UTILIZAÇÃO DO MÉTODO DA ANÁLISE DE CAUSA RAIZ (ROOT CAUSE ANALYSIS) PARA CARACTERIZAÇÃO DE FALHA POR FADIGA MECÂNICA

CENTRO UNIVERSITÁRIO DO LESTE DE MINAS GERAIS - UNILESTE Curso de Engenharia Mecânica

Maurício Pinheiro dos Santos

UTILIZAÇÃO DO MÉTODO DA ANÁLISE DE CAUSA RAIZ (ROOT CAUSE ANALYSIS) PARA CARACTERIZAÇÃO DE FALHA POR FADIGA MECÂNICA

Coronel Fabriciano – MG 2016

1 MAURÍCIO PINHEIRO DOS SANTOS

UTILIZAÇÃO DO MÉTODO DA ANÁLISE DE CAUSA RAIZ (ROOT CAUSE ANALYSIS) PARA CARACTERIZAÇÃO DE FALHA POR FADIGA MECÂNICA

Monografia apresentada ao curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário do Leste de Minas Gerais - Unileste, como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel, orientado pelo Prof. Msc. Marcelo Lopes Martins Borges.

Coronel Fabriciano – MG 2016

2 MAURICIO PINHEIRO DOS SANTOS

UTILIZAÇÃO DO MÉTODO DA ANÁLISE DE CAUSA RAIZ (ROOT CAUSE ANALYSIS) PARA CARACTERIZAÇÃO DE FALHA POR FADIGA MECÂNICA

Monografia apresentada à coordenação do curso de Engenharia Mecânica como requisito parcial para obtenção do título em Bacharel em Mecânica. Aprovada em 05 de junho de 2016.

_____________________________________________ Prof. Orientador: Marcelo Lopes Martins Borges Titulação: Mestre em Engenharia de Estruturas Instituição: Centro Universitário do Leste de Minas Gerais – Unileste MG _____________________________________________ Prof.ª. De Metodologia: Elizabete Marinho Serra Negra Titulação: Doutora em Administração Instituição: Centro Universitário do Leste de Minas Gerais – Unileste MG _____________________________________________ Prof. Convidado: Titulação: Instituição: Centro Universitário do Leste de Minas Gerais – Unileste MG

3 Dedico este trabalho de conclusão de curso aos meus muitos mestres que durante o percurso até aqui trilhado, se fizeram de suma importância na minha formação profissional.

Todos os meus professores foram importantes, mas alguns, além de instrução me deram inspiração para amar a Engenharia.

Elizabete Marinho Serra Negra obrigado por diversas vezes dedicar seu precioso tempo me auxiliando durante o último ano e por incontáveis vezes que me acalmou quando eu pensei que não conseguiria finalizar este trabalho

Amintas Paiva Afonso, obrigado pela experiência da lógica booleana computacional.

Manoel Ricardo Pacheco, obrigado pelo equilíbrio na mecânica dos corpos sólidos.

Jorge Sussumo Yamana, obrigado por escolher ser professor e por me auxiliar em tantas coisas nestes últimos anos. Seu conhecimento e humildade são insubstituíveis e você será lembrado por todos os alunos que hei de ter.

Marcelo Lopes Martins Borges, obrigado por toda colaboração e participação direta neste trabalho. Inegavelmente nada disso seria possível se não fosse por sua assertividade e extrema inteligência. Sua paz me acalma e me mostra o profissional que almejo ser.

À vida.

4 AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço ao meu criador e Senhor, digno de toda honra e toda glória para todo o sempre, Jesus Cristo.

Por tua misericórdia amor e perdão, graça e bondade, restauração, paz e justiça, libertação, fidelidade e provisão, esperança, fé, consolação, intimidade e comunhão, bênçãos que nem sei contar

Bruno Costa Pinto, obrigado por todo o apoio no decorrer deste trabalho. A concretização desta obra não seria possível não fosse por tudo que você fez e faz por mim.

Aos meus familiares que estiveram presente mesmo quando eu estive ausente, me dando forças e incentivo.

A todos os profissionais da laminação a quente que se propuseram a ajudar.

Ao professor Msc. Marcelo Lopes Martins Borges pela orientação e sugestões apresentadas sempre de forma eloquente.

À Aperam South America pela oportunidade de me aperfeiçoar como profissional e pelos recursos viabilizados para a conclusão deste trabalho.

It fills me with pride to thank the WSU crew on my final thesis. I am privileged to be given the chance of studying and work with some incredible people in US whom I am keeping close and dear to my heart.

Margaret Ogg, undeniably you were essential to my peace of mind while in US. Thank you for your sincere friendship and to help me so many ways so many times. I am thrilled to have you in my life forever.

Lisa Kyle, thank you for all the help and time spent with me and the Brazilians. You made our life easier even though yours were beyond busy. You deserve the best always.

5

“Aquele que luta com monstros deve acautelar-se para não tornar-se também um monstro. ” (NIETZSCHE, F. Beyond Good and Evil. NEW YORK: Dover Publications Inc., 1997)

6 RESUMO Este trabalho de conclusão de curso é apresentado ao Departamento de Engenharia Mecânica do Centro Universitário do Leste de Minas Gerais e discute estudo realizado por meio da Análise de Causa Raiz (Root Cause Analysis) para caracterizar falha por fadiga mecânica em alongas (universal spindle) do laminador reversível Rougher. Tem como principal objetivo a elaboração de lista de verificações (check-list) para que o Engenheiro Mecânico possa realizar peritagem em máquinas rotativas. Durante o desenvolvimento deste estudo, realizou-se extensa revisão bibliográfica, abordando as principais causas de falhas em máquinas no cotidiano das indústrias. Este levantamento bibliográfico foi crucial, pois proporcionou um sólido conhecimento técnico para a análise aplicada posteriormente em estudo de caso. O método utilizado é muito eficaz e o resultado foi uma análise completa da alonga do laminador de chapas grossas evidenciando concentração de tensões no entalhe e furos de lubrificação que ocasionará em trincas por fadiga. Conclui-se que se utilizado de forma correta e criteriosa, a Análise de Causa Raiz pode ser uma ferramenta crucial para aplicação de peritagem na engenharia. Palavras-chaves: Análise de Causa Raiz. Root Cause Analysis. Fadiga Mecânica. Universal Spindle. Peritagem.

7 ABSTRACT This final graduation work is presented to the Mechanical Engineering department at Centro Universitário do Leste de Minas Gerais and discusses the study of Root Cause Analyses (RCA) on the characterization of mechanical fatigue on reversing Rougher’s Mill universal spindles. The main goal of this work is to communicate a check-list in order to guide the Mechanical Engineer on the expertise of rotating machinery. Throughout the course of this work have I have developed extensive literature review on the principal cause of machinery failure on the industry daily based. The literature review was crucial because it has provided a strong technical knowledge to analyze the case study lately. The method is very effective and the result was a complete analysis of the spindle of the plate mill indicating stress concentration in the slot and lubrication holes that eventually will result in fatigue crack growth. It is concluded that if used properly and prudently, the Root Cause Analysis can be a crucial tool for the application of expertise in engineering.

Key words: Root Cause Analysis. Mechanical Fatigue. Universal Spindle. Expertise.

8 LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Diagrama de espinha e peixe com quatro categorias de causas

18

Figura 2 Analogia da árvore de causa raiz

19

Figura 3 Exemplo de problema analisado com os 5 por quês

24

Figura 4 Representação de um laminador de chapas grossas

27

Figura 5 Alonga após quebra em operação

28

Figura 6 Desenho técnico da alonga que apresentou falha (vista lateral)

29

Figura 7 Cabeça postiça com detalhe do entalhe na 'boca' da alonga (vista frontal)

29

Figura 8 Detalhe da trinca por fadiga no entalhe da alonga fraturada

31

Figura 9 Posição de colocação do extensômetro na alonga

33

Figura 10 Esquema da disposição dos extensômetros montados na alonga (ponte de Wheatstone)

33

Figura 11 Preparação dos extensômetros antes de realizar a instalação nas alongas

36

Figura 12 Detalhe da ligação entre o aquisitor de dados e os extensômetros

37

Figura 13 Gráfico torque [MN×m] x tempo [s], valores em vermelho torque do motor e valores em azul torque por extensometria

37

Figura 14 Condições de contorno aplicados à alonga para a análise

39

Figura 15 Tensão equivalente de von Mises atuante devido ao torque 2000 kN×m

40

Figura 16 Detalhe do entalhe e furo de lubrificação com tensões elevadas

40

Figura 17 Tensão equivalente de von Mises atuante devido ao torque 1000 kN×m

41

9 LISTA DE QUADROS

Quadro 1 Comparação entre os métodos FTA e FMEA

16

Quadro 2 Propriedades mecânicas da alonga que fraturou

30

Quadro 3 Parâmetros do motor elétrico

31

Quadro 4 Resumo dos resultados obtidos por extensometria

36

Quadro 5 Resultado da análise estática

41

Quadro 6 Tensões equivalente de von Mises para caso de 1000 kN×m

43

Quadro 7 Tensões equivalente de von Mises para caso de 2000 kN×m

43

Quadro 8 Raízes causais e suas respectivas reparações

45

Quadro 9 Resultados das medições do torque por extensometria

49

10 LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas. FEA: Finite Element Analysis (análise de elementos finitos) FMEA: Failure mode and Effects Analysis – Analise do Modo de Falhas e seus Efeitos. FTA: Fault Tree Analysis – Análise de Árvore de Falhas. ISO: International Standard Organization. NASA: National Aeronautics and Space Administration – Agência Nacional Aeronáutica e Espacial. NBR: Norma Brasileira. POR: Ponto de Reconhecimento POO: Ponto de Ocorrência. POC: Ponto de Causa RCA: Root Cause Analyses – Análise de Causa Raiz. S-N: Stress – Number of cycle (tensão vs número de ciclos) US DOE: United States of America – Department of Energy – Estados Unidos da America – Departamento de Energia.

