Renan Lombardo Ferreira Garrido

(1)

CONFIABILIDADE E MANUTENC

¸ ˜

AO: UM ESTUDO SOBRE A

T´

ECNICA DA FMEA

Renan Lombardo Ferreira Garrido

Projeto de Gradua¸cão apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos ne-cessários à obten¸cão do t´ıtulo de Engenheiro.

Orientador: Jorge Nem´esio Sousa

Rio de Janeiro Agosto de 2017

(2)

CONFIABILIDADE E MANUTENC

¸ ˜

AO: UM ESTUDO SOBRE A

T´

ECNICA DA FMEA

Renan Lombardo Ferreira Garrido

PROJETO DE GRADUAC¸ ˜AO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO

DE ENGENHARIA EL´ETRICA DA ESCOLA POLIT´ECNICA DA

UNIVERSI-DADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESS ÁRIOS PARA A OBTENÇ ÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRI-CISTA.

Examinada por:

Prof. Jorge Nem´esio Sousa, M.Sc. (Orientador)

Prof. Carmen Lucia Tancredo Borges, D.Sc.

Prof. Antonio Carlos Siqueira de Lima, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL AGOSTO DE 2017

(3)

Garrido, Renan Lombardo Ferreira

Confiabilidade e Manutenção: Um Estudo Sobre a Técnica da FMEA/ Renan Lombardo Ferreira Garrido. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2017.

Orientador: Jorge Nemésio de Sousa

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Elétrica, 2017.

1. Confiabilidade 2. Manutenção 3. FMEA 4. Transformador I. Nemésio de Sousa, Jorge. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica III. Confiabilidade e Manutenção: Um Estudo Sobre a Técnica da FMEA

Referencias Bibliográficas: p. 86-87.

(4)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Escola Politécnica - Departamento de Engenharia Elétrica Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária Rio de Janeiro - RJ CEP 21949-900

Este exemplar ´e de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que poder´a inclu´ı-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento.

´

E permitida a men¸cão, reprodu¸cão parcial ou integral e a transmissão entre bibli-otecas deste trabalho, sem modifica¸cão de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e cita¸cões, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.

(5)

Dedico este trabalho ao meu pai Julio Cesar (in memoriam) e ao meu avˆo Vicente.

(6)

AGRADECIMENTO

Agrade¸co, primeiramente, aos meus pais Denise e Julio Cesar (in memoriam) e a minha fam´ılia por todo suporte, incentivo e apoio incondicional dado ao longo da gradua¸c˜ao.

Em especial, a minha m˜ae e meu avˆo Vicente que sempre se doaram inteira-mente ao meu progresso.

Agrade¸co ao professor Jorge Nem´esio por toda aten¸c˜ao e empenho dedicado `

a elabora¸c˜ao deste trabalho e, principalmente, pelo imenso conhecimento comparti-lhado em todos os momentos.

Agrade¸co aos meus amigos da gradua¸c˜ao e de fora dela por toda companhia nos bons e maus momentos, pelas risadas, pelo apoio, enfim, por tudo aquilo que s´o os amigos podem nos proporcionar.

Agrade¸co `a Divis˜ao de Engenharia do HUCFF pelo suporte dado a mim para que eu me dedicasse ao estudo e desenvolvimento deste trabalho.

A todos que direta ou indiretamente fizeram parte da minha forma¸c˜ao, o meu muito obrigado.

(7)

Resumo do Projeto Final apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica como parte dos requisitos necessários para a obten¸cão do grau de Engenheiro

Eletricista

CONFIABILIDADE E MANUTENC¸ ˜AO: UM ESTUDO SOBRE A

T´ECNICA DA FMEA

Renan Lombardo Ferreira Garrido Agosto/2017

Orientador: Jorge Nem´esio Sousa, M. Sc. Curso: Engenharia El´etrica

As disciplinas de manuten¸cão e confiabilidade tornaram-se estratégicas para a indústria de capital no atual mundo globalizado.

A fim de trazer conhecimentos à n´ıvel de gradua¸cão, criando material que po-derá servir de base didática para disciplinas e trabalhos acadêmicos, este trabalho irá apresentar os principais e mais relevantes conceitos de manuten¸cão e confiabilidade tomando como base as mais importantes referências bibliográficas sobre o tema.

Será apresentada a técnica de confiabilidade FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) em seus principais aspectos, onde sua aplicabilidade será demonstrada através de um exemplo genérico aplicado ao caso de um transformador trifásico de 1000 kVA.

(8)

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Electrical Engineer

RELIABILITY AND MAINTENANCE: A STUDY OF THE FMEA TECHNIQUE

Renan Lombardo Ferreira Garrido August/2017

Advisor: Jorge Nem´esio Sousa, M. Sc. Course: Electrical Engineering

The disciplines of maintenance and reliability have become strategic for the capital industry in today’s globalized world.

In order to bring knowledge to the undergraduate level, by creating a material that can serve as a didactic basis for academic disciplines and works, this paper will present the main relevant concepts of maintenance and reliability based on the most important bibliographical references on the subject.

The FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) reliability technique will be presented in its main aspects, where its applicability will be demonstrated through a generic example applied to the case of a three-phase 1000 kVA transformer.

(9)

SIGLAS E S´IMBOLOS

UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro

FMEA - Failure Mode and Effect Analysis

MCC - Manuten¸c˜ao Centrada em Confiabilidade

RPN - Risk Priority Number

S - Severidade

O - Probabilidade de Ocorrˆencia

MTTF - Mean Time to Failure

MTBF - Mean Time Between Failures

D - Probabilidade de Detec¸c˜ao

f (x) - Fun¸c˜ao Densidade de Probabilidade

R(t) - Fun¸c˜ao Confiabilidade

F (t) - Probabilidade de Falha

λ(t) - Taxa de Falhas

(10)

Sum´

ario

1 Introdu¸cão 1 1.1 Apresenta¸cão . . . 1 1.2 Objetivo . . . 2 1.3 Motiva¸cão . . . 2 1.4 Estrutura do Trabalho . . . 3

2 Revisão Bibliográfica e Base Teórica 4 2.1 A Confiabilidade . . . 4

2.1.1 A Hist´oria da Confiabilidade . . . 7

2.2 Conceitos Matemáticos e Expressões Básicas . . . 9

2.2.1 Vari´aveis Aleat´orias . . . 10

2.2.2 Fun¸c˜ao Densidade de Probabilidade . . . 11

2.2.3 Confiabilidade . . . 13

2.2.4 Taxa de Falhas . . . 15

2.2.5 Classifica¸c˜ao da Taxa de Falhas . . . 17

2.2.6 Resumo das Fun¸c˜oes . . . 19

2.2.7 Rela¸cão Gráfica entre as Principais Fun¸cões . . . 19

2.3 Exemplo de Aplica¸cão . . . 20 2.4 A Curva da Banheira . . . 24 2.5 Falhas . . . 25 2.5.1 Tipos de Falha . . . 28 2.6 Manuten¸cão . . . 32 2.6.1 O Conceito de Manuten¸cão . . . 32 2.6.2 Os Tipos de Manuten¸cão . . . 34

(11)

2.7.1 As Gera¸c˜oes da Manuten¸c˜ao . . . 43

2.7.2 Defini¸c˜ao da MCC . . . 48

2.7.3 Implementa¸c˜ao . . . 49

2.8 FMEA . . . 51

2.8.1 Alguns Termos e Defini¸c˜oes . . . 51

2.8.2 Tipos de FMEA e suas Vantagens . . . 52

2.9 Transformador . . . 54

2.9.1 O que ´e um transformador? . . . 55

2.9.2 Partes Construtivas e Acess´orios . . . 56

3 Metodologia da Pesquisa 60 3.1 Defini¸c˜ao de Pesquisa . . . 61

3.2 Classifica¸c˜ao e Tipos de Pesquisa . . . 61

4 Elabora¸c˜ao da FMEA 66 4.1 Etapas de Organiza¸c˜ao e Preparo da FMEA . . . 66

4.1.1 Definir o Sistema . . . 67

4.1.2 Estabelecer Regras B´asicas . . . 67

4.1.3 Descrever o Sistema e Seus Blocos Funcionais . . . 68

4.1.4 Identificar os Modos de Falha e Seus Efeitos . . . 69

4.1.5 Avalia¸c˜ao de Criticidade . . . 70

4.2 Elabora¸c˜ao da Planilha de FMEA . . . 75

4.2.1 Cabe¸calho . . . 75

4.2.2 Defini¸c˜ao do Sistema . . . 76

4.2.3 Listagem dos Modos de Falha e Seus Efeitos . . . 77

4.2.4 C´alculo do RPN . . . 78

4.2.5 Tomada de A¸c˜ao . . . 78

4.2.6 A Planilha de FMEA . . . 79

4.3 Exemplo de Aplica¸c˜ao da FMEA . . . 81

5 Conclus˜ao 84

(12)

