperaturas), e câmaras de
resfriados (médias temperaturas). Câmaras de resfriados são normalmente encontradas
na forma de gôndolas de supermercado.
Essa diferença na aplicação destes equipamentos implica em mudanças na
instalação e projeto. Equipamentos usados para congelados têm um funcionamento mais
uniforme e funcionam mais horas por dia que os equipamentos de altas e médias
temperaturas. Estes últimos, no entanto apresentam um funcionamento mais intermitente
obrigando o compressor a executar um maior número de partidas por horas (que podem
gerar falhas). Por esses motivos, estes compressores apresentam motores elétricos de
maior potência para compensar esse aspecto de operação. Outro fator que altera as
características construtivas destes compressores é o fato deles trabalharem com um
fluido refrigerante mais denso, que permite o redirecionamento do fluxo de fluído
refrigerante da sucção para o motor (para assim melhor refrigerá-lo) e seqüencialmente
para o cárter e câmara de compressão.
Os compressores de congelados trabalham com fluido refrigerante mais rarefeito
que tornam esse mecanismo ineficaz, obrigando em muitos casos os usos de ventilação
extra (ventiladores de cabeçote), e o fluido refrigerante segue direto para o cárter.
Esses fatos podem ser observados nos compressores B e C que apresentam as
mesmas características construtivas do compressor, mesma vazão, mas potências
diferentes.
4.4.2 – Avaliação inicial das falhas
91
Na primeira alternativa testada no trabalho foi seguida a seqüência vista no início
do desenvolvimento deste capítulo.
Foi realizada a seleção da curva que melhor se adequa entre as distribuições
Lognormal e de Weibull, pelo método da regressão linear. A seleção foi feita tomando-se
por base o coeficiente de correlação (R
2
), onde se obteve os seguintes resultados:
Tabela 6 – Coeficientes de correlação.
Pode-se verificar que os coeficientes R
2
encontrados para os modelos de
compressor mostram uma variação pequena entre os distribuições de Weibull e
Lognormal. A maioria dos modelos é melhor representada pela distribuição lognormal e
somente os compressores modelos E e F têm uma melhor representação pela distribuição
de Weibull.
92
Com o uso do método da máxima verossimilhança foram então obtidas as curvas
de confiabilidade e da taxa de falha extrapolada para uma vida estimada de 240 meses ou
20 anos (vide Tab. 7).
Tabela 7 – Valores dos parâmetros encontrados para as distribuições Lognormal e de Weibull.
A Tab. 7 mostra os valores encontrados com o método da Máxima
Verossimilhança para os seguintes parâmetros das distribuições de confiabilidade:
• Lognormal: média e desvio padrão
• Weibull: parâmetro de comprimento e posição
Para ambas foi adotada como hipótese o período de um ano de operação dos
compressores alternativos em estudo.
A partir destes valores foram definidas as curvas com os dados de confiabilidade
e taxa de falha para o período de 240 meses de vida de cada equipamento.
O programa Weibull ++ permite gerar as curvas das distribuições de
confiabilidade utilizadas. Sendo assim, este programa foi usado para se obter
principalmente os parâmetros específicos de cada distribuição (β, η, µ e σ). Porém, para
uma maior facilidade de visualização e comparação dos dados, as curvas das
distribuições foram elaboradas em planilha eletrônica. No caso da distribuição de
Weibull, elas foram obtidas de forma direta, ou seja, os parâmetros foram introduzidos
Model
o
Lognormal Weibull
µ σ β η
A 3,73 0,89 2,4
7
33,04
B 5,95 1,89 1,1
6
223,70
C 5,65 1,67 1,4
3
145,31
D 4,00 1,09 1,9
5
42,96
E 5,93 1,66 1,5
9
146,54
F 7,11 2,27 1,0
8
435,14
G 3,75 0,98 1,9
9
38,22
93
em uma planilha para se criar as curvas da distribuição, sendo necessários poucos ajustes
e as correções de escala.
Já no caso da distribuição lognormal, a planilha eletrônica utilizada (Microsoft
Excel) não dispunha dos mesmos recursos e foi necessária a inserção das expressões
apresentadas no inicio deste trabalho (capitulo 3.2.2.3 - Distribuição Lognormal), e em
alguns casos uma aproximação foi necessária.
Para verificação das curvas encontradas as mesmas foram comparadas com as
fornecidas de forma independente pelo programa de confiabilidade utilizado. As curvas
encontradas são apresentadas na Figs. 32 e 33.
Confiabilidade x Tempo
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Tem po (m e s es)
Confiabilidade
Lognormal modelo A
Lognormal modelo B
Lognormal modelo C
Lognormal modelo D
Weibull modelo E
Weibull modelo F
Lognormal modelo G
Figura 32 – Curvas de confiabilidade encontradas para as distribuições Lognormal e de Weibull.
94
Taxa de falha x Tempo
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
0,050
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Tem po (m eses )
Taxa de falha
Lognormal modelo A
Lognormal modelo B
Lognormal modelo C
Lognormal modelo D
Weibulll modelo E
Weibulll modelo F
Lognormal modelo G
Figura 33 – Curvas da taxa de falha encontradas para as distribuições Lognormal e de Weibull.
Com base no FMEA de compressores alternativos, foram feitas observações
quanto ao comportamento dos modos de falha dos compressores alternativos semi-
herméticos abordando o uso dos mesmos pelo mesmo período de funcionamento (tempo
de operação) em câmaras frigoríficas.
Estas observações são referentes à ação dos modos de falha, ou seja, a sua
severidade ou a velocidade com que o mesmo se desenvolve ao longo do ano estudado.
Os modos de falha foram divididos em de ação lenta, quando sua ocorrência foi
preferencialmente verificada no final do ano, média quando a mesma eram mais
concentradas no meio e rápida quando era verificada usualmente no inicio do período.
No entanto foi necessário o uso de mais uma definição para os modos de falha
sem distribuição preferencial ao longo do ano, ou seja, os modos de falha aleatórios (que
compreendem a região dos modos de taxa de falha constante ao longo do tempo).
Alguns dos modos de falhas característicos destes equipamentos se mostraram
alterados em relação ao seu comportamento, verificado durante o estudo realizado para
análise de ocorrência.
95
Tabela 8 – Ocorrência dos modos de falha considerados para um funcionamento de 20 horas e 20
dias por mês.
A maioria dos modos de falha apresentou o comportamento esperado, para o
período adotado de um ano, como os associados a modos de falha de origem elétrica que
se comportaram de forma aleatória.