11 SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO

12

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

12

2.1 Introdução ao conceito do RCA

13

2.2 Técnicas gerais para aplicação do Análise de Causa Raiz

14

2.2.1 Análises dos Modos de Falha e seus Efeitos (FMEA)

14

2.2.2 Análise da Árvore de falhas (FTA)

16

2.2.3 Análise de causa e efeito (Fishbone Analysis)

18

2.3 Caracterização das causas raízes

19

3 METODOLOGIA PARA APLICAÇÃO DO ANÁLISE DE CAUSA RAIZ

21

3.1 Definição do problema

21

3.2. Investigar para encontrar as possíveis causas

23

3.3. Desenvolver e implementar medidas de correção

24

3.4. Acompanhar os Resultados e Relatórios Finais

25

4 DIAGNÓSTICO DA SITUAÇÃO PROBLEMA

27

4.1 Elaboração da lista de verificações

28

Realizar trabalho de levantamento de dados

28

Coletar informação das falhas em campo

30

Codificação das informações

31

Cálculo das perdas

43

Determinar pontos significativos

44

Validação dos resultados

44

CONCLUSÕES

46

REFERÊNCIAS ANEXOS

47 49

12 1 INTRODUÇÃO No ramo da Engenharia de Avaliações a análise de falhas em máquinas e equipamentos é uma disciplina cada vez mais buscada, que primordialmente deve ser executada pelo Engenheiro Mecânico. As indústrias estão sempre focadas em um índice de eficiência cada vez mais elevado e desejam ter maquinário com pouco ou nenhum imprevisto. A Engenharia da Confiabilidade e manutenção preditiva tem dois grandes objetivos: prevenir eventos de falha catastróficos em sistemas críticos da produção e evitar desvios ou atrasos de sistemas produtivos que possam gerar acidentes pessoais, impactos ambientais, perda de capacidade ou baixa qualidade do produto. A recorrência de falha em um equipamento é encarada hoje como um grande desafio operacional e normalmente é tratada pelas áreas de engenharia de produção e manutenção preventiva. Contudo, estas áreas nem sempre possuem as ferramentas, o conhecimento e a disponibilidade de pessoas para uma análise aprofundada do problema apresentado. A Análise de Causa Raiz ou Root Cause Analyses (RCA) é uma metodologia largamente utilizada por grandes empresas, pois demonstra ser imprescindível para que a manutenção industrial saia do temível modo reativo. Este método é utilizado para determinar um problema ou uma não conformidade a fim de se chegar precisamente à ‘causa raiz’ deste problema. O grande desafio para a aplicação de um efetivo RCA está relacionado à observância de quando aplicar os recursos para identificação da causa raiz. Logo, se utilizado de forma efetiva, o RCA permitirá a aplicação das correções necessárias e eliminação das causas, prevenindo que esta falha ocorra novamente. Neste sentido questiona-se: o que deve ser verificado pelo Engenheiro Mecânico no processo de análise de falhas? Para a realização do trabalho fez-se necessário caracterizar falha por fadiga mecânica pela utilização do RCA, além de discutir conceitos, fundamentos, normas e técnicas para elaboração de lista de verificações que possa ser utilizado em peritagem de máquinas rotativas pelo Engenheiro Mecânico. Tem como principal objetivo a propor um check-list de lista de verificações para que o Engenheiro Mecânico possa realizar peritagem em máquinas rotativas.

13 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Este capítulo apresenta os caminhos iniciais trilhados para a fundamentação do RCA como tática industrial sob os aspectos conceituais e teóricos, considerando-se as questões importantes que serão levantadas e respondidas ao longo deste trabalho. Estes caminhos representam os princípios e teorias na perspectiva da Engenharia Mecânica de Segurança e Qualidade, que contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho de conclusão de curso. Reiteramos que toda literatura em língua estrangeira são tradução livre do autor.

2.1 Introdução ao conceito do RCA

Para efeito de entendimento amplo deste trabalho, faz saber que a comunidade científica não tem definido um conceito absoluto sobre o que é RCA, logo não existe apenas uma definição aceita na indústria. Comunidade técnica, órgãos de regulação em engenharia da qualidade e empresas podem ter suas próprias definições, mas raramente encontra-se duas definições idênticas. Sendo assim, serão abordados conceitos de alguns dos mais renomados autores para demonstrar seus pontos de vista e definições distintas do tema acerca do RCA: •

o RCA é qualquer abordagem estruturada para identificação dos fatores que influenciam diretamente nas consequências de um ou mais eventos a fim de identificar quais comportamentos ou condições necessitam ser aperfeiçoadas para prevenir a reincidência de consequências similares, sendo essa adversa, e para identificar o que se deve aprender para promover a obtenção de melhores consequências (CORCORAN, 2016);

•

o RCA é qualquer processo orientado por evidencias ou provas que, de forma minimalista, desvenda fatos escondidos sobre eventos adversos do passado, desta forma expõe oportunidade para se fazer melhorias que durarão por longo prazo (SALOT, 2016);

•

o RCA é todo e qualquer processo que desvenda fatos uma vez escondidos que estão relacionados com a ocorrência de uma consequência severa ou condição indesejável e identifica oportunidade de melhorias para o futuro (EMBERLEY, 2016);

•

o RCA é qualquer metodologia que identifica as fraquezas escondidas de um processo que poderiam resultar em um efeito ou condição adversa, a fim de identificar oportunidades de melhorias (HIRSCH, 2016). Tendo conhecido o conceito proposto por alguns especialistas, pode-se inferir que o

14 objetivo do RCA é identificar quais causas raízes necessitam ser corrigidas, não como corrigilas. De acordo com James J. Scutti (2002) um dos fatores principais para se aplicar adequadamente o RCA é manter a mente aberta durante a inspeção do processo e da análise das evidências para que se aponte claramente e de forma imparcial as falhas encontradas. A fim de entender o porquê da existência de eventos indesejáveis na indústria, obrigatoriamente deve-se entender o mecanismo das falhas. Quase sempre a aparição de uma falha em equipamentos é resultado de falha humana seja por erro na tomada de decisão ou omissão. Todo resultado indesejável terá, em média, uma série de 10 a 14 relações de causaconsequência que enfileirados de uma forma sequencial culminam para o evento da falha, afirmam Robert J. Latino e Kenneth C. Latino (2006).

2.2 Técnicas gerais para aplicação do Análise de Causa Raiz

Para que a investigação seja eficiente, a equipe deve focar seus esforços em áreas pequenas e bem delimitadas. Um aporte da metodologia ‘step by step’ ajudará na obtenção de resultados mais precisos. O uso de uma abordagem bem focada e criteriosa também ajudará em estreitar a investigação das falhas tendo como foco o ponto onde se encontra(m) a(s) causa(s) raiz(es). As poucas e essenciais causas raízes podem ser determinadas, tratadas e eliminadas sem recorrência e as hipóteses obviamente devem ser passiveis de testes pela equipe e sem perdas de tempo, causas individuais devem ser confrontadas com seus impactos e suas gravidades relativas. Para que não haja perda de tempo no processo as causas que podem ser corrigidas rapidamente devem ser levantadas, assim, fornecem maiores benefícios de aumento de disponibilidade do sistema e seu desempenho. Após a identificação das áreas mais eficientes para investigação, deve-se fazer uma análise mais profunda das possíveis causas que contribuíram para a diferença entre o desempenho que se espera atingir e o desempenho vigente do sistema. Algumas técnicas são utilizadas para a obtenção de um resultado favorável durante a aplicação do RCA, entretanto, aborda-se nessa seção um breve resumo dos métodos mais comuns nos dias de hoje para auxiliar o Engenheiro durante a análise (LATINO; LATINO, 2006; MOBLEY, 1999).