Lista de Figuras

2.1 Fun¸c˜oes de probabilidade . . . 13

2.2 As trˆes classifica¸c˜oes das falhas . . . 18

2.3 Rela¸c˜oes gr´aficas . . . 19

2.4 A Curva da Banheira [1] . . . 24

2.5 Tempo de vida [1] . . . 26

2.6 Curvas de falha [1] . . . 26

2.7 Falhas aleat´orias [1] . . . 29

2.8 Substitui¸c˜ao em taxa de falhas decrescente [1] . . . 40

2.9 Substitui¸c˜ao em taxa de falhas constante [1] . . . 40

2.10 Substitui¸c˜ao em taxa de falhas crescente [1] . . . 41

2.11 Tempo ´otimo de substitui¸c˜oes [1] . . . 42

2.12 Modo de falha e seu efeito [2] . . . 52

2.13 Esquema b´asico de um transformador . . . 55

(13)

Lista de Tabelas

2.1 Resumo das fun¸c˜oes . . . 19

2.2 Tempo at´e falha (unidade de tempo: dias) . . . 20

2.3 Principais Tipos de Manuten¸c˜ao [3] . . . 39

2.4 Resumo da MCC . . . 48

2.5 Tabela de implementa¸c˜ao da MCC . . . 50

2.6 Vantagens da FMEA . . . 54

2.7 Principais partes construtivas e acess´orios de um transformador . . . 57

4.1 Tabela de severidade . . . 71

4.2 Tabela de ocorrˆencia . . . 72

4.3 Tabela de detec¸c˜ao . . . 74

4.4 Cabe¸calho da planilha . . . 76

4.5 Defini¸c˜ao do sistema na planilha . . . 76

4.6 Modos de falha na planilha . . . 77

4.7 RPN na planilha . . . 78

4.8 Tomada de a¸c˜ao na planilha . . . 79

4.9 A planilha de FMEA . . . 80

4.10 FMEA de um Transformador - Parte 1 . . . 81

4.11 FMEA de um Transformador - Parte 2 . . . 82

(14)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

1.1 Apresenta¸

c˜

ao

Com o desenvolvimento da economia de forma globalizada foi poss´ıvel ob-servar a crescente demanda por servi¸cos e produtos menos custosos, de maior de-sempenho e mais confiáveis. Servi¸cos que vão desde os mais básicos como os de secretariado, até os mais complexos e de maior especificidade, como, por exemplo, a manuten¸cão das turbinas de um avião comercial. E, para produtos, desde um parafuso usado na confeçcão de um automóvel até um turbo gerador de uma usina nuclear.

Isto é, todos os setores da economia estão em busca de sistemas mais efici-entes, de melhor desempenho e que tenham custos competitivos. Com isso, surgiu a necessidade de reduzir a probabilidade de falhas, desde as que podem aumentar os custos de produ¸cão, até aquelas que podem comprometer a integridade f´ısica dos usuários de um produto. Essa necessidade faz com que o estudo e aplica¸cão dos conceitos de confiabilidade estejam cada vez mais em voga em todos os ramos da engenharia e da economia.

(15)

1.2 Objetivo

O objetivo deste trabalho é trazer conceitos da Engenharia de Confiabilidade, bem como a aplica¸cão da técnica de confiabilidade FMEA - Failure Mode and Effect Analysis (Análise de Modos e Efeitos de Falha), como estudo de caso e, assim, formar, à n´ıvel de gradua¸cão, uma base nos conhecimentos na área que possam ser aplicados e desenvolvidos no meio profissional por um engenheiro que tenha foco em manuten¸cão e gestão de ativos em sistemas industriais.

1.3 Motiva¸

c˜

ao

Este trabalho teve sua motiva¸cão iniciada no momento que comecei meu estágio obrigatório numa indústria farmacêutica. Fui contratado para atuar como apoio à manuten¸cão da fábrica trabalhando juntamente do Coordenador de Manu-ten¸cão e recebendo orienta¸cões diretas do Gerente de Engenharia da planta.

De uma forma geral, a cultura instaurada no setor de manuten¸cão da empresa possu´ıa caracter´ısticas reativas, ou seja, as a¸cões de manuten¸cão que mais deman-davam esfor¸co e tempo da equipe eram a¸cões corretivas não programadas, ou seja, a preven¸cão de problemas e paradas por falhas não estava enraizada na cultura da empresa.

Diante desta situa¸cão, a gerência viu a necessidade de se dar o ponta pé inicial para se estabelecer uma cultura preventiva para as atividades de manuten¸cão, processo que se deu justamente no momento que comecei meu trabalho na empresa.

Durante todo o meu per´ıodo de estágio, juntamente da alta gerência, atuei diretamente na implementa¸cão de ferramentas e técnicas que objetivavam reduzir o tempo de indisponibilidade dos equipamentos da fábrica causado por falhas técnicas e algumas operacionais.

(16)

1.4 Estrutura do Trabalho

Este trabalho está estruturado de forma a apresentar inicialmente o conceito de confiabilidade e, seguidamente a ele, a conceitua¸cão fundamental da manuten¸cão para, ao fim, trazer a técnica FMEA.

Desta forma, no Cap´ıtulo 2 é feita a revisão sobre os aspectos teóricos de acordo com a base bibliográfica utilizada como referência, são apresentados os con-ceitos de confiabilidade, manuten¸cão e manuten¸cão centrada em confiabilidade bem como outros conceitos fundamentais para compreensão do tema.

O Cap´ıtulo 3 fundamenta e descreve os aspectos metodol´ogicos utilizados no estudo, classificando a pesquisa de acordo com sua finalidade e m´etodos.

O Cap´ıtulo 4 é composto pelo desenvolvimento da técnica da FMEA, onde serão discutidas suas principais etapas e os conceitos necessários para sua elabora¸cão. Ao fim, será apresentado um exemplo da FMEA aplicado a um transformador de 1000kVA com a inten¸cão de demonstrar a sua funcionalidade.

Por fim, o Cap´ıtulo 5 traz a conclusão deste trabalho e, seguindamente a ele, têm-se a lista de referências bibliográficas utilizadas.

(17)

Cap´ıtulo 2

Revis˜

ao Bibliogr´

afica e Base

Te´

orica

Neste cap´ıtulo será apresentada a base teórica que compõe a teoria e motiva o trabalho. Serão apresentados os conceitos de confiabilidade e manuten¸cão, o en-tendimento do que são falhas, como ocorrem e seus efeitos. Ao fim do cap´ıtulo, será apresentada a técnica FMEA junto de seus conceitos e necessidades para aplica¸cão.

2.1 A Confiabilidade

De uma forma geral, a confiabilidade está associada à boa opera¸cão de um determinado equipamento ou sistema nos momentos de ausência de defeitos1 _ou

falhas2. Isto é, quando um equipamento ou sistema estiver operando como previsto em suas especifica¸cões e atribui¸cões, atuar neles de forma que a ocorrência de defeitos e falhas possa ser evitada no futuro.

1_{Defeito: A NBR 5462:1994 [4] define defeito como qualquer desvio de uma caracter´ıstica de}

um item em rela¸c˜ao aos seus requisitos.

2_{Falha: A NBR 5462:1994 [4] define falha como o t´}_{ermino da capacidade de um item}

(18)

Para come¸carmos a tratar propriamente dos conceitos básicos de confiabili-dade é necessário, antes, definirmos o que é a confiabilidade.

Segundo o Dicionário Oxford [5], confiabilidade é definida como a qualidade de ser confiável ou de executar consistentemente bem uma a¸cão. Para um estudo do ponto de vista da engenharia, a confiabilidade necessita de uma defini¸cão que seja técnica.

Fogliatto (2009) [6], diz que a confiabilidade de um item corresponde a sua probabilidade de desempenhar o seu propósito especificado, por um determinado per´ıodo de tempo e sob condi¸cões ambientais predeterminadas. Lafraia (2014) [1] define a confiabilidade como a probabilidade de que um componente, equipamento ou sistema exercerá sua fun¸cão sem falhas, por um per´ıodo de tempo previsto, sob condi¸cões de opera¸cão especificadas.

Para Dhillon (1982) [7], confiabilidade é a probabilidade de um item realizar a fun¸cão que lhe é atribu´ıda satisfatoriamente para um determinado per´ıodo de tempo quando usado sob condi¸cões especificadas.

Olhando através destas defini¸cões e mantendo o propósito do trabalho que é trazer uma abordagem qualitativa do tema confiabilidade, a defini¸cão para confia-bilidade a ser adotada nesse estudo será: capacidade de um item executar adequa-damente sua fun¸cão, por um determinado per´ıodo de tempo e sob condi¸cões operacionais preestabelecidas.

Nessa defini¸cão estão presentes alguns termos-chave que necessitam de uma explica¸cão individual e mais detalhada, a fim de se ter uma completa análise do conceito de confiabilidade apresentado.

Na defini¸cão, o termo item corresponde ao objeto no qual o estudo de confi-abilidade está sendo feito. Sua defini¸cão pode variar de acordo com a finalidade do estudo. Isso significa que, dependendo do caso envolvido, o item pode ser:

(19)

• Um sistema complexo, composto por um conjunto de componentes. Por exem-plo, um avi˜ao a jato como um todo.

• Um componente integrante de um sistema. Por exemplo, a h´elice propulsora de um navio cargueiro.

• Uma pe¸ca espec´ıfica de um determinado componente do sistema. Por exemplo, um parafuso que prende as pás da hélice de um helicóptero.

