DISSERT - Instrumentacao motores diesel virabrequim

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<p>UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ</p><p>EMERSON JOHN VIEIRA DA SILVA</p><p>INSTRUMENTAÇÃO DE MOTORES A DIESEL DE GRANDE PORTE</p><p>PARA MEDIÇÃO DA TEMPERATURA DE MANCAIS DO</p><p>VIRABREQUIM</p><p>DISSERTAÇÃO</p><p>CURITIBA</p><p>2022</p><p>EMERSON JOHN VIEIRA DA SILVA</p><p>INSTRUMENTAÇÃO DE MOTORES A DIESEL DE GRANDE</p><p>PORTE PARA MEDIÇÃO DA TEMPERATURA DE MANCAIS DO</p><p>VIRABREQUIM</p><p>Instrumentation of large diesel engines for measuring the</p><p>temperature of crankshaft bearings</p><p>Dissertação apresentado como requisito para</p><p>obtenção do grau de Mestre em Engenharia</p><p>Elétrica e Informática Industrial, do Pro-</p><p>grama de Pós-Graduação em Engenharia</p><p>Elétrica e Informática Industrial, da Uni-</p><p>versidade Tecnológica Federal do Paraná</p><p>(UTFPR).</p><p>Orientador: Prof. Dr. Cicero Martelli</p><p>Coorientador: Prof. Dr. Jean Carlos Cardozo</p><p>da Silva</p><p>CURITIBA</p><p>2022</p><p>4.0 Internacional</p><p>Esta licença permite compartilhamento, remixe, adaptação e criação a partir do</p><p>trabalho, mesmo para fins comerciais, desde que sejam atribuídos créditos ao(s)</p><p>autor(es).</p><p>Conteúdos elaborados por terceiros, citados e referenciados nesta obra não são</p><p>cobertos pela licença.</p><p>https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pt_BR</p><p>30/08/2022 10:39 -</p><p>https://sistemas2.utfpr.edu.br/dpls/sistema/aluno01/mpCADEDocsAssinar.pcTelaAssinaturaDoc?p_pesscodnr=124928&p_cadedocpescodnr=739… 1/1</p><p>Ministério da Educação</p><p>Universidade Tecnológica Federal do Paraná</p><p>Campus Curitiba</p><p>EMERSON JOHN VIEIRA DA SILVA</p><p>INSTRUMENTAÇÃO DE MOTORES A DIESEL DE GRANDE PORTE PARA MEDIÇÃO DA TEMPERATURA</p><p>DE MANCAIS DO VIRABREQUIM</p><p>Trabalho de pesquisa de mestrado apresentado como</p><p>requisito para obtenção do título de Mestre Em Ciências da</p><p>Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Área</p><p>de concentração: Engenharia De Automação E Sistemas.</p><p>Data de aprovação: 11 de Agosto de 2022</p><p>Dr. Cicero Martelli, Doutorado - Universidade Tecnológica Federal do Paraná</p><p>Felipe Mezzadri, - Universidade Tecnológica Federal do Paraná</p><p>Dr. Guilherme Dutra, Doutorado - Mentor Photonics</p><p>Dr. Uilian Jose Dreyer, Doutorado - Universidade Tecnológica Federal do Paraná</p><p>Documento gerado pelo Sistema Acadêmico da UTFPR a partir dos dados da Ata de Defesa em 11/08/2022.</p><p>Dedico este trabalho à memória de minha</p><p>querida avó Srª. Iolanda.</p><p>AGRADECIMENTOS</p><p>A Deus por ter me dado saúde e força para superar as dificuldades. A esta universidade,</p><p>seu corpo docente, direção e administração, que oportunizou a janela que hoje vislumbro um</p><p>horizonte superior.</p><p>Ao meu orientador, Prof. Dr. Cicero Martelli, mais do que um mestre e orientador, um</p><p>amigo que nunca economizou paciência e dedicação.</p><p>Ao meu amigo Bruno César Krause Morás que contribuiu significativamente com</p><p>correções de textos e traduções.</p><p>Aos meus Pais, por terem me ensinado o real significado da dignidade, ética e perseve-</p><p>rança.</p><p>Por fim, agradeço a minha amada esposa Nayellen, que não poupou esforços e transfor-</p><p>mou cada dia dessa jornada mais suave e confortável.</p><p>Certamente esses parágrafos não contém todas as pessoas que fizeram parte dessa</p><p>importante fase de minha vida. Peço desculpas àquelas que não estão presentes entre estas</p><p>palavras, mas podem ter certeza que fazem parte do meu pensamento e de minha gratidão.</p><p>Você pode dormir até mais tarde e ter muitos</p><p>sonhos, porem se acordar mais cedo pode</p><p>realiza-los. De que lado você gostaria de estar?</p><p>(Apóstolo Ricardo Rodrigues).</p><p>RESUMO</p><p>SILVA, Emerson John Vieira da. Instrumentação de motores a diesel de grande porte para</p><p>medição da temperatura de mancais do virabrequim. 2022. 99 f. Dissertação (Mestrado em</p><p>Engenharia Elétrica e Informática Industrial) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná.</p><p>Curitiba, 2022.</p><p>Muitos motores diesel de grande porte são empregados nos mais diversos ramos de atividades,</p><p>como por exemplo: Ferrovias, navios, plataformas de petróleo, mineração e agricultura. Muitos</p><p>destes motores que estão ativos no Brasil são antigos e não possuem tecnologia de telemetria</p><p>embarcada. Este estudo demonstra o projeto, desenvolvimento e implantação de um sistema</p><p>de medição de temperatura dos mancais para motor diesel ferroviário. Foi desenvolvido um</p><p>transdutor com vinte e quatro sensores digitais, e também um sistema para aquisição e análises</p><p>destes dados. Todo o sistema foi projetado para adequar-se ao uso em locomotivas. Foi instalado</p><p>e analisado um sistema em operação e os resultados demonstraram que as técnicas de instrumen-</p><p>tação utilizadas permitem monitorar, de forma precisa, a temperatura dos mancais de um motor a</p><p>diesel antigo, sem afetar seu funcionamento. Devido às características do sistema desenvolvido, é</p><p>possível obter um grande volume de dados de temperatura do motor e a partir dessas informações</p><p>coletadas, realizar análises de desgastes e mal funcionamento do motor em tempo real. Além do</p><p>sistema de aquisição de dados o sistema possui um módulo supervisório que gera alarmes em</p><p>caso de identificação de falha no motor. Além disso, o sistema também auxilia no planejamento</p><p>das manutenções preventiva e preditiva, reduzindo o tempo de máquina parada. Este trabalho</p><p>teve como base um sistema já existente, baseado em sensor de Rede de Bragg em fibra óptica</p><p>(FBG). Foi possível observar que os dois sistemas de medição (óptico e eletrônico), possuem</p><p>resultados semelhantes, e que o sistema aqui disposto, atende a aplicação.</p><p>Palavras-chave: Motor diesel. Temperatura. Instrumentação ferroviária. Manutenção. Locomo-</p><p>tiva.</p><p>ABSTRACT</p><p>SILVA, Emerson John Vieira da. Instrumentation of large diesel engines for measuring the</p><p>temperature of crankshaft bearings. 2022. 99 p. Dissertation (PhD in Program in Electrical</p><p>Engineering and Industrial Informatics) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba,</p><p>2022.</p><p>Many large diesel engines are used in the most diverse fields of activities, such as: Railways,</p><p>ships, oil platforms, mining and agriculture. Many of these engines that are active in Brazil</p><p>are old and do not have embedded telemetry technology. This study demonstrates the design,</p><p>development and implementation of a bearing temperature measurement system for a railway</p><p>diesel engine. A transducer with twenty-four digital sensors was developed, as well as a system</p><p>for the acquisition and analysis of these data. The entire system has been designed to suit use</p><p>on locomotives. A system in operation was installed and analyzed and the results showed that</p><p>the instrumentation techniques used allow monitoring, in a precise way, the temperature of the</p><p>bearings of an old diesel engine, without affecting its operation. Due to the characteristics of the</p><p>developed system, it is possible to obtain a large volume of engine temperature data and, from this</p><p>collected information, perform analysis of wear and engine malfunctions in real time. In addition</p><p>to the data acquisition system, the system has a supervisory module that generates alarms in</p><p>case of engine failure identification. In addition, the system also assists in planning preventive</p><p>and predictive maintenance, reducing downtime. This work was based on an existing system,</p><p>based on a FBG sensor. It was possible to observe that the two measurement systems (optical</p><p>and electronic) have similar results, and that the system provided here meets the application.</p><p>Keywords: Diesel engine. Temperature. Railway instrumentation. Maintenance. Locomotive.</p><p>LISTA DE ILUSTRAÇÕES</p><p>Figura 1 – Aplicações fora de estrada para motores a diesel. . . . . . . . . . . . . . . . 15</p><p>Figura 2 – Diagrama em blocos locomotiva diesel-elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . 16</p><p>Figura 3 – Topologias de posição de cilindros em motores diesel . . . . . . . . . . . . 22</p><p>Figura 4 – Virabrequim de um motor diesel de grande porte . . . . . . . . . . . . . . . 23</p><p>Figura 5 – Cabeçote, bloco e cárter de um motor diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . 24</p><p>Figura 6 – Circulação do óleo lubrificante no sistema de lubrificação sob pressão . . . 26</p><p>Figura 7 – Casquilhos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28</p><p>Figura 8 – Lubrificação Casquilho . . . . .</p><p>adequado irá coletar as informações de temperatura e avisará algum dano no interior</p><p>do motor. Todavia, o monitoramento de temperatura de um motor que pode operar em valores</p><p>extremos, requer um sistema de sensoriamento reforçado e que suas características não se alterem</p><p>com o tempo e tampouco na presença de óleo e de alta temperatura (MEZZADRI, 2018).</p><p>3.1 DEFINIÇÕES DO TRANSDUTOR DE TEMPERATURA</p><p>A quantidade de sensores necessários no transdutor foi definido com base na quantidade</p><p>de mancais do motor da locomotiva GE U20C. Como já mencionado anteriormente, a locomotiva</p><p>possui o motor GE 7FDL com 7 mancais fixos e 6 mancais móveis, conforme ilustração da</p><p>Figura 18. O proposto foi medir a temperatura de cada um dos lados dos mancais, por onde o</p><p>esguicho de óleo é expelido e se choca com a parede interna do bloco do motor.</p><p>Figura 18 – Detalhes do dimensionamento e alinhamento dos sensores de temperatura com os mancais</p><p>Fonte: Mezzadri (2018)</p><p>A medição da temperatura dos mancais fixos das extremidades do virabrequim só torna-</p><p>se viável do lado voltado para a parte interna do motor, pelo fato de que o outro lado do motor é</p><p>inacessível em seu interior. Com isso, temos 12 pontos de medição de temperatura referentes aos</p><p>mancais móveis, e 12 pontos de medição referentes aos mancais fixos. As dimensões de cada</p><p>44</p><p>parte do virabrequim também estão indicadas na Figura 18 e também dispostas na Tabela 1.</p><p>Tabela 1 – Posicionamento dos elementos sensores ao longo do virabrequim</p><p>𝑃𝑜𝑠𝑖ç𝑐ã𝑜 𝐷𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟</p><p>[mm] [mm] [unidade]</p><p>0 0 1</p><p>75 75 2</p><p>228 153 3</p><p>303 75 4</p><p>419 116 5</p><p>494 75 6</p><p>647 153 7</p><p>722 75 8</p><p>838 116 9</p><p>913 75 10</p><p>1066 153 11</p><p>1141 75 12</p><p>1257 116 13</p><p>1332 75 14</p><p>1485 153 15</p><p>1560 75 16</p><p>1676 116 17</p><p>1751 75 18</p><p>1904 153 19</p><p>1979 75 20</p><p>2095 116 21</p><p>2170 75 22</p><p>2323 153 23</p><p>2398 75 24</p><p>Fonte: (MEZZADRI, 2018)</p><p>Ao total, o transdutor deve possuir 24 sensores de temperatura, distribuídos em 2,398</p><p>m de comprimento. Um ponto importante nesta forma de medir a temperatura é manter o</p><p>alinhamento entre a posição dos mancais e o elemento sensor do transdutor, afim de maximizar a</p><p>medição de temperatura, atingindo o esguicho de óleo exatamente em cima do sensor. Qualquer</p><p>desvio na casa de milímetros para a esquerda ou direita, causa uma perda do gradiente de medição</p><p>da temperatura do óleo lubrificante. O posicionamento do transdutor foi definido na lateral do</p><p>bloco do motor, na visada dos mancais, com o objetivo de maximizar o contado do transdutor com</p><p>os esguichos de óleo lubrificante que saem dos mancais durante seu funcionamento, conforme</p><p>Figura 19(a).</p><p>O único acesso disponível para ser feita a instalação do transdutor dentro do motor,</p><p>sem a necessidade de ser totalmente desmontado, é através das aberturas laterais do motor,</p><p>denominadas de vigias. Na Figura 19(b) é possível visualizar as vigias de acesso ao interior do</p><p>motor GE-7FDL. As vigias fornecem acesso à parte interna do motor, sendo possível visualizar</p><p>o virabrequim, mancais fixo, mancais móveis e bielas. Porém, este acesso não fornece uma</p><p>45</p><p>Figura 19 – Detalhes do posicionamento e acesso para instalação do transdutor de temperatura</p><p>(a) Bloco do motor aberto indicando o local</p><p>de instalação do transdutor</p><p>(b) Vigias laterais no bloco do motor que fornecem</p><p>acesso ao seu interior</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>condição ideal de trabalho, pois cada vigia tem somente 40 cm x 30 cm. Como disposto na</p><p>Figura 18, o transdutor deve possuir ao menos 2,398 m de comprimento. O fato do transdutor ser</p><p>inserido através das vigias, já define que deve ser flexível o suficiente para realizar a curvatura</p><p>de entrada dentro do bloco do motor. Este requisito de flexibilidade interfere diretamente no</p><p>material de encapsulamento do transdutor, descartando a possibilidade de ele ser rígido. Sendo</p><p>assim, os requisitos importantes para o desenvolvimento do transdutor foram:</p><p>a) Flexibilidade para curvar e entrar no interior do bloco do motor através das vigias</p><p>laterais.</p><p>b) Encapsulamento externo resistente a óleo lubrificante, vibração e manuseio da</p><p>operação normal de manutenção do motor.</p><p>c) Encapsulamento que consiga conduzir o calor do óleo lubrificante para o sensor de</p><p>temperatura.</p><p>d) Sensor de temperatura com range de 0 °C até 150 °C.</p><p>e) Possibilidade de endereçamento de pelo menos 24 sensores em uma única linha de</p><p>comunicação com o objetivo de miniaturizar o transdutor.</p><p>Com base no disposto acima, foi escolhido o sensor de temperatura MAX31725MTA+,</p><p>da fabricante Maxim Integrated. Suas vantagens são: range de temperatura de operação, tamanho,</p><p>possibilidade de multiplexar até 32 elementos, precisão e disponibilidade no mercado. Este</p><p>modelo mede temperaturas de -55 °C até 150 °C quando configurado para o range estendido,</p><p>com ±0,5 °C de precisão e 0,00390625 °C de resolução. É indicado para aplicações industriais e</p><p>de telecomunicações, além disso, possui o encapsulamento Thin Dual Flat No leads (Plana Fina</p><p>Dupla Sem fios) (TDFN) com 3mm x 3mm x 0,8 mm e comunicação Inter-Integrated Circuit</p><p>46</p><p>(Circuito Inter-Integrado) (I2C) e é endereçável com 32 endereços diferentes selecionáveis</p><p>através de 3 pinos de configuração. A comunicação e alimentação deste sensor é feita somente</p><p>com quatro vias (duas de comunicação e duas de alimentação). A disposição dos sensores no</p><p>transdutor acompanhou a posição dos mancais que devem ser monitorados, conforme o ilustrado</p><p>na Figura 18. Ao total, para monitoramento dos 13 mancais (fixos/móveis), foram usados 24</p><p>sensores MAX31725MTA+, distribuídos linearmente em uma placa de circuito impresso. Um</p><p>fato importante que desprendeu atenção, diz respeito às especificações da placa de circuito</p><p>impresso utilizada no sensor. O fato de ela ser instalada dentro do motor diesel, exige que tenha</p><p>especificação para trabalhar em regime contínuo com pelo menos 150 °C. Portanto, foi fabricada</p><p>a placa de circuito impresso no padrão Flame Retardant 4 (Retardador de Chamas 4) (FR4)</p><p>com Glass Transition (Transição do Vidro) da ordem de 150 ºC (TG150), que garante uma</p><p>temperatura de operação de até 150°C (WAY, 2022).