O comportamento associado à sobrecarga, também denominado golpe de líquido,
tem uma ação rápida pois a sua intensidade é muito maior. A maioria dos modos de falha
associados ao desgaste como retorno de fluido refrigerante líquido, partida inundada
(migração de fluido refrigerante) e contaminação dos diferentes tipos apresentam uma
velocidade de ação mais baixa, comparando-se com os demais modos de falha.
No entanto, observou-se um comportamento atípico para alguns modos de falha
caracterizados como de ação lenta, como o superaquecimento excessivo, que está
associado ao vazamento de fluído refrigerante. Este vazamento pode ter origem em erros
de manutenção ou operação. Verificou-se que este modo de falha apresentou um
comportamento de ação mais rápida e destrutiva, provavelmente devido a erros de
instalação ou projeto, afetando principalmente a ventilação e refrigeração do compressor.
Os problemas de lubrificação usualmente se apresentam como um modo de falha
de ação rápida, podendo ser facilmente associados a erros de projeto, como inclinação de
tubulações e colocações de sifões. Porém se estes problemas estiverem associados ao
aquecimento do fluído refrigerante, este modo de falha passa a agir de forma mais lenta.
Um modo de falha, que não faz parte do escopo inicial e que foi considerado, é o
defeito de fabricação. Este modo de falha, que pode vir a provocar falhas catastróficas,
pode ter sua origem associada, nestes compressores, a defeitos do material ou excesso de
folgas que acabam gerando desgaste.
As curvas e informações observadas no ensaio nos mostram que os compressores
podem ser divididos em três grupos distintos. Esta divisão foi feita com base na análise
96
do comportamento das curvas de taxa de falha e confiabilidade (Fig. 32 e 33). Um
primeiro grupo seria dos compressores dos tipos A, D e G, o segundo dos tipos B e C e
um terceiro com os compressores E e F, sendo que estes últimos apresentam um
comportamento quase distinto entre si.
Vale ressaltar o fato dos compressores dos tipos A, B, C, D e G apresentam uma
distribuição lognormal, que é típica de equipamentos mecânicos sujeitos a desgaste
(wear out). Os demais tipos apresentam um comportamento que não se distancia muito
desta distribuição, o que pode ser verificado pelo coeficiente de correlação avaliado.
O primeiro grupo dos compressores dos tipos A, D e G é composto por
componentes com comportamento descrito como tipicamente mecânicos sujeitos a altas
cargas em altos ciclos. Eles apresentam uma distribuição das falhas constante
aumentando no fim do período estudado. Seus principais modos de falha estão ligados a
modos de falhas mecânicos, apesar dos tipos D e G apresentarem modos de falha
elétricos. Isso pode ser interpretado no sentido de que a origem destas falhas elétricas
(sobrecarga do motor elétrico) tem origem mecânica (superaquecimento excessivo com
baixa intensidade), já que as mesmas apresentam uma ação mais lenta.
Todos os modelos analisados apresentam golpe de líquido como modo de falha.
Deve-se ressaltar que este modo de falha pode ser considerado como principal no
que se refere a análise feita para os tipos D e G. No entanto, com a consideração feita
acima pode-se admitir que os modos de falha dominantes têm menor velocidade de ação.
Este comportamento resulta em uma vida média pequena, até um quarto da
esperada, na ausência de manutenção.
O segundo grupo dos tipos B e C, onde se destacam como principais modos de
falha o superaquecimento excessivo intenso (B), perda de lubrificação (C) e golpe de
líquido, sendo este significativo em ambos. Estes modos de falha se caracterizam por
serem de ação rápida e se concentrarem no começo da vida do componente. Quando esta
forma de distribuição é extrapolada (Figs. 25 e 27) indica uma taxa de falha com rápido
decréscimo levando a uma vida média estimada muito longa, porem improvável. Este
comportamento aponta para desgaste de baixa carga e médios (B) e baixos (C) ciclos.
O terceiro grupo composto pelos compressores E e F tem como característica
principal o fato de ambos os modelos apresentarem parcelas significantes de
contaminação como modo de falha. Pela sua ação mais lenta; já que pelo período
considerado compressores que não sofreram manutenção têm como fonte inicial e única
de contaminação a própria instalação; a distribuição que melhor os representa é a de
97
Weibull. Os compressores do tipo E se assemelham ao comportamento de equipamentos
mecânicos sujeitos a altas cargas em altos ciclos (distribuição lognormal), provavelmente
porque seu modo de falha dominante é contaminação. Já os compressores do tipo F
possuem um coeficiente de forma da distribuição de Weibull próximo a um, que indica
não possuírem um modo de falha dominante. Verificando-se os modos de falha é fácil
notar que o único modo de falha que apresenta uma maior ocorrência é a sobrecarga do
motor elétrico, que pode ser interpretado como de ocorrência aleatória.
4.4.2.1 - Problemas encontrados
O´Connor (2002) alerta pelo fato de que diferenças menores que 5% não
necessariamente indicam que a distribuição apontada pelo teste de confiabilidade é a
mais adequada, exigindo do pesquisador uma análise mais detalhada das curva .
Isso fica claro depois de se comparar os dados da vida média esperada e dos
dados da confiabilidade no período de garantia dos modelos aqui analisados (vide Tab.
9).
Tabela 9 – Vidas estimadas dos compressores estudados.
A vida média estimada deve ser entendida como a vida do equipamento com uma
confiabilidade de 50% e é utilizada para ilustrar quão longa seria a vida dos
compressores baseando-se nestas distribuições selecionadas (vide fig. 35).
98
Vida esperada x Te m po
0,84
0,87
0,89
0,92
0,94
0,97
0,99
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Te m po e m m e s es de ope ração
Vida esperada com confiabilidade de
MODELO A
MODELO B
MODELO C
MODELO D
MODELO E
MODELO F
MODELO G
Figura 34 – Vida esperada dos compressores para o período com confiabilidade de 0,99 a o,85.
A Fig. 34 indica que para altos valores de confiabilidade a vida atingida pelos
compressores é próxima, e conforme seu valor decresce mais as curvas se distanciam
entre si, isto indica um comportamento mais próximo na região onde os pontos foram
interpolados que na região onde os mesmos foram estimados.
Nota-se na variação da confiabilidade em função do tempo que o comportamento
dos compressores tipos A, D e G é próximo dos tipos B e C e que as curvas dos tipos E e
F tem um comportamento distinto das demais e entre si.
No entanto apesar da confiabilidade dos compressores E e F serem distintas no
intervalo de até 0,85 de confiabilidade, verifica-se no gráfico de vida média estimada
(vide Fig. 35) que os mesmos se aproximam dos demais e quem se distancia são os
compressores B e C.