O item citado na defini¸cão de confiabilidade pode ser tão espec´ıfico quanto for necessário, indo desde um sistema como um todo, formado por diversos compo-nentes, até uma única pe¸ca dentre as milhares que podem formar o sistema.

A expressão ‘sua fun¸cão’ é importante para o entendimento conceitual da confiabilidade porque, muitas vezes, um determinado item é produzido em dife-rentes versões, variando de acordo com a inten¸cão de uso. Quando se estuda a confiabilidade de um item, é imprescind´ıvel que este esteja executando sua tarefa de acordo com seu projeto original de forma a se ter um perfil real´ıstico do seu n´ıvel de confiabilidade.

Por exemplo, uma furadeira pode ser produzida para fins domésticos ou in-dustriais; ambas têm as mesmas fun¸cões, mas se diferenciam pela sua confiabilidade, pois foram projetadas para n´ıveis de carga diferentes.

Agora, suponha que esta furadeira dom´estica - projetada para 1.000 h de uso - esteja sendo aplicada para fins industriais com uma carga muito acima de sua capacidade e falhe com 100 h de uso.

Analisando rapidamente, verifica-se que a furadeira falhou com apenas 10% do tempo total de uso, isto é, falhou muito prematuramente. Entretanto, isso não quer dizer que a furadeira apresenta baixa confiabilidade devido à falha com apenas 100 h de uso. Na verdade, não é razoável avaliar a confiabilidade para este caso visto que a furadeira foi utilizada fora de suas especifica¸cões.

(20)

A confiabilidade é um conceito que está diretamente associado ao tempo de atividade de um item. Na defini¸cão, o trecho ‘por um determinado per´ıodo de tempo’ traz esse aspecto à discussão. O conceito de unidade de tempo, para a confiabilidade, varia de acordo com o perfil do item que está sendo objeto de estudo e, nem sempre se dá de maneira óbvia, assumindo diversas formas e parâmetros. Por exemplo, o tempo até a falha de uma lâmpada elétrica pode ser medido como o número total de horas até a ocorrência, o número da soma de horas de atividade até ela falhar ou o número de vezes que a lâmpada foi acionada. Isto é, podemos definir o per´ıodo de tempo em confiabilidade não apenas como uma temporiza¸cão dada em horas ou minutos, por exemplo, mas também como número de dias, anos, meses, ciclos, acionamentos etc., o que for mais conveniente de acordo com o caso em questão.

Por fim, na defini¸cão de confiabilidade, o trecho ‘condi¸cões operacionais preestabelecidas’, que diz respeito às condi¸cões, de forma geral, nas quais o item será operado. Estas podem ser desde condi¸cões climáticas e ambientais, até o n´ıvel de treinamento de um operador, por exemplo.

´

E fundamental ser acentuado esse ponto da defini¸cão, porque um item pode apresentar desempenho diferenciado quando operado com elevada umidade, so-brecarga, temperaturas fora das especificadas como normais, vibra¸cão excessiva, condi¸cões ambientais desfavoráveis como polui¸cão, excesso de chuva etc.

2.1.1 A Hist´

oria da Confiabilidade

Historicamente, os estudos de confiabilidade tiveram in´ıcio após o fim da Primeira Grande Guerra Mundial (1918) onde, com o surgimento da indústria ae-ronáutica, foram desenvolvidos os primeiros estudos de análise de confiabilidade. Naquele contexto, a confiabilidade era medida como o número de acidentes por hora de voo.

(21)

Na década de 1940, durante a Segunda Grande Guerra Mundial, um grupo de engenheiros trabalhou, na Alemanha, no desenvolvimento de m´ısseis V-1. Após o fim da guerra, soube-se que todos os protótipos falharam durante os testes, explodindo durante o voo ou aterrissando antes do alvo. Nesta mesma década de 1940 iniciou-se o deiniciou-senvolvimento de teorias matemáticas relacionadas aos problemas que foi quando se desenvolveu a equa¸cão associada à confiabilidade de um sistema em série, que estabelece que essa é dada pelo produto das confiabilidades de suas partes componentes. Como consequência direta, os sistemas em série formados por muitos componentes têm a tendência a apresentar baixa confiabilidade e o efeito da melhoria da confiabilidade dos componentes, individualmente, tende a ser pequeno sobre o sistema como um todo. Desta forma, surgiram as primeiras tentativas de buscar melhorias na qualidade associada às manuten¸cões preventivas através de refinamento nos projetos, melhoria de equipamentos e instrumentos de medi¸cão, e materiais mais resistentes.

Ao final da década de 1940, nos Estados Unidos, as for¸cas armadas come¸caram a desenvolver diversos estudos sobre reparos em equipamentos, custos de manu-ten¸cão, falhas de equipamentos eletrônicos etc. Isso resultou na cria¸cão de um comitê de confiabilidade pelo Departamento de Defesa norte americano. Posterior-mente, este comitê se transformou num grupo permanente chamado Advisory Group on the Reliability of Electronic Equipment (AGREE).

No in´ıcio dos anos 1950 surgiu o IEEE Transactions on Reliability e o Proce-edings of the National Symposium on Reliability and Quality Control, resultado da preocupa¸c˜ao crescente com a confiabilidade.

Em 1965 o Departamento de Defesa americano emitiu a norma MIL-STD-785 - Reliability Programs for Systems and Equipment Development and Production, a qual tornou obrigatória a integra¸cão de um programa de atividades de Engenharia de Confiabilidade com as atividades de engenharia tradicionais de projeto, desen-volvimento e produ¸cão.

(22)

Na d´ecada de 1970, a an´alise de confiabilidade se consolidou em diversas ´

areas, com destaque para o ramo da engenharia nuclear. Ainda nesta d´ecada, sur-giram os primeiros programas computacionais com modelos de an´alise de confiabi-lidade.

Nos anos 80, os pa´ıses que eram dominantes em tecnologia de ponta im-plementaram definitivamente as técnicas da análise de confiabilidade nos diversos setores da engenharia, partindo do projeto até a utiliza¸cão de equipamentos.

2.2 Conceitos Matem´

aticos e Express˜

oes B´

asicas

Esta se¸c˜ao est´a baseada nos trabalhos de Lafraia (2014) [1] e Fogliatto (2009) [6], e na Norma NBR 5462:1994 [4].

Na Se¸cão 2.1 foi dada a seguinte defini¸cão para confiabilidade: ‘capacidade de um item executar adequadamente sua fun¸cão, por um determinado per´ıodo de tempo e sob condi¸cões operacionais preestabelecidas.’. Esta defini¸cão traz uma visão qualitativa ao entendimento do que é confiabilidade, entretanto, é muito comum a necessidade de se conceituar a confiabilidade olhando por um perfil quantitativo, isto é, matematicamente.

Desta forma, matematicamente, podemos definir confiabilidade como: pro-babilidade de um item executar adequadamente sua fun¸cão, por um determinado per´ıodo de tempo e sob condi¸cões operacionais preestabelecidas. Ao confrontar esta defini¸cão com a primeira defini¸cão de confiabilidade (se¸cão 2.1), a semelhan¸ca é bem evidente, exceto pela introdu¸cão da palavra ‘probabilidade’. Ou seja, para aborda-gem matemática da confiabilidade, será feita uma conceitua¸cão probabil´ıstica.

Reitero que o foco deste trabalho está direcionado à abordagem qualita-tiva dos conhecimentos e estudos sobre confiabilidade, suas técnicas, ferramentas e aplica¸cões. Mas, devido à grande importância e aplicabilidade dos conceitos

(23)

ma-temáticos que também sustentam a base de um estudo de confiabilidade, é impor-tante que pelo menos as principais fun¸cões matemáticas sejam apresentadas a fim de se formar uma base mais completa e sólida sobre Confiabilidade. É isto que estará disposto a seguir nesta se¸cão.

2.2.1 Vari´

aveis Aleat´

orias

Se o parâmetro X de um evento probabil´ıstico que está sendo medido (por exemplo, taxa de falha de um componente, intervalo de tempo de reparo etc.) varia aleatoriamente no tempo e/ou espa¸co, então, este parâmetro X é definido como uma variável aleatória. Uma variável aleatória pode ser definida como uma variável cont´ınua ou discreta.

Uma variável aleatória discreta é aquela que pode assumir somente um número discreto de estados ou determinado número de valores. Uma variável aleatória con-tinua é aquela que pode assumir um número infinito de valores dentro de um certo intervalo poss´ıvel.

2.2.1.1 Aplicando-se `a Confiabilidade

Para uma análise probabil´ıstica da confiabilidade é necessário definir, dentre os parâmetros que compõem a confiabilidade, qual deles será utilizado como variável aleatória. Para isto, devemos, previamente, apresentar o conceito de tempo até falha. Desta forma:

Tempo até falha de um item, equipamento etc., é conceituado como o tempo que se transcorreu desde o momento que o mesmo entrou em opera¸cão até a ocorrência de sua primeira falha. Por conven¸cão, o tempo t = 0 é considerado o instante de in´ıcio da opera¸cão.

(24)

é adotado como a variável aleatória no estudo da confiabilidade, sendo representada por T.

