UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” FACULDADE DE ENGENHARIA CÂMPUS DE ILHA SOLTEIRA ANDERSON INÁCIO JUNQUEIRA JÚNIOR PROJETO, CONSTRUÇÃO E VALIDAÇÃO DE UM EQUIPAMENTO PARA SEPARAR PARTÍCULAS DE DESGASTE EM LUBRIFICANTES Ilha Solteira 2016 ANDERSON INÁCIO JUNQUEIRA JÚNIOR PROJETO, CONSTRUÇÃO E VALIDAÇÃO DE UM EQUIPAMENTO PARA SEPARAR PARTÍCULAS DE DESGASTE EM LUBRIFICANTES Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira- UNESP, como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de mestre em Engenharia Mecânica. Área de Conhecimento: Mecânica dos Sólidos. Prof. Dr. Aparecido Carlos Gonçalves Orientador Ilha Solteira 2016 DEDICO, Ao meu falecido avô Agenor Inácio Junqueira que me ensinou que nunca se deve medir esforços aos estudos e sempre dar o melhor de si. AGRADECIMENTOS A Deus pela vida, pela saúde física e força espiritual para realização deste trabalho. Aos meus pais Anderson Inácio Junqueira e Nilda Bueno da Silva Inácio Junqueira ao amor, incentivo e apoio incondicional. Aos meus amigos que conviveram comigo durante a minha passagem na Ilha Solteira, especialmente aos companheiros Carlos Eduardo, Thalles Denner, Edson Roberto, Paulo Henrique, Diogo Batista e Rodrigo Borges que conviveram comigo durante caminhada árdua à Ilha Solteira. A todos os professores do programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Estadual Paulista - Campus de Ilha Solteira, pela aprendizagem, especialmente ao meu orientador Aparecido Carlos Gonçalves, pela amizade, paciência e confiança em meu trabalho. A Universidade de Rio Verde - UniRV, em especial aos diretores da faculdade de Engenharia Mecânica professor Dr. Warley Augusto Pereira, Ms. João Pires e Ms. Giancarllo Ribeiro, por proporcionaram meios para que pudesse cursar as disciplinas e pela confiança no meu trabalho na Universidade de Rio Verde. Ao Pedro Henrique Queiroz pela amizade e respaldo para a realização dos ensaios. A todos que contribuíram diretamente para a realização deste trabalho, o meu muito obrigado. "Não se deve ir atrás de objetivos fáceis, é preciso buscar o que só pode ser alcançado por meio dos maiores esforços." Albert Einstein RESUMO O presente trabalho apresenta um projeto e construção de um protótipo para separar partículas de desgaste em óleos lubrificantes. Devido à necessidade da confiabilidade de máquinas e equipamentos para a redução de custos fabris, as indústrias recorreram às ações preditivas de manutenção. Dentre as várias ações preditivas de manutenção pode-se citar a análise de lubrificantes. Lubrificantes são materiais colocados entre duas superfícies interativas afim de preencher as irregularidades superficiais, assim reduzindo o atrito e o desgaste. Os lubrificantes podem ser sólidos, semifluidos e fluidos. O óleo é um lubrificante líquido, partículas de desgaste presentes no óleo podem danificar componentes vitais de máquinas. Um método utilizado para analisar as partículas de desgaste presentes no óleo lubrificante é a ferrografia qualitativa. Com base em fundamentos teóricos de obras renomadas no meio cientifico, o objetivo do presente trabalho é projetar e construir um protótipo separador rotativo de partículas de baixo custo, para obter ferrogramas quantitativos de boa qualidade e comparar com os modelos convencionais encontrados no mercado. Através de cinco combinações diferentes de ímãs permanentes foi possível obter ferrogramas, sendo que as combinações 03, 04 e 05 apresentaram melhor qualidade de formação de anéis de partículas ferrosas. A combinação 04 apresentou apenas dois anéis, estes são mais fidedignos em relação aos anéis do aparelho convencional. Palavras-chave: Manutenção preditiva. Análise de lubrificantes. Ferrografia. Separador rotativo de partículas. ABSTRACT This paper presents a project and construction of a prototype to separate wear particles in lubricating oils. Due to the need for reliability of machines and equipment to reduce manufacturing costs, manufacturers have turned to predictive maintenance actions. Among the various predictive maintenance actions can be cited the analysis of lubricants. Lubricants are interactive material placed between two surfaces in order to fill the surface irregularities, thereby reducing friction and wear. The lubricants may be solid, slurries and fluids. The oil is a liquid lubricant, wear particles in the oil can damage critical components of machinery. A method for analyzing wear particles in the lubricating oil is qualitative ferrography. Based on theoretical foundations of renowned works in the scientific environment, the objective of this work is to project and construct a rotary separator prototype low cost particles for quantitative ferrogramas good quality and compare with conventional models available on the market. Through five different combinations of permanent magnets was possible to obtain ferrogramas, and combinations 03, 04 and 05 showed better quality training rings of ferrous particles. The combination 04 had only two rings, these are more reliable with respect to the rings of the conventional device. Keywords: Predictive maintenance. Analysis of lubricants. Ferrography. Rotating particle separator. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Custos de manutenção em relação ao faturamento e ao patrimônio. ....................... 22 Figura 2 - Composição dos custos de manutenção. .................................................................. 23 Figura 3 - Confiabilidade x Custos. .......................................................................................... 24 Figura 4 - Custos x Nível de Manutenção. ............................................................................... 24 Figura 5 - Lucro x Disponibilidade. ......................................................................................... 25 Figura 6 - Rugosidade e atrito. ................................................................................................. 31 Figura 7 - Viscosidade dinâmica .............................................................................................. 38 Figura 8 - Modos de desgaste. .................................................................................................. 45 Figura 9 - Separador de partículas linear. ................................................................................. 46 Figura 10 - Separador de partículas rotativo e o ferrograma obtido. ........................................ 47 Figura 11 - Separador de partículas rotativo e o ferrograma obtido. ........................................ 49 Figura 12 - Momentos magnéticos. .......................................................................................... 50 Figura 13 - Linhas de força. ..................................................................................................... 51 Figura 14 - Representação do campo magnético temporário. .................................................. 52 Figura 15 - Motor elétrico de corrente contínua de ímã permanente com escovas. ................. 55 Figura 16 - Vista explodida de algumas partes do protótipo. ................................................... 56 Figura 17 - Base de teste........................................................................................................... 57 Figura 18 - Conjunto de fixação da lamínula. .......................................................................... 59 Figura 19 - Apoio do copo base e a haste de fixação. .............................................................. 61 Figura 20 - Componentes eletrônicos e as devidas ligações. ................................................... 65 Figura 21 - Arduino modelo Mega 2560. ................................................................................. 66 Figura 22 - Disposição de linhas e colunas do teclado matricial de membrana. ...................... 68 Figura 23 - Display LCD 16x2 RT162-7. ................................................................................ 69 Figura 24 - Módulo Serial I2C. ................................................................................................ 69 Figura 25 - Conjunto motor elétrico-redutor adotado. ............................................................. 71 Figura 26 - Circuito elétrico de Ponte H. ................................................................................. 72 Figura 27 - Ligações elétricas. .................................................................................................. 74 Figura 28 - Case de polimetilmetracrilato. ............................................................................... 75 Figura 29 - Combinações utilizadas para os ensaios. ............................................................... 82 Figura 30 - Ventosa utilizada para fixar a lamínula. ................................................................ 83 Figura 31 - Forno mufla utilizado. ........................................................................................... 84 Figura 32 - Pipeta dosadora e respectivas pontas. .................................................................... 84 Figura 33 - Ferroscópio. ........................................................................................................... 85 Figura 34 - Formação de partículas de desgaste sobre a lamínula. .......................................... 86 Figura 35 - Ferrogramas obtidos com as respectivas amostras e combinações........................ 87 Figura 38 - Comprimento efetivo de flambagem. .................................................................. 133 Figura 39 - Esforços da haste de movimentação. ................................................................... 133 Figura 40 - Esforços Atuantes. ............................................................................................... 134 Figura 41 - Típicas partículas de desgaste .............................................................................. 146 LISTA DE QUADROS Quadro 1 - Evolução da Manutenção. ...................................................................................... 21 Quadro 2 - Comparação 01 ....................................................................................................... 89 Quadro 3 Comparação 02 ......................................................................................................... 90 Quadro 4 - Comparação 03 ....................................................................................................... 93 Quadro 5 - Comparação 04 ....................................................................................................... 94 Quadro 6 - Comparação 05 ....................................................................................................... 95 Quadro 7 - Comparação 06 ....................................................................................................... 97 Quadro 8 - Comparação 07 ....................................................................................................... 98 Quadro 9 - Comparação 08 ....................................................................................................... 99 Quadro 10 - Comparação 09 ................................................................................................... 100 Quadro 11 - Comparação 10. .................................................................................................. 102 Quadro 12 - Comparação 11 ................................................................................................... 103 Quadro 13 - Comparação 12 ................................................................................................... 104 Quadro 14 - Comparação 13 ................................................................................................... 105 Quadro 15 - Comparação 14 ................................................................................................... 