Monitoramento das condições de fluidos hidráulicos e lubrificantes é importante, já que esses óleos servem para a transmissão de potência, lubrificação, dissipação de calor e proteção contra corrosão

por Helmut Zschieschang

Quer em máquinas ferramentas ou em escavadeiras, na energia eólica ou em empilhadeiras, construtores de máquinas e de instalações mudam de meros fabricantes de produtos para serem fornecedores de disponibilidades, fixadas em contrato, custos operacionais e de peças definidos. Quer seja na base de Leasing ou também através de contratos de assistência técnica plena, para o fabricante de máquinas, as vantagens sobre o concorrente e comprometimento perante seus clientes são a crescente conseqüência, não só através de vantajosos preços de venda primários. A consideração e a redução de custos do "ciclo de vida útil", ou seja, os custos que incidem sobre o completo ciclo de vida de uma máquina ou de uma instalação, deslocam-se para a posição central nas considerações dos construtores e seu desenvolvimento.

O dimensionamento de componentes e sistemas deve considerar as alterações anteriormente citadas. Metas como maior disponibilidade das instalações, intervalos de manutenção planejáveis e conservação orientada no estado exigem por outro lado um sistema de sensores de monitoramento econômicos e robustos que monitora e registra o estado das máquinas on-line. Um papel decisivo em tais sistemas de monitoramento de condições é atribuído ao monitoramento de fluidos hidráulicos e lubrificantes. Estes óleos servem sobretudo para a transmissão de potência, lubrificação, dissipação de calor e proteção contra corrosão. Atrito, desgaste, fugas internas e temperaturas excessivas deixam nos fluidos resíduos em formas de partículas sólidas e água. Além disso, os próprios fluidos também estão sujeitos a processos de envelhecimento que igualmente resultam em corrosão e falhas. O estado do óleo é de certo modo a impressão digital do estado de uma instalação como um todo. Portanto, a determinação econômica e robusta de contaminação por partículas, teor de água e estado do óleo, atualmente possível, demonstra ser um processo eficiente para o monitoramento em instalações hidráulicas e técnicas de lubrificação.

Com isto, danos em estado inicial, por exemplo, em mancais deslizantes e de rolamento, ou em componentes hidráulicos podem ser detectados, e trabalhos de manutenção em função do estado executados a tempo. As figuras 1 e 2 reúnem as exigências dos fabricantes de máquinas e soluções de sensores executadas para o monitoramento do estado do fluido.

Medição de classes de pureza / Contagem de partículas
Porque medir partículas?
Contaminação por partículas é a causa principal de avarias em sistemas hidráulicos e de lubrificação.

Desta maneira, a medição on-line de classes de pureza e a contagem de partículas são atribuídos a um papel decisivo no reconhecimento de desgastes e diagnóstico precoce de danos.

Uma vantagem decisiva, por exemplo, em relação a uma retirada de amostra, é a captação contínua da contaminação. Observa-se não só uma tomada momentânea casual, porém justamente um desenvolvimento por um período mais prolongado do estado do óleo (fig. 3). Também no monitoramento de transmissões, o emprego de sensores de partículas é útil. Micropittings e manchas cinzentas podem ser descobertas precocemente, freqüentemente meses antes de uma parada de produção. Assim, investigações para a análise de danos em mancais mostram muitas vezes um aumento do número de partículas, por exemplo através de análise de oscilação, ainda antes que um dano possa ser diagnosticado.

Como estes aparelhos trabalham?
Nos sistemas de medição Hydac on-line, a determinação do número de partículas e o tamanho efetuam-se mediante detectores óticos. Neste caso, conforme a necessidade, a montagem pode ser efetuada na linha de pressão ou também na linha de retorno. Intensidade e duração do sombreamento da luz, causado por uma partícula que a atravessa, em conjunto com o conhecimento da velocidade do fluxo, permitem a determinação da classe de pureza (fig. 4).