2.2.2 Fun¸

c˜

ao Densidade de Probabilidade

Se X é uma variável aleatória cont´ınua, a Fun¸cão Densidade de Probabilidade de X é uma fun¸cão f (x), de forma que para dois números reais a e b, com a ≤ b, tem-se que:

P (a < x ≤ b) = Z b

a

f (x)dx (2.1)

2.2.2.1 Fun¸c˜ao Distribui¸c˜ao Acumulada

A Fun¸cão Distribui¸cão Acumulada é a fun¸cão F (x) de uma variável aleatória X definida para um número real x da seguinte forma:

F (x) = P (X ≤ x) = Z x

−∞

f (x)dx (2.2)

Isto é, para um dado valor de x, F (x) é a probabilidade de que o valor observado de X seja no máximo x.

2.2.2.2 Aplicando-se `a Confiabilidade

Como exemplificado na Se¸cão 2.1 para o caso de uma lâmpada elétrica, o tempo até falha pode ser medido como número de horas até a falha ou número de acionamentos, por exemplo. Pode também, de acordo com a dinâmica do que está sendo estudada, esse tempo ser medido em dias, horas, ciclos, acionamentos etc. Ou seja, o tempo até falha nem sempre é medido de forma cont´ınua, podendo assumir

(25)

valores discretos, como por exemplo, o n´umero de ciclos at´e a falha.

Mesmo ciente do fato de o tempo até falha poder assumir valores discretos, para manter os propósitos deste trabalho, será considerada uma variável aleatória T distribu´ıda continuamente e que apresenta densidade de probabilidade dada por f (t) e fun¸cão de distribui¸cão dada por:

F (t) = P (T ≤ t) = Z t

0

f (t)dt (2.3)

A fun¸c˜ao F (t) indica, assim, a probabilidade de falha de um equipamento ou item num per´ıodo de tempo menor ou igual a t.

A densidade de probabilidade f (t) ´e definida pela f´ormula 2.4.

f (t) = d dtF (t) = lim∆t→0 F (t + ∆t) − F (t) ∆t = lim ∆t→0 P (t < T ≤ t + ∆t) ∆t (2.4)

Para valores pequenos de ∆t, pode ser feita a aproxima¸c˜ao mostrada em 2.5.

P (t < T ≤ t + ∆t) ≈ f (t).∆t (2.5)

A Figura 2.1 representa graficamente a fun¸cão densidade de probabilidade f (x) e a fun¸cão distribui¸cão acumulada F (x) de uma variável aleatória cont´ınua.

(26)

(a) Fun¸c˜ao de probabilidade acumulada (b) Fun¸c˜ao densidade de propabilidade

Figura 2.1: Fun¸c˜oes de probabilidade

2.2.3 Confiabilidade

Da Se¸cão 2.2, a confiabilidade foi definida como probabilidade de um item ou sistema cumprir sua fun¸cão com sucesso, por um per´ıodo de tempo previsto, sob condi¸cões de opera¸cão especificadas.

Para os propósitos desta se¸cão em espec´ıfico iremos adotar a nomenclatura Confiabilidade ou Fun¸cão Confiabilidade, cuja representa¸cão matemática a ser ado-tada é R(t)3_.

Supondo um número n de equipamentos em opera¸cão e sem substitui¸cão, então, depois de transcorrido um per´ıodo de tempo t, o número de equipamentos sobreviventes e em falha são ns(t) e nf(t), respectivamente.

n = ns(t) + nf(t) (2.6)

A confiabilidade de um equipamento é dada como a sua probabilidade acu-mulada de sucesso, isto é, ausência de falhas. Desta forma, para um tempo t, a

3_{A letra R ´}_{e utilizada em decorrˆ}_{encia da tradu¸}_c˜_{ao da palavra confiabilidade em inglˆ}_es,

(27)

fun¸c˜ao confiabilidade R(t) ´e: R(t) = ns(t) ns(t) + nf(t) = ns(t) n (2.7) ou, alternativamente: R(t) = 1 − nf(t) n (2.8)

Seja F (t) a probabilidade de falha no tempo t, ent˜ao:

F (t) = nf(t) nf(t) + ns(t)

= nf(t)

n (2.9)

Tamb´em escrevendo de forma alternativa:

F (t) = 1 − ns(t)

n (2.10)

Desta forma, das equa¸cões acima, como esperado, visto à complementaridade das fun¸cões R(t) e F (t), temos que

F (t) + R(t) = 1 (2.11)

Considerando a variável aleatória T definida na Se¸cão 2.2.2.2, a fun¸cão con-fiabilidade em um tempo t é expressa da seguinte maneira:

R(t) = P (T > t) (2.12)

(28)

estão relacionadas como na equa¸cão 8, podendo ser rearranjadas da seguinte forma utilizado a equa¸cão 3: R(t) = 1 − F (t) = 1 − Z t 0 f (t)dt (2.13)

Da´ı tem-se que:

R(t) = Z +∞

t

f (t)dt (2.14)

Assim, a fun¸c˜ao R(t) indica a probabilidade de um equipamento ou item n˜ao apresentar falhas num per´ıodo de tempo menor ou igual a t.

2.2.4 Taxa de Falhas

Falha é a perda da fun¸cão ou a incapacidade de um item executar sua fun¸cão a um n´ıvel requerido. Taxa de falha ou taxa de falha instantânea λ(t) é a rela¸cão entre o total de componentes em falha e o número de componentes remanescentes no instante de tempo t.

A taxa de falhas ou fun¸cão de risco pode ser interpretada como a quantidade de risco que está associada a um determinado item no tempo t. A taxa de falha é conhecida também como taxa de risco.

A taxa de falha pode ser derivada com o uso de conceitos de probabilidade condicional, conforme descrito a seguir.

Considerar, inicialmente, a probabilidade de falha entre t e t + ∆t, dada por:

P (t ≤ T < t + ∆t) =

Z t+∆t

t

(29)

Condicionando no evento ao item estar operando no tempo t, tem-se a se-guinte express˜ao:

P (t ≤ T < t + ∆t|T ≥ t) = P (t ≤ T < t + ∆t)

P (T ≥ t) =

R(t) − R(t + ∆t)

R(t) (2.16)

Uma taxa de falha média no intervalo (t, t + ∆t) é obtida dividindo-se a equa¸cão 3.9 por t. Supondo ∆t → 0, obtém-se a taxa de falha instantânea ou, simplesmente, taxa de falha, dada por:

λ(t) = lim ∆t→0 R(t) − R(t + ∆t) R(t).∆t = − R0(t) R(t) = f (t) R(t), t ≥ 0 (2.17)

A taxa de falha deve satisfazer `as seguintes condi¸c˜oes:

           R∞ 0 λ(t)dt = +∞ ∀t ≥ 0 λ(t) ≥ 0 (2.18)

2.2.4.1 Fun¸c˜ao de Falha Acumulada

A fun¸cão de confiabilidade R(t) e a fun¸cão densidade f (t) podem ser derivadas a partir da fun¸cão de risco, como será demonstrado a seguir.

Utilizando a equa¸c˜ao 2.17 como ponto inicial, tem-se que:

λ(t) = −R

0_(t)

R(t) = − d

(30)

Como, por defini¸c˜ao, R(0) = 1, temos que: Z t 0 λ(t)dt = − ln R(t) (2.20) R(t) = exp − Z t 0 λ(t)dt (2.21)

A partir da equa¸cão 2.17 e do resultado mostrado na equa¸cão 2.21, é poss´ıvel que a seguinte rela¸cão seja estabelecida entre a fun¸cão densidade f (t) e a taxa de falhas: f (t) = λ(t). exp − Z t 0 λ(t)dt , t ≥ 0 (2.22)

Integrando-se a fun¸cão de risco sobre um per´ıodo de tempo, obtém-se a Fun¸cão de Falha Acumulada, λ(t), que é dada como:

H(t) = Z t

0

λ(t)dt, t ≥ 0 (2.23)

A Fun¸cão de Falha Acumulada fornece uma forma alternativa de representar a taxa de falha, mostrando-se na forma de uma fun¸cão não-decrescente no tempo. En-tretanto, de maneira análoga às fun¸cões de distribui¸cão F (t), a maioria das fun¸cões de falha acumulada se assemelha na forma, independente da distribui¸cão que modela os tempos até falha.

2.2.5 Classifica¸

c˜

ao da Taxa de Falhas

A unidade de medida da taxa de falhas ´e, geralmente, dada em termos de falhas por unidade de tempo. A forma da taxa de falhas λ(t) ´e um indicativo de

(31)

como o ´e o processo de envelhecimento do item.

A taxa de falha tem três classifica¸cões básicas, estas são:

• Taxa de Falha Crescente: onde o risco de falhas do item cresce com o tempo;

• Taxa de Falha Decrescente: onde o risco de falhas do item decresce com o tempo;

• Taxa de Falha Constante: onde o risco de falha do item ´e constante ao longo de um determinado tempo.

Lafraia (2014) [1] em seu texto diz que equipamentos e produtos manufatu-rados costumam apresentar a taxa de falha λ(t) dada pela ocorrência sucessiva das três classifica¸cões acima, como mostrado na Figura 2.2.

Figura 2.2: As trˆes classifica¸c˜oes das falhas

A curva da Figura 2.2 é muito conhecida em atividades de gestão da manu-ten¸cão, é chamada de Curva da Banheira. Na se¸cão 2.4, esta curva será detalhada.

