COTEQ 124 ANÁLISE DE FALHAS EM MANCAIS DE DESLIZAMENTO Fernando de Azevedo Silva 1,FelipeJoséPassosSilva 2

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1 ANÁLISE DE FALHAS EM MANCAIS DE DESLIZAMENTO Fernando de Azevedo Silva 1,FelipeJoséPassosSilva 2 Copyright 2004, ABENDE Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção Trabalho apresentado na 8ª COTEQ Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos, Bahia, 2005 As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos autores Sinopse A análise de falhas é uma ferramenta importante para quem busca aumentar a confiabilidade de equipamentos mecânicos. É necessário evitar novas falhas e não somente reparar um equipamento quando ocorre um dano prematuro. E para isso, a identificação das causas básicas das falhas é de suma importância. Mancais de deslizamento utilizados em bielas e virabrequins de motores de combustão interna são usualmente conhecidos como bronzinas ou casquilhos. A função das bronzinas é, essencialmente, proteger e prolongar a vida dos elementos móveis de um motor, que apresentam uma maior responsabilidade e custo, como o virabrequim e os alojamentos. Isto se dá, principalmente, pela redução de atrito entre a parte móvel e a parte estática a ela ligada. Muitos fatores podem provocar a falha de uma bronzina. Estes estão relacionados ao projeto, a manufatura e com as condições operacionais. Alguns pesquisadores têm salientado a importância de alguns tipos de falha, como por exemplo, corrosão, fadiga generalizada, erosão por cavitação e desgaste, quando relacionadas com os lubrificantes e os materiais utilizados nos mancais. Este trabalho tem por objetivo discutir a análise de falhas em bronzinas de uso corrente na indústria automobilística, identificando os seus modos de falha mais característicos. Introdução Dispositivos mecânicos normalmente contêm algumas peças móveis. Mancais são geralmente usados onde um específico alinhamento deve ser mantido entre as peças ou onde uma força deve ser transmitida de uma peça para outra. Estes são normalmente feitos de material selecionado e em geometrias espaciais para fácil efeito e movimento confiável para uma tarefa específica. Possuem uma superfície de deslizamento constituída por material antifricção, cuja dureza e temperatura de fusão são mais baixas que as do material do eixo ou rotor, assegurando, dessa maneira, redução no atrito e desgaste das peças móveis mais caras e de difícil substituição. Neste trabalho é apresentado um estudo que tem como objetivo discutir a análise de falhas em bronzinas automotivas, identificando os seus modos de falha mais característicos. 1. Considerações gerais Os primeiros mancais de deslizamento utilizados em motores de combustão interna automotivos eram fabricados a partir de uma casca de bronze fundido, daí a origem do nome bronzina, manufaturada de modo grosseiro, sobre a qual era depositado o material antifricção. A função principal de uma bronzina automotiva é reduzir o atrito entre uma parte móvel de um motor e a parte estática a ela ligada. Além disso, ela deve suportar a parte móvel. Esta função exige que a bronzina resista a cargas de altas intensidades, particularmente, cargas de impacto originadas pela combustão que ocorre no motor. (1) A análise de falhas é uma ferramenta importante para quem busca aumentar a confiabilidade de equipamentos mecânicos. É necessário evitar novas falhas e não somente reparar um equipamento quando ocorre um dano prematuro. E para isso, a identificação das causas básicas das falhas é de suma importância. (2) 1 Doutor, Engenheiro Mecânico, Unesp Faculdade de Engenharia Campus de Guaratinguetá SP 2 Engenheiro Mecânico, Unesp Faculdade de Engenharia Campus de Guaratinguetá SP

