Definição - Capítulo 1

O gerenciamento de
contaminação (gerenciamento de limpeza) se ocupa com a análise e a otimização de processos sob pontos de vista da limpeza de componentes, sistemas e fluidos utilizados.

Em modernos sistemas hidráulicos – na construção automotiva e na indústria de fornecedores, na indústria hidráulica e na hidráulica móbil – são empregados hoje em dia componentes menores, mais leves e mais eficientes como, por exemplo, há 10 anos atrás. Pela utilização destes componentes cresce também a exigência à limpeza do sistema, como diversos estudos no passado têm demonstrado.

Aproximadamente 70-80% de todas as falhas em sistemas hidráulicos têm sua razão num aumento do ensujamento do sistema. Este percentual de avarias incide não só sobre a indústria hidráulica clássica. Principalmente no ramo automobilístico, onde a utilização de sistemas eletrohidráulicos é crescente, o tema gerenciamento de contaminação é bem atual. O conceito sistemas hidráulicos ou Fluid-system é aqui utilizado de modo geral para todos os ramos (indústria automobilística, hidráulica industrial e hidráulica móbil). Atualmente no ramo automobilístico, especificações de pureza encontram aplicação para os seguintes sistemas:

l Motores (suprimento de combustível, suprimento de óleo)

l Direção hidráulica servo-assistida

l Transmissões automáticas / caixas de câmbio

l Sistemas servoassistidos eletro-hidraulicamente (suspensão, embreagem, freio, ABS, ESP)

l Hidráulicas centrais.

Esta lista não pretende ser completa, servindo apenas para demonstrar em quais áreas o gerencia-mento de contaminação encontra aplicação.

No passado, sistemas de fluido eram equipados com uma filtração de sistema que limpava o sistema na colocação em operação e, depois disso, tinha a função de manter a pureza do fluido de sistema em um nível constante, p. ex. utilização de filtros para colocação em operação e, após breve primeiro intervalo de manutenção, a troca para filtração de sistema. Com base nas crescentes exigências a modernos sistemas hidráulicos (intervalos de manutenção mais prolongados, e crescente pressão dos custos) este procedimento muitas vezes não satisfaz mais. Em grandes sistemas na indústria hidráulica são executadas lavagens de colocação em operação, para rapidamente abaixar o grau de contaminação a um nível aceitável.

Em hidro-sistemas pequenos, fabricados em grandes quantidades (p. ex. na indústria automobilística, na indústria hidráulica), isto nem sempre é possível. Por este motivo o gerenciamento de contaminação começa na fabricação dos diferentes componentes e abrange toda a cadeia de processos até a peça pronta. De uma maneira otimizada, também os setores de desenvolvimento e projeto são integrados neste processo, para construir os componentes de tal forma que possam ser facilmente e efetivamente limpos. Havendo grande parte de componentes de fornecedores terceiros é conveniente incluir também os fornecedores neste gerenciamento de contaminação.

Através da implantação do gerenciamento de contaminação, com o objetivo de minimizar a concentração de partículas em todas as áreas, começando na produção até a colocação em funcionamento do completo sistema, evitam-se falhas no sistema e contaminação por partículas, economizando-se assim custos. Isto pode ser realizado por uma diminuição de custos em ferramentas operatrizes, um melhor aproveitamento de bancadas de testes funcionais, e uma utilização otimizada de máquinas de lavar.

Disto resultam as seguintes tarefas do gerenciamento de contaminação:

l Desenvolvimento de sistemas otimizados no sentido de que possam ser facilmente limpos.

l Otimização e monitoramento de processos de lavagem.

l Treinamento e sensibilização de colaboradores.

l Localização e eliminação de fontes de contaminação.

l Elaboração de instruções de análises.

l Confecção de especificações de limpeza para peças e sistemas.

Para poder registrar o sucesso do gerenciamento de contaminação, executa-se uma consideração de custos globais.

Nas considerações de custos são incluídos os seguintes fatores:

- Custos de garantia e cortesia.

- Custos de energia.

- Custos de retrabalho.

- Custos de ferramentas em máquinas operatrizes.

- Custos operacionais de máquinas de lavar e bancadas de teste.

