(1) Manutenção Automotiva, Adecoagro, Engenheiro de Manutenção Automotiva. (2) Manutenção Automotiva, Adecoagro, Supervisor de Manutenção Automotiva. (3) Manutenção Automotiva, Adecoagro, Gerente de Manutenção Automotiva. ANÁLISE DE ÁRVORE DE FALHA APLICADA AO SISTEMA DE FRENAGEM DO CONJUNTO DE TRANSPORTE RODOVIÁRIO DE CANA-DE-AÇÚCAR
Henrique Flayth de Freitas Santos (1) José Eliomar Fernandes de Lima Filho (2) Gustavo Naves dos Reis (3)
RESUMO
O atual cenário da cultura de cana-de-açúcar demanda operações caras e complexas de colheita e transporte, uma falha em um processo de umas destas etapas afeta o resultado global. Neste contexto, o presente trabalho foi proposto de forma a analisar as causas das paradas do conjunto de transporte de cana-de-açúcar da lavoura para a usina devido ao sistema de frenagem. A metodologia consistiu em uma estruturação da árvore de falha (FTA) deste sistema e análise estatística com auxílio do software minitab de alguns dos modos de falhas levantados. Como resultado do presente estudo pode se concluir que o superaquecimento do conjunto do semirreboque influência diretamente na taxa de falha do sistema, sendo as principais causas na empresa estudada a regulagem inadequada entre a lona e o tambor e a alta utilização do freio de serviço decorrente de velocidade incompatível com o trajeto e eficiência reduzida do freio motor.
1. INTRODUÇÃO
O transporte da cana-de-açúcar da lavoura até a área industrial ocorre por meio da utilização de veículos tratores, cavalos mecânicos, atrelados ao conjunto de implemento rodoviário, conhecido como semirreboques ou caixotes, com uma capacidade de 80 toneladas. A figura 1 apresenta uma visão esquemática do conjunto cavalo mecânico e semirreboques. Na unidade em estudo o transporte é realizado pelos cavalos mecânicos Axor 3344 da Mercedes Benz e os implementos rodoviários utilizados atualmente são dos fabricantes Randon, Fachhini e Sergomel.
Figura 1: Conjunto Cavalo Mecânico e semirreboque.
O sistema de freio apresenta-se como peça fundamental para a segurança e garantia do transporte da cana-de-açúcar nas estradas e rodovias que os veículos devem percorrer. De acordo com Zangarine (2006) os freios a ar dos caminhões trabalham com um sistema compressor de ar, que faz a admissão do ar simultaneamente à admissão de ar do motor. O compressor mantém o ar comprimido e o manda para um uma válvula reguladora de pressão que tem como função priorizar uma sequência de enchimento dos reservatórios e em caso de vazamento em algum circuito equalizar a pressão e reter um mínimo de ar para os demais reservatórios. Ao acionar o pedal de freio, ou freio de serviço, os reservatórios do freio dianteiro e traseiro atuam de forma independente em cada eixo acionando as catracas ou ajustadores automáticos, que devem adequar a folga entre as lonas de freio e o tambor de acordo com o comprimento do curso da câmera. A válvula relé conectada a este duto irá promover a queda de pressão no circuito e realizar a frenagem automática dos semirreboques quando acionado o freio do implemento por meio do “manete” ou “manequim”. O freio de estacionamento é alimentado de forma independente do sistema de dutos que trava as rodas. Quando o motorista aciona a alavanca de comando, a câmara de freio de estacionamento libera o ar, que atuará nas câmaras há a movimentação do excêntrico, uma peça que tem formato de “S” que libera as rodas do veículo. Em caso de queda de pressão, as sapatas de freio se expandem e travam as rodas. Atuando de forma auxiliar ao freio de serviço, o freio motor é responsável por oferecer uma resistência ao deslocamento do veículo por meio da obstrução parcial da saída de gases do escapamento. O sistema de frenagem de emergência deve substituir a tarefa do freio de serviço quando houver falhas no sistema. A figura 2 apresenta o esquema pneumático do circuito de freios dos caminhões Mercedes Benz Axor 3344 e a tabela 1 apresenta a descrição dos componentes assinalados na figura.
