QUESTÕES EXPERIMENTAIS DO ENSAIO ACELERADO COM ESTRESSE NA TEMPERATURA DE RELÉS

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1 QUESTÕES EXPERMENTAS DO ENSAO ACELERADO COM ESTRESSE NA TEMPERATURA DE RELÉS Maira M. Camargo Núcleo de Gestão da Qalidade e Metrologia, FEAU, UNMEP; Rod. SP 306, km Sta. Bárbara D Oeste SP; mmcamarga@nimep.br Alvaro J. Abackerli Núcleo de Gestão da Qalidade e Metrologia, FEAU, UNMEP; Rod. SP 306, km 1, Sta. Bárbara D Oeste SP; abakerli@nimep.br Resmo. Ensaios Acelerados (Accelerated life tests ALTs) são freqüentemente sados como ma ferramenta na garantia da confiabilidade de prodtos. Ses resltados são úteis no projeto, na manfatra, no marketing e em otras áreas importantes de negócios. Os ensaios acelerados são arranjos experimentais sados para acelerar a ocorrência de falhas em ambientes controlados. Entretanto, a exatidão dos resltados destes ensaios demanda m planejamento experimental cidadoso qe envolve a seleção dos níveis de estresse, do tipo de censra, das amostras, e da configração de todas as condições experimentais dos testes. As condições experimentais freqüentemente inclem incertezas, similares às verificadas no controle da qalidade dos processos de manfatra, podendo por isso ser analisadas segndo normas já disponíveis. Neste trabalho discte-se o planejamento de m ensaio acelerado de relés com estresse na temperatra, enfatizando-se os controles experimentais e a análise das incertezas presentes na definição experimental. Os resltados mostram as incertezas com mais m fator de inflência adicional nos ensaios acelerados, dependendo dos valores encontrados de incerteza em cada arranjo experimental. Palavras-chave: confiabilidade incerteza de medição - ensaio acelerado, relé. 1. NTRODUÇÃO A confiabilidade dos prodtos é qestionada pelos consmidores, fazendo com qe as empresas se importem mais com os estdos sobre o assnto, pois algns prodtos apresentam problemas de desempenho drante o prazo de garantia. Qando isso acontece se faz necessária ma avaliação da vida útil do prodto considerando aspectos relacionados ao processo de projeto, fabricação, marketing, serviço de assistência técnica, até otras áreas/setores de ma empresa (1). Segndo Dias (), a confiabilidade é m atribto qe acompanha o prodto em todo se ciclo de vida, sendo definida drante a fase de projeto e particlar para cada tipo de prodto. A confiabilidade pode ser definida como a probabilidade de m sistema (componentes, aparelhos, etc.) desempenhar sem falhas ma missão de dração determinada. Entende-se por falha a diminição parcial o total de sa capacidade o do desempenho de m componente, eqipamento o sistema. Segndo Pizzolato (3), a confiabilidade define o prazo de garantia de m prodto pela estimação de sa taxa de falha e vida útil esperada. Esta estimação pode ser realizada por meio de testes acelerados de vida, qe consistem nas alterações das condições de so drante os ensaios para apressar o aparecimento das falhas. Essas falhas são alcançadas sando sobrecargas, chamadas de estresse. Estes