99
Vida estimada média dos compressores estudados
0,00
500,00
1000,00
1500,00
2000,00
2500,00
A B C D E F G
Com pre s sores
Vida estimada (meses)
Figura 35 – Vidas médias estimadas dos compressores estudados.
Observando a Fig. 35, pode-se notar que, apesar de válidas as considerações
realizadas somente sobre o comportamento dos modos de falha dos compressores e da
seleção das curvas de confiabilidade e taxa de falha, os valores do coeficiente de
correlação (com uma variação pequena) mostram um comportamento não esperado da
vida média de alguns compressores (modelos B e C), passando dos 1000 meses de
operação, sem se considerar manutenção.
Este fato pode ser decorrente destes compressores terem uma maior produção que
os demais apresentando assim uma baixa relação falha por equipamento produzido. No
entanto, o compressor com maior produção e número de unidades sobreviventes é o
modelo E, que não apresenta este aspecto destoante na avaliação da sua vida média.
Isso indica que dados considerados como menos relevantes, como algumas
peculiaridades construtivas e de uso, não devem ser negligenciadas e irão ser novamente
abordadas.
4.4.3 – Reavaliação dos modos de falha
100
As primeiras considerações realizadas levaram em conta o coeficiente de
correlação e os modos de falha verificados para cada equipamento. No entanto, notou-se
que essa não foi a melhor alternativa para seleção da distribuição de confiabilidade e
descrição do comportamento de cada componente.
Então uma nova opção foi feita excluindo-se da seleção o coeficiente de
correlação e observando-se com mais cuidado os modos de falha.
Uma observação que vale ser citada é o fato de não se incluir, diretamente nesta
seleção, as características construtivas mencionadas no início deste capítulo. Isto não foi
feito devido ao fato que as mesmas indiretamente já estarem incluídas no estudo através
dos modos de falha por elas influenciadas.
Neste ponto serão abordados alguns aspectos construtivos de cada modelo como:
tipo (compacto, normal), potência, diâmetro do pistão, curso do cilindro, sendo analisado
também a aplicação e, principalmente, os modos de falha verificados para cada modelo
(vide Tab. 10).
Uma ferramenta que será novamente utilizada é o diagrama de Pareto. Na
primeira parte do desenvolvimento deste trabalho, foram realizados estudos dos modos
de falha de compressores e sua ocorrência, no intuito de fornecer subsídios para
elaboração do FMEA desses equipamentos.
Neste ponto, o Diagrama de Pareto será executado com algumas mudanças, que
serão abordadas junto com os aspectos construtivos de cada modelo para permitir, de
uma forma individual, agrupar-se os compressores em grupos onde as diferenças de
maior relevância permitirão selecionar a distribuição mais adequada (Lognormal ou de
Weibull).
Tabela 10 – Características físicas e de aplicação dos compressores.
101
Nota-se na Tab. 10 que, pelas características do projeto, os compressores podem
ser divididos em um primeiro grupo com a seguinte divisão: compactos e normais. O
segundo grupo seria relacionado à aplicação, também com duas categorias: congelados e
altas e médias temperaturas.
Cruzando as informações dos dois grupos, os compressores podem ser reunidos
conforme suas características. Dessa forma, os compressores A e B são compactos e
aplicados para congelados, compressor C como compacto para altas e médias
temperaturas, compressores D, F e G são normais para altas e médias temperaturas e o
compressor E como normal para congelados.
Caracteristicas Construtivas dos Modelos de Compressor: Tipos de
Bloco
0
1
A B C D E F G
M ode los de com pr es sor
B1
B2
B3
B4
Figura 36 – Características construtivas/ tipos de blocos dos compressores.
A Fig. 36 apresenta os compressores por tipo de bloco, ou seja, eles estão
separados conforme suas características construtivas, podendo ser divididos em famílias
(as características destas famílias podem ser vistas na Tab. 10 e serão melhor abordadas
adiante).
Estas famílias possuem pistões, cursos e cabeçote semelhantes, podendo
apresentar motores e número de pistões distintos. Este último aspecto influencia
diretamente na vazão e potência do compressor, mas não necessariamente na sua
utilização em aplicações distintas. Em compressores geometricamente semelhantes que
102
se diferem apenas pela potência, a aplicação dos mesmos é distinta, como já foi discutido
quando apresentadas as diferenças de aplicações.
Caracteristicas Construtivas dos Modelos de
Compressor: Potência e número de cilindros
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
A B C D E F G
Modelo
Potência (W)
0
1
2
3
4
5
6
7
Número de cilindros
Potência (W)
Número de cilidros
Figura 37 – Características construtivas/ potência e numero de cilindros dos compressores.
Na Fig. 37, pode-se verificar a variação do número de cilindros e potência para os
diversos modelos. Como já mencionado anteriormente, os compressores, apesar de
diferentes em potência e geometria (volume deslocado de fluído refrigerante), podem ser
semelhantes em aplicação (exemplo dos modelos D e G), enquanto que compressores
com mesmo volume deslocado (B e C), podem apresentar aplicações distintas e como
conseqüência diferentes potências.
103
Caracteristicas Construtivas dos Modelos de
Compressor: Curso e diâmetro
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
A B C D E F G
Modelo
Curso do pistão
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
Diâmetro do pistão
Curso do pistão (mm)
Diâmetro do pistão (mm)
Figura 38 – Características construtivas/ potência e numero de cilindros dos compressores.
A Fig. 38 demonstra que compressores distintos podem apresentar geometria
semelhante com os modelos A e B, C ou como, os modelos E e F. Já os compressores D
e G, do ponto de vista de volume unitário (de cada cilindro) e aplicação, são iguais.
Porém verifica-se na Fig. 37, quando há aumento de potência do modelo G, nota-
se que este é proporcionalmente igual ao aumento da vazão devido ao seu maior número
de cilindros.
Agrupando as informações dos Fig. 36, 37 e 38, pode-se separar os compressores
em função de sua razão de compressão. Desta forma consegue-se unir a informação
contida nos três gráficos. Isso pode ser realizado pelo volume deslocado e pelas
características geométricas do projeto, se obtendo o cabeçote utilizado em determinado
modelo.
Agrupando-se os compressores pela razão de compressão tem-se o grupo 1
formado pelo compressor de modelo A, o grupo 2 com B e C, o grupo 3 com D e G e o
grupo 4 com os E e F. Nestas condições os compressores se caracterizam por geometria e
aplicação distintas.
Antes de se abordar os modos de falhas para a nova forma de agrupamento, será
analisada a sua ocorrência ao longo do período de garantia estudado. Nota-se aqui, que
os modos de falhas apresentam uma distribuição próxima da média ao longo do período
104
(abordando-se o conjunto), com maior concentração no segundo período. Todavia
quando se considera um compressor de cada vez, pode ser observado que nenhum deles
apresenta valores semelhantes.