106 Quadro 16 - Comparação 15. .................................................................................................. 107 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Impacto do espessante nas propriedades das graxas. .............................................. 33 Tabela 2 - Características de normas tribotécnicas. ................................................................. 34 Tabela 3 - Graus de viscosidade. .............................................................................................. 35 Tabela 4 - Classes de consistência. ........................................................................................... 35 Tabela 5 - Características de normas tribotécnicas. ................................................................. 36 Tabela 6 - Classificação API de óleos para motores de ciclo Otto........................................... 40 Tabela 7 - Classificação SAE J300 para óleo de motores. ....................................................... 42 Tabela 8 - Classificação ISO para óleos industriais. ................................................................ 43 Tabela 9 - Ligas de estanho e chumbo e aplicações. ................................................................ 70 Tabela 10 - Relação entre velocidade de programação, tensão e rotação. ............................... 73 Tabela 11 - Ímãs adquiridos para os ensaios. ........................................................................... 79 Tabela 12 - Características dos ímãs adquiridos para ensaios. ................................................. 80 Tabela 13 - Ímãs utilizados na combinação 01......................................................................... 80 Tabela 14 - Ímãs utilizados na combinação 02......................................................................... 81 Tabela 15 - Ímãs utilizados na combinação 03......................................................................... 81 Tabela 16 - Ímãs utilizados na combinação 04......................................................................... 81 Tabela 17 - Ímãs utilizados na combinação 05......................................................................... 82 Tabela 18 - Mensurações dos campos magnéticos das superfícies .......................................... 88 Tabela 19 - Potência mínima. ................................................................................................. 138 Tabela 20 - Componentes elétricos e eletrônicos adquiridos para construção do protótipo. . 142 Tabela 21 - Case de polimetilmetracrilato e base suporte rotativo. ....................................... 143 Tabela 22 - Materiais adquiridos para usinagem. ................................................................... 143 Tabela 23 - Serviço de usinagem ............................................................................................ 144 Tabela 24 - Equipamentos adquiridos para projeto ................................................................ 144 Tabela 25 - Custo dos ímãs adquiridos para o projeto ........................................................... 145 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS A Amper (Corrente Elétrica) ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas Abraman Associação brasileira de manutenção e gestão de ativos ANSI American National Standards Institute (Instituto Nacional Americano de Normas) API American Petroleum Institute (Instituto Americano de Petróleo) CAD Computer Aided Design (Desenho Assistido por Computador) DIN Deutsches Institut für Normung (Instituto Alemão de Normalização) EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory (Memória Programável Somente de Leitura Apagável Eletricamente) GND Ground (Terra ou Carga Negativa) GTAW Gas Tungsten Arc Welding (Soldagem por Arco de Gás de Tungstênio) I2C Inter Integrated Circuit (Circuito Inter-Integrados) ISO International Organization for Standardization (Organização Internacional para Padronização) LCD Liquid Crystal Display (Display de Cristal Líquido) LED Light Emitting Diode (Diodo Emissor de Luz) NBR Norma Brasileira PWM Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso) RCM Reliability Centred Maintenance (Manutenção Centrada na Confiabilidade) RPD Rotary Particle Depositor (Separador Rotativo de Partículas) RPM Rotações por minuto SAE Society of Automotive Engineers (Sociedade dos Engenheiros Automotivos) SCL Serial Clock (Linha Serial de Clock) SDA Serial Data (Linha Serial de Dados) SRAM Static Random Access Memory (Memória de Acesso Aleatório Estática) TPM Total Productuve Maintenance (Manutenção Produtiva Total) USB Universal Serial Bus (Barramento Serial Universal) V Volts (Tensão ou Diferença de Potencial) VVC Voltage Current Continuous (Tensão de Corrente Contínua) SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 16 1.1 OBJETIVOS ............................................................................................................ 17 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................. 18 2.1 MANUTENÇÃO ..................................................................................................... 18 2.2 MÉTODOS BÁSICOS PARA GERENCIAMENTO DA MANUTENÇÃO ......... 26 2.3 POLÍTICAS BÁSICAS DA MANUTENÇÃO ....................................................... 27 2.3.1 Manutenção corretiva ............................................................................................ 27 2.3.2 Manutenção preventiva ......................................................................................... 28 2.3.3 Manutenção preditiva ............................................................................................ 29 2.4 TRIBOLOGIA ......................................................................................................... 30 2.4.1 Graxas lubrificantes ............................................................................................... 31 2.4.1.1 Óleo base ................................................................................................................. 32 2.4.1.2 Agente espessante .................................................................................................... 32 2.4.1.3 Aditivos .................................................................................................................... 33 2.4.1.4 Dados tribológicos ................................................................................................... 34 2.4.2 Lubrificação sólida ................................................................................................. 37 2.4.3 Óleos lubrificantes ................................................................................................. 37 2.4.3.1 Viscosidade .............................................................................................................. 38 2.4.3.2 Classificação de óleos lubrificantes ....................................................................... 40 2.4.3.2.1 Classificação API .................................................................................................... 40 2.4.3.2.2 Classificação SAE ................................................................................................... 41 2.4.3.2.3 Classificação ISO .................................................................................................... 42 2.4.3.3 Aditivos em óleos lubrificantes ............................................................................... 43 2.5 DESGASTE ............................................................................................................. 44 2.6 ANÁLISE DE ÓLEO LUFRIFICANTE ................................................................. 46 2.6.1 Ferrogramas analíticos .......................................................................................... 46 2.7 MAGNETISMO ...................................................................................................... 49 2.7.1 Ímãs permanentes e temporários.......................................................................... 52 2.7.2 Medidas magnéticas ............................................................................................... 52 2.7.3 Processo de fabricação dos ímãs permanentes .................................................... 53 2.8 MOTORES ELÉTRICOS ........................................................................................ 54 3 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................. 56 3.1 PROJETO ................................................................................................................ 56 3.1.1 Base de teste ............................................................................................................ 57 3.1.2 Cúpula cônica ......................................................................................................... 57 3.1.3 Suporte para conjunto motor elétrico-redutor ................................................... 58 3.1.4 Copo base ................................................................................................................ 58 3.1.5 Conjunto de fixação da lamínula .......................................................................... 59 3.1.6 Chapa inferior de apoio ......................................................................................... 61 3.2 SELEÇÃO DE MATERIAIS .................................................................................. 62 3.2.1 Poliamida ................................................................................................................ 62 3.2.2 Aço ........................................................................................................................... 63 3.2.3 Bronze ..................................................................................................................... 64 3.3 COMPONENTES ELÉTRICOS - ELETRÔNICOS ............................................... 65 3.3.1 Arduino ................................................................................................................... 66 3.3.2 Teclado .................................................................................................................... 68 3.3.3 Display ..................................................................................................................... 69 3.3.3.1 Solda eletrônica ....................................................................................................... 70 3.3.3.2 Funcionamento do display ...................................................................................... 71 3.3.4 Seleção do conjunto motor elétrico redutor ........................................................ 71 3.3.5 Motor shield ............................................................................................................ 72 3.3.5.1 Programação ........................................................................................................... 73 3.3.6 Ligação elétrica ...................................................................................................... 73 3.3.6.1 Alojamento dos componentes elétricos e eletrônicos ............................................. 75 3.4 USINAGEM DE PEÇAS ......................................................................................... 76 3.4.1 Usinagem de peças poliméricas ............................................................................. 76 3.4.2 Usinagem de peças metálicas ................................................................................ 77 3.5 ÍMÃS UTILIZADOS PARA ENSAIOS ................................................................. 78 3.5.1 Combinações para ensaios .................................................................................... 80 3.6 AMOSTRAS ............................................................................................................ 