A vantagem destes aparelhos de medição é sua grande faixa de medição, a precisão de medição, a capacidade de autodiagnóstico e a repetitividade para padrões de calibração reconhecidos (ISO 11943 para medições on-line). Além disso, deve-se destacar sua insensibilidade com relação ao turvamento do fluido causado por contaminação; este turvamento é compensado mediante reajustes da intensidade de luz no compensador de contaminação.

Em concordância com a ISO 4406 (1999), a avaliação do estado é efetuada através da determinação do número de partículas em três diferentes classes de tamanho (> 4 µm(c), > 6 µm(c), > 14 µm(c)). Conforme a ISO 4406 (1999), neste caso um aumento ou uma diminuição do valor numérico em 1, corresponde na duplicação respectivamente na divisão pela metade do número de partículas.

Desenvolvimento tecnológico dos aparelhos
Há aproximadamente 10 anos surgiram no mercado, pela primeira vez, contadores de partículas robustos e portáteis, concebidos para o emprego na assistência conforme o princípio descrito acima. A FCU (Fluid Control Unit), unidade de controle de fluido, equipada com impressora e aparelho indicador em seu modelo FCU 2000 aprimorado, continua sendo um aparelho necessário na assistência técnica, prestando auxílio na medição in loco. Estes aparelhos são conectados aos sistemas hidráulicos (até 450 bar), através de ligações Minimess, e documentam o estado do óleo através de LED‘s, impressora e interfaces para processador PC. Com o sensor de contaminação CS 2000, foi apresentado há 4 anos um aparelho para instalação estacionária em bancadas de teste, instalações de enchimento ou de grande porte (fig. 5). Instalado fixo, com diversas saídas analógicas, comutadoras e para processador PC, desgastes em sistemas podem ser observados de forma contínua.

O Sensor de Contaminação CS 1000, um desenvolvimento inteiramente novo e que foi apresentado na exposição de Hannover em 2005 (fig. 6), estabelece novos padrões. Num espaço de montagem novamente diminuído em mais da metade, coloca-se à disposição um sensor de custos otimizados, próprio para a montagem fixa em praticamente todos os sistemas hidráulicos e lubrificantes.

Características, como o tipo de proteção IP 69K, insensibilidade a vibrações, compensação "Load Dump" e elevada compatibilidade EMV, fazem o CS 1000 ser apropriado também para aplicação na área móbil. O aparelho é disponível com ou sem display digital e dispõe novamente de diversas interfaces analógicas e comutadoras para fora. A resistência à pressão do sensor situa-se em 450 bar. Um outro recurso é a integração da medição de temperatura do óleo. O Sensor de contaminação CS 1000 é o aparelho medidor de partículas mais moderno no mercado, abrindo para a medição de contaminação on-line campos de aplicação totalmente novos.

Medição do teor de água em fluidos
Na prática, água é com certeza um dos maiores inimigos de fluidos de óleos lubrificantes.
Também em fluidos hidráulicos biodegradáveis na área móbil, a água como agente formador de ácidos é extremamente perigosa. Há diversos sensores atualmente disponíveis para a detecção de água, onde a fig. 7 mostra um sensor para a medição de umidade relativa (AS 1000).

Em óleos hidráulicos e lubrificantes, a água se apresenta em três formas:
• Água dissolvida, como parte de água não visível;
• Água emulsionada, visível como gotículas de água finamente distribuídas no óleo;
• Água livre, visível como fase distinta e separada do óleo.

A determinação de água dissolvida é efetuada mediante sensores de umidade. A base é um elemento medidor capacitivo com uma camada sensitiva à umidade. Se a umidade no ambiente sobe, a camada absorve umidade, quando ela cai, então a camada a devolve. Mede-se a alteração da capacidade do sensor ligada a este processo. O valor da medição é indicado independente do óleo como grau de saturação percentual do fluido.

Neste caso, 0% de saturação corresponde a óleo totalmente livre de água e saturação 100% ao ponto de mudança para a emulsão.