2 Alguns pesquisadores têm salientado a importância de alguns tipos de falha, como por exemplo, corrosão, fadiga generalizada, erosão por cavitação e desgaste, quando relacionadas com os lubrificantes e os materiais utilizados nos mancais. 2. O conceito de falha Quando falamos em qualidade de um produto qualquer, estamos nos referindo, implicitamente, à sua capacidade em atender nossas exigências durante um período de tempo condizente com a sua finalidade. Um produto deve cumprir suas funções satisfatoriamente durante um tempo de uso adequado de forma econômica e confortável ao usuário. É importante ter em mente que, do ponto de vista do consumidor, o fator realmente importante de todo o processo é a relação custo / vida útil do produto. Quando um equipamento deixa de atender suas funções de forma satisfatória, comprometendo sua qualidade, dizemos que ocorreu uma falha. Então, falha é todo ou qualquer evento que impeça o funcionamento ou o uso adequado de um produto. A causa de uma falha será, portanto, qualquer fenômeno que produza danos em um ou mais componentes do equipamento, impedindo seu funcionamento adequado. Num componente metálico de máquinas e estruturas, vários processos podem levar à falha. É importante salientar que toda falha no funcionamento mecânico de um componente tem origem em algum fenômeno conhecido (como corrosão, fadiga, sobrecarga, etc.) e, por este motivo, a possibilidade de sua ocorrência deverá ser prevista pelo projetista e acompanhada ou controlada pelo pessoal de produção (quando inerente aos processos de fabricação e montagem) e manutenção (quando inerente ao uso). (2) Como as origens destes fenômenos já foram bem estudadas por diversos pesquisadores, já são conhecidas ações preventivas para minimizar a ocorrência de falhas em componentes mecânicos. Estas ações consistem, basicamente, na observação de aspectos operacionais. HAMMER (3) classifica as causas operacionais para o mau funcionamento de um sistema mecânico em cinco grupos gerais: Erros de projeto. Consistem em situações como avaliações errôneas sobre fatores operacionais, informações imprecisas sobre carregamento e condições ambientais, mau dimensionamento, desenho inadequado, falta de critérios corretos na seleção de materiais, etc. Defeitos de fabricação. São aqueles introduzidos nos componentes do sistema através dos processos de fabricação, como rebarbas, porosidade, marcas de usinagem, inclusões, empenamentos, etc. Normalmente podem ser minimizados através da adoção de metodologias de processo corretas e controle adequado da produção. Manutenção. Neste caso, procedimentos incorretos de manutenção, como má avaliação dos períodos de troca de peças, erros de montagem, negligência, improvisação e outros, ocasionam falhas imprevistas. Desrespeito aos limites de projeto. Quando o operador ultrapassa as condições de uso permitidas ao equipamento, como carregamento, temperatura, pressão, velocidade, etc. Ocorre, tipicamente, quando não são lidos os manuais do fabricante. Fatores ambientais. Quando se submete o produto a condições ambientais para as quais não foi apropriadamente desenhado, como chuva, umidade elevada, atmosferas corrosivas, etc. Em vista disto, muitos parâmetros devem ser observados no desenvolvimento e na utilização de equipamentos, buscando evitar ou minimizar a ocorrência de falhas. A regra básica e fundamental consiste no uso do bom senso na tomada de decisões. O engenheiro deve sempre estudar cuidadosamente suas ações, sanando possíveis dúvidas antes de realizar alguma operação. 3. Causas fundamentais das falhas Pode-se afirmar que a falha de um componente de um equipamento ocorre quando ele deixa de realizar sua determinada função ou tarefa com segurança, dentro do seu tempo de vida útil. Essa vida útil deve ser definida como critério de projeto e associada a um modo de falha específico.

3 Quando ocorre algum defeito decorrente de algum modo de falha diferente do específico, trata-se de uma anormalidade. A análise das falhas deve considerar todos os fatores que levaram o equipamento ou componente a não realizar todas as etapas de sua vida útil com total eficiência, obtendo, assim, a explicação de todos os problemas, chegando ao ponto em que seja possível impedir que ocorra repetição de algum dos problemas anteriormente ocorridos. Esses eventos passados são considerados causas básicas de falha, ao contrário dos eventos imediatos à falha, considerados causas imediatas. Existe uma série considerável de defeitos prematuros que são originados por deficiências do projeto, construção ou fabricação inaceitável ou má execução na montagem, tornando-a deficiente. A seguir, são apresentadas algumas fontes de falha na vida de um equipamento. (2,4) Falhas de projeto. São as falhas decorrentes de deficiências no projeto que são sujeitas a problemas. Consistem em situações como avaliações mal interpretadas sobre fatores operacionais, informações imprecisas sobre carregamento e condições ambientais, mau dimensionamento, entre outros. Falhas na seleção de materiais. Este tipo de falha é causado pelo motivo de incompatibilidades entre o material escolhido com as necessidades de serviços. Este tipo de problema pode ser facilmente evitado pela simples modificação do material do equipamento. Imperfeições no material. Muitas falhas são originadas em imperfeições no material, tanto imperfeições internas quanto externas, podendo reduzir a resistência global do material, proporcionando caminhos preferenciais para propagação de trincas, atuando como entalhes, como locais para início de corrosão localizada. As imperfeições nos materiais estão intimamente ligadas a falhas de processamento durante a fabricação da matéria-prima para construção de componentes. Deficiências de fabricação. Sensibilidade a falhas é, geralmente, relacionada à especificação de procedimentos inadequados de fabricação, incompleta ou ambíguas especificações, mudanças feitas nas especificações sem avaliações completas, falhas para seguir os procedimentos especificados, e erro operacional ou avaria acidental. Erros de montagem e de instalação. Falhas em serviço são algumas vezes resultados de erros em montagens que não foram detectados na inspeção pelo fabricante ou pelo comprador e que não impediram a operação aparentemente normal quando os produtos montados foram colocados pela primeira vez em serviço. Este tipo de falha é mais freqüentemente associado com partes móveis de montagens mecânicas ou com montagens elétricas, mas muitas falhas causadas por erros de montagem também têm ocorrido em componentes estruturais. Condições de operação ou manutenção inadequadas. A operação de equipamentos sobre condições anormais severas de velocidade, carregamento, temperatura, ataque químico, ou sem manutenção, inspeção e monitoramento regulares é geralmente a maior ocorrência de falhas em serviço. 4. Análise de falhas em mancais de deslizamento Para realizar avaliação de falhas em mancais de deslizamento, as seguintes informações devem ser obtidas preliminarmente: Velocidade e carga de trabalho; Temperatura de operação; Histórico de falhas semelhantes; Alinhamento dos eixos e mancais; Características e condições do lubrificante, principalmente cor, impurezas e viscosidade; Fontes potenciais de detritos e partículas. No caso de falhas repetidas de um mancal deve verificar se o seu projeto está adequado ao serviço. Os principais itens a verificar são: Folga entre o eixo e mancal; Excentricidade e espessura do filme de óleo em operação normal;