2.2.1 Análises dos Modos de Falha e seus Efeitos (FMEA)

A associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), na norma NBR 5462 (1994), adotou a sigla originária do inglês Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) como sendo

15 Análise dos Modos de Falha e seus Efeitos. O FMEA é uma avaliação a nível projeto sistemática e estruturada das potenciais falhas que são passiveis de ocorrer em qualquer parte de um sistema ou equipamento, com o objetivo de determinar os efeitos desta sobre a performance desejada de todos os outros itens do sistema. Este procedimento tende a documentar formalmente as práticas utilizadas, gerar um registro histórico e serve como base para futuras melhorias no projeto. O FMEA é uma sequência de eventos lógicos e comumente o primeiro passo de um estudo de confiabilidade do sistema. Analisam-se todos os componentes, montagens e subsistemas, com o objetivo de identificar possíveis falhas, suas causas e efeitos. O fluxograma 1 ilustra a ‘árvore lógica’ (logic tree) que se resulta do FMEA (MOBLEY, 1999). Fonte: Mobley Fluxograma (1999), adaptado. 1 Diagrama Primordiais disciplinas qualitativas de confiabilidade

de Análise dos modos de falha e seus efeitos Primordiais disciplinas quantitativas de confiabilidade Eliminar os efeitos da falha

Identificar o modo de falha

Prever efeitos da falha

Isolar causa da falha

Determinar ações corretivas

Resultados e ações requeridas

Outras disciplinas técnicas

Reduzir os efeitos da falha

Aceitar os efeitos da falha

Fonte: Mobley (1999).

Para cada item, os modos de falha e seus efeitos resultantes sobre o resto do sistema são registrados em uma planilha FMEA especificada para cada tipo de análise. Existem diversas variações de planilhas e alguns tipos diferentes de análise que podem ser funcionais, de design e processo, no entanto o FMEA tem foco em uma análise qualitativa do erro. Embora o FMEA seja é uma técnica de identificação e análise de risco eficiente quando aplicada a sistemas ou falhas simples, as árvores lógicas utilizadas para este tipo de análise são baseadas em probabilidade de falha a nível de componente e sua aplicação completa é extremamente dispendiosa. Basear a árvore lógica na probabilidade de falha é um erro, uma vez que ao se analisar um componente do sistema considera-se para fins de Engenharia a condição inicial de

16 projeto (MOBLEY, 1999). 2.2.2 Análise da Árvore de falhas (FTA)

A Análise da Árvore de Falhas (Fault Tree Analysis – FTA) é um método de análise do sistema que visa melhorar a confiabilidade de produtos e processos através da análise sistemática de possíveis falhas e suas consequências, orientando na adoção de medidas corretivas ou preventivas. Difere-se da análise de modos de falhas pois seu objetivo é identificar quais elementos do sistema e eventos que poderão desencadear uma falha. (MOBLEY, 1999). O quadro 1 mostra a comparação entre o FTA e o FMEA. A NASA (2002) define o FTA como sendo um método de análise de falhas do tipo topdown, cuja análise se inicia com um evento indesejável, como uma falha ou quebra do equipamento, ou ainda mal funcionamento, chamado evento de topo (Top Event) e então são determinadas todas as maneiras na qual esse evento de topo pode ocorrer.

Quadro 1 Comparação entre os métodos FTA e FMEA Características

FTA

FMEA

Identificação das causas primarias das

Identificação das falhas críticas em cada

falhas.

componente,

suas

causas

e

consequências.

Objetivo Elaboração de uma relação lógica entre

Hierarquizar as falhas.

falhas primárias e falha final do produto. Identificação da falha que é detectada

Análise das falhas em potencial de todos

pelo usuário do produto.

os elementos do sistema, e previsão das consequências.

Procedimento

Relacionar

essa

falha

com

falhas

intermediárias e eventos mais básicos por

Relação

de

ações

corretivas

(ou

preventivas) a serem tomadas.

meio de símbolos lógicos.

Aplicação

Melhor método para análise individual de

Pode ser utilizado na análise de falhas

uma falha específica

simultâneas ou correlacionadas.

O enfoque é dado à falha final do sistema.

Todos os componentes do sistema são passíveis de análise.

Fonte: Clausing, Don. (1994). (Adaptado pelo autor 2016).

Desta forma, o FTA é uma análise dedutiva detalhada que normalmente requer uma quantidade considerável de conhecimento e informações sobre o sistema ou equipamento analisado e certifica-se que todos os aspectos críticos de um sistema estão identificados e

17 controlados (GRYNA, 1991). Este método representado graficamente pela lógica booleana através de símbolos utilizados para a porta lógica e os eventos é associado a uma falha específica do sistema analisado, conforme fluxograma 2, que é chamado de evento principal e suas causas seguido dos efeitos básicos chamados de eventos primários. Os eventos principais podem ser amplos e podem abranger todo o sistema ou alguns componentes específicos. O FTA fornece opções de análises de confiança quantitativas e qualitativas, guiando o Engenheiro Mecânico de forma intuitiva às falhas que o sistema apresenta, podendo este identificar precisamente os pontos do equipamento que são inerentes ao problema apresentado (MOBLEY, 1999). Fluxograma 2 Processo típico de análise por árvore de falhas Definir evento principal

Determinar limites do evento

Compreender o Sistema analisado

Tomar medidas de

Analisar a árvore criada

Construir a árvore de falhas

correção necessárias Fonte: Mobley (1999), adaptado.

Os níveis hierárquicos são medidos em relação ao evento de topo. Os eventos relacionados diretamente ao evento de topo representam o primeiro nível hierárquico. Os demais eventos abaixo do primeiro nível hierárquico representam eventos de segundo nível, assim sucessivamente. Quanto maior a quantidade de níveis hierárquicos, maior será a quantidade de eventos encadeados, portanto mais longa será a arvore lógica criada. Fluxograma 3 Eventos de entrada e saída em uma porta lógica

Evento de saída

Evento de entrada 1 Fonte: Sakurada (2001), adaptado.

Porta lógica

Evento de entrada 2

18 Os eventos apresentados na árvore de falhas se conectam através das chamadas portas lógicas de acordo com suas relações causais. Algumas portas lógicas podem ter mais de um evento de entrada, mas todas apresentam somente um evento de saída. Os eventos de entrada situam-se na parte inferior da porta lógica enquanto que um evento de saída se situa na parte superior, como pode ser visto no fluxograma 3 (SAKURADA, 2001).

2.2.3 Análise de causa e efeito (Fishbone Analysis)

A análise de causa e efeito é uma ferramenta da qualidade onde causas são levantadas para se chegar a raiz de um problema específico trazendo abordagem gráfica das possíveis falhas apresentadas por um equipamento ou sistema. Também chamada de ‘análise de espinha de peixe’, pois deriva do formato deste animal e correlaciona os vários fatores que contribuem para um evento indesejado específico através da análise de todos os fatores que possam ter contribuído para sua geração (PEINADO; GRAEMI, 2007). Como a maioria dos métodos de análises, esta metodologia também se baseia em uma sequência lógica de ações que levam para um evento específico, como a falha de uma máquina por exemplo. O diagrama leva em conta que toda causa vai produzir um efeito, essas causas representam hipóteses que precisam ser analisadas e testadas uma a uma, a fim de comprovar sua veracidade e determinar o grau de influência ou impacto sobre a situação em análise conforme figura 1 (MOBLEY, 1999; PEINADO 2007).

Figura 1 Diagrama de espinha e peixe com quatro categorias de causas

Fonte: Mobley (1999), adaptado.

19 Embora a análise de causa e efeito seja útil, esta não isola o fator específico causador da falha, o que pode trazer poucos resultados de acordo com a necessidade da análise.

2.3 Caracterização das causas raízes

Existem três níveis de classificação das causas raízes e todo evento de falha terá suas raízes originarias das áreas física, humanas e latentes ou organizacionais conforme analogia mostrada na Figura 2. O mito de que um erro isolado é o causador de resultados indesejáveis (falha), fica dessa forma elucidado pela correlação da causa-efeito (WILSON, 1993).

Figura 2 Analogia da árvore de causa raiz Indicadores do sistema

Causa evidente

Raiz física Raiz humana Raiz latente

Fonte: James J. Scutti (1999), adaptado.

As raízes de causas físicas são aquelas cujas raízes são tangíveis ou também conhecidas como raízes a nível de componente. Em muitos casos, quando utilizados métodos de análises indisciplinadamente, o profissional terá a tendência em parar neste ponto da análise chamando estas de causa raiz da falha. Este pensamento não é correto para uma efetiva RCA, uma vez que em qualquer evento todas as causas de raízes físicas devem ser acompanhadas de validação para serem provadas como fato. As raízes físicas são geralmente percebidas na árvore lógica pelo fato de que estas são geralmente as primeiras consequências perceptíveis após uma raiz humana (raiz de decisão errada) tenha sido identificada (LATINO, R.; LATINO, K., 2006). As raízes tidas como humanas podem ser sumarizadas como decisões tomadas de forma errada e quase sempre farão com que uma raiz física se desencadeie. Estas raízes serão erros ou

20 ainda omissão por parte da operação, isto quer dizer que nós decidimos não fazer alguma ação que deveria ter sido feita em tempo hábil ou ainda que fizemos algo que não deveria ter feito. As raízes de causas humanas não devem ser associadas de nenhuma forma ao erro humano. Devemos utilizar o termo raízes humanas para identificar uma ação humana que foi corresponsável para o aparecimento das raízes físicas, que culminaram para a falha do equipamento. Finalizar uma análise de causa raiz com um relatório concluindo 'falha humana’ é se eximir do compromisso ou responsabilidade na obtenção certeira das causas da falha, afirma Reason J. Robbs, (2003). As causas de raízes latentes são aquelas inerentes aos sistemas organizacionais dos quais os funcionários se respaldam para tomar decisões. Desta forma, se os sistemas possuírem inconformidades, as decisões tomadas os tendo como referência resultarão em falhas (LATINO, R.; LATINO, K., 1999). O termo latente então passa a ser correlacionado às consequências adversas que podem subsistir inertes no sistema por um período de tempo indeterminado, somente se tornando evidentes quando combinadas com outros fatores que quebram as defesas do sistema. (REASON, 1992). Alguns exemplos de raízes organizacionais que podem ser mencionadas são a falta de envolvimento de alguns funcionários, defasagem na comunicação, tarefa tida como indesejada pelo colaborador, não observância de procedimentos, processos operacionais técnicos incompletos ou inexistentes, falta de capacitação; más especificações técnicas, utilização ferramental incorreta ou desgastada, prioridades incorretas, falta de acesso a informação.