Figura 2: Esquema Pneumático de Freios MB Axor 3344 (Mercedes Benz, 2018). 1 - Compressor de ar; 2 - “APU” Válvula reguladora de pressão e protetora 4 vias; 3 - Válvula do pedal de freio; 4 - Válvula manual do freio de estacionamento; 5 - Reservatórios pneumáticos; 5.1 - Regenerativo (5,4 Litros) 5.2 - Serviço eixo dianteiro (30 Litros) 5.3 - Serviço eixo traseiro (30 Litros) 5.4 - Adicional eixo traseiro (30 Litros) 5.5 - Acessórios (10 Litros)
6 - Válvula relê; 7 - Cilindro de membrana do freio dianteiro; 8 - Cilindro combinado do freio traseiro (Tristop); 9 - “ALB” Válvula reguladora do freio conforme a carga; 10 -Solenóide de acionamento do freio motor; 11 - Cilindro do freio motor; 12 - Coluna da direção;
13 - Embreagem; 14 - Reduzida; 15 - Acionamento do suspensor do 3º eixo; 16 - Válvula bloqueio do 3º eixo 17 - Suspensor do 3º eixo
No último quadrimestre, foram realizadas intervenções de manutenção e substituição das lonas de freio dos implementos rodoviários acima do esperado pela equipe de manutenção. As Lonas de freio utilizadas atualmente pela empresa estão descritas na tabela 2 abaixo.
Código Descrição Fabricante Modelo Faixa
0804115200074
Jogo de Lona de Freio Traseiro
FRASLE CA32 Cobreq 4644T 140C
0804115200075 Jogo de Lona de Freio Traseiro FRASE Randon 294311 Cobreq 4533T 140C
Tabela 2: Lista de Lonas utilizadas.
A durabilidade média para essas lonas é em média de 70 a 80 mil km de acordo com o fornecedor ICCAP. O gráfico 3 apresenta a distância média percorrida por lona aplicada nos semirreboques no período de janeiro a abril de 2018 comparada a durabilidade esperada para o componente
Gráfico 1: com a expectativa de quilometragem das lonas Versus a realizada. Constata-se portanto uma subutilização, 18% inferior, deste componente e a necessidade de uma análise ampla das condições de funcionamento e manutenção do mesmo. Devido ao fato da lona ser um elemento de desgaste um estudo sobre todas as causas de quebras prematuras neste item nos auxilia na redução de falhas em outros elementos do sistema de freios. Dado a complexidade e a ramificação de possibilidades relacionado a esta falha, identifica-se a necessidade da estruturação de um FTA, Failure Tree Analysis, ou árvore de falha do problema. De acordo com LIMA et al (2006) FTA é uma ferramenta utilizada para estudar a partir de uma falha as possíveis causas do problema.
2. ANÁLISE DE FALHA DO SISTEMA DE FRENAGEM
A árvore de análise de falhas FTA é definida como uma técnica analítica, no qual uma falha do sistema é analisada de forma gráfica, obtendo uma sequência lógica conectada, que poderá mostrar a origem da causa para uma falha. As falhas encontradas podem ser associadas a falhas de componentes, erros de projeto ou até mesmo erros humanos. A forma gráfica de utilização da ferramenta é definida como um sistema de blocos ou em árvore. Este sistema mostra a relação entre os eventos, no qual os eventos mais altos da árvore são as falhas principais e seus resultados ou efeitos, efeito, os eventos mais baixos são as falhas secundárias ou causas para as falhas principais (CARLSON, 2012).
A análise de falhas além diminui custos, melhorar a qualidade e a confiabilidade dos sistemas utilizados e pode também otimizar a segurança em sistemas críticos. O freio de veículos apresenta-se como um elemento crítico que oferece segurança ao condutor do veículo. A função elemental do freio é desacelerar ou promover a parada completa do automóvel em sua condução (LIMPERT, 1999). A desaceleração de um veículo envolve a transformação de energia cinética e potencial em energia térmica ou a transformação de movimento em calor. Essa transformação se dá devido ao atrito resultante de algum elemento rotativo a um elemento fixo, como por exemplo o disco de freio em contato com as pastilhas de freio.