2 ensaios determinam parâmetros característicos da vida do prodto, qe podem ser tilizados para caracterizar a perda de desempenho o a falha do mesmo e pode ser tilizado nos setores/atividades mencionados acima. Dos ensaios acelerados se obtêm medidas para determinar a liberação de m projeto; por exemplo, a estimação dos cstos de garantia e serviços pós-vendas, as taxas de falha, o tempo médio até a falha (MTTF), etc. Ele também possibilita monitorar a confiabilidade do prodto para exectar as ações corretivas necessárias e assegrar a garantia da qalidade oferecida aos consmidores. A validação destes testes demanda planejamento e monitoração pois sem eles pode-se perder os resltados, razão pela qal o procedimento de coleta de dados deve ser verificado segndo m roteiro planejado. Esse planejamento consiste na definição das condições de testes segndo as especificações do prodto testado. Mesmo com o planejamento os testes estão sjeitos a variações. Sabe-se qe todo experimento possi ma variação inevitável qe lhe é natral, não se consegindo manter ma variável de estresse nm valor absoltamente constante em todo processo. A consideração das variações na realização de testes permite avaliar as condições experimentais e calclar as incertezas existentes para verificar o qanto essas variações interferem nos resltados do mesmo. Este artigo discte o planejamento dos ensaios acelerados e a verificação das condições experimentais, visando o estdo dos reqisitos dos ensaios acelerados relativos ao planejamento dos testes e as incertezas de medição.. BANCO DE ENSAOS As características dos testes foram determinadas em fnção das condições nominais de so do componente testado. O componente é m relé eletromagnético marca OMROM, tipo NA (normally opened), modelo G7T-111S, sado no comando de máqinas e eqipamentos indstriais. Sa aplicação vai desde os painéis clássicos de controle até as mais modernas interfaces entre os microprocessadores, contidos nos controladores lógicos programaveis (CLP), controles númericos comptadorizados (CNC), além de circitos de potência. Sas principais características técnicas são mostradas na Tabela 1: Tabela 1: Características do relé Eletromagnético CARACTERÍSTCAS Tensão nominal Corrente nominal da bobina Consmo por relé Corrente de carga nominal (resistiva) Corrente de carga nominal (indtiva) Temperatra máxima de operação Expectativa mínima de vida (B 50 ) Tempo mínimo de chaveamento Tempo entre operações Fonte: OMRON (4). 4 V 1 ma 0,5 W 5 A A 55º C 10 6 ciclos 30 ms s

3 Os ensaios acelerados foram exectados em m banco de testes especialmente constrído para simlar o so de forma acelerada do prodto no campo (5). O banco consiste de das partes, a primeira qe contém a câmara onde se encontram os componentes necessários para a realização dos testes e a segnda qe consiste de dois comptadores com controladores específicos qe comandam, controlam, registram e armazenam as informações geradas drante os testes. A câmara dos componentes é dividida em das partes (Figra 1); m primeiro compartimento qe é revestido com lã cerâmica onde são encontrados os relés (1), sensores () para monitoração individal de temperatra, o aqecedor (3) qe mantém a temperatra ambiente constante e m sensor monitorando o valor da temperatra. Na parte inferior da câmara, é localizada a fonte de alimentação de tensão (4), m relé de estado sólido (5) qe controla o aqecedor da câmara sperior, os módlos do CLP (Controlador Lógico Programável) (6) e as resistências de carga qe se sitam na parte traseira da câmara Figra 1: Câmara sperior e inferior do banco de ensaios. Nos testes é avaliada a vida dos relés sobre condições de estresse em temperatra, definindo-se para isso o so da corrente e da tensão constante, nominalmente igal aos valores de 4 V e 5 A (4). Os relés são sbmetidos a ciclos de liga-desliga até o aparecimento da falha aberto/fechado registrada pelos comptadores. Mediante a falha de m relé são registrados o tipo de falha e o número de ciclos exectados, segindo-se a interrpção dos testes para evental retirada do componente. 3. PLANEJAMENTO DE ENSAOS ACELERADOS Os cidados qe devem ser tomados no planejamento dos testes são definidos em fnção de se objetivo, estabelecido antes de realizá-lo, de forma a maximizar os resltados qe poderão ser obtidos. Para Tang (4), o planejamento tem como objetivo obter as melhores estimativas de tempo de falha dos componentes testados. Na realização de m teste de vida acelerado a especificação adeqada de algns elementos determinarão o scesso do experimento, os qais podem ser divididos em dois grpos: forma de teste e plano experimental (1). A determinação do plano experimental é feita em fnção da precisão desejada para os resltados dos testes. Existem três planos experimentais, dentre os qais foi adotado o plano de compromisso no