Ocorrência de falhas ao longo da vida em garantia de cada
modelo
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
1 2 3
Período do ano
Ocorrência (%)
A
B
C
D
E
F
G
Figura 39 – Ocorrência de falhas ao longo da vida em garantia de cada modelo de compressor.
Depois de se apresentar os modos de falha que agiram em cada modelo de
compressor deste estudo, algumas simplificações podem ser efetuadas.
Os modos de falha com origem em contaminação podem ser agrupados (como já
comentado no anexo 1). Sua origem provável foi a própria instalação do equipamento.
Uma outra alternativa seria contaminação durante uma manutenção, pouco
provável dada a idade do equipamento. O efeito final verificado pelas diferentes formas
de contaminação pode ser entendido como um desgaste contínuo até uma falha
catastrófica.
Outro modo de falha que pode ser agrupado é o Golpe de Líquido. No Diagrama
de Pareto visto anteriormente, foi feita a união do golpe de líquido com seu modo de
falha de origem (vide anexo 1), sendo considerado o golpe de liquido como efeito.
Todavia, nessa parte do estudo é mais interessante a análise da ação e seu efeito, do que
a origem do modo de falha, podendo desse modo ser realizado o agrupamento dos
“Golpes de Líquidos” em um único modo de falha.
105
O efeito dos modos de falhas verificados no FMEA, apresentados no anexo, pode
ser dividido em: desgaste para modos de falha de ação menos agressiva e desgaste mais
acentuado, fadiga para modos de falha de efeito intermediário e de maior
progressividade, sobrecarga no caso específico do golpe de líquido que é um
comportamento distinto dos demais. Os problemas elétricos, como já estipulado, podem
ser definidos como aleatórios principalmente por serem independentes do equipamento.
Eles podem ser originados por fornecimento da rede de baixa qualidade ou tem
origem no erro humano (ver apêndice 1).
Outro fato de grande importância é o período do ano em que a falha ocorreu,
como podemos ver no FMEA no anexo 1. Muitos modos de falha são influenciados pelo
clima externo ao qual o equipamento é submetido. No entanto, os equipamentos aqui
analisados vieram de todas as regiões do Brasil, que apresenta, em seu território, grande
variação de temperatura devido a sua grande extensão. Com base nisto, há uma
imprecisão das informações contidas nos relatórios de manutenção. Portanto a análise
relativa ao período do ano não será realizada.
Alem disso deve-se notar que dados como o mês de fabricação não são
considerados na análise, pois, a produção dos compressores não é constante ao longo do
ano, a mesma se apresenta maior no segundo semestre no caso destes compressores.
Ocorrência x Modo de falha
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
Contaminação
Defeito de
fabricação
Elétrico
Golpe de líquido
Migração de fluido
refrigerante
Outros
Problema de
lubrificação
Retorno de fluido
refrigerante ...
Superaquecimento
excessivo
M odo de falha
Ocorrência
A
B
C
D
E
F
G
Figura 40 – Ocorrência dos modos de falha dos compressores.
106
Em seguida será feito um novo agrupamento dos compressores aqui analisados.
Para facilitar a visualização e entendimento, optou-se por apresentar os efeitos de cada
modo de falhas separadamente (efeitos em primeiro nível).
Modos de falhas como defeito de fabricação, contaminação, perda de lubrificação
e superaquecimento excessivo, foram considerados causadores de um desgaste menos
agressivo. Modos de falhas elétricos, como já discutido anteriormente, são considerados
aleatórios. Os efeitos do retorno de fluído refrigerante no estado liquido e da migração de
fluído refrigerante são considerados como fadiga ou um desgaste mais agressivo. O
golpe de liquido foi considerado gerador de sobrecarga mecânica do compressor e os
demais modos de falhas que não puderam ser englobados foram desconsiderados. Com
base nestas considerações, foi obtida a Fig. 41.
Ocorrência x Efeitos de falha
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
70,0%
80,0%
90,0%
100,0%
Falhas elétricas Sobrecarga
mecânica
Fadiga, desgaste desgaste de baixa
agressividade
Efe itos de falha
Ocorrência
A
B
C
D
E
F
G
Figura 41 – Ocorrência dos efeitos de falha dos compressores.
Com a informação dos efeitos dos modos de falhas, pode-se iniciar a seleção da
distribuição mais adequada para o comportamento destes efeitos para cada compressor.
Neste sentido, a distribuição lognormal é a que melhor descreve equipamentos
mecânicos sujeitos a fadiga, pois a mesma foi criada para esse fim.
O desgaste é melhor representado pela distribuição normal, mas tanto a
distribuição lognormal quanto a de Weibull, conseguem assumir a forma desta
distribuição satisfatoriamente.
107
Os problemas elétricos abordados como aleatórios são melhor descritos pela
distribuição exponencial, que pode ser representada fielmente pela distribuição de
Weibull. O mesmo pode ser dito pela ocorrência de sobrecarga, que indica uma taxa de
falha decrescente (quando ocorre apenas este efeito) e, é satisfatoriamente representada
por essa distribuição.
A seguir são apresentadas as considerações para a escolha da curva mais
adequada para cada modelo de compressor.
4.4.3.1 - Modelo A
Com base nas curvas obtidas para o modelo A, verifica-se que a distribuição mais
adequada segundo seus modos de falha e efeitos é a lognormal (como será abordado no
item 4.4.4 Curvas selecionadas). Este compressor apresenta elevada participação de
fadiga e desgaste entre os efeitos dos modos de falha. Sua taxa de falha da distribuição
de Weibull demonstra comportamento mais agressivo, que não é verificado pelos tipos
de modos de falhas encontrados, enquanto sua taxa de falha se comporta segundo a
distribuição lognormal.
Confiabilidade x Tempo
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Te m po (m e s es)
Confiabilidade
lognormal
Weibull
Figura 42 – Curvas de confiabilidade do compressor A.
108
Taxa de Falha x Tempo
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Te m po (m e ses)
Taxa de falha
lognormal
Weibull
Figura 43 – Curvas de taxa de falha do compressor A.
4.4.3.2 - Modelo B
O compressor B apresenta níveis maiores de confiabilidade segundo a
distribuição lognormal. No entanto, quando se observa a taxa de falha decrescente
apresentada por esse compressor nesta distribuição, verifica-se que a taxa de falha tende
a ser constante ao longo do tempo. Esta distribuição mostra-se a mais adequada, dado a
diversidade da ocorrência dos modos de falhas do equipamento, que apresenta desgaste
menos agressivo e sobrecarga como modos de falhas principais.