Para a realização da análise de falha é necessário conhecer a operação a qual o equipamento está submetido. Os conjuntos de transporte de cana se deslocam das fazendas de cana-de-açúcar até o pátio industrial, devido a este fato há presença de partículas de sílica nos componentes do freio do equipamento que se acumulam ao longo de sua operação. As estradas não pavimentadas limitações para o tráfego das cargas mais pesadas e devido as mudanças climáticas, demonstram vulnerabilidade quanto a qualidade do trajeto. As estradas de má qualidade interferem no desempenho operacional decorrendo em impossibilidade de trafego e produção reduzida (MACHADO 2013). O processo de produção do açúcar e do etanol ocorrem durante 24 horas do dia, desta forma os freios são utilizados de forma intensa e em condições de desgate acelerado. A estruturação da árvore de falha foi estruturada a partir de elementos que causam uma acentuação ou ineficácia do sistema de freios. A figura 3 apresenta toda a ramificação de falhas e todos os modos de falhas possíveis para o sistema de frenagem nos conjuntos da empresa em estudo.
Figura 3: Árvore de Falha do sistema de frenagem do conjunto de transporte de cana-de-açúcar
2.1. Superaquecimento
O superaquecimento das lonas de freio pode reduzir o coeficiente de atrito das lonas e promover o efeito fading, acelerando o desgaste neste componente e reduzindo a capacidade de frenagem do caminhão. A figura 4 abaixo apresenta a ramificação das falhas para este item.
Figura 4: Árvore de falha devido ao superaquecimento
O sistema deve trabalhar com temperaturas abaixo da faixa estipulada e com uma variação baixa entre os eixos de forma a não ocasionar o desbalanceamento do sistema com consequente desgaste de alguns componentes. A partir da medição de temperatura nos cubos, e a análise dos dados é possível identificar a natureza da falha se operacional para não comprimento do procedimento ou mecânica, da inadequação de algum componente ou ao procedimento de manutenção. Entre as causas de superaquecimento pode-se destacar a alta utilização do freio de serviço ou de implemento, e o ajuste inadequado entre a lona e a regulagem incorreta do ajustador automático.
2.1.1. Alta utilização do Freio de Serviço
A alta utilização do freio de serviço promove o contato constante da lona de freio com o tambor com consequente aumento da temperatura e desgaste acelerado da lona de freio. Analisando os dados para a utilização do freio de serviço no Minitab 14, estruturou-se as cartas de controle apresentadas na figura 5 abaixo.
Figura 5: Carta de controle do uso do Freio de Serviço
Quando comparado com o número de intervenções no sistema de freio a taxa de utilização do freio apresenta um coeficiente de correlação de 79,3%, devido a quantidade de variáveis existentes pode-se inferir a partir deste coeficiente a existência de uma correlação da forma de utilização do freio com a quantidade de intervenções feitas nos caminhões. O gráfico 2 abaixo apresenta a taxa de utilização do freio de serviço versus o número de intervenções nos freios dos cavalos mecânicos. Verifica-se que a frota com maior utilização do freio de serviço foi a que apresentou um maior número de falhas no sistema de freio.
Gráfico 2: com a taxa de utilização do freio de serviço versus o número de intervenções nos Freios do CM.
Entre as causas desta alta utilização tem-se a não atuação do freio motor e velocidade inadequada do veículo nos trechos.
A) Velocidade inadequada
A direção em velocidades fora da faixa recomendada por trecho, implica em uma maior necessidade de utilização dos freios de serviço, gerando uma maior concentração de calor nos mesmos, além do aumento de vibração e impacto nos componentes do sistema de freio. Os dados extraídos do Fleetboard indicam a velocidade média percorrida pelo motorista no trajeto, não sendo possível identificar, sem o acompanhamento do motorista durante a operação, as faixas de velocidade por trechos. Sabe-se porém que apesar da indicação
4,4% 3,0% 4,3% 5,0% 4,0% 4,0% 3,4% 8,9% 4,3% 3,0% 2,5% 3,5% 3,7% 3,5% 3,3% 2,3% 0 1 2 3 4 5 6 0,0% 2,0% 4,0% 6,0% 8,0% 10,0% 2002948 2002949 2002951 2002952 2002953 2002955 2002956 2002958 2002961 2002962 2002963 2002964 2002965 2002966 2002967 2002968 Distância com freio de serviço acionado (%)
de velocidade ser de 80 km/h na estrada e 60 km/h nas estradas alguns trechos requerem velocidades ainda mais baixas para não sobrecarregar alguns sistemas do veículo em especial o freio.