</p><p>Para compatibilizar e proteger o uso dos sensores dentro do motor, eles foram encapsu-</p><p>lados em um tubo de aço inoxidável de 2,5 m de comprimento. Este tubo possui diâmetro útil</p><p>interno de 3,1 mm, com parede na espessura de 0,89 mm. O aço inoxidável é apropriado para esta</p><p>aplicação, pois não sofre corrosão e tem uma condutividade térmica alta, que ajuda conduzir o</p><p>calor do óleo até o sensor (CARVALHO, 2000), (MEZZADRI, 2018). Além disso, o tubo de aço</p><p>inoxidável possui uma flexibilidade adequada que permite a manobra de entrada do sensor dentro</p><p>do bloco do motor, de tal forma que volta à sua condição inicial sem deformação permanente. O</p><p>transdutor e os detalhes de encapsulamento são mostrados na Figura 20. O modelo do tubo de aço</p><p>inoxidável utilizado segue os requisitos das normas ASTM 269 e 316L que garantem a utilização</p><p>dos materiais corretos e as especificações de sua resistência mecânica, temperatura de trabalho e</p><p>resistência a vibrações (ERMETO, 2022), (INSTRUMENTAÇÃO, 2022). A condutividade deste</p><p>aço inoxidável é de 13,39 W/mK (INOX, 2022).</p><p>Figura 20 – Encapsulamento do transdutor</p><p>(a) Placa de circuito</p><p>impresso com sen-</p><p>sor</p><p>(b) Aletas do</p><p>sensor</p><p>(c) Montagem do sen-</p><p>sor</p><p>(d) Montagem do sen-</p><p>sor</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>47</p><p>O tamanho total do transdutor para cobrir toda a região dos mancais a serem monitorados</p><p>é de 2,398 m, entretanto a fabricação de uma placa de circuito impresso deste comprimento, para</p><p>montagem dos sensores MAX31725MTA+, é inviável. Todavia, a placa de circuito impresso foi</p><p>seccionada em 6 aletas de 0,4 m, conforme a Figura 20(b) ilustra. As 6 aletas foram emendadas</p><p>sequencialmente, totalizando um comprimento final adequado. Um ponto muito importante na</p><p>conexão das aletas, foi o de manter continuidade nas quatro vias necessárias para o funcionamento</p><p>dos sensores MAX31725MTA+. Para isso, usou-se liga de estanho chumbo como solda, que</p><p>possui seu ponto</p><p>de fusão em 183 ºC (60% chumbo e 40% estanho) (RECTIFIER, 2013). A</p><p>temperatura de fusão do estanho chumbo, não incorre em nenhum problema, uma vez que o</p><p>transdutor foi projetado para operar com temperatura de até de 150 ºC.</p><p>Para ser possível externalizar as duas vias de alimentação e as duas vias de comunicação</p><p>da matriz de sensores da placa de circuito impresso com 2,398 m, foi conectado um cabo elétrico</p><p>flexível de alta temperatura com pares trançado. Por fim, esta placa de circuito impresso com</p><p>os 24 sensores MAX31725MTA+ e o cabo flexível em uma das extremidades, foi encapsulado</p><p>dentro do tubo de aço inoxidável, conforme ilustra a Figura 20(c) e Figura 20(d).</p><p>Para a instalação do transdutor dentro do motor, realizou-se um furo na parede do bloco</p><p>do mesmo, a fim de permitir a saída do cabo dos sensores. Este furo possui 35 mm de diâmetro</p><p>e é ocupado pelo fuso rosqueado com seu interior vazado, por onde passa o cabo dos sensores.</p><p>Este fuso entretanto, é soldado em uma caixa metálica, conforme ilustra a Figura 21(a). Este</p><p>fuso rosqueado é usado para vedar a saída de óleo do interior do motor através de porcas e</p><p>anéis de vedação. Por fim, uma mangueira flexível de borracha apropriada para trabalhar em</p><p>alta temperatura e resistente a óleo lubricante, protege o cabo do sensor, que percorre do bloco</p><p>do motor até o gabinete do sistema, que fica instalado na cabine do maquinista (detalhado na</p><p>Figura 27). O conjunto completo já montado é mostrado na Figura 21(b) e na Figura 21(c) tem-se</p><p>um exemplo dele instalado no bloco do motor diesel da locomotiva.</p><p>Para a fixação do transdutor dentro do bloco do motor da locomotiva foram utilizadas</p><p>sete abraçadeiras de alumínio, coladas com silicone de alta temperatura e resistente a óleo</p><p>lubrificante. Estas abraçadeiras são mostradas na Figura 22(a). Elas foram projetadas para fixar o</p><p>tubo de aço inox que reveste a placa de circuito impresso dos elementos sensores.</p><p>A limpeza adequada da parede do bloco do motor antes da fixação das abraçadeiras é</p><p>muito importante para a correta aderência do silicone. Na Figura 22(b) é deixado em detalhe</p><p>a abraçadeira colada no interior do bloco do motor com o silicone, preparada para receber o</p><p>48</p><p>Figura 21 – Caixa metálica de interface do bloco do motor diesel</p><p>(a) Desenho e projeto da</p><p>caixa de interface</p><p>(b) Caixa de interface (c) Caixa de interface instalada</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>transdutor. Na Figura 22(c) é mostrado o local exato de fixação do transdutor dentro do bloco</p><p>do motor, onde encontra-se fixado pelas abraçadeiras. Ele fica disposto longitudinalmente ao</p><p>virabrequim e, consequentemente, aos mancais do virabrequim dentro do motor diesel.</p><p>Figura 22 – Instalação do transdutor de temperatura no motor diesel</p><p>(a) Abraçadeira de fixação (b) Abraçadeira de fixação</p><p>instalada no bloco do</p><p>motor da locomotiva</p><p>(c) Transdutor fixado den-</p><p>tro do motor diesel</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>3.2 FUNCIONAMENTO SISTÊMICO DO MONITORAMENTO DA TEMPERATURA DE</p><p>MANCAIS</p><p>Idealmente, devido aos mancais estarem dispostos no mesmo ambiente, sofrendo o</p><p>mesmo esforço e sendo lubrificado de forma igual pelo óleo lubrificante, a temperatura dos</p><p>mancais tende a ser igual. Assumiu-se que qualquer desvio da temperatura de um dos mancais</p><p>da média instantânea de todos mancais é um indicativo de falha, e gera um alerta (MEZZADRI,</p><p>2018), (H. et al., 2016).</p><p>49</p><p>O transdutor é instalado dentro do Motor Diesel de Grande Porte (MDGP) e ficará</p><p>em contato direto com o filme de óleo lubrificante que sai dos mancais e, portanto, mede</p><p>indiretamente a temperatura. A Unidade de Leitura de Sensores (ULS) varre os sensores através</p><p>de um barramento de comunicação fazendo a leitura da temperatura. Esses dados são enviados</p><p>por outro barramento até a Unidade de Controle (UC). O período de amostragem adotado para</p><p>esta aplicação, foi de 1 s, com base na natureza da medição de temperatura em um motor</p><p>diesel não possuir variações abruptas em tempos menores que 1 s capaz de danificar os mancais</p><p>permanentemente. A topologia do sistema desenvolvido é mostrada na Figura 23.</p><p>Figura 23 – Diagrama esquemático do sistema de monitoramento de temperatura dos mancais</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Na UC, é realizada a média instantânea de todas temperaturas e verificada se cada</p><p>medição de temperatura está dentro da média ± os limites de dispersão tolerados/configurados.</p><p>Este limite de temperatura tolerado é o desvio da média permitida para cada valor de temperatura</p><p>individual. Se um mancal apresentar uma temperatura com desvio acima ou abaixo do limite, é</p><p>um indicativo de que uma falha mecânica do mancal está prestes a acontecer, pois sua temperatura</p><p>está acima do limite superior ou abaixo do limite inferio em relação aos demais mancais. Quando</p><p>isso ocorre, um alarme é gerado para a Unidade de controle e supervisão (UCS).Quando um</p><p>alarme é gerado pela UC, a UCS desliga o motor diesel imediatamente, agindo diretamente</p><p>na bomba de combustível do motor. Esta ação protege e previne uma falha grave, e reduz os</p><p>custos de manutenção. Uma função adicional da UCS é supervisionar o funcionamento da UC e</p><p>ULS por meio de keep-alives e, quando necessário, realiza resets forçados na alimentação dos</p><p>módulos, garantindo o funcionamento do sistema.</p><p>Adicionalmente, a UC mantém o registro de dados de temperatura com seu timestamp,</p><p>50</p><p>para que possa ser analisado posteriormente através de uma coleta de dados. Este banco de</p><p>informações de temperatura permite uma análise do perfil de desgaste e funcionamento de cada</p><p>mancal. Além disso, as temperaturas retroativas permitem analisar a evolução de eventuais</p><p>desgastes e ajuda na manutenção preditiva do motor. O tempo estipulado para armazenagem dos</p><p>dados que o sistema deve ser capaz de reter, é de pelo menos 2.000 h, que dá em torno de 90</p><p>dias. Um período suficiente para identificar uma tendência de desgaste e comportamento de cada</p><p>mancal.</p><p>Na figura Figura 24, um exemplo hipotético do funcionamento do sistema é mostrado.</p><p>Neste exemplo tem-se que a temperatura limite para acionamento do alarme é de ±5 ºC. Sempre</p><p>que a temperatura do mancal esta operando com desvio em relação a média menor do que ±5 ºC,</p><p>nenhum alarme é gerado. Porém, em qualquer instante que sua temperatura ultrapassa o limite</p><p>configurado (para cima ou para baixo), um alarme é gerado e o motor diesel é desligado.</p><p>Figura 24 – Exemplo das condições de temperatura do mancal que geram alarme</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Adicionalmente, um debounce é implementado para evitar que algum desvio momen-</p><p>tâneo e passageiro da temperatura do mancal ative o alarme, gerando falsos alarmes. A figura</p><p>Figura 25 exemplifica o funcionamento do debounce. Com isso, é necessário configurar esses</p><p>dois parâmetros no sistema para que ele fique operante e gere alarmes corretamente.</p><p>Figura 25 – Exemplo das condições de temperatura do mancal que geram alarme</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>51</p><p>4 PROJETO DO SISTEMA DE MONITORAMENTO</p><p>Neste capítulo é apresentado o desenvolvimento da parte eletrônica do sistema de</p><p>monitoramento dos mancais. Foi desenvolvido um sistema eletrônico adequado para operar</p><p>com as especificações de locomotivas. Na Figura 26 está ilustrado um diagrama simplificado do</p><p>sistema desenvolvido. O sistema foi dividido em cinco grandes blocos, sendo eles: locomotiva,</p><p>computador (software front-end), gabinete, Placa Conversora de Protocolo (PCP) e transdutor de</p><p>temperatura. No capítulo 3, já foi detalhado o transdutor de temperatura.</p><p>Figura 26 – Diagrama em blocos do sistema de monitoramento</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>O bloco da locomotiva que é exemplificado na Figura 26 indica os itens que são</p><p>conectados no sistema, sendo eles: tensão de alimentação 72 Vcc, sinal do Gerador Auxiliar da</p><p>locomotiva (GA), comando da bomba de combustível e comando do sistema de ignição/partida</p><p>do motor diesel. A tensão de alimentação necessária para o funcionamento do sistema é fornecida</p><p>pela locomotiva através de uma linha de 72 Vcc contínuos, proveniente das</p><p>baterias estacionárias.</p><p>Além da tensão de alimentação de 72 Vcc das baterias, é fornecido um sinal do Gerador</p><p>Auxiliar (GA) da locomotiva que é usado como entrada no sistema. Este sinal denominado GA</p><p>é um sinal que só existe tensão (72 Vcc) quando o motor diesel da locomotiva esta ligado e</p><p>serve para indicar ao sistema que o motor diesel está ligado ou desligado. Quando a entrada</p><p>52</p><p>GA não esta fornecendo 72 Vcc ao sistema, indica que o motor diesel está desligado. O termo</p><p>Gerador Auxiliar advém do fato deste sinal ser fornecido de um gerador auxiliar, que está</p><p>conectado mecanicamente no eixo principal do motor diesel, e gera energia quando rotacionado</p><p>pelo motor diesel da locomotiva. A energia advinda do gerador auxiliar é utilizada para os</p><p>sistemas elétricos secundários da locomotiva, como por exemplo, faróis, sistema de controle do</p><p>maquinista, carregamento das baterias estacionárias, entre outros sistemas, ficando o gerador</p><p>principal com a função exclusiva de fornecer energia para o acionamento dos motores de tração.</p><p>Entretanto, em casos específicos é possível que o motor diesel esteja ligado e não tenha-se sinal</p><p>no GA, por exemplo, se existir alguma falha no gerador auxiliar ou seja até mesmo desligado</p><p>propositalmente para algum teste ou manutenção. Neste casos, o sistema não terá a informação</p><p>correta que o motor diesel está ligado.</p><p>Ainda relacionado a locomotiva, o sistema tem acesso ao comando da bomba de</p><p>combustível, que é desativada sempre que o sistema de monitoramento gera um alarme. Como já</p><p>discutido anteriormente, este desvio é um indício de problemas em algum mancal do virabrequim,</p><p>e, caso o motor continue em funcionamento, pode gerar problemas graves no motor diesel. Com</p><p>o desligamento da bomba de combustível, o motor diesel da locomotiva para de funcionar</p><p>praticamente instantaneamente. Além do acesso ao comando da bomba, é fornecido o acesso ao</p><p>sistema de ignição, que interrompe o circuito de partida do motor e trabalha em conjunto com</p><p>o comando da bomba de combustível. O sistema de ignição é interrompido para evitar que o</p><p>maquinista tente religar o motor diesel da locomotiva quando um alarme foi gerado. Além de que</p><p>com a bomba de combustível inoperante, irá forçar indevidamente o sistema de partida (motor de</p><p>partida) da locomotiva, levando ao caso extremo de descarregamento das baterias estacionárias</p><p>ou danificação no motor de partida.</p><p>Estas duas ações do sistema na locomotiva, são realizadas através de um relé localizado</p><p>dentro do gabinete. O Contato normalmente fechado (NF) do relé é disponibilizado para conexão</p><p>com a locomotiva e, quando acionado, abre o circuito, tanto da bomba de combustível, quanto</p><p>do sistema de ignição. Com o relé acionado, o contato NF torna-se Contato normalmente aberto</p><p>(NA), e interrompe a passagem de corrente. O chaveamento do relé, ou desarme do sistema, só é</p><p>realizado através do acesso de um operador autorizado no sistema, e desativado via software.</p><p>No item 4.3 deste capitulo será exemplificado este software de acesso ao usuário. Idealmente, o</p><p>desarme do sistema só deverá ser realizado após uma análise minuciosa nos dados de temperatura</p><p>do sistema e uma inspeção nas condições dos mancais do virabrequim.</p><p>53</p><p>Neste trabalho foi projetado também, um software com interface gráfica (front-end)</p><p>que é utilizado para operar o sistema. Este software foi programado com a linguagem Python, e</p><p>estabelece uma comunicação via ethernet através do protocolo socket. Este software tem quatro</p><p>principais funções: visualizar o status do alarme, ativar/desativar o alarme, baixar os arquivos</p><p>de log e um gráfico em tempo real da temperatura dos mancais do motor diesel. A aplicação</p><p>que roda embarcada no módulo de processamento envia a cada 1 segundo as temperaturas dos</p><p>mancais que são plotadas no gráfico de tempo real.