83 3.7 METODOLOGIA DE TRABALHO ....................................................................... 83 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................................... 86 5 CONCLUSÕES .................................................................................................... 109 5.1 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS ...................................................... 109 REFERÊNCIAS ................................................................................................... 111 APÊNDICE A - PROJETO ................................................................................. 116 APÊNDICE B - CÁLCULOS REFERENTES .................................................. 129 B.1 MOLAHELICOIDAL ..................................................................................... 129 B.2 CÁLCULO DE RESISTÊNCIA DA HASTE DE MOVIMENTAÇÃO ........ 132 B.3 CÁLCULO DE RESISTÊNCIA DO CONJUNTO DE FIXAÇÃO ............... 134 B.4 CÁLCULO DE RESISTÊNCIA DA HASTE DE FIXAÇÃO ....................... 135 B.5 CONJUNTO MOTOR ELÉTRICO-REDUTOR ............................................ 137 APÊNDICE C - ALGORITMO DE PROGRAMAÇÃO DO ARDUINO ...... 139 APÊNDICE D - TABELAS DE DEMOSNTRATIVOS DE CUSTOS ........... 142 ANEXO A - PARTÍCULAS DE DESGASTE EM FERROGRAFIAS ........... 146 16 1 INTRODUÇÃO Estudos e pesquisas tentam alcançar a máxima eficiência energética em sistemas mecânicos para tentar reduzir custos. O atrito faz com que energia seja dissipada, em várias formas, geralmente em forma de calor, afetando assim, a eficiência de um sistema mecânico. Segundo Jost (1990), a tribologia é a ciência e tecnologia de superfícies interativas em movimento relativo e dos assuntos e práticas relacionados. Além disso, a tribologia envolve fundamentos da física, química, mecânica e materiais para prever o comportamento físico de sistemas mecânicos (SINATORA, 2005). Toda superfície apresenta irregularidades denominadas de rugosidade. O grau de rugosidade afeta diretamente o atrito, que pode ser minimizado pelo uso de lubrificantes. Os lubrificantes são materiais que são colocados entre duas superfícies com objetivo de diminuir atrito e o desgaste entre essas superfícies. O tipo de lubrificante depende da necessidade de aplicação, podendo ser fluidos como o óleo, graxas ou em formas sólidas como grafite em pó. Além de reduzir o atrito e o desgaste, os lubrificantes podem controlar o calor, a contaminação, transferir energia e prevenir ataques químicos como corrosão (TROYER e FITCH, 2001). De acordo com Lago (2007), a ferrografia é um artifício para se fazer estudos tribológicos em óleos lubrificantes. A ferrografia é uma técnica de manutenção preditiva que faz o monitoramento e diagnose de condições de máquinas, analisando e quantificando as partículas de desgaste de amostras de lubrificantes em serviço, sendo a ferrografia e analisadas através de um microscópio. Assim, pode-se determinar o desempenho do lubrificante, o tipo de desgaste, entre outros aspectos. A ferrografia pode ser dividida em duas técnicas: ferrografia analítica e ferrografia quantitativa. A ferrografia quantitativa utiliza campos magnéticos para separar as partículas de desgaste do óleo lubrificante. O método da ferrografia quantitativa pode ser realizado através de separadores de partículas lineares ou através de separadores rotativos de partículas (RPD). Os separadores rotativos de partículas são dispositivos que utilizam as forças gravitacional, centrífuga e magnética para confeccionar os ferrogramas. Esses dispositivos utilizam como princípio de funcionamento a força magnética exercida sobre o ferrograma através da densidade de fluxo magnético, por meio de ímãs permanentes com magnetização diametral. O RPD comercial tem um alto custo de aquisição, o que motivou o objetivo deste trabalho, que foi o de projetar e construir um equipamento separador rotativo de partículas de baixo custo. Este equipamento deve fornecer ferrogramas de boa qualidade para estudos 17 tribológicos através de dispositivos que agregam funcionalidades ao equipamento. Além disso, um estudo minucioso foi realizado para verificar a viabilidade dos equipamentos similares existentes no mercado. O presente trabalho está dividido em quatro partes. A primeira parte aborda a revisão da literatura sobre manutenção, tribologia e análise de lubrificantes. A segunda parte expõe os materiais e os métodos utilizados para a confecção do protótipo. A terceira parte refere-se os resultados e discussões dos ferrogramas obtidos pelo protótipo desenvolvido. Já a quarta parte refere-se a conclusão do trabalho. 1.1 OBJETIVOS O objetivo geral deste trabalho é projetar e confeccionar um protótipo separador rotativo de partículas (RPD) de baixo custo. Os objetivos específicos deste trabalho consistem de:  Pesquisar os equipamentos similares existentes no mercado.  Realizar pesquisas no meio científico sobre os princípios teóricos do funcionamento do equipamento.  Baseado nos princípios teóricos, projetar e construir um equipamento com menor custo e mesma funcionalidade.  Utilizar componentes eletrônicos controlados através de um microcontrolador utilizado para confecção do modelo RPD de baixo custo.  Obter e analisar ferrogramas de boa qualidade semelhante ao do modelo RPD encontrado no mercado.  Através do microcontrolador buscar aumentar e aperfeiçoar a funcionalidade do equipamento. 18 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste item apresenta-se a revisão da literatura sobre manutenção, abordando definições, histórico, custos, métodos básicos para gerenciamento da manutenção e políticas básicas da manutenção. É feita também abordagem sobre tribologia, enfocando os tipos de lubrificantes, características fundamentais e aplicações. E, por fim, são abordados os tipos de desgaste e máquinas para análise de lubrificantes. 2.1 MANUTENÇÃO Manutenção pode ser definida como o conjunto de cuidados técnicos para o funcionamento regular e permanente de máquinas, equipamentos, ferramentas, e instalações, sendo que estes cuidados técnicos têm o intuito de correlacionar conservação, adequação, restauração, substituição e prevenção de máquinas e equipamentos (MOUBRAY, 1997). De acordo com ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) NBR 5462/1994, a manutenção é a associação de ações técnicas, administrativas e de supervisão, afim de preservar e/ou repor componentes de máquinas e equipamentos para desempenhar a função designada. De acordo com Moubray (1997), a manutenção começou a evoluir a partir da década de 1930 e são divididas em três gerações. A primeira geração da manutenção compreende um período até a Segunda Guerra Mundial, a segunda geração da manutenção abrange após a Segunda Guerra Mundial até a metade da década de 1970, a terceira geração até nos tempos atuais. Antes da Segunda Guerra Mundial a demanda de produtos industrializados era baixa e as plantas industriais eram pouco mecanizadas, máquinas e equipamentos eram simples e superdimensionados, para se tornar confiável e de fácil reparo, assim as tarefas de manutenção eram limpeza, lubrificação e reparos corretivos após a quebra. O tempo que máquinas e equipamentos ficavam ociosos devido a quebra, não era de alta prioridade na maioria dos gestores. A primeira geração da manutenção ficou marcada pelos reparos corretivos após a falha e uma visão errônea de que os equipamentos se desgastavam pela idade de trabalho e, com isso, quebravam (KARDEC; NASCIF, 2001; MOUBRAY, 1997). Devido à guerra, houve grande demanda de produtos industrializados e simultaneamente houve diminuição da mão-de-obra disponível, contribuindo para uma forte mecanização industrial. Após a guerra, ainda com a alta demanda de produtos industrializados, o tempo ocioso de máquinas e equipamentos devido às quebras e falhas era elevado, assim 19 acarretou a percepção de que as quebras e falhas das máquinas e dos equipamentos poderiam ser prevenidas, surgindo o conceito de manutenção preventiva. Este conceito expõe a idéia de que as revisões em máquinas e equipamentos deveriam ser realizadas em intervalos fixos, desse modo os custos de manutenção começaram a se elevar em relação aos custos operacionais, assim foi necessário instaurar sistemas de planejamento e controle de manutenção para a redução dos custos gerados pela manutenção (KARDEC; NASCIF, 2001). A segunda geração da manutenção é marcada pelas revisões regulares, provocando, consequentemente, aumento da vida útil de máquinas e equipamentos, sistemas de planejamento e controle de manutenção, introdução de computadores para auxílio do planejamento e controle de manutenção. Na segunda metade da década de 1970, devido ao crescimento da automação e da mecanização industrial as máquinas e os equipamentos ficaram mais suscetíveis a falhas, com isso a interrupção da produção era comum, havendo como consequência, a diminuição da produção, aumentando os custos de produção. Assim, as indústrias tiveram que recorrer a pesquisas e novas técnicas de manutenção para aumentar a confiabilidade e disponibilidade de máquinas e equipamentos (MOUBRAY, 1997). A terceira geração da manutenção é destacada pela confiabilidade devido às ações preditivas, maior disponibilidade de máquinas e equipamentos e, consequentemente, prolongamento da vida útil dos mesmos e aumento da qualidade dos produtos. Houve grande evolução nas técnicas de manutenção como monitoramento, análise de falhas e defeitos; projetos voltados para o aumento da confiabilidade; diminuição das manutenções corretivas não planejadas e preventivas (KARDEC; NASCIF, 2001; MOUBRAY, 1997). A partir da segunda metade da década de 1990 até os tempos atuais, encontra-se a quarta geração. Essa geração tem como característica a disponibilidade, confiabilidade e manutenibilidade, assim, como foco de novos projetos industriais, há também fortes estudos sobre análise e monitoramento de falhas com intuído de otimizar a performance de máquinas e equipamentos, reduzindo falhas prematuras e falhas de mortalidade infantil. Há uma atenuação da manutenção preditiva e a manutenção corretiva se torna como ineficiência de todo sistema de manutenção, assim há uma forte redução na interferência da manutenção na planta. Outra característica interessante da quarta geração, de acordo com Kardec e Nascif (2001), é a terceirização da manutenção. Estudos recentes mostram que isso vem apresentando ótimos indicadores. Devido à alta diversidade de máquinas e equipamentos que se encontram em uma planta industrial, é muito árdua a gestão da manutenção. A terceirização da manutenção apresenta como vantagem a redução de custos devido à redução do estoque (geralmente se 20 contrata com o fornecimento do material para a manutenção), redução de áreas ocupadas pela equipe de manutenção, redução do desperdício, otimização do tempo da administração entre outros. Quando não há uma visão estratégica da terceirização da manutenção podem ocorrer problemas como aumento da dependência de terceiros, declínio da qualidade, redução da mão- de-obra especializada, entre outros (KARDEC; NASCIF, 2001). O Quadro 1 demonstra a evolução da manutenção, com as respectivas expectativas da manutenção, visões de falhas e principais técnicas de manutenção de cada geração. 