Também aqui temos o desenvolvimento tecnológico para a miniaturização. O AS 2000, desenvolvido há aproximadamente 3 anos, é um aparelho com um display indicador confortável e teclas operadoras com guia de menu. O aparelho é apropriado especialmente para a montagem fixa em instalações já existentes.

Um novo desenvolvimento neste campo é o AquaSensor AS 1000, apresentado na exposição de Hannover em 2005. Este sensor foi concebido para aplicação OEM em máquinas e instalações novas. Reduzido ao tamanho de um sensor de pressão, com ele ficou possível a determinação contínua e econômica de umidade.

O AS 1000 e o AS 2000 são montados em tubulações de óleo hidráulico e lubrificante de até 50 bar. Condição prévia é somente fluxo volumétrico passando através do sensor. Além da umidade, os dois sensores medem também a temperatura do fluido.
Com métodos de medição capacitivos a água livre e emulsionada no óleo pode ser determinada on-line com suficiente precisão. Tais sensores medem o teor de água volumétrico no óleo. Para a medição de água livre o AS 8000 recém desenvolvido é montado, na maioria, em linhas de retorno de instalações já existentes.

A Fig. 8 mostra a integração da técnica de medição de água e partículas, instalada fixa, no exemplo de unidade hidráulica de uma prensa de repuxo.

Sensor de estado do óleo HYDACLab®
Uma novidade mundial, por ocasião da exposição de Hannover, é o HYDACLab®, o sensor de estado do óleo para medir a viscosidade, o número dielétrico, a umidade e a temperatura (Fig. 9). Um envelhecimento de óleo pode ser caracterizado através da alteração da viscosidade e número de acidez. O índice de acidez e a dieletricidade do óleo comportam-se de maneira análoga.

O HYDACLab® capta o estado e o envelhecimento de óleos através da integração de sinais de 4 sensores numa só carcaça, não maior que um sensor de pressão de alta precisão. O envelhecimento do óleo é um processo químico complexo, no qual o fluido básico, sob a influência de temperatura e oxigênio, oxida numa reação em cadeia. Partículas metálicas e água atuam de forma catalítica acelerando os processos de envelhecimento.

No decorrer do envelhecimento do óleo formam-se, além de ácidos carbônicos, também produtos de alta molecularidade como vernizes, resinas e decantação de lodos. Os ácidos carbônicos, através de ataques químicos, conduzem à corrosão. Os produtos de alta molecularidade causam prejuízos ao funcionamento através de colagem e bloqueios. HYDACLab® é um sensor múltiplo para o monitoramento destes parâmetros críticos. O envelhecimento pode acarretar uma vida útil extremamente reduzida de filtros, mas também pode causar entupimentos de giclês e canais de lubrificação com os danos catastróficos (fig. 10).

Com o HYDACLab® tais processos podem ser detectados e evitados a tempo. Após um aprendizado inicial dos parâmetros do óleo novo, o HYDACLab® mostra a alteração da viscosidade e do número de dieletricidade. Além disso, a umidade e a temperatura do óleo também são monitorados. As grandezas de medição estão à disposição do usuário, como valores de medição analógicos, ou podem ativar saídas comutadoras através de valores limite. Além do monitoramento de processos de envelhecimento, o sensor é apropriado para a detecção de misturas. Na penetração de fluidos de processo ou na hora de completar o nível, usando-se outros fluidos têm geralmente uma viscosidade diferente ou outro número dielétrico do que o fluido básico e podem ser assim nitidamente distinguidos.

Indicadores de sujeira como ferramenta de monitoração de condições: DirtController GW
Também nos indicadores de sujeira o desenvolvimento não pára. Se até agora se utilizou, em sua maioria, de indicadores visuais simples ou pressostatos eletromecânicos, atualmente o grau de saturação de um filtro pode ser medido continuamente com indicadores eletrônicos. Aqui o mais recente produto da HYDAC é o "DirtController GW", igualmente apresentado na exposição de Hannover em 2005. O sensor mede e processa 2 sinais.