</p><p>O bloco denominado “gabinete” na Figura 26, compreende uma fonte de alimentação</p><p>que converte a tensão de 72 Vcc fornecida pela locomotiva em 12 Vcc. Contém também um</p><p>modulo de processamento que faz uso de uma placa com Linux embarcado, e possui toda a</p><p>lógica de funcionamento do sistema programado em linguagem C. Por fim, acoplado ao módulo</p><p>de processamento, existe a supervisora. Ela contém a parte de potência que faz interface entre o</p><p>módulo de processamento e a bomba de combustível da locomotiva, um conversor de tensão de</p><p>12 Vcc para 5 Vcc, um conversor do protocolo Universal Asynchronous Receiver/Transmitter</p><p>(Receptor/Transmissor Assíncrono Universal) (UART) para o protocolo Recommendad Standart</p><p>485 (Padrão Recomendado 485) (RS485) que faz a interface entre o módulo de processamento e</p><p>a Placa Conversora de Protocolo (PCP), e por fim, um microcontrolador que faz a supervisão do</p><p>módulo de processamento e da PCP, e garante o funcionamento ininterrupto do sistema através</p><p>de resets na alimentação em casos de travamento. Além disso, um Global Positioning System</p><p>(Sistema de Posicionamento Global) (GPS) é conectado ao módulo de processamento e garante</p><p>a atualização da data e hora do sistema com o horário mundial.</p><p>A PCP, por sua vez, é responsável por realizar a comunicação com o transdutor de</p><p>temperatura através de uma linha de comunicação I²C e enviar estes dados para o módulo de</p><p>processamento através de uma linha de comunicação RS485. Ela também compatibiliza a tensão</p><p>de entrada com a tensão de trabalho dos sensores de temperatura MAX31725MTA+, convertendo</p><p>5 Vcc para 3,3 Vcc. A comunicação entre PCP e o gabinete é estabelecida através de um cabo de</p><p>rede Cat5e com temperatura adequada para a aplicação.</p><p>Na figura Figura 27, é ilustrado uma locomotiva com a indicação de dois lugares</p><p>importantes para o sistema. O local indicado com “1”, é a cabine de comando do maquinista,</p><p>local onde fica alocado o gabinete do sistema e são realizadas todas as ligações elétricas do</p><p>sistema com a locomotiva. Já o local ´‘2” indica a localização do motor diesel da locomotiva e a</p><p>posição de instalação da PCP. Na Figura 27(b) é mostrado em detalhe a instalação do gabinete</p><p>54</p><p>Figura 27 – Posicionamento do sistema na locomotiva</p><p>(a) Locais de instalação do sistema</p><p>(b) 1 - Gabinete na cabine</p><p>do maquinista</p><p>(c) 2 - Placa Conversora</p><p>de Protocolo - PCP no</p><p>bloco do motor</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>na cabine. Um detalhe importante é o espaço reduzido existente dentro da cabine. O local de</p><p>instalação disponível é atrás de um assento de passageiro. Para a instalação, foi necessária,</p><p>inclusive, a retirada deste assento para dar acesso ao local. Na Figura 27(c) temos em detalhes</p><p>a caixa de interface acoplada ao bloco do motor, local onde foi realizado um furo passante no</p><p>bloco do motor para acesso ao interior e passagem do cabo de alimentação e comunicação com</p><p>o transdutor de temperatura. Nesta caixa de interface foi instalada a PCP, acoplada dentro de</p><p>uma caixa plástica com Ingress Protection 67 (Proteção de Ingresso 67) (IP67), realizando a</p><p>proteção da placa de poeira, umidade e óleo. A opção por deixar a PCP próximo ao transdutor</p><p>de temperatura baseou-se no fato da comunicação I²C ser exigida pelos elementos sensores,</p><p>MAX31725MTA+. A distância entre o local “1” e “2” na locomotiva, é em torno de 15 m.</p><p>Esta distância é inviável para a comunicação I²C. Por isso, a opção do uso da PCP próxima ao</p><p>transdutor, que realiza a leitura dos sensores de temperatura através do barramento I²C e envia</p><p>utilizando o padrão industrial RS485. O padrão RS485 é conhecido na indústria por sua robustez</p><p>e alcance de até 1.200 m.</p><p>55</p><p>4.1 DESENVOLVIMENTO GABINETE</p><p>Os itens que compõe o gabinete são mostrados na Figura 28. No interior do gabinete</p><p>é possível visualizar dois gabinetes pretos, sendo um a fonte de alimentação que converte a</p><p>tensão de alimentação de 72 Vcc fornecida pela locomotiva para 12 Vcc e a outra a Unidade</p><p>de Controle Eletrônico (ECU). A fonte de alimentação utilizada é específica para a aplicação</p><p>ferroviária. Este modelo, da marca MCE, trabalha com uma tensão de entrada na faixa de 50</p><p>Vcc a 90 Vcc e uma saída</p><p>fixa de 12 Vcc com até 20 A, além de algumas proteções elétricas</p><p>contra surtos e curtos além de ter especificação para trabalhar com vibrações. Já a ECU será</p><p>detalhada a seguir, e contém o módulo de processamento e supervisora. O gabinete também</p><p>possui uma parte elétrica de potência que conta com bornes e relés. Estes são utilizados para o</p><p>corte da bomba de combustível e são acionados pela ECU. Os contatos dos NFs dos relés são</p><p>disponibilizados para conexão na locomotiva e são usados no corte da bomba de combustível.</p><p>Os bornes são para as conexões elétricas internas do gabinete, como, por exemplo, a distribuição</p><p>da tensão de alimentação de saída da fonte entre a ECU e tampa do gabinete.</p><p>Figura 28 – Gabinete Principal do sistema</p><p>(a) Vista externa (b) Vista interna</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Na tampa do gabinete, existem quatro sinaleiras com cores distintas, a saber: verde, azul,</p><p>amarela e vermelha. A de cor verde, indica se existe tensão de entrada de 72 Vcc no gabinete,</p><p>a azul indica se existe tensão de saída da fonte de alimentação 12 Vcc, a amarela indica se</p><p>existe tensão no sinal do GA entrando no gabinete e a última, vermelha, indica se o sistema esta</p><p>com a proteção do motor diesel ativo (corte da bomba de combustível do motor diesel). Estas</p><p>sinaleiras permitem ao usuário da locomotiva identificar o status de funcionamento do sistema de</p><p>forma visual e rápida. Além disso, na tampa do gabinete também estão dispostos quatro fusíveis</p><p>56</p><p>de proteção do gabinete e da instalação elétrica do sistema. O primeiro para a alimentação de</p><p>entrada de 72 Vcc da locomotiva, o segundo para a saída da fonte de alimentação 12 Vcc, o</p><p>terceiro para o corte da bomba de combustível e quarto para a sinalieira do maquinista.</p><p>Toda a ligação elétrica do gabinete é fornecida através de uma tomada de 10 pinos</p><p>centralizada na parte inferior. Na parte inferior esquerda existe a entrada do cabo do GPS através</p><p>de um conector Registered Jack-45 (Jack Registrado-45) (RJ45). Esta entrada serve para a antena</p><p>externa do GPS, que para garantir uma qualidade de sinal adequada, fica fixada na parte externa</p><p>do gabinete. Na parte inferior direita do gabinete, esta localizada a entrada do cabo ethernet, que</p><p>interliga a PCP e a ECU. Este cabo entra por um nipple e conecta direto na ECU, através de um</p><p>conector RJ45.</p><p>4.1.1 Módulo de processamento</p><p>Para a escolha do módulo de processamento, foi levado em conta os seguintes requisitos</p><p>do sistema:</p><p>• Sistema operacional Linux;</p><p>• Suporte a desenvolvimento de software embarcado em linguagem C;</p><p>• Suporte e material de desenvolvimento de fácil acesso;</p><p>• Computador industrial;</p><p>• Tensão de alimentação de 12 Vcc;</p><p>• 2 portas UARTs - Uma para a comunicação RS485 com a PCP e a outra para o GPS;</p><p>• 1 porta ethernet 10/100 Mbit;</p><p>• Pelo menos 8 pinos de entrada e saída de uso geral;</p><p>• 2 GB de memória flash para armazenamento de dados (logs do sistema, logs das tempera-</p><p>turas).</p><p>Com base nestes requisitos do sistema, o hardware que escolhido foi o modelo de</p><p>processador “Colibri iMX7 Dual 1 GB” acoplado com a placa base “Iris”, ambos itens da</p><p>fabricante suíça Toradex. Este processador possui dois Arm Cortex A7 de 32 bits, com 1 GB</p><p>57</p><p>de memória RAM e 4 GB de memória flash. Tanto o processador, quando a placa base, são</p><p>mostrados na Figura 29.</p><p>Figura 29 – Módulo de processamento Toradex</p><p>(a) Computador embarcado Colibri iMX7</p><p>Dual 1GB</p><p>(b) Placa base Iris</p><p>Fonte: Toradex (2022).</p><p>Com base nisso, foram definidas as entradas e saídas do módulo de processamento</p><p>dispostas na Figura 30 e detalhadas abaixo:</p><p>Figura 30 – Entradas e saídas do módulo de processamento</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>a) Relé alarme: Esta saída aciona os relés que desligam a bomba de combustível do</p><p>motor diesel e interrompe a ignição de partida da locomotiva. O acionamento desta</p><p>saída esta condicionado a algum sensor indicar que o mancal está com temperatura</p><p>fora da média, gerando um alarme que o motor precisa ser desligado.</p><p>b) Relé reset GPS: Esta saída aciona um relé que interrompe a alimentação do GPS e é</p><p>acionada sempre que alguma falha de comunicação com o GPS é identificada.</p><p>58</p><p>c) Entrada GA (gerador auxiliar): Esta é a entrada do sinal do gerador auxiliar da</p><p>locomotiva, que indica quando o motor diesel entrou em operação. Este sinal chega</p><p>no sistema com a tensão de 72 Vcc e é tratado na supervisora para os níveis corretos</p><p>de tensão de trabalho do processador IMX7D, que é 3,3 Vcc.</p><p>d) Jumper de configuração: Este jumper foi predisposto para caso alguma configu-</p><p>ração tivesse que ser realizada pelo operador do sistema. Não foi utilizado nesta</p><p>implementação, mas permanece disponível para necessidades futuras.</p><p>e) Keep-alives supervisão: Uma onda quadrada é gerada neste pino pelo processador</p><p>IMX7D e indica para a supervisora que o sistema esta operante. Caso o software</p><p>que roda no IMX7D interrompa seu funcionamento e nenhum pulso seja gerado</p><p>neste pino, a supervisora reinicia a alimentação do processador e reestabelece seu</p><p>funcionamento.</p><p>f) Led status: Uma saída predisposta para um Led que pisca em uma frequência de</p><p>0,5s, indicando ao operador que o processador esta operando normalmente.</p><p>g) Seleção Rx|Tx RS485: A comunicação com a PCP, é realizada por RS485. Na</p><p>supervisora existe um transciever que converte RS485 para UART com nível de</p><p>tensão de 3,3 Vcc. A topologia adotada no projeto foi da comunicação half-duplex,</p><p>logo o transceiver possui um pino de seleção que escolhe o modo de operação, se</p><p>transmitindo ou recebendo. Esta saída realiza a seleção.</p><p>h) Comunicação Internet Protocol (Protocolo Internet) (IP): Porta ethernet da placa</p><p>base Iris. Por meio desta porta de acesso, usando o protocolo TCP/IP é realizado o</p><p>acesso ao sistema e envio de dados para o software de interface do usuário.</p><p>i) Comunicação Recommendad Standart-232 (Padrão Recomendado 232) (RS232) do</p><p>GPS: Entrada de comunicação do GPS. O GPS utilizado comunica-se através de</p><p>uma serial RS232. A supervisora possui um transceiver que realiza a conversão de</p><p>RS232 para UART com nível de tensão de 3,3 Vcc.</p><p>j) Comunicação RS485 - PCP: Entrada de comunicação da PCP que envia as medições</p><p>de temperaturas. A topologia utilizada foi a half-duplex e um transceiver é utilizado</p><p>na supervisora para conversão dos níveis de tensão (RS485 para UART com nível</p><p>de tensão de 3,3 Vcc).</p><p>59</p><p>O módulo de processamento IMX7D da Toradex possui um sistema operacional embar-</p><p>cado baseado em Linux (COMPUTING, 2022), e foi utilizado a linguagem C para programar o</p><p>software do sistema. A linguagem C foi escolhida pelo domínio prévio da linguagem pelo autor</p><p>da dissertação, pela confiabilidade da linguagem de baixo nível e também pelo suporte que a</p><p>fabricante do módulo de processamento escolhido, Toradex, fornece para programação nesta</p><p>linguagem. O Integrated Development Environment (Ambiente de Desenvolvimento Integrado)</p><p>(IDE) utilizada foi o software Eclipse, que é código aberto, configurado para cross-compilar</p><p>o código para a arquitetura Acorn RISC Machine (Máquina RISC Acorn) (ARM) do IMX7D.</p><p>A estruturação do código foi baseado em máquinas de estados, conforme ilustra a Figura 31.</p><p>Máquinas de estados em programação é uma forma de sistematizar o processo de codificação</p><p>de um problema complexo em partes menores (estados), garantindo uma sequencia lógica dos</p><p>eventos e uma saída conhecida pra cada conjunto de entrada (A.V.; J.D, 1972).</p><p>Figura 31 – Máquinas de estados do módulo de processamento e iteração com as entradas e saídas</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>60</p><p>Ao total, foram realizadas seis máquinas de estados e uma rotina bloqueante de controle</p><p>de escalonamento. As funções e detalhes de cada máquina de estados, são:</p><p>• Máquina de estados principal: Esta máquina de estados possui cinco estados e faz toda a</p><p>lógica de funcionamento do sistema. Faz a leitura da entrada de sinal do gerador auxiliar,</p><p>acionamento do relé de alarme e envio de dados para o software de análise e acompa-</p><p>nhamento do usuário (front-end) através</p><p>de uma comunicação socket. No seu primeiro</p><p>estado, realiza a inicialização dos arquivos de logs, pinos de entradas e saídas, variáveis</p><p>internas, socket e portas seriais UARTs. Nos demais estados, implementa o acionamento</p><p>do relé de alarme, processamento dos dados de temperatura e escrita dos arquivos de logs.</p><p>Por se tratar da principal máquina de estados do sistema, será apresentada em detalhes</p><p>posteriormente.</p><p>• Recebimento dados PCP: Esta máquina de estados faz a comunicação entre o módulo de</p><p>processamento e a PCP. Basicamente, esta rotina carrega um buffer com as temperaturas e</p><p>converte os dados recebidos para valores em ºC. Esta comunicação foi realizada de forma</p><p>bloqueante e como proteção ao travamento, também conta com timeouts em cada um de</p><p>seus estados. A seguir também será detalhado cada um de seus estados.</p><p>• Atualiza data e hora do sistema pelo GPS: Esta máquina de estados realiza a leitura e</p><p>interpretação dos dados enviados pelo GPS e atualiza a data e hora do sistema sempre</p><p>que identifica uma divergência entre os dados recebidos do GPS e o sistema. Houve a</p><p>precaução, durante o desenvolvimento, de só realizar esta atualização quando o GPS envia</p><p>dados válidos (possui sinal de satélites). Além disso, a placa base Iris utilizada conta com</p><p>um Real-Time Clock (Relógio de Tempo Real) (RTC), que é sincronizado com o horário</p><p>do sistema e possui uma bateria de backup. Com isso, quando o sistema é inicializado,</p><p>conta com o horário da ultima atualização feita pelo GPS no sistema, e caso a locomotiva</p><p>esteja em um local que não tenha sinal sátelite de GPS, mantém o horário local que foi</p><p>previamente configurado, com relativa precisão. O RTC utilizado na placa base Iris é o</p><p>modelo M41T0M6 da STMicroelectronics. Foi realizado um teste de distorção do horário</p><p>enquanto o sistema estava desligado, ou seja, mantido o horário pela bateria de backup.