(32)

2.2.6 Resumo das Fun¸

c˜

oes

A Tabela 2.1 apresenta uma resumo das fun¸c˜oes empregadas nas an´alises aqui apresentadas.

Tabela 2.1: Resumo das fun¸c˜oes

f (t) R(t) λ(t) H(t) f (t) – ∞ R t f (t)dt ∞f (t) R t f (t)dt − ln ∞ R t f (t)dt R(t) -dR(t)_dt – -dR(t)_dt _R(t)1 -ln[R(t)] λ(t) λ(t).e[− Rt 0λ(t)dt] _e[− Rt 0λ(t)dt] _– Rt 0λ(t)dt H(t) H0(t).e−H(t) e−H(t) H(t) –

2.2.7 Rela¸

c˜

ao Gr´

afica entre as Principais Fun¸

c˜

oes

(33)

2.3 Exemplo de Aplica¸

c˜

ao

Um determinado fabricante de lâmpadas elétricas interessado em avaliar as caracter´ısticas de confiabilidade de seu produto avaliou uma amostra de 39 unidades num laboratório fazendo-as operar de acordo com as condi¸cões de projeto, isto é, suas condi¸cões adequadas de funcionamento.

Na avalia¸cão, o fabricante testou o número de dias até falha das lâmpadas elétricas numa condi¸cão de uso cont´ınuo e obteve os seguintes resultados:

Tabela 2.2: Tempo at´e falha (unidade de tempo: dias)

20,1 115,3 332,6 750,7 20,4 116,9 378,6 771,1 21,5 190,9 417,4 907 32,5 191,8 433,1 952,2 35,3 219,2 522,4 1072,4 56 234,5 560,4 1168,4 63,6 235,7 577 74,1 253,3 581,7 78,1 254,2 662,6 82 256,4 668,9 98,7 267,2 702,7

Após a coleta de dados, o estudo indicou que os tempos até falha das lâmpadas elétricas eram melhor descritos por uma distribui¸cão exponencial.

A distribui¸cão exponencial é muito comum em estudos de confiabilidade de equipamentos eletro-eletrônicos. Sua FDP genérica é dada por:

f (x) =      αe−αx p/ x ≥ 0 0 p/ x < 0 (2.24)

(34)

Para a confiabilidade, sua FDP adota a nota¸c˜ao:

f (t) = λe−λt (2.25)

Desta forma, de acordo com os dados obtidos dos testes:

f (t) = 0, 0027e−0,0027t

A partir dos dados coletados, vamos ver as informa¸c˜oes que s˜ao poss´ıveis de se obter:

Primeiramente, em posse da fun¸cão de densidade de probabilidade f (t), po-demos determinar a fun¸cão confiabilidade R(t) das lâmpadas através da equa¸cão 2.14. R(t) = Z +∞ t f (t)dt = Z +∞ t 0, 0027e−0,0027tdt = −e−0,0027t +∞ t = e −0,0027t

Com a fun¸cão confiabilidade determinada é poss´ıvel obter informa¸cões como, por exemplo, a probabilidade das lâmpadas não falharem nos primeiros 200 dias de opera¸cão. Da seguinte forma:

Para determinar a probabilidade de sucesso do item para os primeiros 200 dias de opera¸c˜ao, precisamos calcular R(t) para t = 200, assim:

R(200) = e−0,0027.200= 0, 58

(35)

F (t) = 1 − R(t) = 1 − 0, 58 = 0, 42

Interpretando esses resultados, tem-se que dentro do per´ıodo dos primeiros 200 dias de opera¸cão cerca de 58% dos itens funcionarão como o esperado e que 42% falharão.

Caso este percentual de itens sobreviventes esteja em acordo com o projetado pelo fabricante, indica que o produto está funcionando como esperado. Caso esteja reduzido, indica que os itens estejam com baixo n´ıvel de confiabilidade, sinalizando a poss´ıvel existência de problemas no projeto ou no processo de produ¸cão.

A taxa de falhas (fun¸cão de risco) que é um ´ındice important´ıssimo para os estudos de confiabilidade também pode ser determinado, sendo assim:

λ(t) = f (t) R(t) =

0, 0027e−0,0027t

e−0,0027t = 0, 0027

A taxa de falhas λ(t) apresentou como resultado um valor numérico constante, ou seja, a taxa de falhas não varia de acordo com o tempo de opera¸cão. Isso indica que as falhas ocorrem de forma aleatória.

Um outro parâmetro que é muito utilizado nos estudos de confiabilidade é o MTTF4_{, que ´}_{e calculado pela f´}_{ormula 2.26:}

M T T F = Z +∞

0

R(t)dt (2.26)

Aplicando-se ao problema em quest˜ao, tem-se que:

4_{MTTF: Sigla que significa, em inglˆ}_{es, Mean Time to Failure, ou, em portuguˆ}_{es, Tempo M´}_edio

Para Falha. O MTTF é principalmente atribu´ıdo a itens que não são pass´ıveis de reparo, já para

(36)

M T T F = Z +∞ 0 R(t)dt = Z +∞ 0 e−0,0027tdt = − 1 0, 0027e −0,0027t +∞ 0 = 1 λ

Desta forma, o MTTF, para um item onde os tempos até falha são descritos por uma distribui¸cão exponencial, é o inverso da taxa de falhas.

Sendo assim, as lˆampadas deste fabricante possuem o seguinte MTTF:

M T T F = 1 λ = 1 0, 0027 ∼ = 370

Isto é, para os itens em questão o tempo médio até que uma falha ocorra é de aproximadamente 370 dias de opera¸cão.

Estes são exemplos de informa¸cões que podem ser obtidas com o uso das fórmulas de confiabilidade apresentadas na se¸cão 2.2 e que são muito úteis e impor-tantes num estudo de confiabilidade quantitativo.

(37)

2.4 A Curva da Banheira

A curva da banheira representa, de uma forma geral, as fases da vida útil de um componente e/ou equipamento. Na figura 2.4 está a representa¸cão da curva da banheira.

Figura 2.4: A Curva da Banheira [1]

Como visto na figura 2.4, a curva da banheira é apresentada com três divisões bem demarcadas, que representam os três per´ıodos de vida caracter´ısticos de um componente: per´ıodo de mortalidade infantil, per´ıodo de vida útil e per´ıodo de desgaste ou fim de vida útil.

O per´ıodo de mortalidade infantil é onde ocorrem as falhas prematuras e tem perfil decrescente com o tempo, isto é, apresenta, com passar do tempo, di-minui¸cão na probabilidade de ocorrência de falhas. Esta diminui¸cão ocorre quando os problemas de projeto, fabrica¸cão, instala¸cão, opera¸cão e manuten¸cão vão sendo gradualmente eliminados, muitas vezes por substitui¸cão por melhores componentes, treinamentos de equipe etc. Alguns exemplos de falhas neste per´ıodo são: pro-cesso de fabrica¸cão deficiente, controle de qualidade ineficiente, falta de qualifica¸cão na opera¸cão e/ou manuten¸cão, excesso de carga, materiais fora de especifica¸cão, erro humano.

(38)

O per´ıodo de vida útil é caracterizado por ter uma taxa de falhas constante, não variando à medida que o componente envelhece dentro deste per´ıodo. Normal-mente essas falhas são causadas por eventos aleatórios e muitas vezes imprevis´ıveis. Alguns exemplos de causas de falha neste per´ıodo são: sobrecargas acidentais, er-ros de opera¸cão e/ou manuten¸cão, fator de seguran¸ca insuficiente, falhas não de-tectáveis pelas técnicas preditivas e os programas de manuten¸cão preventiva, causas inexplicáveis e pontuais e até fenômenos naturais não previstos.

No per´ıodo final, de desgaste ou fim de vida útil, à medida que o equipamento está envelhecendo, há o cont´ınuo crescimento da taxa de falhas, ou seja, a proba-bilidade de ocorrência falhas. São causas deste per´ıodo: desgaste, fadiga, corrosão, manuten¸cão insuficiente ou deficiente, vida de projeto muito curta.

2.5 Falhas

´

E comum que se pense que a melhor maneira de otimizar a disponibilidade de um determinado item ou até mesmo de uma planta industrial é através da ado¸cão de uma rotina sólida de algum tipo de manuten¸cão preventiva, que consiste, geralmente, na substitui¸cão e recondicionamento de itens e/ou equipamentos em intervalos fixos e predeterminados.

Na figura 2.5, tem-se uma ilustra¸cão que exemplifica essas rotinas de ma-nuten¸cão preventiva por substitui¸cão periódica. Considera-se que a maioria dos equipamentos opera de forma confiável durante um determinado per´ıodo de tempo e, após este per´ıodo, tem in´ıcio um per´ıodo de desgaste.

Através de uma adequada análise estat´ıstica de falhas e dos dados obtidos, se é capaz de determinar o tempo de vida dos componentes, de forma que medidas de preven¸cão possam ser adotadas a fim de se evitar as poss´ıveis falhas que viriam a ocorrer devido ao envelhecimento e ao desgaste.