109
Confiabilidade x Tempo
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Te m po (m e ses )
Confiabilidade
lognormal
Weibull
Figura 44 – Curvas de confiabilidade do compressor B.
Taxa de Falha x Tempo
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Te m po (m e ses )
Taxa de falha
lognormal
Weibull
Figura 45 – Curvas de taxa de falha do compressor B.
110
4.4.3.3 - Modelo C
Como verificado para o compressor B, a distribuição que melhor se correlaciona
com o compressor C é a de Weibull. Isto pode ser explicado pois os efeitos dos modos de
falhas deste compressor apresentam a mesma ocorrência que o compressor B.
Confiabilidade x Tempo
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Tem po (m e s es)
Confiabilidade
lognormal
Weibull
Figura 46 – Curvas de confiabilidade do compressor C.
Taxa de Falha x Te m po
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Tem po (m e s es)
lognormal
Weibull
Figura 47 – Curvas de taxa de falha do compressor C.
111
4.4.3.4 - Modelo D
O compressor de modelo D apresenta grande ocorrência de sobrecarga, golpe de
liquido, e também possui elevada ocorrência de problemas aleatórios de origem elétrica.
Estes dois modos de falha são melhor representados pela distribuição de Weibull,
quando observada as curvas de taxa de falha e confiabilidade. Nota-se que novamente
para modos de falha mais agressivos, a curva a ser selecionada em função do
comportamento apresentado é a de Weibull.
Confiabilidade x Tempo
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Tem po (m e s es)
Confiabilidade
lognormal
Weibull
Figura 48 – Curvas de confiabilidade do compressor D.
112
Taxa de Falha x Tempo
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,016
0,018
0,020
0,022
0,024
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Te m po (m e ses )
Taxa de falha
lognormal
Weibull
Figura 49 – Curvas de taxa de falha do compressor D.
4.4.3.5 - Modelo E
No caso do compressor modelo E, ao verificar-se as curvas, os modos de falhas e
seus efeitos nota-se um comportamento similar ao do compressor C na maioria dos seus
aspectos. Logo a distribuição de Weibull se mostra a mais adequada para este tipo de
compressor.
Confiabilidade x Tempo
0,00000
0,10000
0,20000
0,30000
0,40000
0,50000
0,60000
0,70000
0,80000
0,90000
1,00000
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Tem po (m e s es)
Confiabilidade
lognormal
Weibull
Figura 50 – Curvas de confiabilidade do compressor E.
113
Taxa de Falha x Tempo
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0,014
0,016
0,018
0 50 100 150 200
Te m po (m e s e s )
Taxa de falha
lognormal
Weibull
Figura 51 – Curvas de taxa de falha do compressor E.
4.4.3.6 - Modelo F
O comportamento apresentado pelas curvas do compressor F é muito próximo ao
verificado no compressor B. Vale ressaltar que neste compressor seu principal modo de
falhas é o aleatório de origem elétrica. Isto pode ser facilmente compreendido por meio
da análise do comportamento da taxa de falha ser quase linear. Este comportamento é
ratificado ao observar-se o valor do parâmetro de forma da distribuição de Weibull, que
é praticamente igual um (1,08).
Confiabilidade x Tem po
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Te m po (m e ses)
Confiabilidade
lognormal
Weibull
Figura 52 – Curvas de confiabilidade do compressor F.
114
Taxa de Falha x Tempo
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Tempo (meses)
Taxa de falha
lognormal
Weibull
Figura 53 – Curvas de taxa de falha do compressor F.
4.4.3.7 - Modelo G
Dadas as semelhanças dos compressores D e G em vários parâmetros, este
segundo, como no caso do compressor D, é melhor representado pela distribuição de
Weibull.
Confiabilidade x Tempo
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Te m po (m eses )
Confiabilidade
lognormal
Weibull
Figura 54 – Curvas de confiabilidade do compressor G.
115
Taxa de Falha x Tempo
0,0000
0,1000
0,2000
0,3000
0,4000
0,5000
0,6000
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Tempo (meses)
Taxa de falha
lognormal
Weibull
Figura 55 – Curvas de taxa de falha do compressor G.
4.4.4 - Curvas selecionadas
Os compressores D e G apresentam semelhanças em quase todos os fatores
(razão de compressão, proporcionalidade na potência e aplicações), apenas divergindo
em sua construção. A ocorrência dos seus modos de falhas são similares (nos modos de
falha mais semelhantes), apresentando apenas pouca distinção pelo fato do compressor D
sofrer contaminação e o G, retorno de fluído refrigerante no estado liquido e migração de
fluido refrigerante, fatos que podem ser facilmente notados nas curvas de confiabilidade
e taxa de falha. O compressor D apresenta maior confiabilidade e menor taxa de falha,
também explicado, pois a contaminação tem efeito menos agressivo que os outros dois
modos de falhas.
Os compressores E e C são os que apresentaram as curvas de confiabilidade da
taxa de falhas com comportamento mais próximo entre si. Dos parâmetros analisados, os
dois apresentam a maior semelhança em relação aos modos de falhas, sendo que os
demais compressores apenas possuem em comum a aplicação, divergindo nos outros
pontos.
O compressor A apresenta a distribuição lognormal e não pode ser comparado
aos demais, principalmente pelo fato dos seus modos de falhas dominantes serem devido
116
à retorno de fluido refrigerante no estado liquido (fato apenas verificado neste
compressor). Seu comportamento está mais próximo ao dos compressores D e G. Isto
pode ser explicado inicialmente, pois estes compressores tem o mesmo tipo de aplicação
(altas e médias temperaturas de evaporação). Por isso, todos trabalham com fluído
refrigerante mais denso (principalmente com o modelo G), cujos modos de falhas tem
como efeito dominante a fadiga. Este modelo de compressor teve um comportamento da
taxa de falha que pode ser entendido como mortalidade infantil (vide desenvolvimento,
curva de banheira). Isto deveu-se ao fato que este compressor apresentou uma ocorrência
de elevado número de golpes de líquido no período inicial abrangido pelo estudo.
Os compressores B e F, não se assemelham em nenhum parâmetro estudado, de
comum apresentam apenas o fato de ambos sofrerem os efeitos de modos de falhas de
forma bem distribuída ao longo do ano, ou seja, com comportamento próximo do
aleatório ou randômico. Esse efeito é facilmente notado no compressor F, que apresenta
elevada ocorrência de modos de falha elétricos, que podem ser explicados no compressor
B pelo fato de seus modos de falha dominantes serem totalmente opostos. Ele apresenta
elevada ocorrência de superaquecimento excessivo, gerando desgaste moderado e golpe
de liquido que possui efeito agressivo de sobrecarga.