</p><p>Obteve-se o valor de 3 s de distorção, a cada 10 dias. Para este sistema, estar com a data e</p><p>hora corretos é muito importante para as análises dos dados e identificação de eventuais</p><p>falhas eminentes. Porém esta precisão de data e hora está na ordem de minutos, uma vez</p><p>61</p><p>que a resolução de segundos não é necessário. A análise de dados não é prejudicada na</p><p>operação em tempo real, uma vez que independe do sincronismo de relógio. Já para uma</p><p>análise de dados retroativa é importante que se tenha um sincronismo de data e hora. Neste</p><p>caso, para que seja possível cruzar os dados com algum fator externo de operação da</p><p>máquina, como por exemplo, o aumento do desvio da temperatura de um mancal com</p><p>algum esforço peculiar relacionado a um trecho de subida da ferrovia. Porém, a análise</p><p>não é prejudicada se aconteceu as 13h30 de um dia qualquer ou às 13h32. O sincronismo</p><p>de alguns minutos já é suficiente. Para o desvio obtido de 3 s a cada 10 dias, gera algo</p><p>em torno de 2 min ao ano, o que atende perfeitamente a esta aplicação. Além disso, para</p><p>este caso, a locomotiva teria que ficar desligada um ano consecutivo ou sem sinal de GPS,</p><p>o que é pouquíssimo provável em uma operação normal. Entretanto, um fato importante</p><p>que vale a pena salientar, é de incluir no plano de manutenção periódica do sistema a</p><p>verificação do estado da bateria de backup do RTC.</p><p>• Led status e keep-alive supervisora: Esta máquina de estados gera uma onda quadrada em</p><p>duas saídas diferentes, com a frequência de 1 segundo. A saída referente ao led de status,</p><p>serve para uma visualização rápida do operador do sistema através de um led vermelho,</p><p>disposto na parte de fora da ECU. Já a saída referente ao keep-alive da supervisora, é um</p><p>sinal recebido pela supervisora, que realiza um watchdog externo do sistema. Caso esta</p><p>onda quadrada do keep-alive não seja fornecida pelo módulo de processamento por um</p><p>tempo de 2 s consecutivos, a supervisora realiza o reset da alimentação do módulo de</p><p>processamento. Isso garante que, se em algum momento alguma das máquinas de estados</p><p>travar a linha de execução do código, ou até mesmo o próprio módulo de processamento</p><p>travar, será reestabelecido o funcionamento através do reset em sua alimentação. Toda vez</p><p>que o sistema é inicializado, a máquina de estado Principal, apresentada anteriormente,</p><p>registra em log a data e hora do reset. Isso permite uma recuperação posterior dos momentos</p><p>que o sistema travou ou foi reiniciado.</p><p>• Watchdog PCP: Esta máquina de estados é semelhante a máquina de estados anterior, sendo</p><p>que realiza a identificação da integridade do funcionamento da PCP. Como nesta placa é</p><p>um microcontrolador que realiza a aquisição dos dados dos sensores de temperatura e envia</p><p>para a ECU, ele é passível de travamentos diversos. Para evitar um travamento permanente,</p><p>o módulo de processamento realiza o monitoramento da linha de comunicação e caso fique</p><p>sem receber dados da PCP por um período de 3 s consecutivos, reinicia a alimentação</p><p>62</p><p>da PCP, chaveando o relé da alimentação. Isso garante a integridade do sistema e seu</p><p>funcionamento.</p><p>• Rotina de expurgo: Esta máquina de estado, verifica se a memória flash do sistema não</p><p>está cheia, e caso esteja, realiza o expurgo/exclusão dos dados que são armazenados com</p><p>a data mais antiga. O limite preestabelecido que é aceito de memória cheia, é de 95%,</p><p>que para o módulo IMXD7D significa 3.8 GB de dados, do total de 4 GB disponível.</p><p>Sempre que 95% do total disponível é usado, um expurgo de 500 MB é realizado, levando</p><p>o sistema para 82% de armazenamento. Os arquivos expurgados, são do log do sistema</p><p>e log da temperatura, sempre do mais antigo para o mais atual. O resultado e um teste</p><p>de bancada, mostrou que para alcançar o limite de 95%, é necessário que a locomotiva</p><p>fique ligada por 110 dias consecutivos e ininterruptos. Com isso, tem-se que o sistema gera</p><p>aproximadamente 34.5 MB de dados a cada 24 h ligado. Neste cenário extremo, 110 dias</p><p>de dados retroativos da temperatura dos mancais são suficientes para a análise proposta.</p><p>• Controle escalonamento: Esta parte do código implementado não é uma máquina de</p><p>estados, mas uma função bloqueante. A sua principal função é garantir que as máquinas de</p><p>estados sejam executadas a cada 1 s. Esta periodicidade garante as temporização de leitura</p><p>de dados e processamento das informações. Para isso, nesta função é realizada a captura de</p><p>um timestamp do sistema sempre antes da execução das máquinas de estados e comparado</p><p>com o timestamp após a execução. O tempo restante para completar 1 s é aguardado nesta</p><p>função (bloqueante). Foram realizados vários testes nas funções e implementados vários</p><p>timeouts nos estados, para que o tempo somado da execução das 6 máquinas de estados não</p><p>ultrapasse 1 s. Uma medição em bancada, mostrou que o tempo médio para a execução das</p><p>seis máquinas de estados consecutivamente, é de aproximadamente 700 ms. Isso mostra</p><p>que o sistema esta trabalhando com 30% de ociosidade.</p><p>Conforme comentando, a máquina de estados denominada “Principal” será detalhada</p><p>por se tratar da implementação da lógica principal do sistema. Na Figura 32 esta disposto o</p><p>diagrama desta máquina de estados.</p><p>No estado “GA OFF”, esta indicado a sistema que o motor diesel esta desligado,</p><p>portanto, o sistema não precisa verificar a dispersão da temperatura dos mancais. Neste estado, a</p><p>cada 1 segundo é verificado o status do GA, enviado os dados de temperatura para o software do</p><p>front-end por socket e armazenado as temperaturas em log. Com isso, registra-se a temperatura</p><p>63</p><p>Figura 32 – Detalhes da implementação da máquina de estados “Principal”</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>dos mancais mesmo com o motor desligado. Estes dados ajudam nas análises posteriores, embora</p><p>não sejam considerados para gerar alarmes. Deste estado, é possível migrar somente para o</p><p>estado “GA ON” quando identificado que o motor diesel foi ligado.</p><p>Já no estado “GA ON”, são realizadas as mesmas verificações do estado “GA OFF” e,</p><p>adicionalmente, feita a média das temperaturas e verificado se algum sensor está disperso da</p><p>média. Uma tolerância deve</p><p>ser configurada como aceitável da dispersão da média com base</p><p>nos dados de testes (serão mostrados no capítulo 5). Caso algum dos elementos sensores do</p><p>64</p><p>transdutor se disperse da média mais do que o configurado, a máquina de estados vai para o</p><p>estado “Sensor fora média”. Caso contrário, permanece no estado “GA ON” até que o motor</p><p>diesel seja desligado e volte para o estado “GA OFF”. Idealmente, esta tolerância deve ser</p><p>configurada com base em várias horas de funcionamento do motor em sua condição normal de</p><p>operação e analisada a dispersão da média dos mancais.</p><p>O estado “Sensor fora média” é um debounce implementado para evitar que algum</p><p>desvio momentâneo e passageiro da temperatura do mancal ative o alarme. Neste estado, além de</p><p>ser salvo em log, os dados de temperaturas são enviados por socket para o front-end, calculado a</p><p>média e verificado se algum sensor está fora da média. Caso o sensor que apresentou dispersão</p><p>em relação a média volte a ficar dentro do limite tolerado, é retornado ao estado de “GA ON”.</p><p>Caso contrário, o alarme é ativado e a máquina de estado segue para “Alarme ON”.</p><p>Por fim, no estado “Alarme ON”, não é possível altera-lo para nenhum outro estado e</p><p>permanece em loop infinito com o alarme ativado (motor diesel desligado) até que o operador do</p><p>sistema desative o alarme pela interface do usuário (front-end). Ainda neste estado é feito o envio</p><p>das temperatura por socket para o front-end, salvo as temperatura em log e calculado a média.</p><p>Em detalhe, é apresentado na Figura 33 a implementação da máquina de estados</p><p>“Recebimento dados PCP”, que é responsável pelo recebimento dos dados de temperatura</p><p>enviados pela PCP.</p><p>No primeiro estado, denominado “check error uart”, é verificado se a UART de co-</p><p>municação com a PCP foi inicializada pela máquina de estados “Principal” sem nenhum erro.</p><p>Caso tenha dado algum erro na sua inicialização, são realizadas outras tentativas até que se</p><p>obtenha sucesso ou atinja o timeout da máquina de estados. As principais configurações de co-</p><p>municação desta UART são: baud rate de 9.600, 8 data bits e sem bit de paridade. A velocidade</p><p>relativamente baixa da comunicação da UART se deu pelo fato de ter sido priorizado a baixa</p><p>frequência de dados nos cabos que passam dentro da locomotiva e mitigar ao máximo algum tipo</p><p>de degradação na camada física da comunicação. Embora o baud rate de 9.600 seja relativamente</p><p>baixo, atende perfeitamente a aplicação que foi usada. Um pacote completo de transmissão dos</p><p>24 sensores de temperatura do transdutor totaliza 68 bytes. Para a transmissão ou recebimento de</p><p>68 bytes com um baud rate de 9.600 são necessários em torno de 60 ms. Para o escalonamento</p><p>da máquina de estados de 1 s adotado para o sistema, este tempo de 60 ms atende a aplicação.</p><p>Com este cálculo, foi possível definir o tempo de timeout desta máquina de estados em 150 ms.</p><p>Importante salientar que o contador de timeout desta máquina de estados é acumulativo, não</p><p>65</p><p>Figura 33 – Detalhes da implementação da máquina de estados “Recebimento dados PCP”</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>sendo zerado a cada estado. Logo, o tempo total de execução desta máquina de estados nunca</p><p>excede 150 ms.</p><p>Para que seja possível entender o funcionamento dos próximos estados, é necessário</p><p>expor o protocolo adotado para a transferência de dados entre a PCP e o módulo de processamento.</p><p>O padrão de pacotes que é enviado pela PCP é composto por dois caracteres iniciais “i” mais 64</p><p>bytes referente às temperaturas e finalizado por mais dois caracteres “f”. Ao total, são 68 bytes</p><p>em cada pacote enviado. A Quadro 1 ilustra o protocolo.</p><p>66</p><p>Quadro 1 – Protocolo de comunicação entre PCP e módulo de processamento</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>O objetivo de estabelecer dois caracteres “i” no início do pacote é de impedir e garantir</p><p>que o pacote seja iniciado com os dados corretos, assim como finalizados por dois “f”. O primeiro</p><p>byte “0x00” que aparece no Quadro 1 é na posição 3 do vetor e o último na posição 66. Optou-se</p><p>por enviar a temperatura no mesmo padrão que é lido do sensor, ou seja, em dois bytes. O sensor</p><p>MAX31725MTA+ fornece a temperatura em dois bytes e, para obter-se a temperatura em graus</p><p>Celsius, é necessário realizar uma conversão. A correspondência entre os bytes que o sensor</p><p>entrega e a temperatura é mostrado no Quadro 2.</p><p>Quadro 2 – Formato de saída de dados de temperatura - Sensor MAX31725MTA+</p><p>Fonte: Integrated (2014).</p><p>O protocolo adotado permite a transmissão de 64 bytes de dados, que são 32 sensores</p><p>de temperatura. A quantidade definida no projeto foi de 24 sensores, mas optou-se por deixar o</p><p>protocolo já preparado para 32 sensores, que é o limite de endereçamento do MAX31725MTA+</p><p>em um único barramento. Caso, em alguma implementação futura, seja necessário mais elementos</p><p>sensores no transdutor, o sistema já estará estruturado para isso. Portanto, considerando o contexto</p><p>de 24 sensores, não importa o valor que é recebido dos últimos 16 bytes do protocolo, uma vez</p><p>67</p><p>que não são utilizados neste projeto. Por praticidade, implementou-se o envio de bytes “0x00”</p><p>para os últimos 16 bytes do protocolo, que são posteriormente descartados.</p><p>Com o sucesso da inicialização da UART, a máquina de estados avança para o próximo</p><p>estado, “wait i”, e permanece em loop, lendo byte a byte da UART até que encontre o byte “i”,</p><p>que indica o início de um pacote. Caso não seja identificado o carácter “i” até que o timeout</p><p>atinga seu tempo de estouro, a máquina de estados é levada para o fim, liberando a execução das</p><p>demais máquinas de estado. No caso de algum dos estados desta máquina atingir o timeout e</p><p>finalizar a execução sem percorrer algum dos estados, a máquina de estados “Principal” considera</p><p>a temperatura lida anteriormente para seus cálculos e rotinas. E, em paralelo, a máquina de</p><p>estados “Watchdog PCP” já detecta que a temperatura não foi atualizada e ativa o reset da PCP,</p><p>caso não seja recebido um pacote com sucesso dentro de 3 s consecutivos, ou seja, três tentativas</p><p>da máquina de estados “Recebimento dados PCP”.</p><p>O próximo estado é o “wait ii” e aguarda o recebimento do segundo “i” do protocolo.</p><p>Neste estado é lido o próximo byte da UART, e caso não seja um “i”, ela retorna para o estado</p><p>anterior, e caso seja um “i”, avança para o próximo estado. Caso não seja possível ler o byte da</p><p>UART até que transcorra o tempo de timeout, a execução da máquina de estados é finalizada.</p><p>O estado subsequente é o “load buffer”, que realiza a leitura de 64 bytes consecutivos e</p><p>preenche o buffer. O byte 67, pelo padrão do protocolo estabelecido, deve ser um “f”. Caso um</p><p>“f” não seja o byte 67, a máquina de estados retorna para o estado “wait i” e aguarda um novo</p><p>início de pacote. Mas caso tenha recebido um “f” com sucesso, avança para o último estado da</p><p>máquina de estados.</p><p>Neste último estado, um byte é lido da UART e se for o byte “f”, indica um que pacote</p><p>foi recebido com sucesso. Logo, executa-se a função que converte os bytes de temperatura</p><p>recebidos em graus Celsius e preenche um outro buffer, que é utilizado pela máquina de estados</p><p>“Principal”. Além disso, também salva em log esse novo pacote de dados de temperatura. Porém,</p><p>caso não seja recebido um “f”, ele limpa o buffer e finaliza a máquina de estados. Por fim, há</p><p>opção de timeout finalizar a máquina de estados sem um novo pacote de dados de temperatura,</p><p>caso algum problema na UART ou na transmissão impeça o recebimento de um pacote com</p><p>sucesso.</p><p>68</p><p>4.1.2 Supervisora</p><p>A placa supervisora é responsável por condicionar os sinais de entrada para os níveis de</p><p>tensão adequado ao módulo de processamento, converter a tensão de alimentação para 5 Vcc</p><p>e 3,3 Vcc, acomodar os relés para chaveamento da alimentação dos módulos, um sensor de</p><p>temperatura e um microcontrolador que realiza a supervisão do funcionamento do módulo de</p><p>processamento, e em caso de travamento da execução do seu software, faz o reset. Na Figura 34</p><p>é ilustrado os blocos implementados na placa supervisora.</p><p>Figura 34 – Diagrama em blocos da supervisora</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Na supervisora, tem-se os relés do alarme acionado pelo módulo de processamento que</p><p>é utilizado para cortar a alimentação da bomba de combustível e, consequentemente, desligar</p><p>o motor diesel. Existe também o relé da alimentação do GPS, que também é acionado pelo</p><p>módulo de processamento e é acionado sempre que a comunicação com o GPS é perdida. Já o</p><p>69</p><p>relé da PCP, corta a alimentação da placa conversora de protocolo. O módulo de processamento</p><p>realiza um watchdog na comunicação e quando encontra algum problema, corta a alimentação</p><p>por 2 s e gera um reset na PCP. Por fim, tem-se o rele do módulo de processamento que é</p><p>comandado pelo microcontrolador de supervisão. Quando o sinal de keep-alives, mantido pelo</p><p>módulo de processamento, é interrompido, o relé da supervisão corta a alimentação do módulo</p><p>de processamento e reestabelece o sistema.