Análise da causa raiz: Falha nas vedações do cilindro hidráulico (contaminação, distorção, picos de pressão)

1. Introdução: Sintomas de falha

Um incidente crítico foi registrado na linha de estampagem de peças metálicas: a prensa hidráulica principal com força de 2.500 kN parou devido a uma queda brusca de pressão no sistema. O operador relatou um vazamento significativo de fluido hidráulico devido a uma vedação da haste do cilindro mestre. O tempo do ciclo de trabalho aumentou 15% durante as últimas 48 horas antes da falha completa, indicando uma diminuição gradual na eficiência volumétrica.

Uma inspeção visual revelou uma poça de óleo hidráulico (ISO VG 46) com volume de cerca de 15 litros no leito da prensa. A temperatura do corpo do cilindro na área da tampa frontal era de 85°C (normalmente 55°C). A falha resultou em paralisação do equipamento e no risco de interrupção do cronograma de produção. O objetivo desta análise é determinar as causas técnicas exatas da falha do selo e desenvolver uma estratégia para prevenir tais incidentes.

2. Visão geral do componente e condições operacionais

O objeto de pesquisa é um cilindro hidráulico de dupla ação. Principais características técnicas:

• Diâmetro do pistão: 160 mm
• Diâmetro da haste: 100 mm
• Curso da haste: 800 mm
• Pressão nominal de trabalho: 210 bar
• Pressão máxima de pico: 250 bar
• Fluido de trabalho: óleo mineral ISO VG 46

O sistema de vedação da haste consiste em um coletor de sujeira (NBR), uma vedação U principal (poliuretano, PU) e uma vedação tampão (PTFE com enchimento de bronze). Os anéis guia são feitos de resina fenólica reforçada com tecido.

Os distribuidores hidráulicos direcionais são controlados por meio de lógica de relé, onde o principal elemento de retardo de tempo para a comutação suave da válvula é o relé de tempo Siemens 7PU44402AN20. Este componente é responsável por formar os intervalos de tempo de aceleração e desaceleração da prensa deslizante maciça, evitando que as válvulas fechem abruptamente.

3. Sinais de falha (base de evidências)

Durante a desmontagem do cilindro hidráulico nas condições da oficina mecânica, foram encontradas as seguintes evidências físicas:

3.1. Condição dos selos

A vedação principal de poliuretano apresenta sinais de extrusão (compressão) no lado de baixa pressão. A borda está rasgada, há vestígios de degradação térmica (escurecimento do material). A vedação tampão feita de PTFE está deformada, a folga na trava aumentou de 0,2 mm para 1,5 mm.

3.2. Condição da haste e guias

Arranhões longitudinais são gravados na superfície cromada da haste. A medição com perfilômetro mostrou uma rugosidade de Rz = 6,3 μm (o valor nominal para operação estável das vedações é Rz ≤ 0,4 μm). Os anéis guia apresentam desgaste assimétrico: a espessura de um lado é de 2,1 mm, do lado oposto - 3,4 mm (espessura inicial 3,5 mm).

3.3. Análise do fluido de trabalho e parâmetros de controle

A análise laboratorial de uma amostra de óleo retirada do tanque apresentou classe de pureza ISO 4406 de 19/21/16 (a norma para este tipo de sistema é 15/17/12). Foi encontrado alto teor de silício e aparas de metal.

Ao verificar o circuito de controle elétrico, descobriu-se que a configuração do relé Siemens 7PU44402AN20 estava errada: o tempo de atraso para o fechamento da válvula de drenagem principal foi de 50 ms em vez dos 250 ms estimados.

4. Investigação das causas raízes (Método 5 Porquê)

Para sistematizar as evidências, o método dos “5 Porquês” foi aplicado em três áreas principais: poluição, distorção, saltos de pressão.

Direção 1: Contaminação do sistema

1. Por que apareceram arranhões longitudinais na haste? Devido à penetração de partículas abrasivas entre a haste e a vedação.
2. Por que as partículas foram parar nesta área? O removedor de sujeira não conseguiu limpar a haste durante o movimento reverso.
3. Por que o removedor de sujeira falhou? Sua borda de trabalho estava desgastada devido à alta concentração de poeira na oficina e à falta de uma ondulação protetora.
4. Por que o nível de contaminação do óleo (21/19/16) excedeu a norma? O elemento filtrante do filtro de drenagem estava operando no modo bypass (válvula bypass aberta).
5. Por que o filtro funcionou em bypass? O indicador de contaminação do filtro estava com defeito, a substituição regular do elemento filtrante (MTBF 500 horas) foi ignorada.

Direção 2: inclinação mecânica

1. Por que os anéis-guia apresentam desgaste assimétrico?Uma carga radial (lateral) significativa foi aplicada à haste.
2. Por que ocorreu a carga lateral? O eixo do cilindro hidráulico não coincidiu com o eixo de movimento da prensa deslizante.
3. Por que ocorreu a discrepância? Afrouxamento dos parafusos de fixação do flange do cilindro hidráulico.
4. Por que os parafusos se soltaram? Falta de controle de torque regular e alto nível de vibração.