- Custos do tempo da mão de obra.

Nos capítulos seguintes você encontra as bases e aplicações do gerencia-mento de contaminação explicadas mais de perto.

Fundamentos do gerenciamento de

contaminação

2.1 Definição dos tipos de contaminação

Em sistemas de fluido surgem os mais diversos tipos de contaminação. Trata-se neste caso por gases (p. ex. ar), líquidos (p. ex. água) e impurezas sólidas.

Na representação a seguir você encontra exposto num resumo os tipos de contaminação.

Como pode ser visto na fig. 1, subdividimos os tipos de contaminação sólida em três outros grupos, as partículas extremamente duras, as duras e as moles. Partículas extremamente duras e duras no sistema do fluido podem provocar consideráveis danos se não forem removidos o mais rápido possível. Através de medidas preventivas a entrada de contaminantes no sistema hidráulico pode ser reduzida.

Fig. 1 Tipos de contaminação

Em especificações partículas duras são muitas vezes identificadas em separado. Para as dimensões mais compridas que uma tal partícula dura pode apresentar são definidos respectivos valores máximos: p. ex. maior partícula abrasiva máximo 200 µm ou 200 x 90 µm ou nenhuma partícula > 200 µm.

Além da dureza das partículas estranhas, sua quantidade e distribuição de tamanho também exercem um papel fundamental na freqüência de falhas dos sistemas.

Em sistemas novos a distribuição de partículas apresenta um aspecto diferente do que em sistemas que já trabalharam por algumas horas.

Em sistemas novos encontramos um acúmulo de contaminantes grosseiros com comprimentos de vários milímetros que depois, no decorrer do tempo operacional, são esmiuçadas cada vez mais ou são eliminadas por uma filtração. Após algumas horas de funcionamento, a maioria das partículas é tão pequena que a olho nu não mais são visíveis.

Na primeira colocação em operação de sistemas de fluido, ocorre uma adicional contaminação de partículas causada pelo desgaste, no qual picos de aspereza grosseira são desgastados pelo amaciamento. O gerencia-mento de contaminação não é capaz de evitar esta penetração de contaminação, porém se a contaminação básica for menor, o sistema partirá também com menos desgaste.

No diagrama (fig.2) abaixo pode-se ver que o nível de ensujamento sem o gerenciamento de contaminação é maior através de toda fase da colocação em operação do sistema do que com o gerenciamento de contaminação, e com isto podem ocorrer mais danos inicias nas superfícies. As fotografias de microscópio na próxima página mostram provas típicas de partículas, como são encontradas em sistemas de fluido.

Fig. 2 Traçado de limpeza de um sistema de fluido com e sem gerenciamento de contaminação

O limite da capacidade visual do olho humano médio de boa saúde está em aprox. 40 µm. Veja comparação na (fig. 4).

Fig. 4 Análise comparativa de tamanhos de partículas

Análises de partículas são executadas com microscópio ou em sistemas de fluido com contadores de partículas, que funcionam pelo princípio de bloqueio da luz (vide capítulo 2.3.5).

2.2 - Conseqüências da contaminação por partículas em sistemas

de fluido

Contaminação por partículas, que circulam em sistemas de fluido, provocam danos às superfícies através dos mecanismos de desgaste de conhecimento geral (abrasão, erosão, fadiga superficial).

Mediante este desgaste são geradas cada vez mais partículas, e o desgaste aumenta, se a "reação em cadeia do desgaste" não é reprimida por medidas apropriadas (redução do ensujamento). Aumentam as folgas entre peças, as vazões de fuga crescem e o grau de rendimento (p. ex. de bombas) diminui. Arestas de comando são esmerilhados com o que surge a imprecisão de comando. Em parte ocorrem também bloqueios de canais de comando ou furações de gicleur.

Fig. 5

Exemplos de desgaste em superfícies móveis

Durante o funcionamento normal de sistemas hidráulicos, sistemas de filtração projetados de acordo devem interromper a reação em cadeia do desgaste. Isto, no entanto, é para o usuário uma segurança enganadora, sendo que já na montagem dos componentes, através da montagem de todo o sistema, até a instalação final, são inseridas impurezas altamente nocivas. Esta adicional contaminação penetrada pode levar a danos prematuros, até mesmo a paragens totais de componentes do sistema hidráulico.