4 qal, o número de níveis de estresse é fixo e igal a três, e a proporção de alocação dos componentes/amostras qe é de 4::1 respectivamente para os níveis baixo, intermediário e alto. Esta decisão se jstifica pelo fato dos níveis mais baixos possírem menor probabilidade de ocorrência de falha (1). Devido às restrições físicas do banco de ensaios disponível é possível testar no máximo 16 relés, resltando nma proporção de 16 no nível mais baixo de estresse, 8 no nível intermediário e 4 no nível mais alto. Os valores para os níveis de temperatra são determinados em fnção das condições máximas de operação de todos os componentes existentes na câmara sperior do banco de testes, qe reslta na temperatra de 55ºC para o nível mais baixo, 60ºC para o nível intermediário e 70ºC para o nível alto. Com o planejamento acima se define portanto m experimento com três níveis constantes de estresse qe são monitorados continamente drante os ensaios acelerados. Com eles bsca-se estabelecer experimentalmente a relação entre a carga de estresse sada e a distribição de falhas observadas nos relés, para então relaciona-la com a sa vida (confiabilidade) nas condições normais de so. Essa premissa experimental assme todas as demais condições de teste constante, inclindo a corrente de carga aplicada aos relés, sendo sobre esta corrente de carga qe se investiga a incerteza conforme disctido nos itens a segir. 4. NCERTEZA DE MEDÇÃO Mesmo com o planejamento acima os testes estão sjeitos a erros experimentais, sendo m deles a incerteza de medição. O objetivo do cálclo da incerteza de medição é determinar m valor nmérico para o limite de m intervalo dentro do qal se tenha confiança de qe o valor verdadeiro do mensrando esteja contido (7). Para o cálclo da incerteza combinada padrão c é necessário qe conheça os processos de medições e os ses fatores de inflência. Considerando qe os fatores de inflência são independentes, a covariância existente entre eles é nla e a eqação de cálclo da incerteza padrão é simplificada conforme visto na Eqação (1). c ( Q) = n i= 1 r Q( X ) X i ( X i ) (1) Os valores tilizados nos cálclos para a tensão e corrente são os nominais já adotados, necessitando-se qal o valor da resistência tilizada para manter a corrente de carga dos relés nm valor aproximadamente constante. Dados os valores da corrente e tensão se obtêm m valor aproximado da resistência necessária, pela Eqação de Ohm (). Este valor é a base para a definição da associação necessária de resistores qe gere ma resistência eqivalente R eq. U U 4 V = R = R = = 4, 8 Ω R 5 A () Para a avaliação dos valores das resistências foi tilizado m método onde se sbmete o componente a ma tensão nominalmente constante e igal de 4 V e com m mltímetro se mede a corrente, calclando-se os valores das resistências e propagando-se as incertezas no procedimento. Na Tabela podem ser vistos os resltados dos cálclos para 17 resistências, algmas das qais sadas para a montagem do resistor eqivalente R eq no banco de testes.

5 Tabela :Resltados dos Cálclos das Resistências N Resist. Valor Encontrado ncerteza de R R (Ω) (Ω) 1 6,5068 0,0376 6,593 0, ,467 0, ,1395 0, ,0417 0, ,8039 0, ,1473 0, ,9148 0,039 9,0579 0, ,109 0, ,1903 0,0109 1,0993 0, ,1756 0, ,1698 0, ,1741 0, ,0878 0, ,1636 0,0108 A partir das resistências mostradas na Tabela determino-se ma seqüência com as de número 1, 3, 4 e 11, determinando com eles o resistor eqivalente pela associação paralelo-série mostrada na Figra. RELES CORRENTE (5 A ) R1 Req R4 FONT E (4 V ) R3 R11 Figra : Esqema das resistências tilizadas no banco de ensaios. Esta seqüência de resistências gero a Eqação (3) qe reslto nm valor próximo de 4,8Ω e, pela a Eqação (4), confirmo qe corrente de carga resltante é próxima de 5A, conforme definida na Tabela 1. U 4 = = = 4,9985 5Α 4,8014 R eq (3)