A menor taxa de falha apresentada por estes compressores pode ser explicada
pela elevada ocorrência de desgastes e destes modos de falhas conhecidos como
aleatórios. Enquanto, a maior taxa de falha pertence aos compressores D e G, que
apresentam elevados valores de ocorrências de sobrecarga (golpe liquido) e baixos
valores de ocorrências de modos de Falha que geram desgaste moderado ou leve.
117
Confiabilidade da distribuição mais adequada x Tempo
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Te m po (m es es)
Confiabilidade
A
B
C
D
E
F
G
Figura 56 – Curvas de confiabilidade selecionadas dos compressores.
Taxa de falha da distribuição mais adequada x Tempo
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
0,050
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0
Te m po (m e s e s )
Taxa de falha
A
B
C
D
E
F
G
Figura 57 – Curvas de taxa de falha selecionadas dos compressores.
118
4.4.5 - Considerações finais
Uma consideração inicial quanto ao comportamento dos modos de falha de
compressores semi-herméticos de sistemas de refrigeração, é que este varia conforme a
aplicação do equipamento. Verificou-se também que os modos de falha dos
compressores são melhor descritos ou representados pela curva de taxa de falha,
enquanto que a curva de confiabilidade descreve melhor as divisões baseadas nas
características construtivas, principalmente a razão de compressão.
Usualmente adota-se, para efeito de referência em estudos de confiabilidade, a
vida estimada com confiabilidade de 0,90 para definição do período de garantia de
equipamentos mecânicos no geral. Dessa forma, realizou-se este cálculo e os valores
encontrados para os compressores em estudo estão apresentados na Tab. 11. Verifica-se
que para este nível de confiabilidade adotar-se a distribuição lognormal ou Weibull é
indiferente, a menos do compressor F que apresentou uma variação significativa devido
aos seus modos de falha se comportarem de forma aleatória.
Tabela 11 – Vida estimada do compressor com uma confiabilidade de 0,90(os valores destacados na
tabela assinalam a distribuição adotada em cada modelo).
Vida para confiabilidade de 0,90
Modelos
Distribuição adotada
Lognormal Weibull
A 1,1 1,1
B 2,8 2,7
C 2,8 2,5
D 1,1 1,1
E 3,7 3,0
F 5,6 4,5
G 1,1 1,1
Vida estimada em anos
Pode-se concluir que a totalidade dos compressores estudados cumpriria o
período de garantia de 1 (um) ano com vida estimada com uma confiabilidade de 0,9.
119
5. - Conclusões
5.1 – Considerações sobre o trabalho
Existem diversos trabalhos envolvendo a confiabilidade para equipamentos
eletro-eletrônicos, no entanto equipamentos mecânicos no geral são complexos e difíceis
de serem modelados. Sendo assim se possui pouca informação disponível e organizada
para uma metodologia de análise.
O uso das ferramentas da confiabilidade para sistemas de refrigeração é ainda
mais raro, todavia foram encontrados alguns trabalhos que abrangem este tema. No
entanto observou-se que um mesmo modo de falha é abordado de forma diferente
conforme cada autor. Myrefelt (2004) considera os modos de falha de todos os
componentes de sistemas de refrigeração como aleatórios, Yan-Qiao et al (1996) os
analisa com a distribuição de Weibull e Nutter et al (2002) trata todos os compressores
como equipamento eletromecânico que seguem a distribuição lognormal.
A análise da forma como proposta para a pesquisa aqui desenvolvida onde se
avalia as principais ocorrências de falhas em equipamentos de refrigeração,
principalmente compressores, só foi encontrada no trabalho de Nelson et al (1989), onde
é apresentada uma metodologia para auxiliar os projetistas destes componentes com o
uso de ferramentas da confiabilidade.
Constatou-se durante a revisão bibliográfica um pequeno número de estudos
sobre a ocorrência de falhas de compressores alternativos de sistemas de refrigeração. Os
dois mais completos disponíveis foram realizados por fabricantes na forma de material
de apoio ao pessoal do setor de manutenção.
Constatou-se que a origem da maior parte dos modos de falha em compressores
está relacionada com deficiências do projeto do sistema ou de sua operação. Portanto,
quando uma falha não é encontrada e o compressor é apenas substituído, é muito
provável que o mesmo problema ocorra novamente.
O modelo proposto neste trabalho para compressores semi-herméticos de
sistemas de refrigeração não foi encontrado explicitamente em nenhum outro trabalho na
revisão bibliográfica realizada. No entanto, estão disponíveis estudos mais simples ou
mais complexos, porém envolvendo outros equipamentos da área de refrigeração.
120
A aplicação do FMEA completo em manutenção não foi encontrada em
quaisquer outros trabalhos. Usualmente este recurso é utilizado nos trabalhos de
confiabilidade para o estudo das falhas, modos de falhas e suas causas e efeitos. O estudo
de ocorrências com o uso do diagrama de Pareto foi encontrado, todavia não na análise
dos compressores aqui apresentados.
O estudo da confiabilidade abordando diferentes distribuições estatísticas foi
apenas encontrado em um trabalho, onde foi utilizada apenas a regressão linear. No
presente trabalho, a regressão linear é realizada num primeiro momento para a seleção da
distribuição mais adequada, junto com métodos de verificação (como o coeficiente de
correlação) para depois se estimar os parâmetros com o método da máxima
verossimilhança.
A confiabilidade mostrou-se uma importante ferramenta para a manutenção, pois,
através do FMEA e da revisão dos principais modos de falha e do estudo de
confiabilidade propriamente dito, foi possível notar que estes equipamentos necessitam
de manutenção para que possam atingir sua vida esperada.
Mesmo não se podendo corrigir todos os modos de falha, antes deles se tornarem
falhas, a manutenção surge como uma importante forma de minimizar seus efeitos.
A manutenção preventiva se faz necessária, principalmente na forma de inspeção
de parâmetros de operação, limpeza e regulagem dos equipamentos, pois estas máquinas
variam conforme o comportamento do sistema onde estão instaladas e este varia
conforme a aplicação, características climáticas da região e do uso. Deve-se ressaltar que
não foram abordados os aspectos relacionados com elementos de desgaste ou
consumíveis em compressores. Isto provavelmente mudaria o comportamento verificado
nas curvas de confiabilidade e exigiria uma ampliação significativa do escopo do
trabalho apresentado.