4 Elevação da temperatura do óleo. COTEQ 124 Umaetapaimportantedaanálisedefalhasdeummancaldedeslizamentoéainspeçãovisualdo mancal que falhou. Para isso o mancal deve ser totalmente desmontado e examinado antes de ser limpo, para que evidências importantes não sejam perdidas. De uma forma geral, as peças com movimento relativo devem ter marcas leves e uniformes. Uma marca profunda indica uma sobrecarga ou algum outro problema. A superfície do mancal deve ser examinada atentando-se para a direção de rotação do eixo. Uma superfície normal vai apresentar um acabamento liso e uniforme, algumas regiões podem parecer brilhosas ou enevoadas, não sendo essas indicações de falhas, se a superfície for regular e não houver trincas. A seguir, são apresentados os tipos mais comuns de falhas evidenciados em bronzinas automotivas. 5. Falhas de bronzinas 5.1 Desgaste Segundo Failure investigation (5) os materiais de bronzinas são escolhidos para serem moles, não somente por permitir que se conformem ao virabrequim, acomodando-se, assim, a um pequeno desalinhamento (conformabilidade), mas também permitindo que duras partículas contaminantes se encaixem de modo que elas não marquem a face contrária (incrustabilidade), sendo limitado pelo fato de que algumas partículas contaminantes são pequenas suficientemente para entrar no canal de óleo, mas maior que a mínima espessura do filme de óleo, podendo permanecer ressaltada no mancal e marcar a face contrária do virabrequim, o que é denominado de scoring, resultando num aumento na remoção do material, o que eventualmente requer a troca do mancal. A figura 1 mostra uma bronzina danificada por desgaste. É possível perceber os riscos na superfície da bronzina, causados pelo scoring. 5.2 Fadiga Figura 1 Bronzina danificada por desgaste. (6) Uma bronzina pode ter muitos ciclos de carga variável, podendo falhar por fadiga. A falha por fadiga será acelerada por altas tensões e presença de ambiente corrosivo. Segundo Failure investigation (5) as bronzinas de metal branco têm baixa resistência e facilmente sofrem danos por fadiga quando sujeitas a cargas reversas e a vibrações causadas por desbalanceamento ou instabilidades dinâmicas. Os metais brancos são sempre usados como uma parede no encosto de um material mais duro, geralmente aço temperado, ou, mais raramente, bronze. A resistência à fadiga de metais brancos pode ser aumentada pela redução da espessura da parede, mas com a penalidade de reduzir a conformabilidade e a incrustabilidade do material da bronzina. Conforme Failure investigation (5) o dano por fadiga é facilmente distinguido de outros mecanismos de falha. Manifesta-se por trincamento irregular na superfície; as trincas propagam através do metal branco à camada de estanho na concha do mancal onde elas continuam até unir-se com outra trinca e formar um pedaço que se desprende do encosto. A figura 2 mostra bem as trincas progredindo