De modo geral os conceitos de filtração de sistemas não são projetados para dominar grandes massas de sujeira, como as que surgem na:

l Usinagem de componentes funcionais

l Montagem de sistemas

l Enchimento de sistemas

l Colocação em operação primária

l Concerto/reparos de sistemas.

Um estudo da Universidade de Hannover descreve as grandezas de influência sobre a vida útil por fadiga de mancais de rolamento como segue:

"A quantidade de partículas e o tamanho das partículas descrevem a quantidade de contaminantes no lubrificante. Em combinação com a dureza das partículas e a geometria das partículas, resultam a forma e a profundidade dos danos nas pistas de rolagem, donde a profundidade ainda é influenciada pelo comportamento plástico do material utilizado. A quantidade dos danos é determinada pela quantidade das partículas nas folgas de lubrificação e da freqüência de sobrerolagem. Partindo de um dano, com continuidade da sobrerolagem, surgem fissuras que, como danos de fadiga, (pittings ou covas) resultam na destruição do mancal de rolamento (queda total do mancal). Veja (fig. 6)

Fig. 6 Grandezas de influência sobre a vida útil de mancais de rolamento (1)

A prática demonstrou que rolamentos de esferas com contato pontual na maioria das vezes são mais insensíveis contra contaminação por partículas do que rolamentos de tambor com contato linear. Mancais deslizantes, com folga maior para lubrificação, são o menos sensível contra contaminação por partículas.

A tabela a seguir (fig.7) mostra um resumo das folgas mais usuais.

Extensas averiguações de distribuição de partículas sobre componentes e em sistemas hidráulicos mostraram que no início da vida útil de um sistema, isto é, na montagem e na colocação em operação, as partículas são maiores do que durante o seu funcionamento.

Estas partículas grandes – em parte de até vários milímetros – podem provocar paragens espontâneas.

l O bloqueio de uma válvula.

l Danos prematuros graves em bombas.

l Destruição de vedações seguida de vazamentos.

l Esta quota pode ser baixada mediante um "ativo gerenciamento de contaminação" e com isto respectivamente minimizar os custos.

l Custos provocados por parada da produção.

l Custos por atraso na colocação em operação de sistemas.

l Custos por tempos de exame mais prolongados sendo necessário um ciclo de lavagem para eliminar a contaminação embutida.

l Custos de garantia.

l Custos de retrabalho.

Neste caso, o gerenciamento de contaminação age como segue:

Em sistemas novos os componentes individuais são trazidos a um nível de limpeza unificado antes da montagem, da mesma forma, o fluido de enchimento e o fluido durante o funcionamento do sistema, são mantidos num nível de pureza definido (vide monitoramento de contaminação capítulo 5 ff).

2.3 - Classificação da contaminação por partículas em fluidos

O objetivo do procedimento descrito abaixo é de possibilitar uma classificação reproduzível de contaminação por partículas em fluidos.

Atualmente são conhecidos 4 processos para a classificação de contaminação por partículas em fluidos. Veja no quadro acima as normas.

Agora, as normas são descritas individualmente com mais detalhes.

2.3.1

ISO 4405

"Fluido de pressão hidráulico – Contaminação de fluidos – Averiguação de contaminação por partículas mediante métodos de análise gravimétrica".

Este padrão internacional descreve o método gravimétrico para a averiguação da contaminação por partículas de fluidos hidráulicos

Princípio básico:

Com auxílio de vácuo um determinado volume conhecido do fluido é filtrado através de um ou dois discos de filtro, e a diferença de peso dos discos de filtro (antes e depois da filtração) é medida. A segunda membrana é aproveitada para a avaliação da precisão. Para averiguar a contaminação do fluido pelo método gravimétrico, é preciso retirar uma amostra representativa do sistema. A ISO 4405 descreve o procedimento de limpeza para os aparelhos a serem utilizados. Da mesma forma é descrito o método de preparação para as membranas de análise:

Antes de ser utilizada a membrana é enxaguada com isopropanol, é secada numa estufa até a constância de peso e resfriada em ambiente seco definido. O resfriamento em ambiente seco definido é importante sendo que do contrário a membrana iria absorver umidade do ambiente, falsificando assim o resultado final.