21 3 METODOLOGIA PARA APLICAÇÃO DA ANÁLISE DE CAUSA RAIZ

A análise de causa raiz, de acordo com os especialistas citados, pode ser entendida como uma sequência lógica de passos que guiarão o Engenheiro responsável durante o processo de isolar os fatos que cercam um evento indesejável ou falha. Uma vez que o problema tenha sido completamente definido, a análise determinará sistematicamente a melhor forma para a tomada de ações corretivas que poderão resolver a(s) falha(s) e garantir a não repetição desta(s) (MOBLY, 1999). O processo de Análise de Causa Raiz (RCA) consiste dos passos detalhados a seguir aceitando mudanças de acordo com a necessidade de cada indústria.

3.1 Definição do problema

Inicialmente, deve-se entender que qualquer problema ou evento de falha, este pode ser definido como a diferenciação da situação atual do processo e a meta desejada atingir para a operação. Para que o problema seja definido corretamente no início da análise, o processo dependerá da aplicação de um profuso pensamento crítico. É muito fácil confundir o problema real, ou seja, a real causa raiz, com os seus sintomas apresentados e suas causas latentes que estão ‘adormecidas’ no sistema. Este mal-entendido pode levar ao tratamento apenas dos sintomas e não das causas do problema, ou ainda na má identificação das raízes e consequentemente na ineficaz aplicação das contramedidas. Além disso, experiências vividas com a solução de problemas parecidos anteriormente, podem influenciar a interpretação do atual problema, por exemplo: um operador mantenedor ao investigar um problema ao nível raiz poderá combinar o problema com suas causas, em contrapartida um diretor de área de operações poderá definir o mesmo problema tendo como base seus sintomas (AGUIAR, 2014). Deve-se entender que diferentes tipos de profissionais ou grupos técnicos específicos terão diferentes visões sobre um mesmo problema. Uma forma básica de se atenuar esta dificuldade de consenso e chegar numa definição clara e comum é tentar responder as seguintes simples perguntas: qual é o problema? Quando aconteceu? Onde aconteceu? Qual meta da área que foi impactada pelo problema? Estas perguntas inicialmente devem ser respondidas com afirmativas curtas; um objeto e um defeito como por exemplo: o eixo principal da alonga do laminador teve o rolamento do lado de operação danificado. Um conceito útil e bastante utilizado pelas indústrias, que também pode ser utilizado em situações mais complexas para se obter uma detalhada caracterização do problema, é a metodologia dos 5Ps, onde os P’s significam: partes, posição, pessoas, papel e paradigmas.

22 Fazendo uma analogia a uma investigação criminal onde procura-se investigar o problema, ou o evento indesejado, e as evidências coletadas por esse levantamento devem ser catalogadas dentro de uma das categorias P (LATINO, R.; LATINO, K., 1999). Esta classificação pode ser muito vantajosa nas etapas que se seguem do processo tanto a nível de documentação como para o gerenciamento dos dados e podem ser definidas como: •

Partes: geralmente é algo tangível a nível do equipamento, por exemplo: amostras do produto, água, lubrificante, resíduo, peças e componentes.

•

Posição: o espaço físico e o tempo, por exemplo: local onde aconteceu o evento, condições ambientais, hora do incidente, tempo decorrido desde o início da operação.

•

Pessoas: quem é o profissional que se deve entrevistar para obter mais informações sobre o evento. Preferencialmente inicia-se conversando com pessoas que presenciaram o evento; operador, técnico de manutenção, supervisor. Durante a entrevista devem-se fazer questionamentos como: O que, quando, como, onde você estava, o que ouviu, sentiu? Por que você acha que isso ocorreu? O que você acha que deveria ter sido feito para evitar que o evento ocorresse?

•

Papel: representa a forma documental existente. Alguns exemplos desta categoria: relatórios de produção, ordens de serviço, histórico de intervenção, especificações, procedimentos, registros gráficos, fotografias, desenhos, manuais, vídeos.

•

Paradigma: “paradigma é um conjunto de hábitos e regulamentos que estabelece limites e diz o que se deve fazer para ser bem-sucedido dentro destes limites”, (sendo o sucesso os problemas que você resolve empregando estes hábitos), afirma Joel Baker em The bussiness of paradigms. A solução efetiva das falhas deve ter único foco no problema real. Um evento

indesejável pode ter mais de uma causa e sintoma, além de diversas pessoas que podem cuidar de cada item específico, porém até que seja identificado o único e real problema, não há como iniciar a solução da falha. Conforme apontado por Charles Kettering, um problema bem definido é um problema metade solucionado. Os quatro elementos primordiais na definição útil do problema englobam: •

Objetivo: aonde se deseja ou quer chegar.

•

Realidade: onde se encontra neste momento.

•

Diferença: a diferença entre o objetivo desejado e a realidade.

•

Tendência: o tipo ou dimensão do problema. Qual a severidade do problema? Há quanto tempo isto vem ocorrendo? O problema é específico ou genérico?

23

O Engenheiro responsável pela análise deve retificar e pontuar todos os elementos repetidas vezes durante o processo e pode-se afirmar que a conduta adotada está correta quando os ‘indicadores de sucesso’ são: a definição do problema está incontestável e processável, a equipe definiu o problema de forma consensual, a equipe compartilha do por que o problema e sua solução são importantes para o sistema, o problema está sob a área de controle da equipe de modo a assumir responsabilidades efetivas para mitiga-lo (ASM HANDBOOK, 2002)

3.2. Investigar para encontrar as possíveis causas

De acordo com o manual da ASM Handbook Committee (2002), o segundo passo na aplicação do RCA é a investigação para encontrar as causas da falha. Inicialmente os problemas tendem a apresentar-se como barreiras que tem margens obscuras. Se o foco não for intensificado, provavelmente a equipe flutuará sem propósito claro. Quando a análise é correta ela se concentra exatamente no problema apresentado e não nos seus possíveis efeitos ou causas e vai ponto a ponto por um caminho lógico e estabelecido. O início desse caminho se dá pelo Ponto de Reconhecimento (POR), seguido pelo Ponto de Ocorrência (POO) e Ponto de Causa (POC) e, por último para as causas raízes. Após a determinação e definição clara do problema, deve-se partir para a analise da corrente causal. Na maior parte dos casos, neste ponto descobre-se que as raízes levantadas tendem a se ramificar para várias direções do sistema conforme seu acompanhamento, analogicamente como ocorre às raízes de uma árvore. Tentando naturalmente ser criteriosas, as pessoas buscam seguir todas ou quase todas essas raízes. Porém esta tendência pode ser contra produtiva. Sendo assim, para uma abordagem mais eficiente deve-se ignorar raízes com menor ou sem impacto no sistema e eliminar aquelas que não são suportadas por dados disponibilizados. Fazendo estas seleções a análise se torna mais eficiente e efetiva (LATINO, R.; LATINO, K., 2006; US DOE, 1992). Após levantar as áreas mais promissoras para realizar investigação, deve-se aprofundar a análise nas causas que mais impactam para que haja diferença entre a performance que se espera atingir e o desempenho atual do sistema. Um dos métodos eficazes para rapidamente chegar-se até raiz do problema é a utilização da técnica dos ‘5 porquês’. Esta técnica consiste em simplesmente fazer a pergunta ‘por quê?’ (ou perguntas que estejam relacionadas como: o que, quanto, quem, onde ou como) por uma sequência de cinco vezes, aprofundando-se cada vez mais do apresentado problema para a causa raiz como mostrado na figura 3.

24 Figura 3 Exemplo de problema analisado com os 5 por quês

Fonte: Videojet. Uptime Peace of Mind (2007).

Para apurar se a análise foi correta, o responsável deve propor contramedida(s) para a(s) causa(s) raiz(es) e por conseguinte averiguar se a(s) contramedida(s) trata(m) de cada causa corrente individualmente. No exemplo apresentado, ao deslocar o material para mais perto do operador (uma contramedida) reduz-se o seu deslocamento, desta forma, diminuindo o tempo de carregamento da máquina, reduzindo as perdas de tempo do ciclo e disponibilizando mais tempo para outro processo. (VORLEY; BUSHELL, 2008).