(39)

Figura 2.5: Tempo de vida [1]

Olhando para os dias atuais, análises estat´ısticas mostram que a natureza das falhas tem sofrido consideráveis mudan¸cas de acordo com a evolu¸cão da com-plexidade dos equipamentos. A figura 2.6 representa algumas curvas de falhas que podem ser observados em componentes diversos que estão dispon´ıveis atualmente nos sistemas industriais.

Figura 2.6: Curvas de falha [1]

• Curva de Falha A: a tradicional curva da banheira, descrita na se¸c˜ao 2.4.

(40)

bem acentuada.

• Curva de Falha C: taxa de falhas continuamente crescente e sem zona de desgaste definida.

• Curva de Falha D: baixa taxa de falha no per´ıodo inicial de atividade, ou seja, equipamento novo e/ou rec´em-sa´ıdo da f´abrica, com taxa de falha constante ao longo de toda a sua vida.

• Curva de Falha E: falhas aleat´orias ao longo do tempo de vida do equipamento.

• Curva de Falha F: alta taxa de falha no per´ıodo inicial de atividade e, em seguida, assume um regime constante de falhas.

Hoje, o pensamento de que a confiabilidade está diretamente associada ao tempo de atividade de um dado equipamento caiu por terra, salvo em casos es-pec´ıficos e com modos de falha predominantemente dependentes do tempo. Por-tanto, não há uma rela¸cão direta entre a idade do equipamento e a sua confiabilidade associada. (Lafraia, 2014).

Isto quer dizer que manuten¸cões programadas podem, na realidade, aumentar a taxa de falhas de um item pela introdu¸cão de falhas prematuras que não existiam no sistema. No entanto, isto não se traduz no abandono das rotinas de manuten¸cão.

Para falhas que não apresentem maiores consequências, as manuten¸cões cor-retivas podem ser as mais eficazes. Para falhas que tenham consequências mais graves, são necessários planejamento e gestão para sua preven¸cão e atenua¸cão de seus efeitos. Em outras palavras, um plano de aplica¸cão de técnicas preditivas de manuten¸cão ou de realiza¸cão de manuten¸cão preventiva tradicional.

(41)

2.5.1 Tipos de Falha

2.5.1.1 Falhas Relacionadas `a Idade

Componentes aparentemente iguais podem ter resistência variável às cargas, visto que a resistência à carga diminui com o tempo de maneira diferente mesmo para componentes idênticos.

Pequenas varia¸cões no uso podem levar a grandes diferen¸cas na vida de um equipamento, fazendo com que a previsão das falhas seja extremamente dif´ıcil. Os gráficos das curvas de falha A e B (Figura 2.6) ilustram o comportamento da taxa de falhas de componentes que apresentam falhas relacionadas à idade.

2.5.1.2 Falhas Aleat´orias

Componentes Simples

Contrariamente às falhas relacionadas à idade dos equipamentos, nas falhas aleatórias, tem-se que:

• A degrada¸cão nem sempre é proporcional à tensão aplicada.

• A tens˜ao nem sempre ´e aplicada consistentemente.

(42)

Figura 2.7: Falhas aleat´orias [1]

A figura 2.7-A, mostra uma situa¸cão em que a resistência é constante e a falha ocorre devido a um súbito aumento da tensão aplicada. Por exemplo, uma placa de vidro caindo de uma altura de aproximadamente 3m, tornando-a totalmente inutilizável.

Sobre causas, efeitos e preven¸c˜oes dessas falhas, Lafraia (2014) [1] diz o se-guinte:

“[...] a ‘preven¸c˜ao’ deste tipo de falha ´e feita tentando-se limitar

o aumento anormal das tensões. A instala¸cão de válvulas de

se-guran¸ca era uma tentativa de preven¸c˜ao dessa natureza. Muitas

eleva¸cões de tensão são causadas por erros humanos de operadores

de equipamentos (por exemplo, partido uma m´aquina muito

rapi-damente, acidentalmente invertendo a dire¸c˜ao de um mecanismo

de movimento, colocando carga muito rapidamente em um equi-pamento de processo etc.). Nestes casos de erro humano, para

evitar a eleva¸cão da carga, o melhor método de preven¸cão é o

treinamento. Outras cargas podem ser causadas por fatores

ex-ternos, como relˆampagos, terremotos, inunda¸c˜oes etc. Para estas

situa¸cões, é prática usual de projetar os componentes para

su-portar estas condi¸c˜oes extremas. Se isso inviabilizar o projeto,

medidas para redu¸c˜ao dos riscos podem ser indicadas”.

(43)

resistência do item, entretanto, sem lhe causar uma falha. Por exemplo, ao cair com o carro num buraco na estrada, formou-se uma rachadura na estrutura da roda dianteira direita diminuindo sua resistência, mas não causando perda de sua fun¸cão. Conforme Lafraia (2014) [1], a reduzida resistência torna o componente vulnerável ao outro pico de carga, por qualquer razão.

Observando a figura 2.7-C, a ocorrência de um pico de carga reduz tempo-rariamente a resistência do componente que, logo depois, retorna a sua condi¸cão inicial de resistência. Por exemplo, objetos de materiais plásticos que se tornam mais flex´ıveis e amolecem com o aumento de temperatura e retomam sua resistência quando resfriados.

Por fim, na figura 2.7-D, ´e mostrado o caso em que o pico de carga faz o processo de desgaste do item se acelerar, assim, reduzindo o seu tempo de vida.

Para Lafraia (2014) [1]:

“Quando isso ocorre, a rela¸c˜ao causa-efeito pode dificilmente ser

determinada, porque a falha pode ocorrer meses, ou mesmo anos,

ap´os o pico ter ocorrido. Este caso, geralmente, ocorre quando

parte de equipamentos s˜ao verificados na montagem (por

exem-plo, a montagem de um rolamento com desalinhamento). Para garantir a confiabilidade, nesses casos, preciso assegurar que a

manuten¸c˜ao ou instala¸c˜ao sejam executadas de maneira correta,

por pessoas treinadas e capacitadas”.

Nas quatro situa¸cões expostas, não é poss´ıvel determinar quando as falhas irão ocorrer, por este motivo, estas são denominadas falhas aleatórias. Voltando à figura 2.6, os gráficos C, D, E e F expõe o comportamento da taxa de falhas de itens que apresentam falhas aleatórias.

(44)

Componentes Complexos

As situa¸cões dadas na se¸cão anterior são aplicáveis para componentes razoa-velmente simples. Ao se considerar componentes complexos, a situa¸cão se apresenta ainda mais imprevis´ıvel.

O aumento da complexidade é realizado na inten¸cão de incrementar o de-sempenho e/ou a seguran¸ca através de: aplica¸cão de novas tecnologias, melhores equipamentos de prote¸cão, inser¸cão de redundâncias etc. Isto se traduz na seguinte rela¸cão: melhores desempenho e seguran¸ca são resultado de maiores custos e com-plexidade, e se aplica para equipamentos e para a maioria das atividades industriais.

Sobre o aumento da complexidade e suas implica¸c˜oes, Lafraia (2014) [1] diz que:

“Aumento do n´umero de componentes que podem falhar e,

também, do número de interfaces e conexões entre componentes.

Isso, por sua vez, aumenta o n´umero e variedade das poss´ıveis

falhas. Por exemplo, muitas falhas mecˆanicas est˜ao relacionadas

com soldas e parafusos, enquanto falhas el´etricas envolvem

co-nexões entre componentes. Quanto maior o número de conexões,

maior a probabilidade de falha”.

Isto mostra que componentes complexos estão amplamente mais sujeitos a falhas aleatórias que os componentes simples, portanto, o per´ıodo de desgaste, geral-mente, não se aplica nesses casos. Dessa forma, substitui¸cões e recondicionamentos programados, isto é, ter apenas uma rotina manuten¸cão preventiva, a fim de evitar falhas, podem ter pouca ou nenhuma efetividade.

(45)

2.6 Manuten¸

c˜

ao

Historicamente, as atividades de manuten¸cão eram vistas como um ‘mal ne-cessário’ pelo corpo produtivo do setor industrial (Tavares, 1999). Porém, mais recentemente, tendo in´ıcio nos anos 1980, esta postura frente às atividades de ma-nuten¸cão tem sido alterada, sendo considerada uma fun¸cão estratégica para a cadeia produtiva nos mais diversos setores da indústria.

Essa mudan¸ca no comportamento e visão do setor industrial se deu pela necessidade de se ter maior preocupa¸cão com a qualidade, produtividade e confi-abilidade dos sistemas produtivos, enfatizando-se gradativamente mais os assuntos relacionados à seguran¸ca, envelhecimento dos equipamentos e instala¸cões, redu¸cão de custos, redu¸cão no tempo de parada de equipamentos etc.

Nesta se¸cão, serão abordados conteúdos básicos e fundamentais sobre as práticas de manuten¸cão trazendo à discussão os conceitos de manuten¸cão em si e seus tipos, corretiva e preventiva.

2.6.1 O Conceito de Manuten¸

c˜

ao

Segundo Dicionário Aurélio da L´ıngua Portuguesa [8], manuten¸cão é definida como ”as medidas necessárias para a conserva¸cão ou a permanência de alguma coisa ou de uma situa¸cão ou cuidados técnicos indispensáveis ao funcionamento regular e permanente de motores e máquinas”.