B) Freio Motor Não atua
Os caminhões Mercedes Benz Axor 3444 possuem uma eficiência menor quanto a utilização do freio motor quando comparado ao VOLVO FMX 500. Apesar da melhor frenagem do VOLVO quando comparado ao MB, a ineficiência do freio deste último, segundo o fabricante, não deveria em grandes proporções. Em 2017 a Concessionária forneceu gratuitamente a leitura dos dados dos caminhões, por meio do software Fleetboard. Sistema inclui a leitura de dados de utilização do freio de serviço, freio motor, faixa de aceleração, velocidade média. Analisando os dados para a utilização do freio motor no Minitab 14, estruturou-se as cartas de controle apresentadas na figura 6 abaixo.
Figura 6: Carta de controle do Uso do Freio Auxiliar
Considerando a frota de transporte da cana-de-açúcar na unidade, tem-se 16 veículos os quais foram coletados os dados pelo sistema. De acordo com o gráfico verifica-se uma taxa de utilização média de 36,7% sendo que sete veículos estão abaixo de um limite mínimo definido para a taxa de utilização do freio motor, e nove abaixo da média de utilização deste item.
2.1.2. Regulagem inadequada do Ajustador Automático
Para facilitar o trabalho de regulagem, existem no mercado ajustadores que regulam, através de um mecanismo automático, a distância entre lonas e tambor de freio. O comprimento do pistão no reparo do ajustador irá determinar a frequência que ocorre a regulagem e o tamanho da folga. Quanto menor for o pistão, maior será a folga entre a lona e o tambor em uma mesma aplicação e quanto maior for o pistão, com maior frequência ocorre a regulagem do ajustador em uma mesma aplicação, este ajuste deve ocorrer a cada 0,045 mm de desgaste da lona. A figura 7 abaixo apresenta os tamanhos e as cores dos pistões utilizados nos ajustadores automáticos.
Figura 7: Tamanho e cores do pistão
Devido ao tipo solicitação dos conjuntos durante o transporte de cana-de-açúcar na região da empresa, o pistão adequado é o Branco, No entanto, verificou-se a utilização de ajustadores automáticos com pistões de diferentes tamanhos, em um mesmo eixo. O que implica em uma variação de temperatura e superaquecimento do sistema de freio de alguns eixos.
2.2. Folga entre a Lona e a Sapata
A existência de uma folga entre a lona de freio e a sapata além dos limites toleráveis irá causar uma vibração no conjunto com consequente aparecimento de trinca e desgaste das lonas de freio. A figura 8 abaixo apresenta a
ramificação das falhas para este item.
Figura8: Árvore de falha devido a folga entre a lona e a sapata
A força de rebitagem não pode ser aplicada de forma brusca e sim lenta, dentro de aproximadamente 2 segundos, permanecendo pressionado por pelo menos 3 segundos. Esta operação é para evitar trincas nas lonas de freio e folgas entre elas e a sapata, por isto o controle da pressão de aplicação da rebitadeira é extremamente importante. Verificando no setor é possível constatar que a rebitadeira utilizada é adequada a função, fazendo-se necessário pequenos ajustes, como a utilização de uma válvula reguladora de pressão para manter a pressão em 8 bar evitando o rompimento da válvula e o vazamento de ar do circuito.