21 Quadro 1 - Evolução da Manutenção. EVOLUÇÃO DA MANUTENÇÃO Primeira Geração Segunda Geração Terceira Geração Quarta Geração ANO 1930 - 1945 1945 - 1975 1975 - 1995 1995 - Atual A u m en to d as e x p ec ta ti v as e m re la çã o à M an u te n çã o Concerto após a falha. Disponibilidade crescente; Maior vida útil do equipamento. Maior confiabilidade; Maior disponibilidade; Melhor relação custo-benefício; Preservação do meio ambiente. Maior confiabilidade; Maior disponibilidade; Preservação do meio ambiente; Segurança; Influir nos resultados do negócio; Gerenciar os ativos. V is ão q u an to à f al h a d o e q u ip am en to Todos os equipamentos se desgastam com a idade e, por isso, falham. Todos os equipamentos se comportam de acordo com a curva da banheira. Existência de padrões de falhas. Reduzir drasticamente falhas prematuras dos padrões A e F. M u d an ça n as t éc n ic as d e M an u te n çã o Habilidades voltadas para o reparo Planejamento manual da manutenção; Computadores grandes e lentos; Manutenção Preventiva (por tempo). Monitoramento da condição; Manutenção preditiva; Análise de risco; Computadores pequenos e rápidos; Softwares potentes; Grupos de trabalho multidisciplinares; Projetos voltados para a confiabilidade; Contratação por mão de obra e serviço. Aumento da Manutenção Preditiva e Monitoramento da Condição; Minimização nas Manutenções Preventiva e Corretiva não Planejada; Análise de Falhas; Técnicas de confiabilidade; Manutenibilidade; Engenharia de Manutenção; Projetos voltados para confiabilidade, manutenibilidade e Custo do Ciclo de Vida; Contratação por resultados. Fonte: Kardec e Nascif (2001). A manutenção é fator econômico crucial para as indústrias, pois se deve levar em consideração os custos da interferência na produção e de perdas no processo, os recursos humanos e material. Custos fabris são baseados na quantidade de tempo que é gasto para 22 processar o produto, se o maquinário e/ou equipamento não estiver em plenas condições de funcionamento haverá interrupção no processo produtivo, assim, provocando prejuízos. Antigamente gerentes de empresas tinham uma visão errônea sobre a manutenção, pois presumiam que era um custo difícil de controlar e muito alto, que agregava muito ao valor do produto, tornando assim o produto menos competitivo (VIANA, 2002). De acordo com Branco Filho (2008), os indicadores mais utilizados para estimar o custo da manutenção em âmbito empresarial é o custo da manutenção em relação ao faturamento, e o custo da manutenção em relação ao patrimônio. A Figura 1 demonstra a estimativa do custo da manutenção em âmbito empresarial. Figura 1 - Custos de manutenção em relação ao faturamento e ao patrimônio. Fonte: Abraman (2007). Como se pode verificar, de acordo com Documento Nacional entre os anos de 1997 a 2007, o custo da manutenção em relação ao patrimônio teve um aumento expressivo, por conta de investimentos feitos nesta área. Já o custo da manutenção em relação ao faturamento, teve um declínio a partir do ano 2001 a 2007, um reflexo da quarta geração sobre a confiabilidade de máquinas e equipamentos para a redução de custos. Kardec e Nascif (2001), classificam os custos de manutenção em três grandes grupos:  custos de perda de produção: são custos de perda de produção decorrentes pela falha do equipamento principal sem que o equipamento reserva (quando houver) 23 esteja prontamente disponível para substituição, e falha do equipamento devido à intervenção imprópria da manutenção;  custos diretos: são custos necessários para deixar os equipamentos em operação, enquadrando a manutenção corretiva, preventiva e preditiva. Tem como constituintes os custos de mão-de-obra direta, custos de materiais e custos de serviços de terceiros;  custos indiretos: são custos oriundos da estrutura gerencial, análise e estudos para melhorias, compra de instrumentos e de ferramentas para realização da manutenção. A Figura 2 demonstra claramente os custos diretos de manutenção. Figura 2 - Composição dos custos de manutenção. Fonte: Abraman (2015). Atualmente a redução de custos tem como pilares associados a confiabilidade, a disponibilidade e manutenibilidade de máquinas e ferramentas. Conforme a NBR 5462/1994 a confiabilidade pode ser definida como "capacidade de um item desempenhar uma função requerida sob condições especificadas, durante um dado intervalo de tempo". Segundo Kardec e Nascif (2001), quanto maior for a confiabilidade de uma máquina ou equipamento menor serão os custos de produção, porém maior será o custo da manutenção. A Figura 3 mostra relação do custo de manutenção e de produção em relação à confiabilidade. 24 Figura 3 - Confiabilidade x Custos. Fonte: Kardec e Nascif (2001). A confiabilidade está centrada em falhas (interrupção da função designada), quanto menor o número de falhas maior será a confiabilidade. Kardec e Nascif (2001) citam os três períodos de falhas.  Mortalidade infantil: são falhas ocasionadas devido a falhas de projetos, defeitos de fabricação, ou até mesmo problemas na instalação de equipamentos.  Vida útil: há uma enorme dificuldade de se prever esse tipo de falha que é decorrente de fatores de difícil controle como, por exemplo, fadiga entre outros.  Envelhecimento ou degradação: há um crescimento no índice de falha devido ao desgaste natural do equipamento com o passar do tempo. Murty e Naikan (1995) apresentam um modelo matemático para a determinação do ponto ótimo. A Figura 4 demonstra o gráfico do custo em relação ao nível de manutenção. Figura 4 - Custos x Nível de Manutenção. Fonte: Murty e Naikan (1995). 25 A Figura 4 ilustra que o custo total de manutenção é a soma dos custos de manutenção preventiva e os custos de falha. Com aumentos graduais em investimentos em manutenção preventiva diminui-se os custos de falhas, reduzindo, portanto, o custo da manutenção. Porém, investimentos de manutenção acima do ponto ótimo amplia o custo total, sem que diminua a redução dos custos de falhas. Disponibilidade é a propensão de certo item de estar em condições para desempenhar a função atribuída dentro de um instante ou intervalo de tempo estipulado (NBR 5462, 1994). Dentro da disponibilidade, tem-se a disponibilidade inerente que leva em consideração somente o tempo de reparo, já a disponibilidade operacional (o que realmente importa para a empresa) leva em consideração além do tempo de reparo, o tempo de deslocamento, o tempo de logística entre outros (KARDEC; NASCIF, 2001). Mirshawka e Olmedo (1993) apresentam um modelo matemático para a determinação do ponto ótimo de disponibilidade. A Figura 5 demonstra o gráfico do ponto ótimo de disponibilidade em relação ao lucro e a disponibilidade. Figura 5 - Lucro x Disponibilidade. Fonte: Mirshawka e Olmedo (1993). A Figura 5 ilustra que o ponto ótimo de operação promove o lucro máximo de operação, e que 100% da disponibilidade (não há falhas), acarreta gastos elevados com a manutenção, diminuindo assim, o lucro da empresa. Resumindo, a manutenibilidade é o grau de facilidade de manutenção de uma máquina ou equipamento. Monchy (1989) faz definição clara sobre a manutenibilidade: "É a probabilidade de restabelecer a um sistema suas condições de funcionamento específicas, em limites de tempos desejados, quando a manutenção é conseguida nas condições e com meios prescritos". 26 2.2 MÉTODOS BÁSICOS PARA GERENCIAMENTO DA MANUTENÇÃO Como mencionado anteriormente, a partir da terceira geração da manutenção, houve crescimento da automação e da mecanização industrial, afim de otimizar o tempo e, como consequência, uma determinada padronização dos produtos. A padronização de produtos acarreta uma qualidade que é obtida através do perfeito funcionamento de máquinas e equipamentos que são usados para sua fabricação. Segundo Kardec e Nascif (2001), um bom sistema de gerenciamento da manutenção é primordial para gestão de qualidade, como a Norma ISO 9001, contribuindo para a competitividade da empresa. Os objetivos da qualidade são alcançados através do gerenciamento da manutenção, como o programa 5S, RCM, TPM ou Multiespecialização ou Manutenção Autônoma. O 5S é uma ferramenta de gestão de manutenção japonesa que trata de organização (Seiri), ordem (Seiton), limpeza (Seiso), asseio (Seiketsu) e displina (Shitsuke). É uma estratégia para busca melhoria ao ambiente de trabalho, melhoria da produtividade, melhoria da qualidade e redução de custos (KARDEC; NASCIF, 2001). Moubray (1997) define que a manutenção centrada na confiabilidade (RCM) é “um processo usado para determinar o que deve ser feito para assegurar que qualquer ativo físico continue a fazer o que seus usuários querem que ele faça no seu contexto operacional", portanto, o RCM aborda que a manutenção é feita através de um estudo de confiabilidade sobre o equipamento. A manutenção produtiva total (TPM) é uma filosofia de trabalho japonês que visa manutenção da produtividade, assim, eliminando perdas, paradas e custos, não conflitando com nenhum sistema de manutenção. Tem como pilares a melhoria focada, manutenção autônoma, manutenção planejada, educação e treinamento, controle inicial, manutenção da qualidade, TPM office e segurança (FLEMING; FRANÇA, 1997). Nos pilares da TPM a melhoria focada tem objetivo de reduzir os problemas e melhorar o desempenho (por exemplo: reduzir a vibração para aumento da vida útil). A manutenção autônoma é o autogerenciamento, controle e conscientização da TPM. Manutenção planejada são técnicas de planejamento e controle. Educação e treinamento são as capacitações constantes de todos os funcionários da empresa. Controle inicial é a implantação de sistemas de monitoramento para eliminar falhas iniciais de máquinas e equipamentos. Manutenção de qualidade são programas instaurados nas empresas que têm taxa zero de falhas. TPM office é a instauração da TPM nas áreas administrativas, afim de aumentar a eficiência no setor e, 27 consequentemente, em toda empresa. Segurança é instauração de uma política de saúde, segurança e preservação do meio ambiente (KARDEC; NASCIF, 2001). A multiespecialização ou manutenção autônoma são manutenções realizadas pelos próprios operadores de máquinas e equipamentos, sendo uma ferramenta muito útil, eficaz e de baixo custo na manutenção preventiva (TAKAHASHI, 1993). 2.3 POLÍTICAS BÁSICAS DA MANUTENÇÃO Há inúmeras políticas que fazem intervenções para manutenção de máquinas e equipamentos que se subdividem em dois grandes grupos, intervenção para manutenção não planejada e a intervenção para manutenção planejada. A intervenção para manutenção não planejada se dá pela manutenção corretiva. Já a intervenção para manutenção planejada é subdividida em manutenção preditiva e preventiva (KARDEC; NASCIF, 2001). 2.3.1 Manutenção corretiva A manutenção corretiva é realizada quando um equipamento sofre uma pane ou avaria, e o serviço de manutenção deverá recolocar o equipamento ou máquina em funcionamento para executar a sua função requerida. A realização do serviço da manutenção corretiva gera altos custos, pois são ações emergenciais não previstas, podendo estar associadas pela indisponibilidade de mão de obra, peças ou serviços havendo, como consequência, a interrupção na produção (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TECNICAS – ABNT, 1994). Dhillon (2002) apresenta as etapas sequenciais de manutenção corretiva que são reconhecimento de culpa, localização, diagnóstico reparação e por fim o check-out. Ele também apresenta cinco categorias de manutenção corretiva.  Fail-repair: nesta ação corretiva o elemento danificado não é restaurado.  Salvage, este tipo de ação visa substituição de peças danificadas por peças recondicionadas.  Rebuid, este tipo de ação corretiva dedica a colocar o componente a ser substituído em uma condição mais próxima possível da sua condição funcionamento e durabilidade.  Overhaul, tem como objetivo restaurar um componente, através de padrões de operação. 28  Servicing, uma ação corretiva poderá desencadear outras ações corretivas, devido ao tipo de trabalho a ser realizado ou sistema da máquina/equipamento. Kardec e Nascif (2001), classifica a manutenção corretiva em duas classes:  Manutenção corretiva não planejada, o reparo da falha é de forma aleatória (quebras de componentes aleatórios);  Manutenção corretiva planejada, o reparo é realizado quando o equipamento apresenta desempenho abaixo do padrão, assim essa falha só é corrigida através da decisão gerencial. 2.3.2 Manutenção preventiva Segundo Viana (2002), a manutenção preventiva são todas as ações realizadas em máquinas ou equipamentos que não estejam danificados, dentro de intervalos programados, afim de diminuir a possibilidade de falhas e degradações, assim evitando paradas operacionais não planejadas. Dhillon (2002) apresenta sete elementos da manutenção preventiva.  