Para a norma NBR 5462:1994 [4], manuten¸cão é definida como a “combina¸cão de todas as a¸cões técnicas e administrativas, incluindo as de supervisão, destinadas a manter ou recolocar um item em um estado no qual possa desempenhar uma fun¸cão requerida”. De acordo com a NBR 5462:1994 [4], a manuten¸cão pode incluir uma modifica¸cão do item.

(46)

Segundo Dhillon (1982) [7], apud Raposo (2005) [9], manuten¸cão é o conjunto de a¸cões que devem ocorrer a fim de reparar um equipamento que tenha falhado, para uma condi¸cão operacional satisfatória.

Para Tavares (1999) [10] manuten¸cão são todas as a¸cões necessárias para que um item seja conservado ou restaurado de modo a poder permanecer de acordo com uma condi¸cão especificada.

Desta forma, manuten¸cão é o ato ou efeito de manter que, por sua vez, está relacionado às a¸cões que são necessárias para garantir que um equipamento continue desempenhando as fun¸cões para as quais foi projetado. Isto é, a manuten¸cão tem como objetivo manter a fun¸cão requerida de um item, sendo este, feito através de a¸cões regulares que busquem este fim.

2.6.1.1 A Vis˜ao Distorcida da Manuten¸c˜ao

Como dito na se¸cão 2.6, as atividades de manuten¸cão eram vistas como um ‘mal necessário’ pelo corpo produtivo do setor industrial e esta visão tem sido alte-rada com o passar dos anos.

Apesar disso, mesmo nas corpora¸cões modernas, nem sempre a atividade de manuten¸cão é vista com a devida importância, apresentando deficiências no enten-dimento de seu conceito e utiliza¸cão.

Xenos (2014) [11] escreveu que:

“[...], ainda h´a muitas ideias incorretas e formas de pensar

ultra-passadas sobre a essˆencia das atividades de manuten¸c˜ao e sobre

o seu gerenciamento. [...]. Parece que essas deficiˆencias de

enten-dimento – que encontramos tamb´em nos profissionais de

manu-ten¸cão – são em grande parte responsáveis pelos problemas de

re-lacionamento t˜ao comuns entre os departamentos de manuten¸c˜ao

e de produ¸c˜ao e pela forma como as atividades de manuten¸c˜ao

ainda s˜ao vistas em muitas empresas: uma dor de cabe¸ca sem

(47)

´

E comum e constante o uso da expressão ‘em manuten¸cão’ no que se refere a uma atividade de reparo de um equipamento que apresentou quebra e apresenta recorrência em defeitos e/ou falhas. Isso pode evidenciar um não-entendimento do conceito das atividades de manuten¸cão. Para Xenos (2014) [11] a não ser que a¸cões concretas estejam sendo tomadas de forma sistemática para evitar os defeitos e falhas, o reparo dos equipamentos depois que as ocorrências anormais surgem não pode ser entendido como manuten¸cão.

Desta forma, reitera-se o conceito de que as atividades de manuten¸cão estão associadas exclusivamente a se fazer um equipamento manter as suas condi¸cões ori-ginais através de a¸cões sistêmicas que visam evitar a recorrência de defeitos e falhas, manter a confiabilidade intr´ınseca do item, n´ıveis de seguran¸ca etc., assim, por con-sequência, esquivando-se do não atendimento a sua fun¸cão requerida originalmente.

2.6.2 Os Tipos de Manuten¸

c˜

ao

A manuten¸cão é classificada de diversas formas, sendo as principais as manu-ten¸cões corretiva e preventiva. há também o uso de expressão citando as manuten¸cões preditiva. As Se¸cões 2.6.2.1 a 2.6.2.3 estão destinadas a detalhar o conceito destas classifica¸cões da manuten¸cão.

2.6.2.1 Manuten¸c˜ao Corretiva

Esse tipo de manuten¸cão caracteriza-se pela sua execu¸cão, que se dá após a ocorrência de um defeito ou falha; envolvendo reparos, substitui¸cão de pe¸cas ou de um equipamento completo, ou até mesmo a modifica¸cão de projeto e fabrica¸cão.

De acordo com a NBR 5462:1994 [4], manuten¸cão corretiva é aquela “efetuada após a ocorrência de uma pane destinada a recolocar um item em condi¸cões de executar uma fun¸cão requerida”.

(48)

Uma das filosofias da manuten¸cão5 corretiva, de acordo com Nemésio Sousa (2017) [3], se pauta em “operar até surgir uma falha que interrompa o equipamento, ou ocorrer um defeito que provoque a perda, parcial ou total, da sua fun¸cão opera-cional e que justifique a interven¸cão”.

Desta forma, a frequência da manuten¸cão corretiva é determinada através da confiabilidade associada ao equipamento e não há possibilidade de ser totalmente planejada, ocorrendo normalmente de forma imprevista e indesejada.

Adotar a manuten¸cão corretiva como o método principal para se manter um determinado sistema tem seus prós e contras. Do ponto de vista da manuten¸cão, a corretiva pode até ser economicamente menos dispendiosa em rela¸cão à preven¸cão de falhas nos equipamentos, mas, em compensa¸cão, como não se pode prever os mo-mentos de ocorrência das falhas do sistema, existe a possibilidade de haver paradas de produ¸cão inesperadas, causando, assim, maiores preju´ızos.

2.6.2.2 Manuten¸c˜ao Preventiva

Nemésio Sousa (2017) [3], mostra que, dentre os desafios da manuten¸cão moderna na gestão de equipamento e sistemas, destacam-se: minimizar a sua Indis-ponibilidade (INDI)6_{, manter alta a Disponibilidade (DISP)}7 _{e a Confiabilidade}

(CONF)8_{, baixar as Taxas de Falhas Observadas (TXFO)}9_{, aumentar o Tempo}

5_{Filosofia da manuten¸}_c˜_{ao: A NBR 5462:1994 [4] define que filosofia da manuten¸}_c˜_{ao ´}_{e um}

conjunto de princ´ıpios para a organiza¸cão e execu¸cão da manuten¸cão.

6_{INDI: Probabilidade que um item n˜}_{ao esteja dispon´ıvel para produzir}

7_{DISP: Probabilidade que um item possa estar dispon´ıvel para utiliza¸}_c˜_{ao (oper´}_{avel e confi´}_avel)

em um determinado momento ou durante um determinado per´ıodo de tempo, quando for solicitado

de forma aleat´oria

8_{CONF: Probabilidade de um item de desempenhar uma fun¸}_c˜_{ao requerida, sob condi¸}_c˜_oes

estabelecidas

(49)

Médio Entre Falhas (TMEF)10, diminuir o Tempo Médio Para Reparo (TMPR)11, reduzir custos e, para as empresas de energia elétrica, por exemplo, eliminar as fontes de multas por interrup¸cão do fornecimento.

A manuten¸cão preventiva tem como objetivo principal a conserva¸cão do es-tado de opera¸cão e disponibilidade de um equipamento ou sistema, por meio da pre-ven¸cão da ocorrência de defeitos ou falhas. Sua atividade está baseada em tarefas sistemáticas, como inspe¸cões, reformas, servi¸cos de limpeza, lubrifica¸cão, calibra¸cão etc. e, principalmente, trocas de pe¸cas. Vale ressaltar que é fundamental a presen¸ca de técnicas de deteçcão, preven¸cão e corre¸cão de defeitos e falhas em estágios iniciais na implementa¸cão de um ecossistema preventivo.

Segundo Nemésio Sousa (2017) [3], “manuten¸cão preventiva é o conjunto das a¸cões desenvolvidas sobre um equipamento ou um sistema, com programa¸cão an-tecipada, dentro de uma periodicidade adequada, através de inspe¸cão sistemática, deteçcão e de medidas necessárias para evitar defeitos e falhas, com objetivo de mantê-lo operando, ou em condi¸cões de operar, dentro das conformidades, isto é, especifica¸cões. Pode ser organizada com base no tempo de opera¸cão, tempo ca-lendário, condi¸cões f´ısicas do equipamento, quando estas podem ser monitoradas etc.”

De acordo com a NBR 5462:1994 [4], manuten¸cão preventiva é aquela que é “efetuada em intervalos predeterminados, ou de acordo com critérios prescritos, destinada a reduzir a probabilidade de falha ou a degrada¸cão do funcionamento de um item”.

De forma semelhante à manuten¸cão corretiva, a manuten¸cão preventiva também apresenta seus prós e contras. Se comparada à manuten¸cão corretiva, a manuten¸cão

10_{TMEF: Para um per´ıodo estabelecido de tempo, ´}_{e o valor m´}_{edio do espa¸}_{co de tempo entre}

falhas consecutivas

11_{TMPR: Para um per´ıodo estabelecido de tempo, ´}_{e o valor m´}_{edio do tempo necess´}_{ario para}

(50)

preventiva tem custo mais elevado, pois para sua execu¸cão é necessária a dispo-nibilidade de pe¸cas de reposi¸cão, reparos de componentes antes de atingirem seu tempo de vida etc. Em compensa¸cão, a frequência de falhas diminui, aumentam-se as disponibilidades e confiabilidade dos equipamentos e reduzem-aumentam-se as paradas inesperadas na produ¸cão.