3.3. Desenvolver e implementar medidas de correção

Todo o processo até esse ponto se tornaria inútil se as medidas de correção não fossem aplicadas. Após a identificação da verdadeira causa raiz do problema apresentado, a sua resolução se torna muito mais eficiente e fácil. Deve-se contar com dados necessários para sugestão, verificação e implementação das contramedidas. As contramedidas têm caráter temporário, que visa colocar o Engenheiro rapidamente no caminho certo, e/ou permanentes, que visa a promoção de melhorias sustentáveis e a não repetição da falha. Normalmente as empresas se resguardam dos dois tipos de contramedidas, para se eliminar uma falha em curto prazo, implantam uma contramedida temporária, ao passo que trabalham em uma solução permanente, que resolverá a falha de forma sustentável em longo prazo, implantam contramedida temporária. (VORLEY; BUSHELL, 2008) Uma vez que o problema é visto de forma clara e também suas causas raízes e os impactos trazidos para o sistema são conhecidos, a equipe deve desenvolver um conjunto de

25 possíveis contramedidas e trabalhar em equipes multidisciplinares para apontar quais abordagens tem maior probabilidade de sucesso. Deve-se utilizar de testes empíricos para a avaliação das contramedidas selecionadas. Como parte da implementação total da contramedida, considera-se realizar a avaliação em um caso de teste limitado. Caso o Engenheiro responsável não obtenha resultados imediatos ou planeje fazer um estudo maior antes da implementação, aconselha-se seguir um plano de acompanhamento detalhado com ajustes bem definidos. De toda forma, ao se aplicar testes empíricos, tem-se a oportunidade de entender e quantificar as causas raízes além de correlacionar a causa raiz confirmada e as contramedidas tomadas, identificando e cuidando dos possíveis pontos falhos apresentados pelo sistema sem colocar a organização em risco pleno (VORLEY; BUSHELL, 2008). Se as melhorias mensuráveis não puderem ser rapidamente identificadas, deverão ser investigadas as contramedidas e se estas foram aplicadas corretamente no sistema. Se as orientações de implementação das contramedidas foram corretamente seguidas, mas observase ainda a não melhoria no processo, aconselha-se testar contramedidas paralelas às já implantadas. Somente quando se tiver certeza que as contramedidas implantadas estão sendo efetivas, o responsável poderá liberar implementação em todo o ambiente produtivo. O Engenheiro responsável deverá continuar com o monitoramento e análise da efetividade da contramedida pois este não é o final do processo. Deve-se garantir que a falha não terá reaparecimento, além de continuar na identificação de chances adicionais para melhorias do sistema (ASM HANDBOOK, 2012).

3.4. Acompanhar os Resultados e Relatórios Finais

O processo de análise de causa raiz objetiva a eliminação completa do problema evitando sua reincidência. A reincidência, em qualquer ponto, demonstra que o processo não foi bem-sucedido. Uma vez que a ação corretiva tenha sido aprovada e implementada pela gestão da área, a tarefa final requerida pelo RCA é a verificação de que as ações corretivas realmente eliminaram o problema. Após as mudanças sugeridas pelo responsável da análise tenham sido implementadas, uma série de testes de confirmação devem ser aplicados para garantir a segurança da nova condição de trabalho do equipamento. Normalmente aplicam-se ensaio de vibração mecânica no equipamento para comparação com a condição inicial e anterior as mudanças. Este ensaio deve conter um completo espectro de amostragem, incluindo qualquer pico de tensões que não condizem com a condição especificada em projeto, para que se certifique a operação dinâmica da nova

26 condição do equipamento. O resultado deste ensaio validará a aplicação do RCA no equipamento garantindo que o sistema opere com segurança após as alterações (MOBLEY, 1999). Segundo R. Keith Mobley (1999), neste ponto o Engenheiro deve emitir o relatório que contenha uma descrição completa do incidente ou da falha, identificando as causas especificadamente e as correções necessárias para a eliminação e não repetição destas. Este relatório deve obrigatoriamente conter as seguintes informações: •

sumário do problema apresentado;

•

condições iniciais da implantação;

•

evento inicial;

•

descrição do incidente;

•

ações corretivas imediatas;

•

causa e ações corretivas a longo tempo;

•

lições aprendidas durante processo;

•

referências bibliográficas e anexos (desenhos técnicos, manuais, outros.);

•

descrição do investigador e/ou da equipe que realizou o RCA;

•

reanálise e aprovação do responsável e equipe envolvida;

•

lista de afazeres.

27 4 DIAGNÓSTICO DA SITUAÇÃO PROBLEMA

Este trabalho realizou pesquisa bibliográfica acerca do RCA que é um método de análise reversiva das falhas e aplicou esta metodologia para caracterizar a causa raiz da quebra de uma alonga universal na linha de laminação a quente da uma empresa siderúrgica. O objetivo foi de identificar a causa raiz da falha apresentada além de comunicar uma lista de verificações que o Engenheiro Mecânico realizará em um componente mecânico rotativo na existência de falhas. O trabalho seguiu o cronograma conforme anexo e a análise nos permitiu avaliar o comportamento estrutural das alongas quando submetidas aos torques teóricos de trabalho, pico e corte, além do torque calculado a partir das medições feitas em campo de corrente elétrica e potência, verificando seus níveis de tensões, deslocamentos resultantes e cálculo de vida útil para fadiga multiaxial. O laminador desbastador é responsável pelo processo de conformação mecânica que consiste em modificar a seção transversal do metal na forma de barra, lingote, placa, fio, pela passagem forçada entre dois cilindros de trabalho rotativos (1), sendo que a distância entre estes deve ser menor que a espessura inicial da peça a ser laminada. Esta redução de espessura se dá através do esforço exercido pelos cilindros sobre o produto. Os cilindros de trabalho dos laminadores são acionados por motores elétricos que transferem o torque destes à um eixo universal de transmissão também conhecido como Universal Spindle ou alongas (2) conforme representado na figura 4. Figura 4 Representação de um laminador de chapas grossas

2

1

Fonte: OLIVEIRA (2016).

28 4.1 Elaboração da lista de verificações A lista de verificações para realizar a peritagem de uma falha de acordo com Robert J. Latino e Kenneth C. Latino (2006) segue as orientações: •

realizar trabalho de levantamento de dados no equipamento.

•

coletar informações das falhas em campo.

•

sumarizar e codificar as informações.

•

calcular as perdas.

•

determinar pontos mais significativos.

•

validar resultados.

•

elaborar relatório final.

Realizar trabalho de levantamento de dados Durante a laminação do aço inox na empresa analisada, ocorreu a fratura da alonga superior do laminador ocasionando perdas na produção devido à parada da linha conforme pode ser observado na figura 5. Como consequência da quebra da alonga em operação, observou-se também empenos e danificação dos componentes relacionados à sua sustentação.

Figura 5 Alonga após quebra em operação

Fonte: Aperam - Cortesia laminação a quente (2016).

29 Inicialmente realiza-se uma detalhada análise do projeto (desenho técnico) a fim de levantar possíveis falhas no dimensionamento das alongas (tolerâncias, mudanças de seções, entre outros) além de conhecer profundamente, a nível de projeto, a peça que sofreu o sinistro. A alonga em estudo é composta de dois cabeçotes e um eixo e as informações referentes ao desenho inicial podem ser vistas nas figuras 6 (vista lateral) e 7 (vista frontal) do caso analisado.

Figura 6 Desenho técnico da alonga que apresentou falha (vista lateral)

Fonte: Aperam (2016)

Figura 7 Cabeça postiça com detalhe do entalhe na 'boca' da alonga (vista frontal)

Fonte: Aperam (2016)

O material das alongas de acordo com o fabricante é o aço AISI 4340 com uma dureza superficial de 248 a 302 HB. As alongas foram projetadas para transmitir um torque inicial de 859,5 kNxm, sendo submetidas a um torque frequente de trabalho de 1934 kNxm e um torque de pico que instantaneamente desligará o motor em 2363 kNxm de acordo com o projeto.