Depois disso a membrana é pesada e este valor é anotado como m(T). Agora a membrana é fixada no suporte para membranas e o fluido a ser analisado é filtrado. Para enxaguar toda a contaminação sobre a membrana, a mesma é enxaguada em seguida com solvente filtrado. Na análise de fluidos oleosos é importante que o óleo residual remanescente seja totalmente lavado da membrana.

Depois deste processo a membrana é novamente secada, resfriada e pesada (como descrito acima) O valor medido é agora anotado como m(E).

A contaminação pelo método gravimétrico é calculada como segue:

M (G) = m(E) – m(T)

2.3.2

Na ISO 4406 as quantidades de partículas são averiguadas cumulativamente, isto é, > 4 µm (c), > 6 µm (c) e > 14 µm (c) (manual mediante filtração do fluido através de uma membrana de análise ou automático com contador de partículas) e agregados a números indica-tivos. O objetivo desta agregação de quantidades de partículas a números indicativos é de simplificar o parecer/análise da pureza de fluidos.

Em 1999 a "antiga" ISO 4406 foi revisada, e as faixas de tamanho dos tamanhos de partículas a serem avaliadas foram redefinidas. Além disso foi modificado o método de contagem e a calibração.

Importante para o usuário na prática é o seguinte:

Mesmo que as faixas de tamanho dos tamanhos de partículas a serem avaliadas tenham sido modificadas, o código de pureza mudará só em casos isolados.

Na elaboração da "nova" ISO 4406 tomou-se a precaução para que nem todas as prescrições de pureza existentes precisem ser alteradas. (Lit. ©HYDAC, "Técnica de filtração de fluidos, novo pó de teste, nova calibração, novos métodos de teste de filtros – Efeitos na prática").

Agregação das quantidades de partículas às classes de pureza:

A reprodutibilidade dos resultados sob a classe de pureza 8 depende da concentração das partículas na amostra avaliada. Se a quantidade das partículas contadas na amostra for menor que 20, o resultado deverá ser demarcado com µ. É preciso observar que, com um aumento do número de identificação por 1, a quantidade de partículas dobra.

Fig. 11 Visualização microscópica de uma amostra de óleo (100 ml), aumento 100 vezes (ISO 18/15/11)		Fig. 12 Visualização microscópica de uma amostra de óleo (100 ml), aumento 100 vezes (NAS10)

Exemplo:

Classe ISO 18 / 15 / 11 significa: encontram-se em um ml da amostra analisada.

(ISO 18 / 15 / 11)

2.3.3

NAS 1638

Como a ISO 4406, a NAS 1638 descreve a concentração de partículas em fluidos. Os métodos de análise podem ser utilizados análogo á ISO 4406:1987.

Do contrário à ISO 4406, na NAS 1638 são contadas determinadas faixas de partículas e agregadas a estes números indicativos.

Na (tab. 2.3.3) são representadas as classes de pureza em função da concentração de partículas averiguadas.

Num aumento da classe em 1, a quantidade de partículas aumenta, em média, o dobro.

As quantidades de partículas da classe 10 estão em negrito na tabela abaixo. (NAS 10)

2.3.4

SAE AS 4059

Como a ISO 4406 e a NAS 1638, a SAE AS 4059 descreve a concentração de partículas em fluidos. Os métodos de análise podem ser utilizados análogo à ISO 4406:1999 e NAS 1638.

As classes de pureza SAE se baseiam no tamanho da partícula, na quantidade e na distribuição de tamanho da partícula.

Sendo que a averiguação do tamanho da partícula depende do método de medição, e da calibração, os tamanhos de partículas são identificadas com letras (A – F).

Na (tab.2.3.4) estão representadas as classes de pureza em função da concentração de partículas averiguada.

** Tamanhos de partículas averiguados pelo diâmetro

do círculo projetado de igual superfície.

* tamanhos de partículas medidos pela extensão mais longa.