Neste ponto confirma-se a importância do Diagrama de Pareto para
hierarquização dos modos de falha e do FMEA como fonte de informação para o
estabelecimento de rotinas e procedimentos. Os parâmetros de operação a serem
observados, os intervalos entre as inspeções e mesmo os pontos mais vulneráveis do
sistema de refrigeração não só do compressor alternativo, podem ser conseguidos com
estas análises.
A manutenção corretiva em muitos casos é a única que pode ser aplicada, e pode
ser otimizada com a elaboração de procedimentos e treinamento do pessoal de
121
manutenção e operação. Parte dos modos de falha apresenta comportamento aleatório e
somente esta modalidade de manutenção se mostra efetiva. No entanto, estes modos de
falha, como pode ser verificado no FMEA, permitem o uso de dispositivos de proteção.
Para a manutenção preditiva existem duas vertentes: uma para equipamentos
simples de baixa responsabilidade e outra para equipamentos de alto custo ou elevada
responsabilidade. No segundo caso, o investimento em sensores e sistemas inteligentes
de monitoramento e controle é imprescindível, e os custos devem ficar em segundo
plano. Já no primeiro caso, o custo se mostra de maior importância, pois os
equipamentos e sistemas de proteção podem facilmente ultrapassar o valor do próprio
sistema de refrigeração. Neste caso aplica-se o que foi proposto por Braun (2003) onde é
utilizado um sistema simples monitorando apenas pressão e temperatura na entrada e
saída dos principais equipamentos instalados (compressor, evaporador e condensador).
Com este monitoramento associado à metodologia do FMEA é possível realizar ações de
manutenção preventiva e preditiva de forma menos onerosa, aumentando a autonomia do
encarregado da manutenção.
5.2 – Conclusão: Resumo dos resultados
O objetivo deste trabalho foi realizar um estudo das principais falhas, modos de
falha de compressores semi-herméticos alternativos de sistemas de refrigeração, suas
ocorrências e o comportamento destes equipamentos no seu período de garantia sob a
ótica da confiabilidade. Ele foi atingido a partir do levantamento das principais falhas e
modos de falha de compressores alternativos semi-herméticos na literatura disponível.
Com estes dados e os relatórios de manutenção obtidos junto a uma empresa de
manutenção, foram realizados levantamentos de campo da ocorrência das principais
falhas e modos de falha aos quais estes equipamentos estão sujeitos.
Com este levantamento foi possível a execução de um diagrama de Pareto, para
esclarecer quais os modos de falha são mais comuns nos compressores estudados
(Retorno de fluido refrigerante no estado líquido e Superaquecimento excessivo) e
portanto devem ser cuidados com maior atenção pelo pessoal responsável pela
manutenção.
Na seqüência foi realizado um estudo dos modos de falha com o uso da
ferramenta Análise de Modos e Efeitos de Falha (FMEA) para se conhecer as causas
122
destes modos de falha e seus efeitos bem como as ações a serem tomadas para se evitar
ou minimizar seus efeitos e ocorrência. Conclui-se que o FMEA fornece subsídios para
elaboração de procedimentos (para manutenção preventiva e corretiva) e até mesmo para
um sistema de monitoramento (manutenção preditiva).
Com a realização do estudo da confiabilidade deste tipo de compressor no seu
período de garantia, onde se vincula as características construtivas e aplicação do
compressor, verificou-se que o comportamento de parâmetros que envolvem a aplicação
do compressor e os seus modos de falha são melhor descritos ou representados pela
curva de taxa de falha. Já a curva de confiabilidade descreveu melhor as divisões
baseadas nas características construtivas principalmente a razão de compressão dos
compressores.
As curvas de confiabilidade também demonstram que, em muitos casos, os
compressores dificilmente atingiram a vida estimada em projeto sem o uso da
manutenção.
Com estas análises, espera-se poder complementar a informação sobre o
comportamento deste equipamento e de suas características de operação no mercado
brasileiro.
5.3 - Sugestões para trabalhos futuros
As seguintes sugestões para trabalhos futuros foram divisadas ao final deste
estudo.
O levantamento dos dados de falha de campo deve ser realizado com uma melhor
base de dados, mais informações sobre a instalação e operação, mais informação para
análise. Dessa forma, para futuros estudos, recomenda-se que o responsável pelo estudo
deva realizar fichas detalhadas, mas simples, a serem preenchidas pelos responsáveis
pela operação e manutenção. Estas fichas devem englobar informações sobre as
condições de operação do sistema, condições ambientais de onde e como o equipamento
está instalado e qualquer anomalia notada antes da falha ou do modo de falha ser
constatado.
Realização do diagrama de Pareto não só com a ocorrência dos modos de falha,
mas também com os valores de reparo de cada compressor danificado.
123
Expandir o FMEA para um FMECA, acrescentando-se os índices de criticidade e
ocorrência. Desta forma, o FMEA pode tornar-se uma ferramenta quantitativa da
confiabilidade.
O estudo de confiabilidade deve ser realizado com um período maior de
observação e acompanhamento dos compressores, para diminuir a incerteza da vida
estimada dos compressores.
Sugere-se realizar estudos visando uma analise técnica econômica de sistemas de
refrigeração com o uso de ferramentas de análise de risco para fundamentar melhor o
planejamento da área de manutenção.
124
6. – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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131
7. – Anexo 1. FMEA de compressores alternativos semi-herméticos de sistemas de refrigeração
Figura 58 – FMEA Retorno de fluido refrigerante no estado líquido.
132
Figura 59 – FMEA Partida inundada.
Figura 60 – FMEA Problemas de lubrificação.
133
Figura 61 – FMEA Golpe de líquido.
134
Figura 62 – FMEA Superaquecimento excessivo.
Figura 63 – FMEA Contaminação por umidade.
Figura 64 – FMEA Contaminação por impurezas do ar.
135
Figura 65 – FMEA Contaminação por óxidos.
Figura 66 – FMEA Cooperplating.
136
Figura 67 – FMEA Sobrecarga do motor elétrico.
Figura 68 – FMEA Rompimento do enrolamento do motor elétrico.
137
8. – Apêndice 1. Critérios para elaboração do FMEA
Alguns critérios foram adotados para elaboração do FMEA para compressores
alternativos semi-herméticos de sistemas de refrigeração.
Um problema citado em todos os trabalhos pesquisados (capitulo 2) onde se parte
de um banco de dados de campo e não de laboratório, onde as condições são diversas, os
usos e modos de operação são diferentes bem como a espacialização da mão de obra de
operação e manutenção. São os critérios adotados para se definir e distinguir os diferentes
modos de falhas dos equipamentos.
Os modos de falha encontrados em compressores alternativos de sistemas de
refrigeração são diversos e podem ocorrer ao mesmo tempo, ou mesmo podem ter origem
em outros modos de falha, sendo a dificuldade definir qual o modo de falha inicial ou que
levou a falha encontrada.