Inspection é a inspeção periódica de materiais ou componentes afim de verificar o funcionamento adequado.  Servicing que se trata dos itens que se deve trocar periodicamente para a preservação para evitar possíveis falhas, como limpeza, lubrificação e carregamento de componentes.  Calibration visa a comparação das características dos componentes através de um padrão, pode ser feita por um instrumento, afim de verificar incompatibilidade de um valor padrão ou parâmetro.  Testing é a verificação periódica de componentes elétricos e mecânicos para detectar possíveis degradações.  Alignment são alterações específicas nos componentes para obter operação ideal de funcionamento.  Ajustment é o ajuste periódico de elementos variáveis.  Installation é a substituição periódica de itens que tenham tempo ou desgaste limitado, para manter as tolerâncias. 29 A manutenção preventiva apresenta como vantagem um número maior de equipamentos disponíveis e uma diminuição na espera do equipamento, regularidade na qualidade do serviço, procedimentos padronizados, assim, um aumento de segurança, redução de estoque de peças e redução de tempo e custo. Por outro lado, a manutenção preventiva apresenta como desvantagem possíveis danos aos componentes, falha em componentes novos, uso de componentes em maior escala e falha humana (DHILLON, 2002). 2.3.3 Manutenção preditiva De acordo com Viana (2002) e Dhillon (2002), a manutenção preditiva é um conjunto de ações e técnicas que monitoram máquinas, equipamentos e componentes, buscando estipular o tempo correto para intervenção do serviço de manutenção, aproveitando ao máximo a vida útil do componente, assim, reduzindo ao máximo a manutenção preventiva e corretiva. Kardec e Nascif (2001) mencionam que "através de técnicas preditivas é feito o monitoramento da condição e ação de correção, quando necessária, é realizada através de uma manutenção corretiva planejada". A manutenção preditiva tem como foco a disponibilidade, pois análises são realizadas com o equipamento em plena operação, e a intervenção de ações corretivas só é realizada quando está próxima ao limite do grau de deterioração (KARDEC; NASCIF, 2001). Kardec e Nascif (2001) apresentam elementos fundamentais para se aderir à manutenção preditiva:  a instalação e o equipamento devem permitir o monitoramento e as devidas medições;  deve-se analisar se o custo evolvido em manutenção preditiva em certas máquinas ou equipamentos são compensatórios;  a origem das falhas devem ser monitoradas e sua ascensão acompanhadas;  estabelecer programas sistematizados de acompanhamento, análise e diagnóstico de falhas. Existem inúmeras técnicas utilizadas para manutenção preditiva, mas as mais utilizadas são: análise de vibração mecânica, termografia, ultrassom e análise de óleos lubrificantes. A vibração mecânica em um componente ou ponto em uma máquina pode disseminar em vários outros pontos, provocando desgastes e fadigas em vários componentes 30 correlacionados. A técnica de análise de vibração tem como objetivo detectar a origem da vibração para se realizar procedimentos corretos e eliminar o problema (ARATO JUNIOR, 2004). A termografia é uma técnica que utiliza aparelhos que permitem a averiguação e controle de temperaturas em superfícies através da radiação infravermelha (ARATO JUNIOR, 2004). A técnica de ultrassom tem como objetivo verificar e detectar descontinuidades e defeitos internos de peças. Tem como vantagem detectar pequenos defeitos internos, pórem exige profundos conhecimentos e experiência do operador para executar o procedimento e fazer o laudo (ARATO JUNIOR, 2004). Já a parte de análise de lubrificantes tem como objetivo determinar o momento adequado para a troca do lubrificante e verificar o desgaste de componentes, através da análise de viscosidade e de partículas sólidas (ferrosas e não ferrosas) presentes no lubrificante. Essa técnica tem como desvantagem a necessidade de um grande número de equipamentos laboratoriais. Além da análise do lubrificante, a manuntenção preditiva tem o objetivo de otimizar o intervalo entre trocas do lubrificante (DHILLON, 2002; ARATO JUNIOR, 2004). 2.4 TRIBOLOGIA Estudos e pesquisas tentam alcançar a máxima eficiência energética em sistemas mecânicos para tentar reduzir custos. O atrito faz com que energia seja dissipada, em várias formas, geralmente em forma de calor, afetando assim, a eficiência de um sistema mecânico. Segundo Jost (1990), a tribologia é a ciência e tecnologia de superfícies interativas em movimento relativo e dos assuntos e práticas relacionados. Nas últimas décadas estudos tribológicos ganharam grande importância, a fim de obter o menor atrito. Além disso, a tribologia envolve fundamentos da física, química, mecânica e materiais para prever o comportamento físico de sistemas mecânicos (SINATORA, 2005). Toda superfície apresenta irregularidades denominadas de rugosidade, como pode ser visto na Figura 6 (a). O grau de rugosidade afeta diretamente o atrito, que pode ser minimizado pelo uso de lubrificantes. Os lubrificantes são materiais que são dispostos entre duas superfícies com objetivo de produzir uma espécie de filme, preenchendo espaços irregulares superficiais, afim de diminuir atrito e o desgaste entre essas superfícies interativas, conforme a Figura 6 (b). O tipo de lubrificante depende da necessidade de aplicação, podendo ser semifluidos como graxas, em formas sólidas como grafite em pó ou fluidos como o óleo. Além de reduzir o atrito 31 e o desgaste, os lubrificantes podem controlar o calor, a contaminação, transferir energia e prevenir ataques químicos como corrosão (TROYER; FITCH, 2001). Figura 6 - Rugosidade e atrito. Fonte: Liqui Moly (2015). 2.4.1 Graxas lubrificantes Mang e Dresel (2007) afirmam que não é fácil definir graxas como sólidos ou líquidos, portanto são definidos como sólidos para produtos semifluidos de dispersão de um agente espessante em um lubrificante líquido. Graxas lubrificantes são utilizadas quando óleos lubrificantes não são eficazes, tendo em vista que tendem a escoar, devido à baixa viscosidade em relação às graxas. São utilizadas em vários elementos de máquinas e componentes como: válvulas, correntes, engrenagens, conexão de roscas, parafusos, rolamentos, entre outros. Assim, as graxas devem atender vários atributos importantes como: longa vida útil de trabalho em altas temperaturas, prevenção contra oxidação e corrosão, confiabilidade em baixa temperatura de start-up de equipamentos, resistência à água e conformidade entre padrões impostos a indústria (BLOCH, 2009). As graxas lubrificantes apresentam vantagens em relação aos óleos lubrificantes como: escoam somente onde há influência da força aplicada, boa aderência a superfícies, maior resistência à água, atuam como selos contra sujeira e contaminação, a viscosidade de graxas tem menor dependência da temperatura, melhor desempenho sob condições de filme de aperto (BLOCH, 2009; MANG; DRESEL, 2007). Porém, as graxas lubrificantes apresentam um limite de velocidade mais baixo em relação aos óleos devido ao fato de ter maior viscosidade, não são recomendados onde a transferência de calor é um problema pois não dissipam calor, são mais suscetíveis à oxidação 32 em relação aos óleos lubrificantes, também não têm capacidade de remover partículas de desgaste do ponto de atrito (BLOCH, 2009; MANG; DRESEL, 2007). Graxas lubrificantes apresentam pseudoplasticidade, ou seja, a viscosidade é reduzida com o aumento da força cisalhante aplicada, conferindo, assim, a penetração e a lubrificação de componentes e elementos (MANG; DRESEL, 2007). Graxas lubrificantes são compostos basicamente de óleo lubrificante, agente espessante e aditivos para conferir propriedades específicas (BLOCH, 2009). 2.4.1.1 Óleo base Geralmente são utilizados como óleo base para graxas, óleos com viscosidade cinemática entre 15 a 1500 mm².s-1 a 40 °C. Óleos de baixa viscosidade são utilizados onde há baixa temperatura de trabalho e altas velocidades. Enquanto óleos de alta viscosidade são utilizados onde há menores velocidades, altas cargas, resistência à perda de evaporação, resistência a solventes e à água, entre outros. As graxas podem ser feitas a partir de óleos minerais ou de base sintética (MANG; DRESEL, 2007). 2.4.1.2 Agente espessante O agente espessante altera propriedades do lubrificante líquido, conferindo a consistência, basicamente é um tipo de sabão. Cada tipo de sabão detém uma propriedade característica de aplicação (MANG; DRESEL, 2007). Os sabões mais utilizados são à base de lítio, sódio, cálcio, bário e alumínio (SÁNCHEZ et al., 2011). O espessamento é obtido através dos ácidos carboxílicos (contém 18 átomos de carbono) presente em sabões. Os sabões são geralmente feitos a partir de um ácido denominado de hidroxiesteárico 12, ou também a partir de combinações de éster, glicerídeos e hidróxido de elementos de metais alcalinos e alcalino-terroso (MANG; DRESEL, 2007). Quanto maior for o comprimento da cadeia de carbono de um ácido carboxílico de um sabão, maior será a solubilidade do óleo base, conferindo assim uma menor capacidade de espessamento e menor ponto de gotejamento (MANG; DRESEL, 2007). A Tabela 1 demonstra o impacto de diferentes tipos de espessante nas propriedades das graxas. 33 Tabela 1 - Impacto do espessante nas propriedades das graxas. Espessante Faixa de temperatura de serviço (°C) Ponto de gota DIN IS0 2176 (°C) Resistência à água Estabilidad e à alta pressão Aplicação preferida Óleo Mineral Óleo Sintético Alumínio -20 à 70 - 120 bom satisfaz Engrenagens, válvulas. Cálcio -30 à 50 - 100 muito bom bom Vedantes de labirinto sob impacto da água. Lítio -35 à 120 -60 à 160 170/200 bom satisfaz Mancais de deslizamento, contatos. Sódio -30 à 100 - 150/170 insatisfaz satisfaz Engrenagens. Al complexo -30 à 140 -60 à 160 > 230 bom satisfaz Mancais e rolamentos lisos, pequenas engrenagens. Ba complexo -25 à 140 -60 à 160 > 220 muito bom muito bom Mancais e rolamentos lisos, válvulas, misto de fricção. Ca complexo -30 à 140 -60 à 160 > 190 muito bom muito bom Mancais de deslizamento, selos de alta velocidade. Li complexo -40 à 140 -60 à 160 > 220 bom satisfaz Mancais de deslizamento, acoplamentos. Na complexo -30 à 140 -60 à 160 > 220 satisfaz satisfaz Mancais de deslizamento (sujeito a vibração). Bentonita -40 à 140 -60 à 180 nenhum bom satisfaz Válvulas (base de silicone para alto vácuo), engrenagens, contatos. Poliuréia -30 à 160 -40 à 180 nenhum bom satisfaz Mancais de deslizamento. PTFE - -40 à 260 250 bom bom Mancais de deslizamento, válvulas sujeitos a meios agressivos. Fonte: Bloch (2009). Normalmente a graxa lubrificante é composta em sua formulação entorno de 90% de óleo, o restante está divido entre sabão e aditivos (CARRETEIRO; BELMIRO, 2006). 2.4.1.3 Aditivos Muitos aditivos utilizados em lubrificantes líquidos também podem ser utilizados em graxas, podendo apresentar altas concentrações em sua composição, sendo interagidos com o agente espessante. Essa interação entre aditivos e espessante deve ser sempre bem observada, pois aditivos podem modificar as partículas de união entre óleo e espessante (MARTÍN- ALFONSO et al., 2011). 34 Os aditivos mais comuns são antioxidantes, inibidores de corrosão, aditivos de extrema pressão/antidesgaste, lubrificantes sólidos, desativadores de metal (inibição de efeitos catalíticos) e aderentes (MANG; DRESEL, 2007). 