</p><p>Além dos relés, tem-se dois importantes módulos de conversão de protocolo de comu-</p><p>nicação implementados na placa de supervisão. O primeiro é o conversor RS232 (usado pelo</p><p>GPS) para UART com nível de tensão 3,3 Vcc (compatível com o módulo de processamento). O</p><p>segundo é o conversor RS485 para UART com nível de tensão de 3,3 Vcc, usado para transmitir</p><p>as informações da PCP até o módulo de processamento. Como já explanado anteriormente,</p><p>optou-se pela transmissão dos dados via RS485, em razão de sua robustez e confiabilidade.</p><p>Foram utilizados dois conversores CC-CC linear de tensão, adequando a tensão de</p><p>12 Vcc fornecido pela fonte de tensão para 5 Vcc e 3,3 Vcc. A tensão de 5 Vcc foi usada</p><p>para alimentar a placa conversora de protocolo e também o GPS. Já a fonte de 3,3 Vcc foi</p><p>utilizada para adequar os níveis de tensão das entradas e deixar compatível com o módulo de</p><p>processamento, que trabalha em 3,3 Vcc.</p><p>Um sensor de temperatura na supervisora, foi previsto inicialmente no projeto, para que</p><p>fosse monitorada a temperatura do gabinete do sistema, porém não foi implementando na prática,</p><p>permanecendo disponível para uma implementação futura. Dois jumpers também foram deixados</p><p>disponíveis na placa da supervisora, um para o microcontrolador da supervisão e outro para o</p><p>módulo de processamento, que também não foram usados. Os jumpers ficam disponível para</p><p>implementações futuras se surgir a necessidade de alguma configuração que deva ser realizada</p><p>pelo operador do sistema durante a instalação.</p><p>Por fim, tem-se os módulos de leds de sinalização, que permite ao operador saber</p><p>visualmente o status do funcionamento do módulo de processamento e tensões de alimentação</p><p>do sistema (3,3 Vcc, 5 Vcc, 12 Vcc).</p><p>Na Figura 35 é mostrado a modelação em Três dimensões (3D) do projeto da placa e</p><p>um protótipo montado. A supervisora foi feita para encaixar nos barra pinos da placa base Iris.</p><p>O microcontrolador utilizado na supervisão é da fabricante NXP Semiconductors mo-</p><p>delo S9S08RN32W1MLC. Este modelo é básico de 8 bits, 32 KB de flash e 32 pinos. Porém,</p><p>possui certificação Automotive Electronics Council (Conselho de Eletrônica Automotiva) (AEC)</p><p>70</p><p>Figura 35 – Placa supervisora</p><p>(a) Modelo 3D (b) Protótipo montado</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Q100 e range estendido de temperatura. Além disso, também possui uma IDE de programa-</p><p>ção através do software CodeWarrior. Foi utilizada a linguagem C para a programação do</p><p>firmware. Assim como o módulo de processamento, o firmware também foi programado através</p><p>de máquinas de estados, que pode ser vista na Figura 36.</p><p>Figura 36 – Máquina de estados do firmware da Supervisora</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>71</p><p>A máquina de estados da Supervisora é extremamente simples, e só faz a análise do</p><p>keep-alives que o módulo de processamento envia. Caso não seja enviado o keep-alive por mais</p><p>de 2 s, é chaveado o relé da alimentação do módulo de processamento por 2 s, tempo suficiente</p><p>para desligamento total do módulo. O escalonamento desta máquina de estados é realizado a cada</p><p>1 ms. A opção por deixar este firmware simples, é de garantir que ele estará sempre operante,</p><p>supervisionando o módulo de processamento e pronto para realizar o reset se necessário.</p><p>4.1.3 Integração do módulo de processamento e supervisora - ECU</p><p>O projeto da supervisora foi realizado com o objetivo de uma fácil integração com o</p><p>módulo de processamento, composto pelo pela Iris e Colibri IMX7 Dual 1GB. Uma integração</p><p>adequada fornece uma montagem mais simplificada no gabinete, uma vez que organizou-se a</p><p>saída de chicote e interligações de entrada e saídas. Na Figura 37 esta ilustrado o conjunto.</p><p>Figura 37 – Conjunto ECU</p><p>(a) Supervisora e módulo de processa-</p><p>mento - Frontal</p><p>(b) Supervisora e módulo de processa-</p><p>mento - Traseira</p><p>(c) Vista interna - ECU (d) Vista externa - ECU</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>72</p><p>Nas figuras Figura 37(a) e Figura 37(b) estão ilustradas a placa supervisora acoplada</p><p>no módulo de processamento pelos barra pinos. Estes conectores disponíveis no módulo de</p><p>processamento fornece acesso a todos os periféricos necessários, tais como: UARTs e General-</p><p>Purpose Input-Output (Entrada-Saída de Uso Geral) (GPIO). Já a conexão da porta ethernet,</p><p>que fornece acesso ao sistema, é realizada diretamente pelo módulo de processamento, não</p><p>sendo conectado com a supervisora. A alimentação do módulo de processamento é realizada</p><p>através de um conector e cabos, na parte traseira do conjunto. Na figura Figura 37(c), estão</p><p>ilustradas as conexões entre a supervisora e o seu case, que formam a ECU. Nesta vista interna,</p><p>é possível visualizar um conector Minifit de 12 vias (branco) que interliga as entradas e saídas</p><p>da supervisora com a parte frontal da ECU. Neste conector são dispostos as seguintes entradas</p><p>e saídas: entrada do gerador auxiliar, saída da alimentação do GPS, saída do contato NF do</p><p>rele de bloqueio, comunicação RS232 do GPS e entrada da alimentação 12 Vcc da fonte. Já</p><p>a conexão RS485 correspondente a PCP, e é realizada na parte central da supervisora, por um</p><p>conector Microfit de 4 vias. A conexão da entrada ethernet é feita diretamente no módulo de</p><p>processamento, que é realizado por um cabo até a parte frontal da ECU. Por fim, ao lado da</p><p>alimentação do módulo de processamento, na parte traseira da supervisora, fica disposto um</p><p>conector flat de 14 vias, que fornece as conexões dos leds de sinalização da ECU. Na figura</p><p>Figura 37(d), esta ilustrado a ECU já montada, com todos seus itens conectados na parte interna.</p><p>Na parte superior existem os quatro leds que indicam: alimentação 12 Vcc, alimentação 5 Vcc,</p><p>alimentação 3,3 Vcc e um de status do módulo de processamento. O conector da esquerda</p><p>(prateado), é uma conexão direta do Minifit e externaliza todas as conexões mencionadas acima.</p><p>O conector é do tipo RJ45 e fornece a comunicação da PCP. Por fim, do lado direto, há o</p><p>acesso ao módulo de processamento disponibilizado por um conector RJ45 fêmea. Vale salientar</p><p>o cuidado empregado em ser utilizado conectores com prensa cabos para as conexões RJ45,</p><p>que fornecem uma garantia de funcionamento em ambientes com alta vibração, como o da</p><p>locomotiva. A Figura 38 mostra o gabinete já instalado na locomotiva. A imagem da esquerda</p><p>mostra todos itens fixados e conexões realizadas.</p><p>4.2 PLACA CONVERSORA DE PROTOCOLO - PCP</p><p>Como já mencionado anteriormente, a PCP é responsável por realizar a leitura dos sen-</p><p>sores de temperatura e enviar para a ECU. Além da leitura do sensores, ela também é responsável</p><p>por manter a tensão de alimentação dos sensores. Na Figura 39 é ilustrado seu diagrama de</p><p>73</p><p>Figura 38 – Gabinete do sistema instalado na locomotiva</p><p>(a) Gabinete com a tampa aberta (b) Gabinete fechado</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>funcionamento. O transdutor possui 24 elementos sensores, e são lidos individualmente, a casa 1</p><p>s, através do barramento I²C.</p><p>A tensão de 5 Vcc, que é fornecida pela supervisora para a PCP, foi definida com a</p><p>intenção de transportar uma tensão maior que a tensão de trabalho dos sensores de temperatura</p><p>(3.3 Vcc). Com</p><p>isso, caso haja alguma oscilação ou até mesmo queda de tensão em decorrência</p><p>da distância, que pode ser de até 15 m, o regulador de tensão da PCP rebaixa a tensão, e garante</p><p>um nível estável de tensão de alimentação para os sensores.</p><p>Figura 39 – Diagrama funcional da PCP</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>O regulador de tensão escolhido (CC/CC), foi o TPS7B8733 da Texas Instruments. Este</p><p>modelo é um Low Drop Out (Baixa Queda Saída) (LDO) e tem uma tensão de low-dropout de</p><p>apenas 475 mV. Além disso, possui algumas proteções extras de sobretemperatura e transientes.</p><p>Essa preocupação extra foi adicionada em relação a qualidade da linha de alimentação do sensor</p><p>74</p><p>de temperatura, pelo fato disso afetar diretamente a qualidade e estabilidade da medição de</p><p>temperatura do transdutor. O microcontrolador utilizado foi o MC9S08RNA32, com grade</p><p>automotiva e indicado para a aplicação automotiva. Ele também é alimentado com a tensão</p><p>de 3,3 Vcc e possui um periférico de I²C interno, que permite a comunicação direta com</p><p>os sensores de temperatura, sem necessidade de um transciever externo. Já a comunicação</p><p>RS485 que é realizada com a ECU, exige o uso de um transciever UART para RS485, pois o</p><p>microcontrolador MC9S08RNA32 não possui este periférico interno. O transciever utilizado</p><p>foi o ST3485EIYDT, também com grade automotiva e indicado para a aplicação. Tanto o</p><p>microcontrolador MC9S08RNA32, quanto o transciever ST3485EIYDT, foram usados na PCP e</p><p>Supervisora.</p><p>Figura 40 – Projeto e protótipo - PCP</p><p>(a) Projeto - Vista inferior (b) Protótipo - Vista inferior</p><p>(c) Interior do gabinete (d) Parte externa do gabinete</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>O projeto da placa de circuito impresso, que é o hardware da PCP, foi desenhado com</p><p>o objetivo de ser compacto e funcional. Como já mostrado anteriormente, a PCP localiza-se</p><p>alojada dentro de uma caixa metálica acoplada ao bloco do motor da locomotiva, conforme</p><p>mostra a Figura 27(c). O local definido para a instalação da PCP é dentro da caixa metálica</p><p>de interface, que encontra-se com uma distância aproximada de 15 m do gabinete, que aloja a</p><p>ECU. Tendo isso em vista, foi muito importante projetar a PCP para suportar temperatura de</p><p>até 55 ºC, sendo esta a temperatura estimada a qual pode chegar a parede externa do motor da</p><p>locomotiva. A placa projetada e o protótipo montado são mostrados na Figura 40. A PCP possui</p><p>75</p><p>dimensões externas de 25 mm x 50 mm e foi projetada para ser encapsulada dentro de uma</p><p>caixa plástica com certificação IP67 e apropriada para temperaturas de até 85 ºC. Isso garante</p><p>que nenhum líquido e poeira irá ter contato com o a placa de circuito impresso e danificar ou</p><p>prejudicar seu funcionamento. A conexão necessária dos dois cabos, um do transdutor e outro da</p><p>ECU, é realizada através da solda direta na placa de circuito impresso ou por emendas linear de</p><p>gel, garantindo, assim, a eliminação de mau contato com a vibração do motor. Porém, um ponto</p><p>negativo desta solução é a necessidade de ser realizada a solda ou uso de emendas linear de gel</p><p>durante a instalação na locomotiva, que não é um ambiente favorável para este tipo de trabalho.</p><p>Como pode ser visto na Figura 40(d), dois leds foram inseridos no projeto para dar</p><p>uma rápida e fácil visibilidade do status de funcionamento da PCP para o usuário do sistema.</p><p>Um dos leds fica ligado na alimentação 3,3 Vcc e indica que a PCP esta com alimentação.</p><p>Este led foi denominado LED PWR. Já o outro led, denominado LED STATUS, foi conectado</p><p>diretamente a um gpio do microcontrolador e pisca ou permanece acesso, dependendo do status</p><p>de funcionamento do transdutor. Na Quadro 3 é mostrada a descrição e os possíveis diagnósticos</p><p>de problemas.</p><p>Quadro 3 – Descrição de funcionamento dos leds da PCP</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>O funcionamento normal e esperado, é que o LED PWR esteja aceso de maneira</p><p>constante, e o LED STATUS pisque na frequência de 0,5 Hz. Qualquer anomalia de funcionamento</p><p>tira o LED STATUS do estado que pisca a 0,5 Hz, e fica assim indicado algum problema no</p><p>sistema. Um diagnostico visual é muito importante nestes tipos de sistemas, pois auxilia de</p><p>forma rápida e direta na identificação de um problema de instalação ou de partes do sistema. O</p><p>76</p><p>ambiente agressivo e hostil da locomotiva, por muitas vezes, não facilita um diagnóstico com o</p><p>uso de equipamentos mais delicados como por exemplo osciloscópios e analisadores de sinais.</p><p>Já o firmware foi programado em C, através da IDE CodeWarrior da Freescale. Assim</p><p>como os demais códigos do sistema, também foi utilizado máquinas de estados. Foram progra-</p><p>madas quatro grandes máquinas de estados, responsáveis por todo o funcionamento da PCP,</p><p>sendo elas: Configuração dos parâmetros dos sensores de temperatura, leitura da temperatura</p><p>dos 24 sensores, acionamento do LED STATUS e, por fim, o envio dos dados para a ECU.</p><p>A comunicação com o sensor de temperatura MAX31725MTA+, inclui a parametriza-</p><p>ção, e foi realizada conforme o descrito no manual do fabricante, sem nenhuma alteração. Para</p><p>os códigos de erros que podem retornar da comunicação com os sensores, foram implementados</p><p>códigos usando temperaturas negativas. Quando ocorre um timeout na comunicação a tempe-</p><p>ratura de -45 ºC é enviado para a ECU, e quando um erro desconhecido é encontrado, o valor</p><p>de -55 ºC é enviado. Com isso, sempre que é encontrado algum erro de comunicação com os</p><p>sensores, aparece uma temperatura negativa nos dados armazenados em log na ECU.</p><p>4.2.1 Detalhamento da implementação da comunicação I²C entre os sensores e a PCP</p><p>Como já dito anteriormente, todas as leituras das temperaturas dos 24 sensores são</p><p>realizadas através de um barramento de comunicação I²C. Como este sistema foi desenvolvido</p><p>com o objetivo principal de promover uma proteção ao motor diesel da locomotiva, é esperado</p><p>que seja confiável e realize a análise dos dados em tempo real. Junto a isso, temos um ambiente</p><p>altamente agressivo e ruidoso do ponto de vista eletromagnético. Portanto, um cuidado extra foi</p><p>aplicado ao desenvolver a comunicação com os sensores. A linha de comunicação I²C se estende</p><p>por toda a dimensão do transdutor, chegando a 2.5 m de comprimento. Somando ao tamanho do</p><p>transdutor tem-se o cabo de comunicação que faz a interligação da placa de circuito impresso dos</p><p>sensores com a PCP (Figura 21(b)). Ao total, no pior caso, a distância entre o microcontrolador</p><p>da PCP e o sensor de temperatura MAX31725MTA+ é de aproximadamente 3 m. Uma distancia</p><p>considerável para uma comunicação I²C de 3,3 Vcc e que pode gerar uma degradação no sinal</p><p>das linhas Serial Clock (Relógio Serial) (SCL) e Serial Data (Dado Serial) (SDA).</p><p>Embora o período definido para amostragem dos sensores de temperatura seja de 1</p><p>segundo, para a comunicação I²C, a frequência de trabalho da linha SCL é alguns milhares de</p><p>vezes maior. Isso deve-se ao fato de que o microcontrolador da PCP além de realizar a leitura</p><p>dos 24 sensores, deve trata-los e envia-los por UART/RS485 para a ECU. A grande preocupação</p><p>77</p><p>é da necessidade de trabalhar com frequências altas em uma linha de comunicação com 3 m de</p><p>distância com níveis discretos de tensão (0 V e 3,3 Vcc) em um ambiente altamente ruidoso.