2.3. Distância inadequada do Tambor e da lona
A distância inadequada do tambor pode promover o desgaste acelerado das lonas de freio nos casos que estiverem mais próximos ou uma atuação ineficaz do freio quando a distância for acima da faixa esperada. Dentre as causas para este modo de falha tem-se o comprimento inadequado da haste da cuica, a fadiga da mola de retorno e a regulagem inadequada do ajustador automático. A figura 9 abaixo apresenta a ramificação das falhas para este item. Verificasse que a regulagem inadequada do ajustador automático é também uma causa para este modo de falha, e segue análise conforme demonstrada no item 2.1.2. A hipótese de fadiga da mola de retorno, pode ser descartada devido ao histórico de intervenções neste item de forma prematura, antes de vida útil prevista, ser desprezível. O mesmo é valido para o comprimento inadequado da haste da cuíca.
Figura 9: Árvore de falha devido a distância inadequada do tambor e da lona. 2.4. Folga no embuchamento do eixo S
A folga nas buchas do eixo S, faz com que o ressalto S trabalhe solto, promovendo impactos e a atuação não uniforme do freio, com consequente desgaste dos componentes em especial a lona de freio. A figura 10 abaixo apresenta a ramificação das falhas para este item.
Este modo de falha está geralmente associado ao final de vida útil do componente, mas fatores como a montagem inadequada e a lubrificação ineficiente podem levar a esta ocorrência. Constatou-se que este modo de falha não está associado ao desgaste acima do esperado no período em estudo.
2.5. Desbalanceamento de pressão do circuito
O desbalanceamento de pressão no circuito pneumático do caminhão irá promover uma atuação. A figura 11 abaixo apresenta a ramificação das falhas para este item.
Figura 11: Árvore de falha devido ao desbalanceamento de pressão do circuito. A válvula reguladora pode estar desregulada, com pressão incorreta. Essa falha é acarretada por falta de vedação ou problemas de funcionamento, principalmente, por contaminação por óleo lubrificante. O compressor pode perder rendimento se houver problemas de vedação nas válvulas, entupimento do cano de saída e vazamentos em geral. Pode também começar a contaminar o sistema com óleo lubrificante proveniente de desgastes dos anéis dos cilindros. Todos os modos de falha de relacionado ao desbalanceamento apresenta-se como causas pontuais e aleatórias conforme identificado pelo setor, não sendo identificados como causas para o desgaste prematuro das lonas de freio.
2.6. Presença de partícula abrasiva
Devido ao ambiente de atuação dos canavieiros o contato com de partículas abrasivas como terra é inevitável, e isto pode promover o desgaste acelerado da lona de freio. Afim de se evitar este modo de falha e necessário a utilização do espelho da roda como proteção. A figura 12 abaixo apresenta a ramificação das falhas para este item.
Figura 12: Árvore de falha devido a presença de partícula abrasiva
Constatou-se que este modo de falha não está associado ao desgaste acima do esperado no período em estudo.
3. CONCLUSÃO
Baseado neste estudo verifica-se que o desgaste prematuro de alguns componentes do sistema de freio em especifico das lonas, está associado há alguns fatores mecânicos identificados e operacionais, em destaque a forma de utilização do freio de serviço e do freio auxiliar, faixas de velocidade de direção inadequada, componentes do ajustador automático inadequado a função. Propõe-se portanto o plano de ação conforme tabela 3 abaixo abaixo:
Tabela 3: Árvore de falha devido presença
Sugere-se como trabalho futuro a análise dos efeitos de cada modo folho de acordo com sua taxa de falha (FMEA), evidenciado os tempos médios entre estas falhas e o tempo médio de reparo.
REFERÊNCIAS
ZANGARINI, G. R. Freios Automotivos. Campinas, SP. 2006. MERCEDES BENZ. Manual de Manutenção. 2018.
LIMA, P.; FRANZ, L.; AMARAL, F. Proposta de utilização do fta como ferramenta de apoio ao fmea em uma empresa do ramo automotivo. XIII Simpósio de Engenharia de Produção, SIMPEP, 2006.
CARLSON, C. S. Effective FMEAs: achieving safe, reliable, and economical products and processes using failure mode and effects analysis. Danvers,United States of America: Wiley e Sons,Inc, 2012.
LIMPERT, R. Brake design and safety. [S.l.]: Society of automotive engineers, 1999.
MACHADO, C. C. Conservação e construção de estradas rurais e florestais.1. ed. Viçosa: SIF. 2013. 441p.