6 R eq R 1 R3 R4 R11 = = 4, 8014Ω R1 + R3 R4 + R11 (4) Com tais resltados tomo-se a expressão da resistência eqivalente, Eqação (3), para analisar a incerteza de medição conforme a Eqação (1), gerando o resltado dado na Eqação (5). Re q R eq R eq R eq R eq = R1 R 3 R 4 R11 = 0, 0144 R1 R 3 R 4 R11 Ω (5) A fonte de tensão tilizada possi ma saída constante de 4 V com ma variação de 1% do valor nominal. Adotando ma distribição Normal para a variação da tensão com confiança de 95% pode-se determinar ma variação de 0,4 V e o valor da incerteza combinada da fonte conforme mostra a Eqação (6). 0,4 U = = 0, 1V (5) Finalmente, com a eqação geral de incerteza, Eqação (1), é possível chegar à Eqação (7), com a qal se determina a incerteza da corrente de carga. = U = 0, 091 Α Re q (7) U R eq Se cálclo, feito com os valores das incertezas da fonte e da resistência eqivalente, reslta nma incerteza expandida de 0,091 A qe corresponde a indeterminação do valor experimental da variável spostamente constante no ensaio acelerado acima disctido. 5. CONCLUSÃO Do acima disctido, destaca-se qe os testes de vida acelerados estimam figras de méritos relacionados à confiabilidade do prodto nas condições de projeto e fabricação, e se planejamento garante a validade e a precisão dos resltados obtidos por meio do experimento. Considerando qe a confiabilidade é incorporada no prodto drante o processo de fabricação, enfatiza-se sa importância para qe os fatores qe atam no processo sejam analisados da melhor maneira possível. O banco de ensaios implementado proporciona boas condições experimentais, qe geram incertezas relativamente peqenas na definição da corrente de carga. sso permite considerá-la constante nos ensaios, conforme previsto, já qe a variável de estresse nesse caso é a temperatra. Se não o fosse, haveria a necessidade de m experimento mais elaborado, com das variáveis, implicando necessariamente em maior controle experimental e no conseqüente maior investimento. Aceito o fato das incertezas de medições existentes nos processos serem inevitáveis, mesmo qe peqenas, como neste caso, o se estdo permite avaliar o qanto elas inflenciam nos resltados finais dos ensaios e disso selecionar abordagens experimentais, metodos e técnicas adeqadas para o processo, possibilitando, por exemplo, corrigir as estimativas de vida obtidas por meio de ensaios acelerados, com base nas incertezas presentes no experimento (7).

7 6. REFERÊNCAS 1. FRETAS, M.F.; COLOSMO, E.A., Confiabilidade: Análise de Tempo de Falha e Testes de Vida Acelerados. Belo Horizonte, Fndação Christiano Ottoni, Escola de Engenharia da UFMG, (Série Ferramentas da Qalidade, vol. 1).. DAS, A. O ciclo de vida do prodto e o processo de projeto. Disponível em: < em:30 ago PZZOLATO, M.; TEN CATEN, C.S.; FOGLATTO, F.S. Definição do prazo de garantia de m prodto otimizado experimentalmente. Gestão e Prodção, São Carlos, v. 1, n., 005. Disponível em:< Acesso em: 30 Ago OMRON Corporation, Relay User s Gide, Kyoto, Japan, SASSERON, P.L. Estdo experimental do ensaio acelerado de vida de relés com estresse de corrente. Dissertação de mestrado. Programa de Pós- Gradação em Engenharia de Prodção PPGEP/UNMEP. Santa Bárbara d Oeste SP. Março TANG, L.C.; TAN, A.P.; ONG, Soon Hat. Planning accelerated life tests with three constant stress levels. Compters & ndstrial Engineering, Singapra, p , SO GUM Gide to the expression of ncertainty in measrement. SO GUM, Switzerland, nternational Organization for Standardization - SO. 8. ABACKERL, A.J.; PAPA, M.C.O.. The data Analysis of Accelerated Life Tests. n: nternational Conference on Mechanics and Materials in Design, Portgal. Anais do 5th nternational Conference on Mechanics and Materials in Design. Porto: J F Silva Gomes And Shaker A Megid, 006. EXPERMENTAL SSUES ON RELAYS ACCELERATED LFE TESTS UNDER TEMPERATURA STRESS Maira M. Camargo Núcleo de Gestão da Qalidade e Metrologia, FEAU, UNMEP; Rod. SP 306, km Sta. Bárbara D Oeste SP; mmcamarga@nimep.br Alvaro J. Abackerli Núcleo de Gestão da Qalidade e Metrologia, FEAU, UNMEP; Rod. SP 306, km 1, Sta. Bárbara D Oeste SP; abakerli@nimep.br Abstract. Accelerated life tests (ALT) are often sed by companies as a tool to garantee prodct s reliability. Their reslts are sefl in design, manfactring, marketing and other important bsiness area. ALT are experimental arrangement sed to speed p the occrrence of failres nder controlled environments. However, the accracy of ALT reslts demands carefl experimental planning that essentially involves the selection of stress levels, the definition of censorship criteria, samples, and the set p of all experimental conditions. The later often incldes experimental ncertainties which are similar to those observed in the qality control of manfactring processes, allowing therefore frther analysis sing the available standards. n this paper we discss the experimental planning of an ALT designed for testing relays nder temperatres stress, focsing on the experimental controls and on the analysis of experimental ncertainties. Reslts show the ncertainties as an additional inflence factor of accelerated life tests, depending pon the ncertainty vales observed in each experimental arrangement. Key-words. reliability; measrement ncertain; accelerated life test; relay.