5 irregularmente através do metal branco, enquanto a figura 3 mostra um estágio avançado de fadiga e a formação de pedaços soltos da superfície do mancal. Figura 2 Metal branco fadigado mostrando trinca penetrando na camada de encosto, não no metal de encosto. (5) A total resistência à fadiga da camada de metal branco depende de uma completa união metalúrgica entre o material de encosto e o metal branco que é obtida pelo estanhamento do encosto antes de derramar o metal branco derretido. Se uma completa união metalúrgica não for criada, a resistência à fadiga é acentuadamente reduzida, tornando a bronzina suscetível a falhas por fadiga prematura. Figura 3 Estágio avançado de fadiga mostrando trincamento e formação de pedaços soltos na superfície. (5) 5.3 Erosão por cavitação Segundo Failure investigation (5) esta é uma forma particular de fadiga causada por rápida flutuação de pressão no filme de óleo do mancal. Quando a pressão é baixa, bolhas de ar ou gás dissolvido são formados e então desabam quando entram em uma região de alta pressão. Cavitação vaporosa resulta em ondas de choque no filme lubrificante causando falha por fadiga na superfície do metal branco. Cavitação gasosa, na qual as bolhas são de gás na solução do lubrificante, é muito menos energética do que a cavitação vaporosa. Erosão por cavitação dá uma fina textura rugosa à superfície danificada. Isto pode possivelmente ser confundido com desgaste por partículas finas ou até mesmo dano por erosão elétrica, mas pode facilmente ser distinguido por exame mais fechado e pelas circunstâncias no qual o dano ocorreu. As figuras 4 e 5 mostram mancais danificados por erosão por cavitação.

6 Figura 4 Erosão por cavitação em mancal causada pela rápida aproximação do eixo ao mancal. (5) Figura 5 Erosão por cavitação (regiões claras na superfície) em uma bronzina automotiva. (6) 5.4 Fretting Fretting é uma forma de desgaste adesivo e este processo ocorre como o resultado de pequeno movimento oscilatório. Pode ocorrer no contato entre o virabrequim e a bronzina quando há uma vibração externa. Isto causa uma mudança no perfil da bronzina, o que pode afetar sua performance. A figura 6 mostra um mancal danificado por fretting causado por vibração. Pode também ocorrer nos encostos da concha da bronzina quando não há ajuste de interferência adequado no alojamento. Figura 6 Dano por fretting em um mancal causado por vibração. (5) Fretting em metais brancos resulta em um escurecimento da superfície e entre superfícies de aço deixa uma mancha marrom avermelhada nas superfícies. 5.5 Efeitos químicos Um número de diferentes efeitos químicos pode causar problemas em mancais de deslizamento em geral. Embora estes efeitos possam ser diferentes, há similaridades em ambos na aparência do dano e na falha resultante. Assim, é conveniente trata-los junto. Conforme Failure investigation (5) três fenômenos separados são descritos: a) Reações químicas ocorrendo no lubrificante que resulta na formação de depósitos na superfície do mancal. Na maioria dos casos a taxa de formação de depósitos tende a ser dependente da temperatura de modo que a formação de depósitos segue o perfil de temperatura da superfície do mancal. Em geral, o material subjacente do mancal não é afetado.