30 O levantamento em campo das principais características dos materiais no momento da fratura deve ser feito. O quadro 2 representa as propriedades mecânicas do caso analisado. Quadro 2 Propriedades mecânicas da alonga que fraturou Módulo de elasticidade: E

200 GPa

Coeficiente de Poisson: ν Densidade: ρ Dureza (Superficial):

0,3 7850 kg/m^3 248 a 302 HB

Tensão de escoamento: σy

680 MPa

Tensão de ruptura: σu

850 MPa

Fonte: AISI (2016)

Durante a etapa da análise do projeto, deve-se levantar alguns questionamentos críticos a respeito da quebra, como por exemplo, o material da peça fabricada, a geometria do entalhe que provocaria a concentração de tensões na região mais solicitada, o carregamento ao qual a peça é submetida durante a operação e por último os furos de lubrificação inseridos na cabeça da alonga. Coletar informação das falhas em campo Para o passo de levantamento de dados é realizada a inspeção visual da peça mencionada. Realiza-se uma detalhada inspeção visual, neste caso, na alonga que apresentou a falha a fim de levantar informações na área afetada. A inspeção visual é inicialmente realizada em campo no local da falha e refeita em ambiente com iluminação adequada como aconselhado por Robert J. Latino e Kenneth C. Latino (2006), por uma equipe de profissionais técnicos e engenheiros, afim de eliminar mal interpretações. Esta parte do processo de determinação da análise de falha tem como objetivos confirmar ou refutar os questionamentos levantados na etapa anterior, da análise do projeto. No caso em estudo, através da inspeção visual da fratura percebeu-se a existência de uma trinca de fadiga de considerada proporção conforme representado na figura 8, o que levou a equipe a confirmar um dos questionamentos levantados na etapa de análise do projeto, o fato do entalhe na boca da alonga ter sido um concentrador de tensões. Observou-se ainda uma baixa qualidade do acabamento superficial no entalhe, mostrando que não foi respeitada a nota do desenho técnico onde especifica-se que ‘os raios não devem ter marcas de ferramentas’.

31 Figura 8 Detalhe da trinca por fadiga no entalhe da alonga fraturada

Fonte: Aperam - Cortesia laminação a quente (2016)

Codificação das informações Para a etapa de codificação das informações parte-se para as análises numéricas do torque e das tensões atuantes nas alongas. O torque atuante pode ser obtido de duas formas: primeiro mede-se o torque a partir dos dados do motor; segundo, com os dados obtidos através de extensometria. No caso em estudo, os parâmetros do motor são representados no quadro 3. Quadro 3 Parâmetros do motor elétrico Motor

Superior

Corrente

Tensão

Potência

Potencia

n

[A]

[V]

[KW]

[HP]

[rpm]

15251,3

622

9486,4

12721,5

50

[rad/s]

5,24

Fonte: Aperam (2016)

O cálculo do torque realizado através dos dados do motor elétrico ocorre através das seguintes equações: =

×

[1]

32

=

×

[2]

×

=

[3]

onde: P: é a potência fornecida pelo motor [W] U: é a tensão elétrica do motor [V] i: é a corrente elétrica do motor [A] ω: é a velocidade angular do motor [rad/s] T: torque na alonga [Nxm]

Com os dados obtidos na medição, quadro 3, calcula-se o torque de trabalho atuante na alonga a partir da equação 3:

=

=

ê

[

[

%&%',(& )*+ (,'' +

]

]

→

9486,4 = 1810,38 $ 5,24

→ 0,503 $ ℎ

= 0,503 $ ℎ ×

(,,×%'. / )*0

→ 1810,4 $1 × 2

Em seguida, a nível de comparação, realiza-se o levantamento do torque por extensometria que visa à obtenção dos valores de deformações estruturais que ocorrem devido à variação de carga decorrente da condição operacional do equipamento. Para que seja possível a medição das deformações, sensores são diretamente fixados na estrutura monitorada, os quais são conectados por meio de cabos a um coletor de sinais. Nesse coletor o sinal analógico é coletado e digitalizado por meio de um conversor Analógico-Digital (A/D), o qual transmite o sinal recebido através de uma conexão sem fio para uma estação base conectada a um computador. Por fim, através de programas computacionais são obtidos gráficos de deformação [μS] x tempo [s] dos sinais recebidos pelos sensores que ilustram o comportamento da estrutura analisada quanto à deformação sofrida em função das condições do ensaio (OLIVEIRA, 2010). O monitoramento das deformações estruturais é executado com o sistema de aquisição

33 de dados Mantracourt T24 Log 100, programa computacional de aquisição de sinais T24 Toolkit e programa de análise de sinais Aqdanalysis 7. A posição em que os extensômetros são instalados nas alongas é mostrada na figura 9 e o esquema de ligação da ponte de Wheatstone é representado na figura 10.

Figura 9 Posição de colocação do extensômetro na alonga

Extensômetros 2 e 4

Extensômetros 1 e 3

Fonte: Aperam (2016)

Para a direção do torque indicada na figura 10, os extensômetros 1 e 2 são deformados em tração e os extensômetros 3 e 4 em compressão. Os valores de deformações gerados pelo torque são iguais em magnitude.

Figura 10 Esquema da disposição dos extensômetros montados na alonga (ponte de Wheatstone)

Fonte: Relatório técnico 32052/2016, (2016).

34 Quando os extensômetros são conectados na ponte conforme o circuito representado na figura 10, a resistência varia em sinais opostos em cada par de sensores em braços adjacentes da ponte (1 e 4; 2 e 3), enquanto em braços opostos (1 e 2; 3 e 4), tem o mesmo sinal. Como resultado, a saída da ponte é 4 vezes o sinal de um único extensômetro. Além disso, uma variação de resistência provocará uma diferença de tensão entre os extensômetros que será captada pelo galvanômetro do aparelho medidor. Ao sair do equilíbrio, apresentando deflexão, varia-se então a resistência (potenciômetro) do equipamento que tende a zerar a tensão para manter o equilíbrio. Dessa forma o aparelho calibrado medirá a deformação em micro Siemens. (OLIVEIRA, 2010) O cálculo do torque realizado através das medições de deformação é obtido através dos equacionamentos a seguir.

A relação de deformação entre os extensômetros ocorre quando:

ε1 = ε2 = -ε3 = -ε4

onde: εi é a deformação obtida no sensor i. Através da ponte de Wheatstone na figura 10 tem-se: 3' Δ61 Δ62 Δ63 Δ64 =4 + − − 9 3 Δ61 Δ62 Δ63 Δ64 Δ6 = :; × ε 6 3' = 4 × :; × ε 3 onde: V0: tensão de saída da ponte [V] V: tensão de entrada da ponte [V] R1: resistência nominal do tensor i [Ω] Δ6 : variação de resistência do sensor i [Ω] Fg: fator de sensibilidade do sensor

35 desta forma a deformação medida poderá ser expressa por: ==

%

> ×?@

×

AB

[4]

A

Conhecendo-se a deformação através da equação 4, pode-se calcular o torque através da equação 5. C

==D E =F×G →

=

H×I /J

O2 × =P × Q × R 2×

==×Q×R =

≡

S×LI T > ×?@

×

H×I

LI M /D >

(

AB A

[5]

onde: ε: deformação direcional medida [m/m] τ: tensão de cisalhamento [Pa] G: módulo de elasticidade transversal [Pa] T: torque [N×m] r: raio do eixo [m] Jp: momento polar de inércia [m4] d: diâmetro do eixo [m] γ: deformação de cisalhamento [m/m]

Os dados do torque medido através da equação 5 estão compreendidos num período de medições de 57 horas e detalhes podem ser encontrados no anexo 1. No quadro 4 encontra-se um resumo médio dos picos de torque observados durante as medições por extensometria ao qual observa-se que os valores são menores que os encontrados pela medição do motor elétrico.

36

Quadro 4 Resumo dos resultados obtidos por extensometria Torque [N×m] Período de 1 hora Média dos períodos com eventos Máximos absolutos

Nº de picos

Máximo

Mínimo

05

9,08E+05

-1,02E+06

10

1,72E+06

-1,52E+06

Fonte: Relatório técnico 32052/2016, (2016).

A execução das medições foi realizada com os seguintes parâmetros: •

frequência de aquisição utilizada no monitoramento de corrente tensão e rotação: 16,667 Hz

• frequência de aquisição utilizada no monitoramento das deformações: 3,334 Hz A instalação dos extensômetros nas alongas pode ser vista nas figuras 11 e 12: Figura 11 Preparação dos extensômetros antes de realizar a instalação nas alongas

Aquisitor de dados

Detalhe da ligação feita entre o aquisitor e o extensômetro

Fonte: Aperam (2016)

37 Figura 12 Detalhe da ligação entre o aquisitor de dados e os extensômetros

Fonte: Aperam (2016).

Durante a aquisição de dados, são monitorados os valores em um gráfico que relaciona o torque com o tempo, onde tem-se o torque medido pela deformação e o torque medido do motor elétrico, A Figura 13 ilustra uma tela de medição com os gráficos de torque por extensometria e torque do motor. Figura 13 Gráfico torque [MN×m] x tempo [s], valores em vermelho torque do motor e valores em azul torque por extensometria

Fonte: Relatório técnico 32052/2016, (2016).