2.4.1.4 Dados tribológicos Graxas lubrificantes são caracterizadas através de normas tribotécnicas, que são apresentados na Tabela 2. Tabela 2 - Características de normas tribotécnicas. Características Teste Notas Óleo Base/ Espessante Ambas as matérias-primas fornecem informações sobre o comportamento possível de uma graxa lubrificante. No entanto, apenas as propriedades químico-físicas e mecânico-dinâmico são característicos do desempenho real da graxa. Densidade DIN 51 757 A quantidade de lubrificante necessário para um certo atrito é geralmente indicada em volume. O volume em mm³ multiplicado pela densidade é igual à quantidade de lubrificante requerido para o ponto de fricção. Viscosidade de óleo base DIN 51 561 Óleos de base de espessura ≤ 46 mm/s são os preferidos para velocidades altas, cargas e baixa rugosidade da superfície. Óleos- base de espessura - 220 mm/s são preferidos para baixas velocidades, cargas elevadas e/ou aumento da rugosidade da superfície. Coloração A cor não é uma característica de desempenho. É determinada pelas matérias-primas e aditivos. Graxas de grafite e MoS2 , por exemplo, são pretos. Ponto de gota DIN ISO 2176 Mesmo que o ponto de gota não seja indicativo da temperatura de serviço, deve ser, pelo menos, 40 ° C acima do limite. Faixa de temperatura de serviço Um intervalo de lubrificação adequado pode ser alcançado na gama especificada. Temperaturas de serviço são indicadas, com base em medições e procedimento de teste como uma experiência prática. Fator velocidade (n*dm) O fator de velocidade é importante para graxas de lubrificação utilizadas em mancais de deslizamento. Ele leva em consideração o atrito interno da combinação base de óleo/espessante. Se à graxa lubrificante usada em outro campo de aplicação tenha sido atribuído um determinado fator de velocidade, também é adequado a mancais de deslizamento. Penetração de trabalho DIN ISO 2137 Medir a penetração trabalho fornece informação sobre a consistência da graxa, ou seja, se é macio ou duro. Consistência DIN 51 828 A classificação de graxas em graus NLGI é uma classificação simplificada em termos de trabalho de penetração. 35 Características Teste Notas Viscosidade aparente A viscosidade aparente (medida em mPa*s) é o mesmo que o atrito interno do lubrificante. Kluber classificou a viscosidade aparente em 5 classes. A Classe EL (extra leve) caracteriza uma graxa de bom funcionamento, adequado para aplicações com torques extremamente baixo. Fonte: Bloch (2009). A viscosidade e a consistência de graxas lubrificantes são elementos importantes para a seleção adequada para devida aplicação. A Tabela 3 demonstra os graus de liberdade, enquanto a Tabela 4 demonstra as classes de consistência. Tabela 3 - Graus de viscosidade. Graus de Viscosidade Classe de viscosidade Viscosidade aparente (mPa*s) Explicação EL ≤ 2000 Graxa lubrificante extra-leve para torques extremamente baixos, funcionamento suave. L 2000... 4000 Graxa lubrificante leve para torques baixos ou altas velocidades em rolamentos, graxa de alta velocidade. M 4000... 8000 Graxa lubrificante meio de requerimentos padrão em todos os pontos de graxa lubrificante. S 8000... 20000 Graxa lubrificante pesado para cargas elevadas ou fluidos, de alta pressão ou graxas de vedação. ES ≥ 20000 Graxa lubrificante extra-pesado para torques elevados ou aumento do efeito de fixação, válvula ou graxas ópticos. Fonte: Bloch (2009). Tabela 4 - Classes de consistência. Classe de consistência DIN 51818 (NLGI) Penetração de trabalho DIN ISSO 2137 (0,1 mm) Textura Aplicação geral 000 445... 475 fluido principalmente para lubrificação de engrenagem 00 400... 430 quase fluido 0 355... 385 extremamente macio 1 310... 340 muito macio lubrificação de rolamentos e mancais de deslizamentos 2 265... 295 macio 3 220... 250 médio 4 175... 205 duro vedação e barreira de graxa para labirintos e válvulas 5 130... 160 muito duro 6 85... 115 extremamente duro Fonte: Bloch (2009). 36 Os principais ensaios realizados em graxas lubrificantes são proteção contra corrosão, resistência à oxidação, resistência à lavagem por água, ponto de gota e separação do óleo (CAVALCANTE, 2012). É recorrente equipes de manutenção mal qualificadas misturar diferentes tipos de graxas em elementos de máquinas e/ou componentes, acarretando a incompatibilidade de graxas. A incompatibilidade devido à mistura de graxas altera significativamente a diminuição de propriedades e desempenho. Bloch (2009) afirma que a incompatibilidade devido à mistura de graxas pode afetar propriedades como: diminuição à resistência ao calor, mudança na consistência (podendo amolecer) diminuindo a estabilidade de cisalhamento, alteração nas propriedades químicas (podendo formar ácidos prejudiciais). A Tabela 5 demonstra a compatibilidade de diferentes bases de graxas lubrificantes. Tabela 5 - Características de normas tribotécnicas. A lu m ín io co m p le x o B ár io C ál ci o C ál ci o h id ro x ie st eá ri co 1 2 C ál ci o c o m p le x o A rg il a L ít io L ít io h id ro x ie st eá ri co 1 2 L ít io c o m p le x o P o li u ré ia S ó d io Alumínio complexo X I I C I I I I C I I Bário I X I C I I I I I I I Cálcio I I X C I C C B C I I Cálcio hidroxiesteárico 12 C C C X B C C C C I I Cálcio complexo I I I B X I I I C C I Bentone (argila) I I C C I X I I I I I Lítio I I C C I I X C C I I Lítio hidroxiesteárico 12 I I B C I I C X C I I Lítio complexo C I C C C I C C X I I Poliuréia I I I I C I I I I X I Sódio (base de sódio) I I I I I I I I I I X Onde: B - Compatibilidade incerta; C - compatível; I - incompatível. Fonte: Bloch (2009). 37 2.4.2 Lubrificação sólida Lubrificante sólido é qualquer material sólido depositado sobre duas superfícies em movimento, produzindo um filme, assim reduzindo o atrito entre essas superfícies em interação. Geralmente são utilizados onde há elevadas temperaturas (acima de 300°C), em componentes de máquinas e equipamentos onde há necessidade de lubrificação a seco, ambientes extremamente oxidantes em relação a outros lubrificantes e onde há pressões de contato extremo (MANG; DRESEL, 2007). Os lubrificantes sólidos apresentam como característica estrutura hexagonal lamelar, anisotrópica (dependendo da direção o material tem propriedades características alteradas) e alta estabilidade química. Os lubrificantes sólidos mais empregados são grafite e o bissulfeto de molibdênio (MoS2) (CALLISTER, 2000; MANG; DRESEL, 2007). Mang e Dresel (2007) afirmam que os lubrificantes sólidos devem atender a três requisitos mínimos em suas propriedades, são elas:  grande grau de aderência entre o filme do lubrificante e a superfície, pois deve haver aderência quando as superfícies estiverem sendo friccionadas;  grande coesão interna do filme, pois o filme não pode se separar quando houver fricção;  baixa resistência ao atrito devido à pequena adesão entre as partículas e as camadas de cisalhamento. 2.4.3 Óleos lubrificantes Assim como os outros tipos de lubrificantes, os óleos lubrificantes também têm a função de reduzir o atrito, proteger o desgaste, evitar corrosão e oxidação, dissipar calor, boa aderência entre o filme e a superfícies, entre outras séries de aplicações. Também tem uma gama de aplicação muito variada, desde lubrificação de engrenagens à motores de combustão interna. Os óleos lubrificantes são constituídos por base mineral e base sintética. Os óleos lubrificantes de base mineral são compostos por moléculas de hidrocarbonetos. Usualmente os óleos de base mineral são produzidos a partir de hidrocarbonetos parafínicos, mas também há óleos minerais de hidrocarbonetos naftênicos (são utilizados onde se necessida boa fluidez em temperaturas baixas) e os hidrocarbonetos aromáticos (geralmente são utilizados para propósitos de comparação entre os parafínicos e os naftênicos) (TROYER; FITCH, 2001). 38 Os óleos lubrificantes de base sintética utilizam um processo químico de maior custo de fabricação do que os de base mineral (são refinados através do petróleo), para a obtenção dos hidrocarbonetos sintéticos. Apresentam vantagens em relação aos óleos lubrificantes de base mineral como maior vida contra oxidação, maior resistência térmica, intervalos mais prolongados de uso e melhor lubricidade (TROYER; FITCH, 2001). 2.4.3.1 Viscosidade A viscosidade é uma propriedade muito importante para os óleos lubrificantes. A viscosidade pode ser definida como a resistência do fluido ao escoar, ou a resistência a forças de cisalhamento. Fluidos newtonianos apresentam como característica deformação proporcional à força de cisalhamento aplicada. Munson, Young e Okiishi (2004) afirmam, através de gráficos, que os óleos lubrificantes são classificados como fluidos newtonianos. De acordo com Munson, Young e Okiishi (2004), a viscosidade pode ser expressa em viscosidade dinâmica (absoluta) e viscosidade cinemática. A viscosidade dinâmica é expressa pela Equação (01) e representada pela Figura 7. dy du   (01) Na qual:  , tensão de cisalhamento [ Pa ];  , viscosidade dinâmica do fluido [ sPa. ]; u , velocidade [ 1. sm ]; y , distância [ m ]; Figura 7 - Viscosidade dinâmica Fonte: Adaptado de Munson, Young e Okiishi (2004). 39 Já a viscosidade cinemática é dada pela seguinte equação:     (02) Na qual:  , tensão de cisalhamento [ 12. sm , 12. smm ou cSt ];  , massa específica [ 3. mkg ]; A viscosidade dos fluidos em geral diminui à medida que a temperatura aumenta, devido ao fato que as forças coercivas das moléculas são reduzidas, fazendo com que haja a redução da resistência à movimentação (MUNSON; YOUNG; OKIISHI, 2004). A variação da viscosidade pode afetar drasticamente o desempenho de máquinas e equipamentos. De acordo com Lago (2007), a redução significante na viscosidade pode acarretar:  perda do filme de óleo causando desgaste excessivo;  geração de calor devido ao atrito mecânico;  vazamento interno ou externo;  aumento da sensibilidade para a contaminação de partícula devido à redução do filme de óleo;  falha do filme de óleo para altas temperaturas, altos carregamentos ou durante partidas e paradas. Já o aumento da viscosidade pode acarretar:  excessiva geração de calor resultando na oxidação do óleo, lodo e desenvolvimento de verniz;  cavitação gasosa devido ao fluxo inadequado de óleo para bombas e mancais  falta de lubrificação devido ao fluxo inadequado de óleo;  consumo excessivo de energia para superar o atrito do fluido;  fraco bombeamento durante partidas a frio. 40 2.4.3.2 Classificação de óleos lubrificantes Para cada tipo de aplicação de óleo lubrificante, há uma norma especifica de classificação, que por sua vez são representados por siglas, para que haja uma padronização de óleos de diferentes fabricantes. Atualmente existem inúmeros órgãos que regulamentam a classificação de óleos lubrificantes, dentre eles pode-se citar o API, SAE, ISO. 2.4.3.2.1 Classificação API O sistema de classificação API é baseado no tipo de serviço de aplicação e nas características de desempenho, que o óleo lubrificante irá exercer. A Tabela 6 demonstra a classificação API de óleos lubrificantes para motores de ciclo Otto. Tabela 6 - Classificação API de óleos para motores de ciclo Otto. MOTORES À GASOLINA (AS INDICAÇÕES DO VEÍCULO DE FABRICAÇÃO DE NÍVEL DESEMPENHO DE ÓLEO) CATEGORIA CONDIÇÃO SERVIÇO SN ATUAL Introduzido em outubro de 2010 à 2011, para motores velhos, projetados para fornecer proteção de alta temperatura para pistões contra depósito, controle de lodo mais rigorosas, e compatibilidade do selo. Com recurso de conservação API SN corresponde ao ILSAC GF- 5. Através da combinação de desempenho API SN com maior economia de combustível, proteção para turbocompressor, a compatibilidade do sistema de controle de emissões, e proteção de motores que operam com combustíveis contendo etanol até E85 . SM ATUAL Para 2010 e mais motores automotivos velhos. SL ATUAL Para 2004 e mais motores automotivos velhos. SJ ATUAL Para 2001 e mais motores automotivos velhos. SH OBSOLETO OBSOLETO: para 1996 e motores automotivo mais velhos . SG OBSOLETO CUIDADO: Não é adequado para uso na maioria dos motores de automóveis movidos a gasolina construídos depois de 1993. Não pode fornecer proteção adequada contra a acumulação de lodo de motor, oxidação, ou desgaste. SF OBSOLETO CUIDADO: Não é adequado para uso na maioria dos motores de automóveis movidos a gasolina construídos depois de 1988. Não pode fornecer proteção adequada contra a acumulação de lodo no motor. SE OBSOLETO CUIDADO: Não é adequado para uso em motores de automóveis movidos à gasolina construídos depois de 1979. SD OBSOLETO CUIDADO: Não é adequado para uso em motores de automóveis movidos à gasolina construídos depois de 1971. O uso em motores mais modernos pode causar desempenho insatisfatório ou dano no equipamento. 