A pressão do sistema, respectivamente de entrada, assim como a pressão diferencial sobre o filtro, são captadas através de sensores de pressão eletrônicos integrados na carcaça. Através de saídas analógicas e comutadoras podem ser estabelecidos valores limite, podendo ser controlada também, por exemplo, a pressão de abertura da válvula bypass.

Especialmente atrativo: O sensor também percebe se um elemento filtrante está realmente montado no filtro ou não.

O "DirtController GW" é com isto um sensor de monitoramento de condições para monitorar filtros e sistemas, podendo assim fornecer informações valiosas sobre alterações por um tempo mais prolongado de todo o sistema (fig. 11).

Preparação de dados / Controlador de Condições
Os novos desenvolvimentos para o monitoramento de contaminação da pureza do óleo, de água em óleo, do estado do óleo e o envelhecimento, assim como do estado do filtro, formam a base de um moderno monitoramento das condições de óleos hidráulicos e lubrificantes. Em combinação com outros sensores, por exemplo, para pressão, nível e temperatura, é possível realizar um completo monitoramento do estado de uma instalação. Naturalmente estes dados assim obtidos precisam ser convenientemente preparados para que depois possam ser processados. A Fig. 12 mostra estrutura fundamental de tal processamento de dados.

Diferentes interfaces de comunicação, visualização através da Internet e ligações de modem permitem monitoramento e diagnósticos a distância. Através de respectivas ferramentas de Software (por exemplo CoCos), dados podem ser visualizados e armazenados em arquivos. Componentes de uma estratégia sistemática de avaliação e análise de equipamentos hidráulicos são, naturalmente, também aparelhos de medição eletrônicos móveis para o monitoramento de instalações hidráulicas.

Por ocasião da exposição de Hannover, a HYDAC lança no mercado dois tipos totalmente novos em sua série HMG: HMG 500 e HMG 3000. O HMG 500 é um aparelho de medição diagnóstica de simples aplicação para a captação de até dois sensores ao mesmo tempo. O HMG 3000 é um sistema de registro de dados móvel da classe de capacidade superior.

Até 10 sensores podem ser avaliados simultaneamente. Display colorido para gráficos, identificação de sensor, extensas possibilidades de trigger e máxima capacidade de armazenamento distinguem o aparelho (fig. 13). Além de curvas de medição, ajustes específicos de cliente (perfil do usuário) também podem ser armazenados em memória. Assim pode-se elaborar um perfil de máquina para produções individuais, e o usuário, em medições de repetição, pode comparar e avaliar medições atuais com as passadas, conforme o objetivo. O HMG 3000 possui interface USB e interfaces seriais para a comunicação com um PC (através de Software HMG WIN).

A importância do monitoramento
Monitoramento de condições permite ao fabricante de máquinas aumentar a disponibilidade real de máquina, prolongar a vida útil e oferecer manutenção/conservação em função do estado/condições em vez de relativos ao tempo. Com isto, além da venda da máquina, o monitoramento de condições é a grande chance do fabricante de acompanhar o ciclo de vida das máquinas e aumentar seus compromissos junto ao cliente muito além da medida atual. Isto cria novos produtos, principalmente na assistência técnica, desde a inspeção até ao completo monitoramento e otimização de instalações.

Fluidos de óleos hidráulicos e lubrificantes, com o grande número de informações aqui armazenadas, são de certo modo as impressões digitais do sistema, ideal para um monitoramento e diagnóstico on-line. Através das inovações de sensores, apresentadas acima, tal monitoramento pode ser realizado também de maneira econômica.

A construção alemã de máquinas e instalações é um ramo representativo, modelo com referência às inovações e participação no mercado mundial. Porém, está também diante de uma crescente concorrência de países com mão de obra barata. Através da integração de sensores, é oferecido aos fabricantes a chance para outra diferenciação técnica, com simultânea redução dos custos operacionais de seus clientes.