38 Para a figura 13 nota-se que no período compreendido da laminação de determinado aço foram observados 5 picos de carga que apresentam torque de aproximadamente 1U1 × 2 e 2

picos de carga que apresentam torque de 2U1 × 2, sendo assim, adota-se esses valores de torque e intervalo de tempo para definir a ciclagem e efetuar o cálculo de vida útil da alonga estudada, conforme indicado por DOWLING, 2000. Observa-se nas medições realizadas que a alonga está sob o efeito de carga máxima durante 30% do tempo total (razão entre 2 picos de 2 U1 × 2 pelo total de picos). Desta forma temos duas considerações para a definição da fadiga e cálculo de vida útil, sendo elas: •

Zero até o Pico de carga no torque igual a 1 U1 × 2:

Número de picos de carga por hora = 5 x 7 (eventos por hora) = 35 picos/hora Número de picos de carga por dia = 35 x 24 = 840 picos/dia Número de picos por ano = 840 x 365 = 306600 picos/ano [Nj] •

Zero até o Pico de carga no torque igual a 2,0 U1 × 2:

Número de picos de carga por hora = 2 x 7 (eventos por hora) = 14 picos/hora Número de picos de carga por dia = 14 x 24 = 336 picos/dia Número de picos por ano = 336 x 365 = 122640 picos/ano [Nj] Para a determinação da vida em fadiga da alonga tem-se os seguintes dados teóricos do material de acordo com DOWLING, 2000:

σu = 827 MPa – Tensão de ruptura (verificar valor de fabricante) σ`f = 1120 MPa – Tensão que intercepta a curva S-N no eixo das abcissas. b = -0,095 – Coeficiente exponencial teórico da curva

Utiliza-se do programa computacional Unigraphics NX Student Edition para determinar parâmetros de tensão vs deformação incidentes na alonga. Para se extrair os valores de tensão foi solicitado o resultado de tensão equivalente de von Mises (Equivalent Stress), observando as faces do entalhe e furos de lubrificação onde ocorre maior concentração de tensões. Para que o programa retornasse valores referentes à análise estrutural foram impostas condições de contorno simplificadas, pois desta forma, a análise levaria menos tempo para carregamento. As condições de contorno se assemelham as condições reais da alonga em serviço e de acordo com a figura 14 foram estabelecidas da seguinte forma:

39 Figura 14 Condições de contorno aplicados à alonga para a análise Face fixa nas direções xyz

Binário de forças na face da boca Fonte: Autor, 2016.

•

Travamento total da face anterior da alonga que acopla ao eixo do acionamento, através de uma restrição fixa em xyz, que impede qualquer movimento da referida face.

•

Torque gerado através de um binário de forças aplicadas nas faces internas da “boca da alonga”, simulando o efeito do torque causado pelo motor de acionamento. O torque resultante aplicado foi calculado a partir dos valores de pico encontrados em extensometria. Para determinar a carga atuante utiliza-se a equação 6 conforme TSELIKOV, 1965.

=

U 2 V' − 3

V

onde: M = momento transmitido pela alonga; b0 = Largura total entre bocas da alonga (valor retirado do desenho técnico); b = Largura da face de uma boca da alonga (valor retirado do desenho técnico); P = Força aplicada na face. Logo, para o caso de 2000 kN m de torque tem-se:

[6]

40 =

2000W3 1 × 2 = 3.524,1$1 2 0,744 2 − × 0,264 2 3

e para o caso de 1000 kN×m de torque tem-se:

P/2 = 1.762,05 Kn

Figura 15 Tensão equivalente de von Mises atuante devido ao torque 2000 kN×m

Fonte: Autor (2016).

Figura 16 Detalhe do entalhe e furo de lubrificação com tensões elevadas

Fonte: Autor (2016).

41 Após aplicação da condição de contorno no modelo, obteve-se os valores de tensão de equivalente de von Mises (Equivalent Stress), que foram elevadas nos entalhes e furos de lubrificação da cabeça postiça. Para o caso de 2000 kN m, binário de força de 3.524,1 kN, resulta-se em uma tensão máxima de von Mises de 484,62 MPa conforme observado nas figuras 15 e 16. Já para o caso de 1000 kN m, binário de forças de 1.762,05 kN, resulta-se em uma tensão máxima de von Mises de 242 MPa conforme observado na figura 17. Figura 17 Tensão equivalente de von Mises atuante devido ao torque 1000 kN m

Fonte: Autor (2016).

A análise estrutural considera os carregamentos reais de pico medidos pelo extensômetro e as tensões obtidas no modelo de elementos finitos são consideradas nos cálculos do número de ciclos para falha e vida útil. Os resultados encontrados para os dois casos

encontram-se no quadro 5.

Quadro 5 Resultado da análise estática Caso de carga [kN m]

Tensão máxima [MPa]

2000

484,62

1000

242,1

Fonte: Autor (2016).

42 De acordo com o DOWLING, 2000, para o cálculo da fadiga multiaxial segue o esquema de cálculo que poderá ser encontrado como anexo 2: •

Cálculo da tensão média:

Z2 = •

Z =

∆Z 2

=

• Z

D

Cálculo da tensão alternada:

• Z

[\á^ _ [\ `

Cálculo da tensão alternada corrigida: Z 1 − Z2d Z′c Cálculo do número de ciclos para falha:

= Z e c × O2 × 1cPf %

1 Z f 1c = 4 e 9 2 Zc onde: σm: tensão média, σa: tensão alternada, σac: Tensão alternada corrigida [MPa], Nf: Número de ciclos para falha, σ'f: Valor da tensão alternada que intercepta o eixo das ordenadas na curva S-N [MPa]. b: Coeficiente exponencial obtido da curva S-N do material, * hij [`khij [O`k%P

*V = ∑ hij lm`khij lmO`k%P

43 Quadro 6 Tensões equivalente de von Mises para caso de 1000 kN m Zero a pico – torque = 1000 kN m Tensão de von Misses [MPa] Máxima

242,1

Mínima

0.08

Média

121,1

Alternada

121

Alternada corrigida Nf

135,7 2,235e+9

Fonte: Autor (2016).

Quadro 7 Tensões equivalente de von Mises para caso de 2000 kN m Zero a pico – torque = 2000 kN m Tensão de von Misses [MPa] Máxima

484,62

Mínima

0,16

Média

242,3

Alternada

242,3

Alternada corrigida

308,9

Nf

3,861e+5

Fonte: Autor (2016).

Com base nos dados apresentados podemos calcular a vida em fadiga multiaxial da alonga representada pela equação 7:

3: =

no

1

1p (∑ ) 1cp

VF = 3,14 anos [anexo] Cálculo das perdas

[7]

44 Como a análise é adaptativa para cada situação, não existe uma forma padrão para se calcular as perdas do processo. Para o caso estudado tem-se, de forma conservativa, os custos com o reparo da peça danificada e os custos da perda de produção (tempo em que a linha ficou inoperante). Os valores destas perdas são desconhecidos pelo autor, mas uma estimativa poderá ser levantada tendo conhecimento do valor/h da produção do aço laminado.

Determinar pontos significativos A análise apresentada para o caso da falha da alonga aponta os seguintes tópicos que se julgam importantes: •

Suma importância conhecer o carregamento ao qual a peça está submetida;

•

É necessário conhecer o torque real ao qual as alongas estão submetidas;

•

É necessário conhecer as tensões máximas que a peça é solicitada;

•

Os furos de lubrificação e o entalhe da boca da alonga devem ter atenção especial devido a sua natureza de concentradores de tensões;

•

As propriedades do material são de igual importância para a determinação correta das falhas.

Validação dos resultados

A estratégia a ser seguida na validação dos resultados apresenta naturezas físicas, humanas ou latentes, semelhante ao proposto por LATINO, R.; LATINO, K., 2000, e ações e procedimentos devem ser tomadas para a não repetição da falha. Caso ao ponto deste passo da validação (interpretação dos resultados da análise) o Engenheiro não tenha resposta satisfatória, o ciclo da análise deverá ser refeito depois das ações imediatas. Para que os resultados sejam confiáveis e inquestionáveis, a não repetição da falha deve ser garantida após a implantação das correções. Os critérios a serem aplicados para validação de determinado método depende da sua natureza e propósito. A validação deverá seguir rigorosamente as recomendações do Engenheiro responsável e nenhuma alteração deverá ocorrer sem a previa comunicação. A análise realizada no decorrer deste trabalho foi capaz de levantar raízes causais representadas no quadro 8 e para cada uma delas suas respectivas reparações.

45 Quadro 8 Raízes causais e suas respectivas reparações Raízes

Causas

Correção

Físicas

Furo de lubrificação concentrador

Estudar possibilidade de

de tensões

lubrificação externa eliminando necessidade do furo

Entalhe na ‘boca da alonga’

Estudar aumento do raio do entalhe

concentrador de tensões

para diminuição de concentração de tensões

Acabamento superficial da cabeça

Certificar que o acabamento não

postiça

possua marcas de ferramentas conforme orientado pelo fabricante

Geometria complexa da alonga

Geometrias

muito

complexas

possuem fator ‘K’ de concentração de

tensões

que

acentuam

o

carregamento específico (analisar mudança de geometria) Humanas

O profissional pode interferir no

Minimizar a ação do operador

processo alterando configurações

maximizando a automação do

importantes

processo

Aplicação

de

método

não

Reavaliar

a

utilização

de

comprovado para mitigar falhas

metodologia não comprovada e

(ski)

não

comtemplada

no

projeto

original Latentes

Processo depende da intervenção

Garantir que profissionais que

de profissional capacitado

atuam diretamente no processo estejam

ao

mesmo

nível

de

possibilidade

de

conhecimento Equipamento obsoleto para uso

Verificar

a

cotidiano

modernização do equipamento e aplicação de novas tecnologias

Automação deficiente do processo

Envolver a área de automação/ eletrônica para gerar dados diários de acompanhamento das variáveis fornecidas pelo equipamento

Fonte: Autor (2016).

