Projecto — UC02947

Análise de Falha de Componente Industrial e Proposta de Melhoria

Duração total: 10 horas | Modalidade: Individual | Avaliação: 0–20 valores

Contexto

O Laboratório de Análise de Falhas da empresa IndusPrecision, Lda., recebeu para análise um engrenagem de transmissão (pinhão helicoidal) de um redutor industrial que falhou após 8 meses de serviço (vida esperada: 5 anos). A engrenagem foi recuperada de um redutor de fuso de uma linha de engarrafamento.

Dados disponíveis: - Material especificado: 16MnCr5 com cementação + têmpera, dureza superficial 58–62 HRC, núcleo 30–35 HRC - Diâmetro primitivo: 85 mm; número de dentes: 17; módulo 5 mm - Velocidade: 750 rpm; binário transmitido: 250 N·m - Lubrificante: óleo ISO VG220, temperatura de óleo 65°C - Histórico: avaria súbita; sem alarmes de temperatura ou vibração registados previamente

Observações realizadas: - Fracturas em 3 dentes (2 completas, 1 parcial) - Superfície de fractura com facetas de clivagem brilhante e ausência de deformação plástica - Picadas (pitting) na superfície dos flancos dos dentes restantes - Dureza medida na base dos dentes falhados: 48–52 HRC (abaixo do especificado) - Espessura da camada cementada: 0,5 mm (especificação: 0,8–1,2 mm) - Análise química: composição conforme 16MnCr5 - Rugosidade dos flancos (dentes não falhados): Ra = 2,8 µm (especificação: Ra ≤ 0,8 µm)

Parte 1 — Análise Fractográfica e Identificação do Modo de Falha (2,5h)

a) Com base nas observações fornecidas, identifique e descreva os dois modos de falha presentes na engrenagem (fractura dos dentes + pitting dos flancos).

b) Para a fractura dos dentes, determine se a falha foi por: - Sobrecarga única (impacto) - Fadiga de contacto (pitting leading to fracture) - Fadiga de flexão na raiz do dente

Justifique com base nas observações fractográficas fornecidas.

c) Relacione a dureza abaixo do especificado (48–52 HRC vs. 58–62 HRC) e a camada cementada insuficiente (0,5 vs. 0,8–1,2 mm) com a falha observada. Calcule a resistência à fadiga de contacto (σH) esperada para cada nível de dureza usando a relação σH ≈ 2,22 × HV + 200 (MPa).

d) Avalie o impacto da rugosidade excessiva (Ra = 2,8 µm) na vida à fadiga de contacto (pitting). Explique como a rugosidade afecta o filme de lubrificante elastohidrodinâmico (EHD).

Parte 2 — Identificação da Causa Raíz (2h)

a) Construa uma Árvore de Causas (Why-Why ou Árvore de Falhas simplificada) para a falha desta engrenagem, partindo do efeito "Fractura de 3 dentes" e chegando às causas raíz.

b) Classifique as causas raíz identificadas nas seguintes categorias: processo de fabricação, especificação do material, manutenção, projecto. Atribua uma percentagem de contribuição relativa a cada categoria.

c) Se pudesse realizar apenas uma acção correctiva para prevenir a recorrência imediata, qual seria? Justifique.

Parte 3 — Proposta de Material e Processo Alternativo (3h)

a) O actual material (16MnCr5) é teoricamente adequado para esta aplicação. Proponha um material alternativo para a engrenagem que ofereça maior resistência à fadiga de contacto e maior tenacidade, mantendo a possibilidade de cementação. Compare com o 16MnCr5 numa tabela de propriedades.

b) Proponha alterações ao processo de fabrico (tratamento térmico + acabamento) que maximizem a vida útil da engrenagem, independentemente do material.

c) Elabore uma especificação técnica completa para a engrenagem de substituição, incluindo: designação do material, dimensões da camada cementada, dureza superficial e do núcleo, rugosidade Ra dos flancos e da raiz do dente, e inspecções de controlo de qualidade obrigatórias.

d) Calcule o custo comparativo da solução original vs. a solução proposta, considerando: - Custo da engrenagem: 280 € (original) vs. 380 € (material alternativo) - Custo de paragem não programada: 2 500 €/hora - Duração da paragem para substituição: 4 horas - Vida útil: 8 meses (original) vs. 5 anos (proposta) na mesma aplicação

Parte 4 — Relatório Técnico de Análise de Falha (2,5h)

4.1 Estrutura do relatório

Elabore um relatório técnico completo de análise de falha com a seguinte estrutura:

1. Sumário executivo (1 parágrafo — para gestão não técnica) 2. Descrição da falha (componente, condições de serviço, histórico) 3. Metodologia de análise (técnicas utilizadas) 4. Resultados e observações (fractografia, dureza, metalografia, rugosidade) 5. Identificação das causas raíz (árvore de causas, contribuição relativa) 6. Conclusões (modo de falha, causa dominante) 7. Recomendações (acções correctivas imediatas e preventivas de longo prazo) 8. Análise económica (custo da falha vs. custo da solução)

Critérios de Avaliação

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