</p><p>Pelo protocolo definido pela fabricante do sensor de temperatura, para a leitura dos 24 sensores é</p><p>necessário a troca de 168 bytes de comunicação.</p><p>Alguns testes foram realizados, afim de ajustar a menor frequência possível de trabalho</p><p>para a linha SCL e ainda assim manter a varredura e envio dos dados para a ECU a cada 1</p><p>segundo. Após alguns teste, a menor frequência possível de trabalho encontrada foi de 3,1 kHz.</p><p>As Figura 41(a) e Figura 41(b) comprova a integridade dos sinais dos barramentos SCL e SDA</p><p>da comunicação I²C respectivamente. Com a frequência de 3,1 kHz no barramento I²C e 9.600</p><p>de baud rate na comunicação RS485 com a ECU, o microcontrolador registrou uma ociosidade</p><p>de aproximadamente 8% da sua capacidade máxima.</p><p>A fim de teste, foi elevada a frequência de comunicação do barramento</p><p>I²C para 18</p><p>kHz e 161 kHz e analisado a degradação do sinal nas linhas SCL e SDA. As Figura 41(c) e</p><p>Figura 41(d) mostra que o sinal fica prejudicado e confirma a inviabilidade de trabalhar com</p><p>essas frequências.</p><p>Este teste mostrou uma limitação de hardware do sistema. Por exemplo, utilizando</p><p>a topologia atual, não é possível aumentar significativamente a quantidade de sensores do</p><p>transdutor. O aumento de sensores a serem lidos gera a necessidade de aumento da frequência da</p><p>linha SCL e SDA afim de manter-se a amostragem a cada 1 segundo.</p><p>4.3 APLICAÇÃO DE ACESSO E UTILIZAÇÃO DO USUÁRIO - SOFTWARE DE INTER-</p><p>FACE</p><p>Para que seja possível realizar o acesso ao sistema sem precisar utilizar de uma conexão</p><p>ssh ao módulo de processamento, foi desenvolvido uma interface gráfica. Na Figura 42 esta</p><p>exemplificado seu funcionamento através de um diagrama.</p><p>No módulo de processamento temos um software embarcado em linguagem C que envia</p><p>dados para a aplicação desktop que deve ser executada no computador do usuário. A conexão é</p><p>realizada através da porta ethernet e utiliza uma comunicação socket. Os dados que a aplicação</p><p>do módulo de processamento envia para o computador do usuário são basicamente a temperatura</p><p>dos mancais que a interface utiliza para mostrar em um gráfico em tempo real. O envio ocorre a</p><p>cada 1 segundo, que foi o período de amostragem definido. Além do gráfico em tempo real, a</p><p>interface também disponibiliza a opção de verificar o status do alarme, muito importante para</p><p>78</p><p>Figura 41 – Sinal do barramento de comunicação I²C</p><p>(a) SCL e SDA operando em 3.1 kHz</p><p>(b) Detalhe para a integridade do sinal das linhas SCL e SDA do barramento em 3.1 kHz</p><p>(c) SCL e SDA operando em 18 kHz - Sinal degradado</p><p>(d) SCL e SDA operando em 161 kHz - Sinal degradado</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>saber se o sistema esta bloqueando ou não o funcionamento do motor diesel da locomotiva.</p><p>Outra função disponível na interface é a ativação e desativação do alarme. Quando</p><p>79</p><p>o sistema identifica uma anomalia nas temperatura dos mancais, ele ativa o alarme e desliga</p><p>imediatamente o motor diesel. Além disso, também impede que o motor seja religado até que o</p><p>alarme seja desativado no módulo de processamento. Esse desarme do alarme pode ser realizado</p><p>através de uma conexão ssh com o módulo de processamento, onde altera-se o arquivo de</p><p>configuração, ou pela interface gráfica desenvolvida. Por meio da interface gráfica, a desativação</p><p>torna-se muito mais prática e ágil. Por fim, a interface também disponibiliza uma tela que permite</p><p>realizar o download dos logs de temperatura e logs do sistema. Esta é a função mais importante,</p><p>pois através deste download é possível ter acesso aos dados para processamento das informações</p><p>de temperatura dos mancais.</p><p>Figura 42 – Diagrama funcional do software de interface</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>A linguagem Python foi escolhida para o desenvolvimento da interface, pela alta</p><p>versatilidade e rapidez de desenvolvimento. Entretanto, a escolha dessa aplicação implica que</p><p>o computador do usuário da interface, deve estar disponível para execução de programas em</p><p>Python. Além disso, para que seja possível realizar a utilização da interface, um cabo ethernet</p><p>deve ser conectado no módulo de processamento e no computador do usuário. Na Figura 43 é</p><p>exemplificado as 3 telas que compõem as quatro funções da interface.</p><p>A Figura 43(c) mostra o gráfico da temperatura dos 24 mancais em tempo real. No</p><p>eixo horizontal o tempo; e no eixo vertical, a temperatura. Um gráfico de linha é formado</p><p>simultaneamente para os 24 sensores de temperatura. O eixo do tempo conta com uma janela</p><p>de visualização de 100 amostras, sendo cada amostra preenchida a cada 1 segundo. A escala do</p><p>eixo vertical é ajustada automaticamente de acordo com os valores que estão sendo plotados,</p><p>portanto não possui valores fixos.</p><p>80</p><p>Figura 43 – Telas da interface gráfica</p><p>(a) Tela status, ativação e desativação do alarme</p><p>(b) Tela de download do sistema</p><p>(c) Tela do gráfico em tempo real da temperatura dos mancais</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>81</p><p>5 RESULTADOS</p><p>Neste capitulo são apresentados os resultados dos testes que foram realizados em ban-</p><p>cada e em uma locomotiva. Em bancada, o teste teve como objetivo comprovar o funcionamento</p><p>do sistema frente a uma variação de temperatura externa ao transdutor. Já o teste na locomotiva,</p><p>teve como objetivo validar a instalação do sistema no motor e após a instalação do sistema,</p><p>realizar o monitoramento da temperatura dos mancais.</p><p>Como já mencionado anteriormente, a locomotiva usada para o teste do sistema foi</p><p>do modelo GE U20C que possui o motor GE-7FDL com 7 mancais fixos e 6 mancais móveis,</p><p>totalizando 24 pontos de medição. Ao total, foram analisados os 24 sensores dos mancais</p><p>para verificar o comportamento de temperatura dos mesmos e identificar os parâmetros de</p><p>configuração do alarme do sistema, sendo eles: limite de temperatura e debounce. Para os</p><p>resultados apresentado aqui, o motor diesel foi ligado com carga. A carga utilizada nos testes se</p><p>trata de um banco de resistores que são inseridos na saída do gerador elétrico, consumindo assim,</p><p>uma grande quantidade de corrente, e consequentemente, exigindo torque do motor diesel.</p><p>5.1 RESULTADO DO TESTE DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA EM BANCADA</p><p>Uma característica muito importante do transdutor desenvolvido que deve ser conhecida,</p><p>diz respeito a sua resposta a variação da temperatura. Idealmente, a curva de variação da</p><p>temperatura externa e a do transdutor, são iguais. Porém muitos fatores cooperam para uma</p><p>distorção da curva medida em relação a curva real, tais como: encapsulamento dos sensores</p><p>dentro do tubo de aço inox, dissipação térmica do calor no aço inox, camada de ar existente no</p><p>interior do tubo e o atraso térmico do próprio sensor. Neste teste foi utilizado o sistema instalado</p><p>em bancada, e com isso validou-se o seu funcionamento integrado e completo.</p><p>O levantamento destas curvas foram adquiridas de forma indireta da seguinte maneira:</p><p>instalou-se o transdutor dentro de uma caixa térmica (isopor) de tal forma que dois elementos</p><p>sensores ficassem em seu interior. A melhor forma encontrada para aumentar a temperatura dos</p><p>sensores de forma controlada, foi adicionar aguá quente no interior da caixa térmica. Optou-se</p><p>pelo uso de aguá, pois simula um líquido semelhante ao óleo no interior do motor que atinge</p><p>o transdutor. Além da montagem do transdutor na caixa de isopor, também utilizou-se um</p><p>termômetro infravermelho para medir a temperatura da água. Os dados de temperatura dos testes</p><p>82</p><p>Figura 44 – Montagem em bancada para teste do tempo de resposta do transdutor</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>foram gravados para que fossem posteriormente analisados. Na figura Figura 44 tem-se uma</p><p>imagem da montagem feita em bancada.</p><p>Inicialmente foi mantido o transdutor em temperatura ambiente, sem água no interior da</p><p>caixa de isopor, e posteriormente adicionado água quente. Para identificar o exato momento que</p><p>foi despejada a água, usou-se o sinal GA. No momento que foi despejada a água quente no interior</p><p>da caixa de isopor, foi acionado o GA (inserido 72 Vcc na entrada da ECU), sendo possível</p><p>identificar o momento nos dados salvos em log. Em paralelo, com o auxílio do termômetro</p><p>infravermelho, foi medido a temperatura da água a cada 1 minuto após ter sido inserida na caixa</p><p>de isopor e identificado o exato momento da medição com a inversão do estado do sinal GA</p><p>(toogle) a cada medição. Na Figura 45 tem-se o resultado do teste.</p><p>O gráfico da Figura 45 possui os dados do período inteiro do teste. O perfil geral dos</p><p>dados, mostram que a temperatura ambiente no início do teste estava estabilizada em 16 ºC nos</p><p>dois sensores analisados. Além da temperatura dos dois sensores, o gráfico mostra a temperatura</p><p>da água após ela ter sido inserida na caixa térmica. A temperatura inicial da água quente era de</p><p>89 ºC. A linha vertical tracejada na cor amarela, indica o exato momento que a água foi inserida</p><p>na caixa</p><p>de isopor. Este momento, como explanado anteriormente, foi identificado com o auxilio</p><p>da entrada GA. Ao total foram analisadas 750 amostras com 1 s de espaçamento entre elas, logo</p><p>o tempo total do teste foi de 12 min e 30 s. Além disso, é possível visualizar que os dois sensores</p><p>formaram um curva semelhante. Também é possível analisar que em torno da amostra 400 a</p><p>temperatura medida pelos sensores se equalizam com a temperatura da água e a partir deste</p><p>momento, segue a decaída exponencial de resfriamento da água.</p><p>83</p><p>Figura 45 – Curva real e a curva fornecida pelo transdutor</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Para ser possível retirar as informações dos dados adequadamente, foi realizado um</p><p>recorte na região do gráfico do momento em que a água quente foi inserida na caixa térmica.</p><p>Este recorte pode ser visto na Figura 46.</p><p>Figura 46 – Detalhe do momento que o transdutor recebe água quente</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Pela Figura 46, é possível ver em detalhe que a água foi depositada na caixa térmica no</p><p>instante 292, ou seja, aproximadamente 4 min e 52 s após ter iniciado o teste. Os dois sensores</p><p>iniciam uma rampa de subida no segundo subsequente, ou seja, na amostra 293. Isto indica que o</p><p>84</p><p>transdutor tem um tempo de resposta menor ou igual a 1 s. No instante 292, a temperatura do</p><p>sensores S1 e S2 eram de 16 ºC. A temperatura da água no instante 292 era de 89 ºC, dando</p><p>uma diferença de aproximadamente 73 ºC entre a água quente e os sensores. No instante 293,</p><p>os sensores S1 e S2, mediram 34 e 36 ºC respectivamente, ou seja, já tinham aumentado 18 ºC</p><p>(S1) e 20 ºC (S2). Com isso, no primeiro segundo, os sensores forneceram uma taxa média de</p><p>variação da temperatura de 18 e 20 ºC por segundo. A partir do instante 293 a taxa média dos</p><p>dois sensores se mantém constante em 2 ºC por segundo.</p><p>Outro parâmetro muito importante do transdutor, é identificar quanto tempo ele demorou</p><p>para equalizar sua temperatura com a da água. Para isso a Figura 47 mostra em detalhes a</p><p>equalização das temperaturas entre os sensores e a água. É possível visualizar que na medição da</p><p>temperatura da água no instante 409 as temperaturas já estavam equalizadas com menos de 1 ºC</p><p>de diferença. Sendo a temperatura do S1 e S2 de 76 ºC e da água 77 ºC. Ao total, os sensores</p><p>levaram 117 s (1 min e 57 s) para equalizar as temperaturas.</p><p>Figura 47 – Detalhe do momento que ocorre a equalização das temperaturas</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Um último parâmetro que foi possível retirar deste teste, é o erro na medição de</p><p>temperatura entre os sensores e o termômetro infravermelho. Embora todo o trabalho tem se</p><p>baseado na diferença da temperatura em relação a média, que desvincula a necessidade de</p><p>uma medição extremamente precisa do valor absoluto da temperatura, é importante que as</p><p>temperaturas que estão sendo medidas estejam próximas a real, afim de auxiliar nas análises dos</p><p>dados pela equipe de manutenção e também gerar confiabilidade ao sistema. Conforme mostra a</p><p>85</p><p>Tabela 2, o maior erro encontrado para o S1 foi de 1 ºC e o para os dois sensores testados. Este</p><p>erro foi considerado aceitável para aplicação que foi desenvolvido.</p><p>Tabela 2 – Erro de medição dos sensores em relação ao termômetro infravermelho</p><p>𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑇𝑒𝑟𝑚𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑆1 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑆2 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑆1 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑆2</p><p>[s] [∘C] [∘C] [∘C] [∘C] [∘C]</p><p>413 77 76 77 1 0</p><p>473 71 71 71 0 0</p><p>533 68 67 67 1 1</p><p>593 64 64 63 0 1</p><p>653 61 61 60 0 1</p><p>713 58 58 57 0 1</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Um segundo e terceiro teste idêntico ao exposto acima foi realizado e os resultados</p><p>foram semelhante ao apresentado. Tendo isto em vista, o sensor é capaz de responder a uma</p><p>variação de temperatura externa em pelo menos 1 s, atingindo uma taxa média de 19 ºC/s. Estas</p><p>características foram consideradas suficientes para a aplicação.</p><p>5.2 RESULTADO DO TESTE DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA NO MOTOR DIESEL</p><p>DA LOCOMOTIVA</p><p>5.2.1 Teste e análise das temperaturas dos mancais</p><p>A Figura 48 mostra uma aquisição realizada dos dados do motor diesel da locomotiva,</p><p>durante o período de 2 h 6 min e 41 s de coleta. Enquanto o motor diesel esteve ligado, o</p><p>virabrequim manteve-se em rotação, fazendo com que os filmes de óleo dos mancais atingissem</p><p>os 24 sensores e os valores de variação da temperatura fossem registrados. Como já mencionado</p><p>anteriormente, a frequência de amostragem da leitura da temperatura dos mancais aplicada no</p><p>sistema é de 1 s. Com isso, a cada 1 s temos 24 medidas de temperatura, uma de cada elemento</p><p>sensor que correspondem a um mancal fixo ou móvel do motor diesel. Lembrando que cada</p><p>mancal é monitorado por dois sensores (um sensor de cada lado). Foi realizada a coleta de 7.601</p><p>pontos (consequentemente 7.601 s), gerando uma massa de 182.424 mil pontos de temperatura.</p><p>Isso mostra o grande potencial do sistema em realizar a aquisição de dados e disponibiliza-los</p><p>para análise. O motor no qual foi instalado o sistema, já havia passado anteriormente por uma</p><p>revisão mecânica e elétrica. Com isso, nenhuma falha era esperada nos testes.