46 CONCLUSÕES Durante o processo da análise de causa raiz, o engenheiro deve se atentar para todas as informações levantadas a respeito da falha. Como o RCA é uma análise reversiva, ou seja, analisa o problema a partir de uma falha apresentada, o responsável deve seguir passos essenciais descritos na literatura para a determinação exata da causa da falha. O processo de levantamento de dados deve ser o mais criterioso possível a fim de evitar retrabalho e/ou considerações errôneas posteriormente. De acordo com informações levantadas na área, o equipamento utiliza uma metodologia denominada ski que é um diferencial de velocidades entre os cilindros de trabalho do laminador a fim de eliminar a incidência de ponta alta nas chapas laminadas. Esta metodologia, embora tenha de fato eliminado a incidência dessa deformação nas chapas, ainda não foi completamente estudada e seus efeitos nos componentes do laminador não são completamente compreendidos. Desta forma, a análise foi conservativa uma vez que dados específicos dessa metodologia não estão elucidados neste trabalho. Em adição, variáveis do processo que não puderam ser analisadas podem ter interferido na análise apresentada, como o atrito entre mancais e eixo da alonga, temperatura de trabalho da alonga, ensaios metalográficos com corpo de prova retirado da alonga fraturada, entre outros. De posse das informações e estudo seguido, conclui-se que a causa fundamental da quebra se deu por altas concentrações de tensões nas regiões do furo de lubrificação e entalhe da boca da alonga, consequentemente o nucleamento da trinca por fadiga na região da falha devido à tensão máxima de von Mises ao qual a peça é submetida (484 MPa) superar a tensão alternada corrigida para este material, que é o limite máximo teórico de trabalho ao qual a peça teria vida infinita (308 MPa). A análise foi capaz de levantar as raízes físicas, humanas e latentes do processo e para cada causa aparente foi proposto as correções especificadas no quadro 8 conforme orientado pelos autores LATINO, R.; LATINO, K, 2000 e MOBLEY, 1999.

47 REFERÊNCIAS AGUIAR, Milena Cabral. Análise de Causa Raiz: levantamento dos métodos e exemplificação. 2014. 153 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia de Produção, Engenharia Industrial - Puc-rio, Puc-rio, Rio de Janeiro, 2014. Disponível em: . Acesso em: 31 jan. 2014. ANDERSON, Bjorn; FAGERHAUG, Tom. Root Cause Analysis: Simplified Tools and Techniques. 2. ed. Milwaukee: ASQ Quality Press, 2000. ASM INTERNATIONAL HANDBOOK COMMITTEE. Failure Analyses and Prevention. Washington: ASM International, 2002. v. 11 CLAUSING, Don. Total Quality Development: a step-by-step guide to world-class concurrent engineering. New York: ASME, 1994. CORCORAN, Willian. A Foundation for Root Cause Analysis. 2011. Disponível em: . Acesso em: 16 abr. 2016. DOWLING, N. E. Mechanical Behavior of Materials: engineering for deformation, fracture and fatigue. 2. ed. Prentice Hall, Virginia, 2000. EFATIGUE, Fatigue Analysis on the Web. 2016. Disponível em: EMBERLEY, Doug. Thread face cracks. Journal of Failure Analyses and Prevention, New York, v. 6, n. 6, p. 5. 2016. HIRSCH, Kenneth. Software facilitation of root cause analysis in healthcare organizations. Journal of Healthcare Risk Management, Chicago, v. 20, n. 1, p. 32-35, sept. 2009. JURAN J. M.; GRYNA, Frank. M. Jr. Quality Improvement: management Controllable defects. New York, 1980. LATINO, Robert J.; LATINO, Kenneth C. Root Cause Analysis: improving performance for bottom-line results. Boca Raton: CRC Press, 2006. NASA Office of Safety and Mission Assurance, Fault Tree Handbook with Aerospace Applications. Washington, DC: NASA Headquarters, 2002. v. 1.1 OLIVEIRA, J. S. Avaliação Experimental e Teórica do Torque no Laminador de Chapas Grossas da Usiminas. 2010. 117 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Minas) – UFMG, Belo Horizonte, 2010. PEINADO, Jurandir; GRAEML, Alexandre Reis. Administração da produção: operações industriais e de serviços. Curitiba: UnicenP, 2007. PIRES, Jorge et al. Projeto e desenvolvimento de Produto: proposta e desenvolvimento de dispositivo eletrônico para auxiliar no tratamento da icterícia neonatal. 2010. 86 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2009.

48 PUGH, Stuart. Total Design: integrated methods for product engineering. Edinburg: Pearson Education, 1991. QUA, Hock-Chye. Applied Engineering Failure Analyses: theory and practice. New York: CRC Press, 2015. REASON, James. Human Error. Cambridge: Cambridge University Press, 1990. SALOT, Willian. Selecting the right manufacturing improvment tools: what tool? When? Burlington: Elsevier, 2007. TSELIKOV, A. I.; SMIRNOV, V. V.. Trenes de Laminacion. Bilbao, Espanha: Artes Gráficas Grijelmo, 1965. 464 p. Tradução de: IGNACIO ITURRIAGA VORLEY, Geoff. Mini guide to root cause analyses, United Kingdom: Quality Management & Training, 2008.

49 ANEXOS Quadro 9 Resultados das medições do torque por extensometria Períodos de 1 hora

Num. de picos

1

Torque [N*m] Máximo

Minimo

4

1,31E+06

-1,52E+06

2

5

1,19E+06

-1,37E+06

3

4

1,21E+06

-1,41E+06

4

4

1,35E+06

-1,52E+06

5

5

1,56E+06

-1,35E+06

6

4

1,58E+06

-1,29E+06

7

3

1,48E+06

-1,23E+06

8

2

1,52E+06

-1,37E+06

9

2

1,51E+06

-1,27E+06

10

4

1,66E+06

-1,47E+06

11

0

-

-

12

3

1,51E+06

-1,22E+06

13

3

1,38E+06

-1,08E+06

14

5

3,37E+05

-7,29E+05

15

5

1,72E+06

-1,46E+06

16

2

7,98E+05

-8,22E+05

17

6

8,74E+05

-8,82E+05

18

3

8,14E+05

-8,16E+05

19

5

8,20E+05

-8,07E+05

20

4

7,92E+05

-7,40E+05

21

2

7,87E+05

-7,78E+05

22

4

9,38E+05

-8,04E+05

23

3

8,25E+05

-9,38E+05

24

3

8,15E+05

-8,83E+05

25

4

7,37E+05

-9,25E+05

26

3

7,92E+05

-9,01E+05

27

0

-

-

50 28

3

1,19E+06

-1,20E+06

29

8

1,19E+06

-1,40E+06

30

8

9,25E+05

-1,30E+06

31

8

7,02E+05

-9,50E+05

32

9

6,82E+05

-9,00E+05

33

9

7,88E+05

-9,13E+05

34

2

5,61E+05

-9,29E+05

35

10

8,83E+05

-9,43E+05

36

6

8,19E+05

-9,18E+05

37

2

7,97E+05

-7,94E+05

38

5

8,30E+05

-8,64E+05

39

4

7,91E+05

-8,52E+05

40

0

-

-

41

8

9,87E+05

-8,53E+05

42

6

7,85E+05

-8,12E+05

43

7

7,68E+05

-7,75E+05

44

6

6,74E+05

-8,12E+05

45

7

6,57E+05

-7,13E+05

46

6

6,35E+05

-7,62E+05

47

0

-

-

48

2

8,28E+05

-9,44E+05

49

6

8,42E+05

-1,09E+06

50

6

8,37E+05

-9,84E+05

51

7

9,49E+05

-1,00E+06

52

6

9,21E+05

-9,70E+05

53

5

8,54E+05

-1,01E+06

54

7

9,12E+05

-9,59E+05

55

7

9,18E+05

-9,93E+05

56

6

9,27E+05

-9,54E+05

51 Dedução do torque para obtenção do binário de forças atuantes na alonga U = 2000 $1 V = 744,4422 V=

=

254,2 + 245,5 + 292,6 3 U 2 V −3×V

= 3,524 × 10, 1

52 Cálculo da vida útil para a alonga 1p1 = 122640

1p2 = 306600 V = −0,095

Z e c = 1120 U no = 1

Cálculo Da tensão média, alternada e alternada corrigida para os casos de torque 2000 $1 × 2

e 1000 $1 × 2

Z2 w = 484,3 × 10, Z′2 w = 242,1 × 10, Z2

=0

Z2 =

OZ2 w + Z2 P 2

Z =

OZ2 w − Z2 P 2

Z

=

Z

1−4

Z2 9 Z ec %

Z f 1c1 = 0,5 × 4 9 Z′c Calculo da vida em fadiga considerando ciclagem fornecidas por dados de deformação e tensões fornecidas por FEA

53 3: =

no

3: = 3,14

1 1p2 1p1 x4 9+4 9y 1c1 1c2