A analise realizada parte apenas da interpretação das condições do compressor não
se possuindo na maior parte dos casos informações sobre as condições do sistema onde o
mesmo estava instalado, que como pode ser visto no FMEA proposto, tem grande
influencia sobre a interpretação do modo de falha.
O banco de dados utilizado neste trabalho foi cedido por uma firma do setor de
manutenção, no entanto para a definição dos modos de falhas a informação pode ser
considerada apenas provável devido aos fatos citados acima ou outros que serão discutidos.
Um ponto a ser citado é o fato de apenas equipamentos de maior custo de
manutenção ser analisados, pois pequenos reparos são realizados pelo próprio pessoal de
manutenção do cliente e equipamentos de menor custo são apenas descartados, no caso de
erros de operação e manutenção os clientes podem omitir parte da informação sobre a
origem das falhas.
Outra dificuldade encontrada foram as características dos relatórios cedidos para a
analise, que eram compostos dos componentes danificados, possíveis causas (sendo estas
definidas conforme um manual de analise da firma, por comparação das partes danificadas
com fotos armazenadas) e fotos parciais dos componentes danificados. Diversos relatórios
apresentaram informação insuficiente para a definição do modo de falha ou mesmo dados
visivelmente equivocados.
Algumas interpretações foram necessárias para se distinguir os modos de falha dos
compressores, as principais foram:
138
A comparação entre desgaste causado por problemas de lubrificação e retorno de
fluido refrigerante líquido foi feita pelo fato dos componentes atingidos por problemas de
lubrificação usualmente apresentam sinais de temperatura, como coloração característica,
sendo que quando ocorrem problemas de lubrificação usualmente são notados riscos
enquanto no outro caso se apresenta um desgaste irregular principalmente se for o mancal
do motor (por onde o fluido primeiro circula pra refrigerá-lo).
Outro fator a ser considerado no caso de problemas de lubrificação é que o desgaste
dos anéis do pistão pode permitir a pressurização do Carter do compressor impedindo a
correta circulação de óleo.
O golpe de líquido causado por problemas de lubrificação ou retorno de fluido
refrigerante líquido, foi diferenciado pelo fato do pistão danificado por problemas de
lubrificação apresentar riscos ou sinais de temperatura (coloração) enquanto no outro caso
apresenta um desgaste irregular.
Superaquecimento excessivo e problemas de lubrificação, que podem um originar o
outro, pelo fato do óleo não retornar ao compressor em situações onde a velocidade do
fluido refrigerante é insuficiente para permitir o arraste deste óleo e que a falta de
lubrificante gera atrito que por sua vez gera calor podem do causar o aquecimento do
fluido refrigerante, foi considerado, quando efeitos como carbonização do óleo nos pistões
e válvulas não eram visíveis (superaquecimento excessivo), quando pistões e válvulas
estão danificados superaquecimento excessivo e mancais, virabrequim e bielas desgastados
problemas de lubrificação.
Problemas de lubrificação podem se originar da partida inundada no caso que o
lubrificante dissolvido pelo refrigerante durante a partida do compressor, espuma e é
transferido para o sistema causando perda de lubrificante no carter do compressor até que
este retorne depois de percorrer todo o sistema.
139
9. – Apêndice 2. Extrapolação do FMEA
Como já discutido no item 1.1.3 – Compressores de fluido refrigerante, os
compressores alternativos apresentam três construções distintas, os compressores abertos,
semi-herméticos e herméticos.
A construção do FMEA foi realizada inicialmente para abordar apenas os
compressores semi-herméticos, mas dadas às similaridades entre estas maquinas podemos
expandir o FMEA para as demais observando as diferenças entre elas.
Compressores abertos geralmente trabalham em menores rotações com o auxiliado
de transmissões e reduções mecânicas o que em tese diminui sua eficiência, todavia pelo
fato de não aquecer o fluido refrigerante com o contato direto do enrolamento do motor
elétrico isto não necessária mente o torna menos atrativo sendo que para alguns fluidos
refrigerantes este compressor é o único que pode ser utilizado, como a amônia.
Outro fato interessante sobre estas maquinas é o fato de necessitarem do uso de
selos mecânicos ou vedações entre a carcaça e o motor elétrico.
Com isso pode-se notar que os compressores abertos se distinguem em alguns
pontos dos semi-herméticos, pois modos de falha como superaquecimento excessivo ou
contaminação não conseguem gerar uma queima completa do enrolamento do motor, mas
nos outros casos como carbonização do óleo, fragilização de componentes e diluição do
óleo afetam da mesma maneira o compressor.
Já os compressores a herméticos que são totalmente selados, são pouco afetados
por falhas como queimas localizadas causadas por fraguimentos metálicos, dado o fato que
estes compressores não podem sofrer manutenção.
Eles podem apresentar mais facilmente problemas ligados ao refrigerante e
sensibilidade à falta de óleo, pois trabalham imersos nestes fluidos.
Dadas estas características o mesmo trabalho pode ser facilmente convertido ou
ampliado, como já comentado, para estas máquinas.
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10. – Apêndice 3. Ocorrência individual dos modos de falha dos
compressores em estudo
Tabela 12 – Ocorrência dos modos de falha dos compressores estudos.
Modelos Modos de falha
Participação
individual
A
Defeito de fabricação
33.3%
Retorno de fluido refrigerante no estado líquido
33.3%
Problemas de lubrificação
22.2%
Golpe de líquido
11.1%
B
Superaquecimento excessivo
33.3%
Golpe de líquido
25.0%
Defeito de fabricação
16.7%
Partida inundada
16.7%
Outros
8.3%
C
Elétrico
20.0%
Golpe de líquido
20.0%
Retorno de fluido refrigerante no estado líquido
20.0%
Superaquecimento excessivo
20.0%
Contaminação
10.0%
Problemas de lubrificação
10.0%
D
Golpe de líquido
50.0%
Elétrico
37.5%
Contaminação
12.5%
E
Contaminação
42.9%
Defeito de fabricação
28.6%
Elétrico
14.3%
Problemas de lubrificação
14.3%
F
Elétrico
33.3%
Contaminação
16.7%
Golpe de líquido
16.7%
Retorno de fluido refrigerante no estado líquido
16.7%
Superaquecimento excessivo
16.7%
G
Golpe de líquido
31.3%
Elétrico
25.0%
Retorno de fluido refrigerante no estado líquido
18.8%
Superaquecimento excessivo
12.5%
Defeito de fabricação
6.3%
Partida inundada
6.3%
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