</p><p>No eixo vertical da Figura 48, temos a temperatura em graus Celsius, que teve seu</p><p>mínimo em 30 ºC quando a coleta foi iniciada e seu máximo atingiu 91 ºC. Já no eixo horizontal,</p><p>86</p><p>temos a marcação do tempo, medido em s. A última amostra foi coletada no tempo 7.601 s, o</p><p>que resulta em 2 h e 6 min e 41 s. No gráfico, temos a sobreposição da medição dos 24 sensores</p><p>de temperatura, que correspondem a cada um dos mancais fixos e móveis do motor diesel. E</p><p>por cima do gráfico da temperatura dos mancais, existe o estado do GA, plotado em azul e com</p><p>valores em 120 e 0 ºC. O valor de 120 ºC indica que o GA está ligado, e o valor 0º C, indica</p><p>que o GA está desligado. Lembrando que o GA é acoplado diretamente ao eixo do motor diesel,</p><p>consequentemente, ele indica se o motor diesel está em funcionamento ou não, salvo casos que o</p><p>GA apresenta algum problema ou foi desligado.</p><p>Figura 48 – Temperatura dos mancais fixos e móveis do motor diesel em condições normais de operação</p><p>medidas pelos 24 sensores de temperatura durante 2 h</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Conforme pode ser observado na Figura 48, houve o desligamento do motor duas vezes,</p><p>durante esta coleta de dados. O primeiro desligamento ocorreu no instante de tempo 1.954 s (32</p><p>min) e seu religamento no instante 2.489 s (41 min), portanto, permaneceu desligado durante</p><p>9 min. Já o segundo desligamento do motor diesel ocorreu no instante 4.417 s (1 h e 13 min)</p><p>e foi religado no instante 4.678 s (1 h e 18 min), desta vez, permaneceu somente cerca de 5</p><p>min desligado. A partir disto, ficou ligado até o final da coleta. Estes dois desligamentos que</p><p>ocorreram fazem parte de um plano de testes de manutenção da locomotiva na qual estava</p><p>passando no momento da coleta. Estas interrupções do funcionamento do motor diesel ajudou no</p><p>87</p><p>entendimento do comportamento do sistema e seu funcionamento.</p><p>Inicialmente o motor diesel foi ligado e partiu de um temperatura inicial média de 31</p><p>ºC com carga. A carga aplicada ao motor foi a mesma durante todo o teste. Esta temperatura</p><p>se manteve em uma rampa de subida até o tempo 1.062 s (17 min), quando marcava uma</p><p>temperatura média de 44 ºC. Com isso, a temperatura aumentou 13 ºC em 1.062 s, taxa média de</p><p>44 ºC por hora. A partir do tempo 1.062, a taxa de aumento da temperatura teve um acréscimo,</p><p>consequência do chamado “incremento de ponto” de rotação do motor diesel. Ao todo, são</p><p>disponibilizados no motor GE-7FDL 8 pontos de rotação diferentes. Em cada aumento de ponto</p><p>de rotação do motor existe um aumento na rotação no virabrequim e consequente aumento na</p><p>temperatura de trabalho dos mancais. Enquanto o motor é mantido ligado, uma uniformidade é</p><p>observada na temperatura dos 24 elementos sensores.</p><p>A partir do tempo 1.062, houve um aumento no ponto de rotação do motor, e manteve-se</p><p>até o tempo 1.813 s (30 min e 21 s), quando atingiu a temperatura média de 63 ºC. Com isso,</p><p>houve um acréscimo de 19 ºC no período de 751 s. Isso resulta em uma taxa de</p><p>. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29</p><p>Figura 9 – Lubrificação de mancais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30</p><p>Figura 10 – Carbonização do casquilho devido a sobreaquecimento do mancal do virabre-</p><p>quim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31</p><p>Figura 11 – Desgastes das partes móveis de um motor diesel . . . . . . . . . . . . . . . 32</p><p>Figura 12 – Distribuição percentual da frota mundial de locomotivas diesel . . . . . . . 34</p><p>Figura 13 – Diagrama em blocos - Locomotiva diesel-elétrica . . . . . . . . . . . . . . 35</p><p>Figura 14 – Locomotiva diesel-elétrica - GE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36</p><p>Figura 15 – Motor, gerador e virabrequim de uma locomotiva diesel-elétrica . . . . . . . 37</p><p>Figura 16 – Instalação do sensor de pressão dentro do cilindro . . . . . . . . . . . . . . 38</p><p>Figura 17 – Medidor de ondas de stress - Stresswave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40</p><p>Figura 18 – Detalhes do dimensionamento e alinhamento dos sensores de temperatura</p><p>com os mancais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43</p><p>Figura 19 – Detalhes do posicionamento e acesso para instalação do transdutor de tempe-</p><p>ratura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45</p><p>Figura 20 – Encapsulamento do transdutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46</p><p>Figura 21 – Caixa metálica de interface do bloco do motor diesel . . . . . . . . . . . . . 48</p><p>Figura 22 – Instalação do transdutor de temperatura no motor diesel . . . . . . . . . . . 48</p><p>Figura 23 – Diagrama esquemático do sistema de monitoramento de temperatura dos</p><p>mancais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49</p><p>Figura 24 – Exemplo das condições de temperatura do mancal que geram alarme . . . . 50</p><p>Figura 25 – Exemplo das condições de temperatura do mancal que geram alarme . . . . 50</p><p>Figura 26 – Diagrama em blocos do sistema de monitoramento . . . . . . . . . . . . . . 51</p><p>Figura 27 – Posicionamento do sistema na locomotiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54</p><p>Figura 28 – Gabinete Principal do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55</p><p>Figura 29 – Módulo de processamento Toradex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57</p><p>Figura 30 – Entradas e saídas do módulo de processamento . . . . . . . . . . . . . . . . 57</p><p>Figura 31 – Máquinas de estados do módulo de processamento e iteração com as entradas</p><p>e saídas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59</p><p>Figura 32 – Detalhes da implementação da máquina de estados “Principal” . . . . . . . 63</p><p>Figura 33 – Detalhes da implementação da máquina de estados “Recebimento dados PCP” 65</p><p>Figura 34 – Diagrama em blocos da supervisora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68</p><p>Figura 35 – Placa supervisora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70</p><p>Figura 36 – Máquina de estados do firmware da Supervisora . . . . . . . . . . . . . . . 70</p><p>Figura 37 – Conjunto ECU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71</p><p>Figura 38 – Gabinete do sistema instalado na locomotiva . . . . . . . . . . . . . . . . . 73</p><p>Figura 39 – Diagrama funcional da PCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73</p><p>Figura 40 – Projeto e protótipo - PCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74</p><p>Figura 41 – Sinal do barramento de comunicação I²C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78</p><p>Figura 42 – Diagrama funcional do software de interface . . . . . . . . . . . . . . . . . 79</p><p>Figura 43 – Telas da interface gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80</p><p>Figura 44 – Montagem em bancada para teste do tempo de resposta do transdutor . . . 82</p><p>Figura 45 – Curva real e a curva fornecida pelo transdutor . . . . . . . . . . . . . . . . 83</p><p>Figura 46 – Detalhe do momento que o transdutor recebe água quente . . . . . . . . . . 83</p><p>Figura 47 – Detalhe do momento que ocorre a equalização das temperaturas . . . . . . . 84</p><p>Figura 48 – Temperatura dos mancais fixos e móveis do motor diesel em condições</p><p>normais de operação medidas pelos 24 sensores de temperatura durante 2 h 86</p><p>Figura 49 – Desvio da média instantânea dos 24 sensores durante o teste de 2 h . . . . . 89</p><p>Figura 50 – Desvio da média instantânea dos 24 sensores durante os primeiros 33 min do</p><p>teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90</p><p>Figura 51 – Desvio da média instantânea dos 24 sensores durante a religada do motor</p><p>diesel - Instante 2.490 s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91</p><p>Figura 52 – Desvio da média instantânea dos 24 sensores durante a religada do motor</p><p>diesel - Instante 4.678 s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92</p><p>Quadro 1 – Protocolo de comunicação entre PCP e módulo de processamento . . . . . 66</p><p>Quadro 2 – Formato de saída de dados de temperatura - Sensor MAX31725MTA+ . . . 66</p><p>Quadro 3 – Descrição de funcionamento dos leds da PCP . . . . . . . . . . . . . . . . 75</p><p>LISTA DE TABELAS</p><p>Tabela 1 – Posicionamento dos elementos sensores ao longo do virabrequim . . . . . . 44</p><p>Tabela 2 – Erro de medição dos sensores em relação ao termômetro infravermelho . . . 85</p><p>Tabela 3 – Temperatura máxima medida pelos sensores durante o teste . . . . . . . . . 88</p><p>LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS</p><p>SIGLAS</p><p>3D Três dimensões</p><p>A/D Conversor analógico digital</p><p>AEC Automotive Electronics Council (Conselho de Eletrônica Automotiva)</p><p>ARM Acorn RISC Machine (Máquina RISC Acorn)</p><p>CBM Manutenção Baseada em Condições</p><p>ECU Unidade de Controle Eletrônico</p><p>EUA Estados Unidos da América</p><p>FBG Rede de Bragg em fibra óptica</p><p>FR4 Flame Retardant 4 (Retardador de Chamas 4)</p><p>G Aceleração relativa á gravidade da Terra</p><p>GA Gerador Auxiliar da locomotiva</p><p>GE General Electric</p><p>GPIO General-Purpose Input-Output (Entrada-Saída de Uso Geral)</p><p>GPS Global Positioning System (Sistema de Posicionamento Global)</p><p>I2C Inter-Integrated Circuit (Circuito Inter-Integrado)</p><p>IDE Integrated Development Environment (Ambiente de Desenvolvimento Integrado)</p><p>IP Internet Protocol (Protocolo Internet)</p><p>IP67 Ingress Protection 67 (Proteção de Ingresso 67)</p><p>LDO Low Drop Out (Baixa Queda Saída)</p><p>MDGP Motor Diesel de Grande Porte</p><p>NA Contato normalmente aberto</p><p>NF Contato normalmente fechado</p><p>PCP Placa Conversora de Protocolo</p><p>RJ45 Registered Jack-45 (Jack Registrado-45)</p><p>RS232 Recommendad Standart-232 (Padrão Recomendado 232)</p><p>RS485 Recommendad Standart 485 (Padrão Recomendado 485)</p><p>RTC Real-Time Clock (Relógio de Tempo Real)</p><p>SCL Serial Clock (Relógio Serial)</p><p>SDA Serial Data (Dado Serial)</p><p>TDFN Thin Dual Flat No leads (Plana Fina Dupla Sem fios)</p><p>TG150 Glass Transition (Transição do Vidro) da ordem de 150 ºC</p><p>UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (Receptor/Transmissor Assíncrono</p><p>Universal)</p><p>UC Unidade de Controle</p><p>UCS Unidade de controle e supervisão</p><p>ULS Unidade de Leitura de Sensores</p><p>SUMÁRIO</p><p>1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15</p><p>1.1 OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18</p><p>1.1.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18</p><p>1.1.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19</p><p>1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19</p><p>2 MOTORES DIESEL DE GRANDE PORTE . . . . . . . . . . . . . . . . 21</p><p>2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE MOTORES DIESEL . . . . 21</p><p>2.2 SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO MOTOR DIESEL . . . . . . . . . . . 24</p><p>2.2.1 Tipos de óleos lubrificantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24</p><p>2.2.2 Tipos de sistemas de lubrificação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25</p><p>2.3 MANCAIS DO VIRABREQUIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27</p><p>2.4 SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO DOS MANCAIS DE UM MOTOR</p><p>DIESEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28</p><p>2.5 DEFEITOS NOS MANCAIS DO VIRABREQUIM EM MOTORES</p><p>DIESEL DE GRANDE PORTE . . . . . . . . . . . . . . . . . .</p><p>aumento de</p><p>temperatura de 91 ºC por hora, mais que o dobro da taxa do período inicial. Com isso, já é</p><p>possível observar que todos os elementos sensores, correspondentes aos mancais fixos e móveis,</p><p>possuem uma resposta proporcional à operação da rotação do motor, mostrando temperaturas</p><p>maiores enquanto o motor esteve operando com uma rotação maior. Do instante 1.813 até ser</p><p>desligado, no instante 1.954 s (32 min), a temperatura atingiu uma estabilidade e podemos ver</p><p>uma temperatura média de regime se formando.</p><p>No instante 1.954 s, quando o motor é desligado, uma queda nas temperaturas é</p><p>observada e indica um resfriamento do transdutor. Neste ponto, vale salientar que sem a rotação</p><p>do virabrequim, o filme de óleo proveniente dos mancais para de ser lançado no transdutor. Então,</p><p>a temperatura que é registrada dos elementos sensores diz respeito ao resfriamento ambiente</p><p>dos sensores e não representa a temperatura dos mancais. Com isso, uma dispersão maior das</p><p>temperaturas é observada, em função do resfriamento localizado de cada elemento sensor. Esta</p><p>dispersão no resfriamento do transdutor quando o motor é desligado reforça a necessidade da</p><p>leitura do sinal GA, pois estes períodos do motor desligado devem ser desconsiderados da lógica</p><p>de acionamento do alarme, que desliga o motor diesel. Neste caso, o motor já estaria desligado,</p><p>e não causaria nenhuma ação, porém não seria permitido religa-lo sem antes desativar o alarme.</p><p>Uma vez que não temos interesse em alarmar o sistema enquanto o motor diesel estiver desligado,</p><p>a leitura do sinal GA é importante para que estas dispersões de resfriamento do transdutor não</p><p>88</p><p>gerem falsos positivos de alarme e bloqueio da locomotiva. No instante 2.489 o motor diesel é</p><p>religado, enquanto os 24 sensores de temperatura marcavam uma temperatura média de 56 ºC</p><p>e registram o início da subida de temperatura. Logo quando é religado o motor diesel, o filme</p><p>de óleo do virabrequim começa a ser lançado sobre o transdutor, e a dispersão da temperatura</p><p>entre os elementos sensores diminui, uma vez que a temperatura dos mancais são equivalentes.</p><p>O ponto de rotação do motor diesel é incrementado mais algumas vezes até que seja desligado</p><p>novamente, quando os efeitos já mencionados acima se repetem. No período final do motor</p><p>ligado, foram alcançadas as maiores temperatura do teste em todos os sensores.</p><p>A Tabela 3 mostra as temperatura máximas de cada sensor e o instante que foram</p><p>medidas. É possível verificar que todos sensores atingiram sua temperatura máxima em torno</p><p>do instante 6030, mostrando que a temperatura dos mancais são equilibradas e quando todos os</p><p>mancais estão operando corretamente, equalizam a temperatura entre eles.</p><p>Tabela 3 – Temperatura máxima medida pelos sensores durante o teste</p><p>𝐼𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎</p><p>[s] unidade [∘C]</p><p>6.030 1 89</p><p>6.035 2 90</p><p>6.030 3 90</p><p>6.037 4 88</p><p>6.026 5 88</p><p>6.030 6 89</p><p>6.040 7 90</p><p>6.045 8 88</p><p>6.034 9 88</p><p>6.033 10 90</p><p>6.047 11 90</p><p>6.027 12 88</p><p>6.025 13 89</p><p>6.054 14 90</p><p>6.037 15 91</p><p>6.042 16 89</p><p>6.049 17 89</p><p>6.046 18 89</p><p>6.049 19 90</p><p>6.035 20 89</p><p>6.035 21 88</p><p>6.030 22 91</p><p>6.044 23 88</p><p>6.030 24 88</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>89</p><p>5.2.2 Análise do desvio da média da temperatura dos mancais</p><p>Na Figura 49 é ilustrado o gráfico do desvio da média instantânea de cada um dos 24</p><p>sensores, para os mesmo dados coletados da Figura 48. É possível observar que todos sensores</p><p>medem uma temperatura uniforme dos mancais, mostrando que todos mancais operam com uma</p><p>temperatura equalizada. As duas linhas vermelhas tracejadas que foram inseridas no gráfico da</p><p>Figura 49, indicam que o desvio nunca ultrapassou ±3 ºC enquanto o motor esteve ligado.