41 MOTORES À GASOLINA (AS INDICAÇÕES DO VEÍCULO DE FABRICAÇÃO DE NÍVEL DESEMPENHO DE ÓLEO) CATEGORIA CONDIÇÃO SERVIÇO SC OBSOLETO CUIDADO: Não é adequado para uso em motores de automóveis movidos à gasolina construídos depois de 1967. O uso em motores mais modernos pode causar desempenho insatisfatório ou dano no equipamento. SB OBSOLETO CUIDADO: Não é adequado para uso em motores de automóveis movidos à gasolina construídos depois de 1951. O uso em motores mais modernos pode causar desempenho insatisfatório ou dano no equipamento. SA OBSOLETO CUIDADO: Não contém aditivos. Não é adequado para uso em motores de automóveis movidos à gasolina construídos depois de 1930. O uso em motores mais modernos pode causar desempenho insatisfatório ou dano no equipamento. Fonte: API (2016). 2.4.3.2.2 Classificação SAE O sistema de classificação desenvolvido pela SAE considera a viscosidade do óleo, pois o mesmo tem sua viscosidade alterada com variação de temperatura. A sigla "W"(winter) confere o grau de viscosidade para baixa temperatura. Quando não há sigla "W" os óleos lubrificantes são utilizados em temperaturas mais elevadas. Ao longo dos anos, com o desenvolvimento de aditivos (apresentado no tópico 2.4.3.3), em especial aos melhoradores de índice de viscosidade, permitindo que óleos lubrificantes trabalhem em amplas faixas de temperaturas, sendo conhecidos como óleos multigraus. A Tabela 7 apresenta a classificação SAE J300, para óleos lubrificantes aplicados em motores de combustão interna. 42 Tabela 7 - Classificação SAE J300(i) para óleo de motores. Grau de Viscosidade SAE Viscosidade (cP) A temperatura °C máxima Viscosidade (cSt) a 100°C(iv) Viscosidade (cSt) após cisalhamento(v) Partida(ii) Bombeamento(iii) Mín Máx 0 W 6200 até -35°C 60000 até -40°C 3,8 - 5 W 6600 até -30°C 60000 até -35°C 3,8 - 10 W 7000 até -25°C 60000 até -30°C 4,1 - 15 W 7000 até -20°C 60003 até -25°C 5,6 - 20 W 9500 até -15°C 60004 até -20°C 5,6 - 25 W 13000 até -10°C 60005 até -15°C 9,3 - 20 - - 5,6 < 9,3 2,6 30 - - 9,3 < 12,5 2,9 40 - - 12,5 < 16,3 2,9(vi) 40 - - 12,5 < 16,3 3,7(vii) 50 - - 16,3 < 21,9 3,7 60 - - 21,9 < 26,1 3,7 Notas: i) Valores com especificações definidas pela ASTM D-3244 ii) Viscosidade aparente utilizando o Simulador de partida a frio (CCS) - Método ASTM D 5293. iii) Viscosidade aparente utilizando o Viscosímetro rotativo (MRV) - Método ASTM D 4684. iv) Viscosidade cinemática utilizando Viscosímetro capilar - Método ASTM D 445. v) Viscosidade após cisalhamento de 10-6s, e temperatura de 150 ºC utilizando o Viscosímetro simulador de rolamento selado - Método ASTM D 4683. vi) Para óleos SAE 0W40, 5W40 e 10W40. vii) Para óleos SAE 15W40, 20W40, 25W40 e 40. Fonte: Texaco (2005). 2.4.3.2.3 Classificação ISO Assim como o sistema de classificação SAE, o sistema ISO de classificação para óleos lubrificantes também considera apenas a viscosidade, porém considera viscosidade do óleo a uma temperatura de 40 °C. A Tabela 8 demonstra a classificação ISO para óleos industriais. 43 Tabela 8 - Classificação ISO para óleos industriais. Grau de Viscosidade ISO Ponto Médio da Viscosidade (cSt) a 40 °C Limites da Viscosidade Cinemática, (cSt) a 40 °C Mín Máx 2 2,2 1,98 2,42 3 3,2 2,88 3,52 5 4,6 4,14 5,06 7 6,8 6,12 7,48 10 10 9 11 15 15 13,5 16,5 22 22 19,8 24,2 32 32 28,8 35,2 46 46 41,4 50,6 68 68 61,2 74,8 100 100 90 110 150 150 135 165 220 220 198 242 320 320 288 352 460 460 414 506 680 680 612 748 1000 1000 900 1100 1500 1500 1350 1650 Fonte: Texaco (2005). 2.4.3.3 Aditivos em óleos lubrificantes Os óleos lubrificantes base mineral de base sintética podem conter aditivos para alterar suas propriedades de desempenho. Aditivos têm como função suprimir propriedades indesejáveis do óleo, melhorar as propriedades existentes, e transmitir novas propriedades aos óleos bases (TROYER; FITCH, 2001). Troyer e Fitch (2001), em seu trabalho descrevem os aditivos mais comuns adicionados ao óleo base, são eles:  Anti-oxidantes/inibidores de oxidação: óleos lubrificantes reagem com o oxigênio, principalmente quando é exposto sob alta temperatura. As reações oxidativas podem alterar as propriedades químicas e físicas do óleo lubrificante, como aumento da acidez, escurecimento da cor, aumento da massa específica, entre outros. Os anti-oxidantes mais utilizados são sulfetos de alquila e aminas aromáticas.  Inibidores de ferrugem: dependendo do material de contanto interativo, a água pode agir negativamente 1sobre as superfícies, fazendo com que as superfícies 44 sofram um desgaste corrosivo. Os inibidores de ferrugem formam uma película, agindo como uma barreira repelindo a água presente nas superfícies de contato. São utilizados como inibidores de ferrugem sulfonatos, fosfatos, ácidos orgânicos, éster e aminas.  Detergentes e dispersantes: detergentes ajudam a limpar superfícies sob contato. Dispersantes são moléculas polares que envolvem partículas de iodo e fuligem, fazendo com que inibam a aglomeração das mesmas em superfícies de contato. Ambos aditivos ajudam a proteger contra agentes ácidos, são compostos basicamente por sulfonato de cálcio e bário, detergentes poliméricos, compostos de amina, entre outros.  Aditivos/anti-desgaste(AD) e pressão extrema (AW): são ideais quando há condições de lubrificação extrema. Quando o óleo lubrificante é submetido à alta pressão, estes aditivos quimicamente ativos reagem com a superfície do componente, formando películas de óxido de sabão macio.  Melhoradores de índice de viscosidade (IV): são constituídos de polímeros (alto peso molecular), copolímeros de estirenos, ésteres, entre outros. São utilizados para diminuir a taxa alteração da viscosidade do óleo lubrificante para diferentes faixas de temperaturas, assim permite que o óleo tenha uma resistência maior com a variação de temperatura.  Inibidores de espuma ou anti-espuma: têm como função inibir a formação de espumas estáveis localizadas acima do nível do óleo. É um polímero de silicone de metilo, que são distribuídos em forma micro glóbulos, estes micros glóbulos são puxados para superfície do óleo fazendo com que as bolhas sejam destruídas.  Abaixadores de ponto de fluidez (APP): são polímeros adicionados aos óleos lubrificantes com o propósito de que o mesmo possa fluir e seja bambeável em temperaturas baixas, sem que possa haver a formação de um espessamento muito viscoso. 2.5 DESGASTE Desgaste é a perda progressiva do material, devido à interação entre as superfícies em contato com lubrificantes ou não (LAGO, 2007). Kato e Adashi (2001) classificam o desgaste em quatro modos: 45  Desgaste por fadiga: é uma fratura de fadiga ocasionada devido a ciclos de atrito.  Desgaste corrosivo: é ocasionado devido à exposição do material em meio corrosivo, fazendo com que haja a remoção de material.  Desgaste adesivo: é um desgaste gerado sobre contato plástico, ocorre a formação de fratura devido à forte adesão à superfície de contato.  Desgaste abrasivo: também é um desgaste gerado sobre contato plástico, a formação de fratura ocorre de forma de um micro-corte. A Figura 8 demonstra a formação dos modos de desgaste. Figura 8 - Modos de desgaste. Fonte: Kato e Adashi (2001). As partículas de desgaste de metal como por exemplo o cobre e o ferro, se oxidam mais rapidamente, fazendo com que o óleo lubrificante perda alguns aditivos importantes como dispersantes e inibidores de ferrugem, sem contar que a ampla quantidade de partículas em suspensão aumenta a viscosidade do óleo lubrificante (TROYER; FITCH, 2001). As partículas de desgaste podem levar máquinas e equipamentos à falha prematura de componentes, pois quando essas partículas, misturadas com o óleo lubrificante e duas superficies de contato em interação, podem causar desgaste erosivo nas superfícies (TROYER; FITCH, 2001). 46 2.6 ANÁLISE DE ÓLEO LUFRIFICANTE Há inúmeras técnicas de análise de óleo lubrificante, dentre elas pode-se citar a espectrometria, ponto de fluidez, ponto de fulgor, teste de viscosidade, contadores de partículas e a ferrografia. De acordo com Lago (2007), a ferrografia é um artifício para se fazer estudos tribológicos em óleos lubrificantes. A ferrografia é uma técnica de manutenção preditiva que faz o monitoramento e diagnose de condições de máquinas, analisando e quantificando as partículas de desgaste de amostras de óleos lubrificantes em serviço, podendo determinar o desempenho do lubrificante, o tipo de desgaste, entre outros aspectos. As técnicas de ferrografia dividem-se em ferrografia quantitativa e ferrografia analítica. Através da ferrografia quantitativa é possível obter informações sobre o grau de severidade de desgaste da máquina pelo óleo lubrificante. Já a ferrografia analítica apresenta a tendência anormal de desgaste, sendo que as partículas de desgaste podem apresentar tamanhos entre 1 a 250 μm (LAGO, 2007). Ferrogramas analíticos são lâminas e/ou lamínulas transparentes onde as partículas magnéticas são depositadas sobre o mesmo, sendo separados por tamanho através de um campo magnético, a identificação da morfologia dessas partículas de desgaste e a mensuração das mesmas são feitas através de um microscópio eletrônico (LAGO, 2007). 2.6.1 Ferrogramas analíticos Um aparato muito utilizado é o separador de partículas linear que, através de um campo magnético as partículas se ordenam em tamanhos diferentes ao longo da lâmina, sendo que partículas maiores são depositadas primeiro, como pode ser observado na Figura 9. Figura 9 - Separador de partículas linear. Fonte: Lago (2007). 47 Quanto menor a quantidade de partículas ferrosas presentes na amostra de óleo lubrificante, menos eficiente são os métodos de ferrogramas analíticos. De acordo com Bivirt (2004) citado por Lago (2007), partículas da ordem de 1-10 μm indicam desgaste normal do equipamento. Partículas de tamanho 1-50 μm representam início de desgaste severo do equipamento. Já as partículas de magnitude de 1-100 μm evidenciam desgaste severo tendendo levar a falha da máquina. Outro aparato para separar as partículas presentes no óleo lubrificante é o separador rotativo de partículas (RPD), esse aparato utiliza forças magnéticas, centrífugas e gravitacionais para a separação de partículas. Essas partículas são depositadas sobre uma lamínula em três anéis concêntricos. No anel interno ficam depositadas partículas de 1-200 μm, enquanto no anel do meio ficam depositadas partículas de 1-50 μm, e no anel externo são depositadas partículas da ordem de 1-10 μm. A Figura 10 demonstra o separador de partículas rotativo (RPD) e o ferrograma obtido. Figura 10 - Separador de partículas rotativo e o ferrograma obtido. Fonte: Kimura (2010). De acordo com Kittiwake (2004), para confeccionar um ferrograma utilizando o RPD, deve-se seguir algumas etapas, são elas:  a amostra do óleo lubrificante deve se apresentar de forma homogênea;  o óleo lubrificante deve ser aquecido antes a uma temperatura de 60 °C; 48  fixar a lâmina no êmbolo de fixação;  com a pipeta dosadora, deve-se depositar a amostra do lubrificante sobre a lamínula;  ativar o equipamento na velocidade 1 (70 RPM) e despejar 1 ml de tetracloroetileno sobre a amostra;  após dois minutos alterar a rotação para velocidade 2 (100 RPM) e despejar 1 ml de tetracloroetileno sobre a amostra, verificando se há a diminuição do filme do óleo lubrificante, caso não haja diminuição repita esse passo até que haja a diminuição do filme de óleo sobre a amostra;  após dois minutos alterar a rotação para velocidade 3 (130 RPM) e despejar 1 ml de tetracloroetileno sobre a amostra;  após dois minutos alterar a rotação para velocidade 4 (200 RPM) por alguns minutos. Chiou (1991) desenvolveu um separador de partículas rotativo, e o denominou de analisador ferrográfico rotativo melhorado (AFR), mostrado na Figura 11 (a), com o propósito de separar partículas de óleo lubrificantes sem a utilização de solventes químicos. O autor confeccionou um disco rotativo que é composto por quatro ímãs de samário- cobalto, em forma de cilindros concêntricos, para o controle da rotação foi utilizado um motor elétrico do tipo passo. Os ímãs de samário-cobalto foram confeccionados pelo autor por meio do processo de sinterização, para que não houvesse microfissuras de fabricação, assim, foram adotados espessura de 6 mm para os ímãs de cilindros concêntricos. Entre esses ímãs, foram utilizados cilindros concêntricos de cobre, ilustrado na Figura 11 (b). Para a confecção dos ferrogramas Chiou (1991), utilizou lamínulas de quartzo de 1 mm de espessura. Através de duas amostras de óleo, o autor obteve ferrogramas com quatro anéis concêntricos de boa qualidade, com boa separação das partículas de desgaste por tamanho. 