Direção 3: Saltos de pressão (Hydroshock)

1. Por que ocorreu a extrusão da vedação de poliuretano? A pressão na cavidade do cilindro excedeu o limite de resistência do material da vedação para a folga de montagem disponível.
2. Por que a pressão excedeu o limite permitido?Ocorreu choque hidráulico durante a parada do controle deslizante.
3. Por que ocorreu o golpe de aríete? A válvula de drenagem principal fechou muito rapidamente, interrompendo instantaneamente o fluxo de óleo.
4. Por que a válvula fechou rapidamente? O relé de tempo Siemens 7PU44402AN20 disparou em 50 ms em vez de 250 ms.
5. Por que a configuração do relé foi alterada? Intervenção não autorizada do operador no gabinete de controle para acelerar o ciclo de trabalho da prensa.

5. Causas raiz identificadas

Com base nos dados coletados, foi formada uma matriz de causas com avaliação da probabilidade e grau de influência na destruição do selo.

6. Ações corretivas

As seguintes medidas foram implementadas para restaurar a operacionalidade do equipamento e eliminar as causas de falha.

Ações imediatas (curto prazo)

• Substituição de componentes: Novo kit de vedação (PU + PTFE) e novos anéis-guia instalados. A haste do cilindro hidráulico foi substituída por uma nova revestida com cromo duro (espessura 30 μm, Rz 0,2 μm).
• Limpeza do sistema: executou uma lavagem completa do sistema hidráulico usando uma estação de filtro móvel para uma classe de limpeza de ISO 4406 14/16/11.
• Calibração de controle: o relé Siemens 7PU44402AN20 foi recalibrado para um atraso de 250 ms. Um selo é instalado no potenciômetro para evitar adulterações não autorizadas.

Ações preventivas (longo prazo)

• Modernização da filtragem: Foram instalados filtros de drenagem com filtração absoluta de 10 μm (β10 ≥ 200) e sensores eletrônicos de queda de pressão integrados no ACS TP.
• Alinhamento geométrico: Foi realizada a centralização a laser do cilindro hidráulico em relação à prensa deslizante. A tolerância de desalinhamento é definida no nível de 0,05 mm/m. Foi implementado o uso de torquímetros para aperto de conexões flangeadas.
• Proteção contra golpe de aríete: Um acumulador hidráulico de membrana com volume de 4 litros é integrado à linha hidráulica para amortecer picos de pressão em caso de falhas eletrônicas.

7. Lista de verificação de diagnóstico rápido para técnicos

Esta lista de verificação foi projetada para ser usada em tablets durante rondas diárias de equipamentos (formato Go/No-Go).

• [ ] Controle visual da haste: Ausência de película de óleo em forma de gotas. O caldo deve ficar levemente úmido, mas sem pingar.
• [ ] Condição da superfície da haste: Sem arranhões longitudinais visíveis, sulcos ou descoloração cromada (o azul indica superaquecimento).
• [ ] Regime de temperatura: A temperatura do corpo do cilindro (medida por um pirômetro) não excede 60°C. Diferença de temperatura entre tampa e manga ≤ 5°C.
• [ ] Fixação: Verificar a presença de marcas de tinta nos parafusos de fixação (indica ausência de afrouxamento).
• [ ] Filtragem: Os indicadores de contaminação do filtro estão na zona verde.
• [ ] Operação da válvula: O som da troca de distribuidores hidráulicos é suave, sem impactos afiados de metal.
• [ ] Parâmetros do relé: Verificação visual da integridade das vedações em temporizadores e relés (incluindo Siemens 7PU44402AN20) no gabinete de controle.
• [ ] Nível de ruído: Nenhum ruído de cavitação ou ruído de alta frequência vindo da estação de bombeamento.

8. Estratégia de prevenção e monitoramento de condições

Para aumentar o tempo médio entre falhas (MTBF) das atuais 2.000 horas para uma meta de 8.000 horas, uma estratégia de manutenção preditiva é implementada.

Análise de óleo: Amostragem a cada 500 horas de trabalho. Três parâmetros são controlados: classe de pureza (ISO 4406), teor de água (ppm) e viscosidade cinemática a 40°C. Exceder o código de pureza acima de 18/16/13 requer que a filtragem offline seja conectada imediatamente.

Controle de vibração: Instalação de acelerômetros na carcaça principal da bomba para detectar pulsações de pressão que podem indicar problemas na válvula ou falhas na lógica do relé.

Substituições planejadas: As vedações de cilindros hidráulicos são transferidas para a categoria de componentes críticos. A substituição regular é realizada a cada 8.000 horas de operação ou a cada 2 anos, o que ocorrer primeiro, independentemente de vazamentos visíveis.

9. Resumo

A análise de falhas mostrou que a falha nas vedações dos cilindros hidráulicos raramente tem uma única causa. Neste caso, uma combinação de fluido de trabalho contaminado, desalinhamento mecânico e um pico crítico de pressão devido a configurações incorretas do relé de controle resultou na rápida degradação do poliuretano e do PTFE. Uma abordagem sistemática à manutenção, que inclui o controle da pureza do óleo, a centralização precisa da mecânica e o controle rigoroso dos parâmetros eletroautomáticos, é o único método confiável para garantir a operação ininterrupta dos sistemas hidráulicos.

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10. Referências normativas

• ISO 4406:2017 — Acionamento hidráulico volumétrico. Fluidos de trabalho. O método de codificação do nível de contaminação por partículas sólidas.
• ISO 5598:2020 — Sistemas hidráulicos e pneumáticos. Dicionário de termos.
• DSTU EN ISO 4413:2014 — Acionamento hidráulico volumétrico. Regras gerais e requisitos de segurança para sistemas e seus componentes.
• ISO 10771-1:2015 — Acionamento hidráulico volumétrico. Testes de fadiga de reservatórios metálicos operando sob pressão.