Considerando uma visão geral sobre os dois tipos de manuten¸cão já aborda-dos, Xenos (2014) [11] diz:

“[...], se considerarmos o custo total, em v´arias situa¸c˜oes a

ma-nuten¸c˜ao preventiva acaba sendo mais barata que a manuten¸c˜ao

corretiva, porque se tem dom´ınio das paradas dos equipamentos,

em vez de ficar sujeito `as paradas inesperadas por falhas nos

equi-pamentos”.

2.6.2.3 bManuten¸c˜ao Preditiva

Na se¸cão 2.6.2.2 foi mencionado que o custo da manuten¸cão preventiva é, normalmente, mais elevado em rela¸cão à manuten¸cão corretiva, isso quando se leva em considera¸cão apenas o custo da atividade de manuten¸cão em si, visto que pe¸cas e componentes são substitu´ıdos e reformados antes de alcan¸carem seu tempo de vida ´

util.

Aperfei¸coar as técnicas de deteçcão e acompanhamento do desgaste de uma ou mais pe¸cas (ou componentes), visando determinar o exato momento de intervir para troca ou reparo. Observar o equipamento para pará-lo no momento certo; mi-nimizar as interven¸cões; elaborar planos de troca e reforma de pe¸cas e componentes; estender os intervalos de manuten¸cão; aumentar a disponibilidade; reduzir custos e determinar parâmetros preventivos adequados e pertinentes.

´

E nesse cenário, que permite prever quando um determinado item estará se aproximando do fim de sua vida útil, que a ‘manuten¸cão preditiva’ tem seu campo

(51)

de atua¸c˜ao.

Em outras palavras, a ‘manuten¸cão preditiva’ é um meio de otimiza¸cão da manuten¸cão preventiva. Devido a este perfil, a expressão ‘técnicas preditivas de manuten¸cão’ é a certa a ser utilizada, em detrimento ao termo ‘manuten¸cão predi-tiva’. Isso se dá justamente porque sua vertente de atua¸cão está inserida no contexto da obten¸cão de parâmetros adequados para realizar a manuten¸cão preventiva. Pode ser considerada como uma das atividades necessárias para o estabelecimento de uma sólida gestão da manuten¸cão.

As defini¸cões de ‘manuten¸cão preditiva’, segundo Mirshawka (1991) [12], estão associadas a duas ‘filosofias’: manuten¸cão condicional, que são as ativida-des de “manuten¸cão preventiva, subordinadas a acontecimentos pré-determinados revelador do estado de degrada¸cão do material - acompanhamento da especifica¸cão - filosofia europeia”; e ‘manuten¸cão preditiva’ (previsiva), que é o “tipo de manuten¸cão condicional que permite reajustar as previsões de manuten¸cão através da análise da tendência evolutiva do funcionamento não adequado detectado no equipamento e da estimativa do tempo poss´ıvel de continuar a utilizá-lo antes da falha - filosofia americana”. Essa estimativa ocorre a partir da análise periódica do estado do equipamento pelas técnicas preditivas de manuten¸cão.

Portanto a ‘manuten¸cão preditiva’ é efetuada em fun¸cão do estado do material e reveste-se totalmente de caracter´ısticas preventiva - intervir no equipamento antes que a falha ocorra e provoque uma avaria. Pode ser organizada com base no tempo de opera¸cão, tempo calendário, condi¸cões f´ısicas do equipamento etc. As técnicas preditivas de manuten¸cão também estão associadas à gestão da preven¸cão de falhas, isto é, são atividades que visam entender a falha e buscar solu¸cões para as suas causas básicas. Implicam em solu¸cões de engenharia para corre¸cão de projetos, materiais, métodos de manuten¸cão e/ou opera¸cão etc.

(52)

possibilidade de se ter o máximo proveito da vida útil de componentes, programando-se a substitui¸cão e reparo somente das pe¸cas comprometidas do equipamento ou sistema. Por outro lado, para sua aplica¸cão se faz necessário o acompanhamento rotineiro de itens, uso de recursos computacionais com instrumentos espec´ıficos e profissionais especializados, acarretando o aumento nos custos.

A Tabela 2.3 mostra os principais tipos de manuten¸c˜ao.

Tabela 2.3: Principais Tipos de Manuten¸c˜ao [3]

2.6.2.4 Vis˜ao Estrat´egica

Ao se levar em considera¸cão a distribui¸cão do tempo para falha dos itens que estão sob manuten¸cão e o comportamento da taxa de falhas do sistema, a eficácia e economia das atividades de manuten¸cão podem ser maximizadas, como mostrado nesse item.

Se o item apresenta como caracter´ıstica uma taxa de falhas decrescente com o tempo, ao se fazer uma substitui¸c˜ao, a probabilidade de falha ser´a aumentada, conforme pode ser visto na figura 2.8.

(53)

Figura 2.8: Substitui¸c˜ao em taxa de falhas decrescente [1]

Para uma taxa de falhas constate no tempo, a substitui¸cão não influenciará a taxa de falhas, considerando uma substitui¸cão bem executada e com caracter´ısticas que se enquadram nas especifica¸cões necessárias. A figura 2.9 ilustra essa situa¸cão.

Figura 2.9: Substitui¸c˜ao em taxa de falhas constante [1]

Já, se a taxa de falhas tiver comportamento de crescimento ao longo do tempo, a substitui¸cão, poderá, teoricamente, melhorar a confiabilidade do sistema, mesmo que executada a qualquer tempo (ver figura 2.10).

(54)

Figura 2.10: Substitui¸c˜ao em taxa de falhas crescente [1]

Segundo Lafraia (2014) [1] esse processo de otimiza¸cão das substitui¸cões em a¸cões de manuten¸cão preventiva deve ser pautado no conhecimento de parâmetros bem definidos, estes são:

1. Tempo para falha dos principais modos de falha;

2. Efeitos de todos os modos de falha;

3. Custo da falha;

4. Custo da substitui¸c˜ao programada;

5. Efeito da manuten¸c˜ao sobre a confiabilidade;

Para os casos onde os defeitos ou falhas necessitam de ensaios, testes ou inspe¸cões para sua deteçcão, há de se considerar ainda:

1. Taxa de propaga¸c˜ao de defeitos capaz de causas a falha;

(55)

´

E importante também se conhecer a curva de desgaste do equipamento a fim de se determinar o tempo ótimo para as a¸cões de manuten¸cão, caso contrário pode haver as implica¸cões ilustradas na figura 2.11.

Figura 2.11: Tempo ´otimo de substitui¸c˜oes [1]

Utilizando-se do entendimento e da visão estratégica que se pode obter das figuras 2.8, 2.9 e 2.10 para fazer a análise da figura 2.11, tem-se que, se a manu-ten¸cão preventiva for executada no intervalo [t1, t0], vai ocorrer o aumento da taxa

de falhas. Pode-se concluir que a a¸cão foi prematura, ou seja, foi executada antes que houvesse real necessidade de interven¸cão. Já para o tempo [t2, t3], a taxa de

falhas já se encontrava muito elevada, indicando que a manuten¸cão preventiva se deu tardiamente. Por fim, tem-se o intervalo [t0, t2], que é considerado ideal para a

execu¸cão da manuten¸cão preventiva, uma vez que não se observa o aumento da taxa de falhas, e ela ainda não se encontra com grande eleva¸cão.

Lafraia (2014) [1] diz que este enfoque sistemático para o planejamento da manuten¸cão - levando-se em conta aspectos de confiabilidade - é denominado Manu-ten¸cão Centrada em Confiabilidade (MCC). Este tema será abordado para melhor detalhamento na se¸cão 2.7.

(56)

2.7 Manuten¸

c˜

ao Centrada em Confiabilidade - MCC

Nos últimos 30 anos, a gestão da manuten¸cão tem sofrido muitas mudan¸cas. Estas mudan¸cas têm sido causadas pelo grande aumento na variedade de equipa-mentos, plantas e empreendiequipa-mentos, com designs mais complexos e que necessitam da aplica¸cão de novas técnicas para seu gerenciamento, bem como mudan¸cas de pensamento no planejamento, programa¸cão e controle da manuten¸cão.

´

E nesse cenário de enfrentamento de tantas mudan¸cas no ramo da manu-ten¸cão que a MCC faz sua atua¸cão, transformando o relacionamento entre as em-presas, os equipamentos, os operadores e mantenedores.

Nessa se¸cão será apresentada a filosofia por de trás da MCC. Inicialmente, será feita uma rápida retomada histórica sobre o desenvolvimento da manuten¸cão a fim de tornar clara a sua evolu¸cão e as diferen¸cas entre o passado e o presente. A seguir, serão discutidos, brevemente, os passos necessários para a implanta¸cão da MCC.

2.7.1 As Gera¸

c˜

oes da Manuten¸

c˜

ao

Com o propósito de definir solidamente a Manuten¸cão Centrada em Confia-bilidade é necessário, antes, saber em qual cenário ela está inserida a fim de facilitar a fixa¸cão de seu conceito.

Moubray (1997) [13] diz que:

“Desde a década de 1930, a evolu¸cão da manuten¸cão pode ser

tra¸cada através de três gera¸cões. A Manuten¸cão Centrada em

Confiabilidade est´a rapidamente se tornando o pilar da Terceira

Gera¸c˜ao, mas essa gera¸c˜ao pode apenas ser enxergada em