7 b) Reações químicas entre o metal do mancal e o lubrificante, produtos de degradação do lubrificante ou contaminantes no lubrificante. Isto pode ter dois efeitos: remoção seletiva de diferentes fases do metal do mancal ou a formação de depósitos na superfície do metal do mancal. Reações químicas são dependentes da temperatura e, novamente, a remoção corrosiva de material ou a formação do depósito reagente reflete o perfil de temperatura da superfície do mancal. c) Reação eletroquímica entre materiais no lubrificante, normalmente contaminantes de alguma espécie, e o metal do mancal produzindo depósitos na superfície do mancal. A diferença neste caso é que reações eletroquímicas são relativamente independentes da temperatura de modo que o depósito é formado uniformemente sobre a superfície do mancal e não é restrito em áreas de altas temperaturas. Os problemas criados por estes efeitos são similares: uma modificação do perfil da superfície do mancal a qual leva a degradação em seu filme hidrodinâmico gerando capacidade e finalmente a uma falha no filme lubrificante. Efeitos químicos podem resultar em mudanças do perfil da superfície do mancal, ou por corrosão do material do mancal ou pela formação de depósitos na superfície do mancal. No caso de bronzinas, o efeito químico pode ser percebido também no virabrequim. O ataque químico pode ser causado pelo uso de lubrificantes impróprios contendo aditivos químicos ativos ou por contaminação de fontes externas. A figura 7 mostra uma bronzina afetada por corrosão. É perceptível como a corrosão afeta o perfil da superfície da bronzina. 5.6 Falhas de fabricação e erros de montagem Figura 7 Bronzina danificada por corrosão. (6) Algumas falhas de bronzinas podem ocorrer como resultado de erros de fabricação ou montagem. Algumas bronzinas são impropriamente montadas e fraturadas muito cedo em uso. Alguns exemplos são dados, mas obviamente não há modelo geral que relaciona o mecanismo de falha com o tipo de erro. No evento de efeitos não usuais, um exame cuidadoso deve ser feito na montagem inteira da bronzina para quaisquer defeitos de fabricação ou erros de montagem que podem refletir o dano. Um dos mais comuns casos de falhas de fabricação e erros de montagem é o desalinhamento. A figura 8 mostra um mancal afetado por desalinhamento, o que é evidenciado pelas regiões lisas na superfície do mancal. O baixo ponto de fusão e resistência do metal branco (compatibilidade) são propriedades valiosas, permitindo-o esfregar ou deformar para compensar uma quantidade limitada de desalinhamento.

8 Figura 8 Par de conchas de mancal mostrando região lisa nos lados opostos das conchas. (5) 6. Ações corretivas Quando uma falha é detectada em algum componente mecânico, se torna necessário realizar ações que possam corrigir a falha. Mas estas ações têm que ser as melhores possíveis (ou melhor, planejadas) a fim de evitar trocas ou gastos desnecessários. No caso do desgaste, onde o dano é causado por partículas sólidas no lubrificante, o melhor a fazer é aumentar, ou melhorar, a filtração do óleo, com o auxílio de filtros duplos. Outras ações que podem ser tomadas são a limpeza do alojamento e também a redução ou prevenção de desalinhamento. No caso de fadiga, onde ela é resultado de carregamento excessivo, a única ação possível é trocar o material por um material de maior resistência à fadiga. Onde é conseqüência de vibração, o nível de vibração tem que ser reduzido por balanceamento, mudanças nas condições de operação e mudanças de geometria. Para falhas por erosão por cavitação, em muitos casos a modificação do projeto da bronzina pode prevenir a formação de bolhas em uma parte sensitiva da bronzina. Onde a cavitação está associada à vibração, é necessário eliminar a causa da vibração. No caso de fretting, é necessário eliminar a vibração ou aplicar um melhor ajuste de interferência entre a bronzina e o alojamento. Caso o dano seja um efeito químico, os diagnósticos necessários dependem da identificação dos reagentes ou os depósitos formados nas superfícies da bronzina. Onde os efeitos químicos são suspeitos ou onde há nenhuma evidência clara para a causa de uma falha, um exame cuidadoso deve ser feito nas outras superfícies do mancal que não tenham falhado. Para evitar falhas provenientes de má montagem, é necessário, primeiramente, utilizar ferramentas e dispositivos adequados, evitando impactos e buscando sempre centralizar a bronzina ao virabrequim e ao alojamento, com o intuito de minimizar o desalinhamento, que, como já visto, pode causar vários problemas a bronzina. 7. Conclusões É perceptível a importância da bronzina em um motor de combustão interna, a fim de manter componentes de maiores responsabilidades ilesos. Para tanto, um procedimento adequado de análise de falhas pode aumentar a vida útil de uma bronzina, visto que se conhecidos os mecanismos de falhas originais, torna-se mais fácil corrigir os problemas, evitando, assim, a ocorrência do dano. Aumentando a vida útil da bronzina, aumenta-se a confiabilidade dela e, conseqüentemente, do sistema em que ela se encontra, no caso o motor de combustão interna. 8. Referências bibliográficas 1) NORTON, R. L.: Machine Design: An Integrated Approach, Prentice-Hall Inc., 1998.

9 2) ASM METALS HANDBOOK, Failure Analysis and Prevention, v. 11, United States of America: ASM International, 1992, 843 p. 3) HAMMER, W.: Product Safety Management and Engineering, cap. 8, Prentice-Hall Inc., ) SILVA, F. J. P., Mecanismos de Falhas em Componentes Mecânicos, Guaratinguetá: FEG - Unesp, 2002, 95 p. 5) Failure investigation, disponível em: < Acesso em 14/05/ ) MAHLE, Danos em Pistões e Bronzinas. Causas e Soluções, março, 2003.