As classes de pureza segundo SAE podem ser representadas como segue:

1. Quantidade de

partículas maiores que um determinado tamanho

Exemplo: Classe de pureza conforme AS 4059:6

A quantidade de partículas máxima permitida nas diferentes faixas de tamanho está representada na tabela anterior em negrito. Classe de pureza conforme AS 4059:6B

As partículas de tamanho B não devem ultrapassar a quantidade máxima como descrito na classe 6.

6 B = máx. 19.500 partículas de tamanho 5 µm ou 6 µm (c)

2. Classe de pureza por tamanho de partícula

Exemplo:

Classe de pureza conforme AS 4059: 7 B / 6 C / 5 D

Tamanho B (5 µm ou 6 µm (cµ): 38.900 partículas / 100 ml

Tamanho C (15 µm ou 14 µm (cµ): 3.460 partículas / 100 ml

Tamanho D (25 µm ou 21 µm (cµ): 306 partículas / 100 ml

3. Indicação da maior classe de pureza

Exemplo: Classe de pureza como a AS 4059:6 B – F

A indicação 6 B – F requer uma contagem de partículas nas faixas de tamanho B – F. Em todas estas faixas a respectiva concentração de partículas da classe de pureza 6 não deve ser ultrapassada.

2.3.5

Procedimento na avaliação das amostras de fluido como na ISO 4406:1999, NAS 1638 e SAE AS 4059

Retira-se uma amostra representativa do fluido a ser examinado e esta é analisada como segue:

1. Procedimento manual

conforme ISO 4407

Fluido hidráulico de pressão – contaminação de fluidos – Determinação da contaminação por partículas pelo método de contagem usando um microscópio.

Na ISO 4407 está descrito o processo de contagem microscópico para membranas.

Para isso são filtrados 100 ml do fluido a ser analisado através de uma membrana de análises com uma abertura média de poros de < 1µm e marcações de campo.

Além disso é descrito o procedimento de limpeza e a quantidade máxima de partículas da amostra cega. Depois da secagem da membrana de análises são contados os campos conforme tamanho das partículas 10, 20 ou 50 a ser contado, os valores são somados e extrapolados ao diâmetro da membrana.

Sendo que na aplicação da ISO 4407 é feita a contagem da dimensão mais comprida da partícula, na "nova" ISO 4406:1999 porém é avaliado o diâmetro do círculo de igual superfície, a contagem manual das partículas é efetuada nos "antigos" níveis > 5 µm e > 15 µm.

Como descrito acima os números indicativos obtidos desta contagem correspondem aos números indicativos da "nova" avaliação.

Este método de contagem só é aplicável em amostras de óleo muito limpas. De modo geral as classes de pureza são avaliadas por meio de fotografias de referência ou efetua-se uma contagem automática das amostras.

2. Contagem automática

O modo de funcionamento dos contadores de partículas mais usuais, que operam pelo processo de bloqueio de luz, está descrito a seguir.

O princípio de medição do processo de bloqueio de luz está representado de modo simplificado no croqui ao lado(fig.14).

A fonte de luz envia a luz (na maioria das vezes luz monocromática) sobre um sensor ótico que emite um determinado sinal elétrico.

Quando uma partícula (preto) se põe entre a fonte de luz e o detector fotossensível, então aparece uma sombra sobre o fotodiodo.

Devido a esta sombra, altera-se o sinal elétrico emitido pelo sensor. A partir desta alteração pode-se averiguar o tamanho da sombra que esta partícula projeta e assim determinar o tamanho da partícula. Mediante este processo é possível determinar muito bem as classes de pureza conforme a ISO 4406:1987, ISO 4406:1999, NAS 1638 e a SAE AS 4059.

Os fatores de perturbação/interferência deste princípio de medição são fluidos estranhos e pequenas bolhas de gás causando desvio ou quebra da luz e assim são contados como partículas. O contador de partículas deveria ser calibrado conforme ISO 11943 (para ISO 4406:1999). A contagem automática de partículas encontra aplicação como:

Processo on-line, no qual a amostra é retirada direto do sistema e conduzida ao contador de partículas, ou onde o sensor é integrado na instalação.

Ou como processo off-line, no qual a amostra é colocada num recipiente de prova, e deste o fluido é passado através de um contador de partículas.

Fig. 14 Medição do bloqueio de luz