49 Figura 11 - Separador de partículas rotativo e o ferrograma obtido. Fonte: Chiou (1991). 2.7 MAGNETISMO Como citado anteriormente, o separador de partículas rotativo convencional utiliza forças magnéticas e outras em conjunto. Antes de mais nada é necessário entender sobre os fundamentos básicos do magnetismo. Os átomos são constituídos através de um núcleo circundado por elétrons, o núcleo é composto por prótons e nêutrons, para cada próton há um elétron para contrabalancear. A órbita mais externa de um núcleo o elétron é atraído com menor intensidade, assim, maior será a facilidade de desalojá-lo do átomo. Os elétrons se movimentam constantemente em próprio eixo através de sua órbita, devido a esse movimento de rotação dos elétrons em seu eixo é gerado o campo magnético (FARIA; LIMA, 2005). De acordo com Faria e Lima (2005), estas velocidades são muito elevadas, o presente trabalho não tem o intuito de mensurar essas velocidades, mas para se ter uma noção dessas magnitudes, a velocidade do elétron em sua órbita circular pode ser calculada através da Equação (03), e o campo magnético gerado por um elétron em sua órbita circular é calculado através da Equação (04). 50 rm kZe v 2  (03) 2r ev B  (04) Na qual: k , constante dielétrica [ 29 ²..10.0,9 CmN ]; Z , carga do núcleo; e , carga elétrica negativa [ C ]; r , raio da órbita do elétron [ m ]; m , massa do elétron [ kg ]; v , velocidade do elétron [ 1. sm ]; B , campo magnético [ 11..  mAN , 2. mWb ou T ]; Faria e Lima (2005) descrevem ainda que o magnetismo se dá pelo momento angular orbital do elétron, representado pela Figura 12 (a) e também pelo momento angular do spin, representado pela Figura 12 (b). Figura 12 - Momentos magnéticos. Fonte: Callister (2000). Momento magnético é a somatória vetorial de todos os momentos eletrônicos. Nos materiais diamagnéticos os elétrons são orientados de tal forma que se anulam, assim o átomo não apresenta qualquer momento magnético. Já nos materiais paramagnéticos, ferromagnéticos, ferrimagnéticos e antiferromagnéticos a somatória dos elétrons é orientada de tal forma que se anulam, porém, o átomo apresenta um certo momento magnético (FARIA; LIMA, 2005). 51 Callister (2000), afirma que os materiais diamagnéticos apresentam uma forma fraca de magnetismo, que não é permanente e continua somente quando um campo magnético externo está sendo aplicado, um exemplo de material diamagnético é o cobre. Os materiais paramagnéticos apresentam como característica o alinhamento dos dipólos (positivos e negativos) magnéticos atômicos através de um campo magnético externo, ao se retirar campo externo os dipolos magnéticos atômicos voltam a ser desalinhados, não apresentando campo magnético, exemplo de materiais paramagnéticos é o alumínio e o magnésio. Os materiais ferromagnéticos apresentam dipolos magnéticos atômicos alinhados sem a presença de um campo magnético externo. Enquanto os materiais ferrimagnéticos ou ferrites apresentam um momento magnético permanente, também apresentam dipolos magnéticos atômicos alinhados sem a presença de um campo magnético externo (CALLISTER, 2000). Nos materiais antiferromagnéticos há um alinhamento antiparalelo de spin, assim, os momentos magnéticos contrários se anulam, portanto, não apresentam qualquer momento magnético resultante (CALLISTER, 2000). Os momentos magnéticos não nulos geram diversos campos magnéticos, que por sua vez são indicados pelas linhas de força, como representado na Figura 13. Os campos magnéticos tendem ordenar os elétrons, essa ordenação faz com que os objetos próximos, que não tenham ordenação sejam atraídos, tentando ordená-los. Figura 13 - Linhas de força. Fonte: Callister (2000). Como observado na Figura 13, as linhas de força ocorrem através dos dipolos, ou seja, pelo pólo norte (ou pólo positivo) para o pólo sul (ou pólo negativo). Os momentos magnéticos são vinculados ao alinhamento dos elétrons, devido ao aumento de temperatura o grau de agitação tende aumentar, assim, há desalinhamentos dos elétrons afetando diretamente os momentos magnéticos, portanto, a temperatura influência 52 diretamente sobre o comportamento magnético, diminuindo a força magnética (CALLISTER, 2000; SHACKELFORD, 2013). 2.7.1 Ímãs permanentes e temporários Ímãs permanentes apresentam campos magnéticos constantes, contínuos e apresentam alta resistência à desmagnetização magnética, são conhecidos também como materiais magnéticos duros. Apresentam alta remanência e coercividade (CALLISTER, 2000). Os ímãs permanentes mais comuns são os ímãs de AlNiCo, ímãs de NdFeB, ímãs de SmCo e os ímãs de ferrite de estrôncio e bário. Os ímãs temporários são decorrentes através da passagem de corrente elétrica em um condutor, fazendo com que os elétrons sejam alinhados e se movimentem de uma forma linear em uma velocidade elevada, além do movimento linear os elétrons também rotacionam, gerando campo magnético (Figura 14), tendo comportamento semelhante ao de um ímã permanente. Figura 14 - Representação do campo magnético temporário. Fonte: Esquemas Eletrônicos (2016). 2.7.2 Medidas magnéticas É necessário conhecer e mensurar grandezas magnéticas. Dentre as grandezas magnéticas mais importantes, pode-se citar a remanência, coercividade, coercividade intrínseca e o máximo produto energético. A remanência é o campo magnético permanente após a retirada de um campo magnético, que foi utilizado para a sua magnetização. Quanto maior quantidade de grãos monocristalinos na direção de um campo magnético externo, maior será a facilidade de magnetizá-lo e maior será a remanência. Quanto maior for a remanência de um ímã permanente, maior será a coercividade. Sua unidade de medida é Tesla [T ] ou Gauss [G ] (FARIA; LIMA, 2005). 53 A coercividade é a energia máxima para que seu campo magnético reduza a zero. Quanto maior a coercividade mais difícil será a sua desmagnetização. Há fatores que contribuem para coercividade, como o tamanho dos grãos, o espaço entre grãos e a orientação dos grãos. A unidade de medida mais usual é Gauss [ G ] ou Oersted [Oe]. Já a coercividade intrínseca é a energia máxima para que se possa desmagnetizar o ímã permanentemente.Sua unidade de medida mais usual é Ampere por metro [ 1. mA ] ou Oersted [Oe] (ANOCIBAR, 2011). O máximo produto energético é a quantidade de energia no campo magnético pelo volume do ímã permanente. A unidade de medida é o Joule por metro cúbico [ 3. mJ ] ou Gauss Oersted [GOe] (ANOCIBAR, 2011). A densidade de fluxo magnético é a quantidade de vetores do campo magnético que atravessam uma superfície. Sua unidade de medida é Tesla [T ] ou Gauss [ G ] (FARIA; LIMA, 2005). 2.7.3 Processo de fabricação dos ímãs permanentes De acordo Chiaverini (1986), a grande maioria dos ímãs permanentes, como os ímãs AlNiCo, NdFeB, SmCo e ferrite de estrôncio e bário são feitos pelo processo de fabricação denominado de metalurgia do pó, onde se pode unir diferentes elementos que através de outros meios são difíceis ou irrealizáveis. Neste processo produtivo, os elementos químicos em forma de pós são misturados e homogeneizados por meios mecânicos. Após os elementos na forma dos pós serem misturados e homogeneizados é feita a compactação através de prensas, onde punções opostas comprimem os pós contidos na matriz, assim conferindo forma à peça, reduzindo espaços vazios e aumentando o contado entre as partículas. Após a compactação é feito um tratamento térmico chamado de sinterização, através de fornos especiais (GROOVER, 2014). A sinterização é feita em temperaturas abaixo do ponto de fusão dos elementos compactados, geralmente de 70% a 90% do ponto de fusão. A sinterização une as partículas compactadas, aumentando o coalescimento entre elas, resultando o aumento da resistência e da dureza, no caso dos ímãs há um aumento das propriedades magnéticas (GROOVER, 2014). Os ímãs de ferrite são fabricados à base de pós de óxido de ferro em conjunto com estrôncio ou bário. São fabricados com os tipos anisotrópicos e isotrópicos. Os ímãs de ferrite anisotrópicos são submetidos a um campo eletromagnético durante seu processo de fabricação, assim, adquirindo melhores propriedades magnéticas do que os isotrópicos. Já os ímãs de ferrite 54 isotrópicos são produzidos sem qualquer orientação magnética, podendo ser magnetizados em qualquer sentido (MAGNAWORKS, 2016). Os ímãs de AlNiCo são constituídos através de alumínio, níquel e cobalto, tendo uma pequena quantidade de ferro, cobre e titânio para otimizar as propriedades magnéticas. Assim como os ímãs de ferrite, podem ser fabricados com os tipos anisotrópicos e isotrópicos. Apresentam fácil magnetização e, consequentemente, fácil desmagnetização (MAGNAWORKS, 2016). Os ímãs SmCo, são compostos de cobalto e samário, além de pequenas quantidades de ferro, cobre e zircônio para otimizar as propriedades magnéticas. Durante seu processo de fabricação um campo magnético é aplicado durante a compactação. Apresentam elevadas propriedades magnéticas em relação aos ímãs de ferrite e os AlNiCo, excelente resistência à corrosão, além da estabilidade térmica (MAGNAWORKS, 2016). Os ímãs de NdFeB são comumente chamados de ímãs de neodímio. Além da metalurgia do pó, os ímãs de NdFeB podem ser fabricados pelo método de solidificação rápida. No método de solidificação rápida, a liga de NdFeB é fundida, posteriormente há um resfriamento muito rápido, formando uma fina fita amorfa de granulação muito fina, posteriormente essa fita é triturada e compactada na forma pretendida. Após a compactação é efetuado um tratamento térmico (CALLISTER, 2000). Os ímãs permanentes provenientes da metalurgia do pó e da sinterização apresentam dureza elevada, sendo assim, baixa usinabilidade (CHIAVERINI, 1986). 2.8 MOTORES ELÉTRICOS No separador de partículas rotativo convencional, além das forças magnéticas e gravitacionais, as amostras estão sujeitas a forças centrífugas. Forças centrífugas são obtidas através de energia mecânica rotativa. Motores elétricos são dispositivos que convertem energia elétrica em energia mecânica rotativa. Há cinco tipos de motores de corrente contínua, motores de excitação independente, motores em derivação, motores de ímã permanente, motores de série e os motores compostos (FALCONE, 2011; CHAPMAN, 2013). Os motores de corrente contínua com ímã permanente, são divididos em motores com escovas (motor brush) e motores sem escovas (motor brushless). O motor elétrico de corrente contínua com escovas é composto por duas partes o estator e o rotor (CHAPMAN, 2013). 55 Em motores elétricos de pequeno porte (como é o caso do projeto), o estator é composto pela carcaça, pelos pólos de alimentação e pelas escovas. O rotor é composto essencialmente pelo núcleo da armadura, enrolamento da armadura, comutadores e o eixo (FRANCISCO, 2013). A carcaça é a parte externa do motor, geralmente de forma cilíndrica, que tem a função de proteger e alojar todos os component