</p><p>Figura 49 – Desvio da média instantânea dos 24 sensores durante o teste de 2 h</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Esta é a analise que deve ser realizada para configurar os limites de desvio da média que</p><p>o sistema vai aceitar para alarmar e consequentemente desligar o motor diesel. O procedimento</p><p>se resume a instalar o sistema na locomotiva e aplicar um teste de uso no motor diesel, variando a</p><p>carga e ponto de rotação. Neste momento é importante que o sistema não seja capaz de desligar o</p><p>motor diesel por desvio da média, porque o objetivo deste teste é capturar o perfil de temperatura</p><p>dos mancais do motor, uma vez que se garanta que estejam revisados e em dia com a manutenção.</p><p>A partir deste perfil é feita a análise e definido os limites para configuração do sistema. Para o</p><p>caso deste motor em específico os limites de alarme foram configurados para 3 ºC, ou seja, caso</p><p>um mancal atinga um desvio da média instantânea maior que 3 ºC, o motor diesel será desligado.</p><p>Já o desvio instantâneo da média quando o motor esta desligado, chegou ao valor de -8</p><p>ºC no sensor S2 (primeiro mancal fixo), mas como já dito anteriormente, com o motor desligado</p><p>90</p><p>a temperatura que é medida pelos sensores não condiz com a temperatura real dos mancais.</p><p>Outro fenômeno que este gráfico mostra é que os sensores se dispersam da média quando o</p><p>motor diesel esta desligado, e o transdutor resfria conforme o ambiente. Porém, quando o motor</p><p>é religado, existe uma diminuição abrupta do desvio da média instantânea que comprova que o</p><p>filme de óleo dos mancais atingem o transdutor, e reagrupa as medidas em volta da média. Isso é</p><p>observado nas medidas subsequentes ao tempo 2.485 s.</p><p>Outro fato que a Figura 49 mostra é a perturbação da temperatura dos mancais sempre</p><p>que é alterado o ponto de rotação do motor. Alguns mancais respondem à mudança de temperatura</p><p>mais rápido e esse fenômeno pode estar associado ao tempo de resposta diferente para cada</p><p>elemento sensor do transdutor ou um desbalanceamento de carga no virabrequim. O tempo de</p><p>resposta diferente entre os elementos sensores pode gera uma dispersão das medidas em relação</p><p>a média instantânea, entretanto, nunca ultrapassaram os ±3 ºC.</p><p>Figura 50 – Desvio da média instantânea dos 24 sensores durante os primeiros 33 min do teste</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>A figura Figura 50 é um recorte dos primeiros 33 min da Figura 49. Nela é possível</p><p>visualizar em mais detalhes que o motor possui dois mancais que estão trabalhando com uma</p><p>temperatura maior que os demais, em aproximadamente 2 ºC. Esses dois mancais correspondentes</p><p>aos sensores 14 e 15 do transdutor, que por sua vez correspondem ao quarto mancal móvel do</p><p>virabrequim. É possível que estes estejam operando com algum desgaste maior que os demais,</p><p>ou estejam com alguma deficiência, por exemplo, em sua lubrificação. Entretanto, este desvio de</p><p>temperatura abaixo de 2 ºC não é preocupante, mas vale ser acompanhando ao longo do uso da</p><p>91</p><p>locomotiva. Todos os demais sensores apresentaram temperatura sempre próximas à média e</p><p>estão muito bem agrupadas, não sendo visível nenhuma anomalia.</p><p>5.2.3 Configuração do debounce para ativação do alarme</p><p>A configuração do debounce foi implementado para evitar que algum desvio momen-</p><p>tâneo e passageiro da temperatura do mancal ative o alarme. O parâmetro utilizado para sua</p><p>configuração é o tempo que a temperatura dos mancais leva para se reagrupar quando o motor</p><p>diesel é ligado. Pela Figura 49 é possível visualizar que na primeira partida do motor, no instante</p><p>1, todos mancais mantiveram sua temperatura equalizada de tal forma que não ultrapassaram o</p><p>limite configurado de ±3 ºC. Com isso, nenhum alarme falso será gerado no momento da partida</p><p>a “frio” do motor, mesmo que o debounce for configura com zero. Já nos momentos que o motor</p><p>é religado após um período de funcionamento, vemos pela Figura 49 que os mancais aparente-</p><p>mente demoram um tempo até se reagruparem com menos de ±3 ºC de desvio da média, nos</p><p>instantes 2489 e 4678. Tendo isso em vista é analisado com mais resolução os exatos momentos</p><p>de religada do motor.</p><p>Figura 51 – Desvio da média instantânea dos 24 sensores durante a religada do motor diesel - Instante 2.490 s</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>A Figura 51 mostra que no instante 2489 s, todos os mancais já encontravam-se rea-</p><p>grupados com menos</p><p>de ±3 ºC de desvio da média, e portanto assim como na partida a “frio”,</p><p>92</p><p>nenhum alarme falso seria gerado neste momento, mesmo que o debounce fosse zero.</p><p>Já no momento de religamento mostrado na Figura 52 é possível ver que o sensor S14</p><p>demora 10 s para começar a entregar temperaturas com menos de ±3 ºC de desvio da média.</p><p>Neste caso, qualquer debounce inferior a 10 s geraria um alarme falso. Tendo em vista, que a</p><p>mecânica deste motor já tinha sido revisado antes deste teste, pode-se assumir que esse atraso</p><p>é permissivo. Com isso o debounce configurado para este motor diesel é de 12 s, onde foi</p><p>adicionado uma margem de segurança de 20% em cima dos 10 s medidos.</p><p>Figura 52 – Desvio da média instantânea dos 24 sensores durante a religada do motor diesel - Instante 4.678 s</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Por fim, para comprovar que o sistema era capaz de desligar o motor diesel, afim de</p><p>teste, foi configurado o desvio máximo da média dos mancais em 1 ºC (antes configurado para</p><p>3 ºC) e ligado o motor diesel da locomotiva. Após exatos 12 s o sistema gerou um alarme e</p><p>desligou o motor diesel, comprovando assim a efetividade do sistema no desligamento do motor.</p><p>Após este teste, foi reconfigurado o valor para 3 ºC.</p><p>93</p><p>6 CONCLUSÕES</p><p>O objetivo geral proposto inicialmente foi alcançado uma vez que neste trabalho foi</p><p>desenvolvido um sistema operacional de monitoramento da temperatura dos mancais do vira-</p><p>brequim de um motor diesel de grande porte baseado em sensores eletrônicos, contando com</p><p>o desenvolvimento do transdutor, do sistema de aquisição de dados e também da atuação de</p><p>bloqueio do funcionamento do motor, caso alguma anomalia fosse identificada. Alguns desafios</p><p>foram encontrados para adequar o funcionamento do sistema no ambiente agressivo da loco-</p><p>motiva, tanto em fatores físicos quanto elétricos, mas todos foram superados. Em relação aos</p><p>objetivos específicos estipulados, também foram atendidos. Desde a alteração da tecnologia de</p><p>óptico para eletrônico até o teste em um motor diesel de grande porte com o sistema instalado e</p><p>operacional.</p><p>O transdutor, com 24 elementos sensores, foi devidamente projetado para operar en-</p><p>capsulado dentro do tubo de aço inox e seguindo os espaçamentos corretos das dimensões dos</p><p>mancais do virabrequim do motor diesel. A miniaturização do transdutor com a escolha correta</p><p>do sensor de temperatura (MAX31725MTA+), permitiu também a comunicação e endereçamento</p><p>dos 24 elementos por apenas duas vias e somente mais duas vias de alimentação, permitiu toda a</p><p>operação do transdutor com apenas quatro vias. Essa quantidade pequena de vias colaborou para</p><p>o encapsulamento do sensor em tubo de aço inoxidável de apenas 3.1 mm de diâmetro interno e</p><p>de 2.5 metro de comprimentos. O diâmetro reduzido foi essencial para que a barra de 2.5 metros</p><p>fosse flexível o suficiente para realizar a manobra de entrada dentro do bloco do motor diesel</p><p>pelas aberturas das vigias, sem a necessidade de desmonta-lo, economizando, assim, mão de</p><p>obra de instalação e fornecendo praticidade na implantação do sistema. O desenvolvimento da</p><p>caixa metálica de interface, entre a parte interna e externa do bloco do motor, também permitiu</p><p>que o cabo do transdutor, instalado em seu interior, pudesse ser externalizado de forma fácil e</p><p>prática. Um grande estudo também foi realizado para o desenvolvimento de 3 placas de circuito</p><p>impresso (transdutor, PCP e supervisora) otimizada para trabalhar no ambiente ruidoso e poluído</p><p>em termos de interferência eletromagnética, tanto conduzida como emitida. Além disso, a progra-</p><p>mação do firmware em C da PCP, supervisora e módulo de processamento, exigiu desenvoltura</p><p>técnica para que o sistema operasse da forma como era esperada e livre de falhas e bugs. No</p><p>caso do módulo de processamento, foi utilizado um módulo com especificações industriais de</p><p>uma fabricante Suíça, com o mais moderno e atual setup de hardware disponível no mercado. O</p><p>94</p><p>sistema Linux embarcado disponível para este módulo de processamento também facilitou o uso</p><p>de todo o ecossistema já disponível na plataforma. Também foi projetado cada item do sistema</p><p>com o intuito de integração e funcionamento otimizado.</p><p>A avaliação de resultados foi realizada com a instalação do sistema em um motor diesel</p><p>de locomotiva, que permitiu o teste do sistema em uma situação real de uso, descartando, assim,</p><p>o uso de dados apenas de simulação. A análise de dados apresentada no capítulo anterior permitiu</p><p>visualizar como o sistema responde ao ambiente e suas funcionalidades de coleta de dados na</p><p>prática. A detecção da temperatura dos mancais praticamente em tempo real foi demonstrada e</p><p>permitiu ao sistema atuar em casos de identificação de alguma anomalia nos dados, evitando</p><p>assim algum dano grave e irreversível. Além disso, permite uma análise posterior dos dados, que</p><p>traz uma vantagem durante as manutenções preventivas e preditivas da locomotiva.</p><p>Por fim, levando em consideração o sistema desenvolvido anteriormente com sensores</p><p>óticos baseados em FBG, os quais são detalhados no trabalho intitulado “Instrumentação óptica</p><p>de máquinas industriais de grande porte para medição de temperatura” (MEZZADRI, 2018) e</p><p>serviu de inspiração e base bibliográfica, temos que o resultado geral de leitura da temperatura</p><p>dos mancais é semelhante em ambos os sistemas, o que mostra que ambos podem ser usados para</p><p>esta aplicação. Existem diferenças importantes que devem ser enfatizadas, como por exemplo:</p><p>a) Sistema de sensor eletrônico possui limitação de leitura de temperatura em 150 °C,</p><p>enquanto que o limite do sensor FBG é superior a 1.500 °C.</p><p>b) A imunidade do sistema óptico a ruídos eletromagnéticos é de grande vantagem,</p><p>pois o ambiente de aplicação de motores diesel de grande porte costuma ser repleto</p><p>de ruídos eletromagnéticos, e, embora não tenha falhado nos testes, este é um ponto</p><p>fraco do transdutor eletrônico.</p><p>c) A durabilidade do sensor baseado em FBG tende a ser maior, pois não possui solda</p><p>elétrica à base de estanho, nem placa de circuito impresso que precisa operar dentro</p><p>do motor diesel. Embora isso seja somente um sentimento e não tenha sido testado</p><p>a longo prazo.</p><p>d) O sistema baseado em sensores eletrônicos possui um custo muito inferior ao sistema</p><p>óptico, estimado na ordem de 10 a 20%. Para aplicações nas quais se prioriza o</p><p>custo, o sistema desenvolvido neste trabalho consegue operar e fornecer resultados</p><p>semelhantes.</p><p>95</p><p>e) O sistema eletrônico exige mão de obra menos especializada do que a necessária</p><p>para o sistema óptica, tornando a operação do sistema mais viável.</p><p>f) O domínio da tecnologia do sistema eletrônico é pleno quando comparado ao óptico</p><p>que depende de um interrogador óptico que não é aberto e não permite alterações.</p><p>Como sugestão para a melhoria do sistema aqui desenvolvido, algumas evoluções podem</p><p>ser realizadas no firmware do módulo de processamento, como por exemplo a implementação</p><p>de ID de pacote entre a comunicação da PCP e ECU. Isso permitirá que seja armazenado em</p><p>log quando algum pacote é perdido e pode até mesmo ser considerado na lógica do sistema</p><p>alguma solicitação de reenvio de pacote ou confirmação de recebimento. Já na parte do software</p><p>de interface do usuário, sugere-se para o futuro uma implementação da interface através de</p><p>um servidor web dentro do módulo de processamento, evitando, assim, que o usuário necessite</p><p>da aplicação desktop em seu computador para acesso ao sistema, necessitando somente de</p><p>um navegador web. Por fim, uma implementação à parte no sistema que também fica para o</p><p>futuro, é implementar a conexão remota do sistema para envio de dados em uma Central, e</p><p>consequentemente a análise destes dados em um centro de controle, não necessitando assim</p><p>a parada da máquina e acesso local para coleta dos dados. Inclusive, esta Central, recebendo</p><p>os dados das locomotivas, pode gerar relatórios e desativar o alarme quando o motor diesel for</p><p>bloqueado pelo sistema. Fica também indicado a possibilidade de testar</p><p>este sistema em outros</p><p>motores diesel de grande porte, como por exemplo de navios ou mineradores.</p><p>96</p><p>REFERÊNCIAS</p><p>AFFONSO, Luiz Octavio Amaral. Machinery Failure Analysis Handboo: Sustain Your</p><p>Operations and Maximize Uptime. 2006.</p><p>A.V., Aho; J.D, Ullman. The Theory of Parsing, Translation and Compiling. [S.l.]:</p><p>Prentice-Hall, 1972. Vol. I.</p><p>BARNES, Antony. Increased locomotive performance using condition based maintenance. In:</p><p>IEEE (Ed.). 6th IET Conference on Railway Condition Monitoring. [s.n.], 2014. Disponível</p><p>em: www.ieeexplore.ieee.org/document/7105027.</p><p>BORBA, José Luiz. Tração Ferroviária: Tópicos especiais em engenharia elétrica ele 03694:</p><p>Estrutura das locomotivas diesel-elétricas. Vitória - ES, Brasil: Universidade Federal do Espírito</p><p>Santo Centro Tecnológico Departamento de Engenharia Elétrica, 2009. v. 2. 106 p.</p><p>BORBA, José Luiz. 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Disponível em: www.ieeexplore.ieee.org/document/8484732.</p><p>www.ieeexplore.ieee.org/document/8484732</p><p>Capa</p><p>Folha de Rosto</p><p>Dedicatória</p><p>Agradecimentos</p><p>Epígrafe</p><p>Resumo</p><p>Abstract</p><p>Lista de Ilustrações</p><p>Lista de Tabelas</p><p>Lista de Abreviaturas, Siglas e Acrônimos</p><p>Sumário</p><p>1 Introdução</p><p>1.1 OBJETIVOS</p><p>1.1.1 Objetivo Geral</p><p>1.1.2 Objetivos Específicos</p><p>1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO</p><p>2 Motores diesel de grande porte</p><p>2.1 Princípio de Funcionamento de motores Diesel</p><p>2.2 Sistema de lubrificação motor diesel</p><p>2.2.1 Tipos de óleos lubrificantes</p><p>2.2.2 Tipos de sistemas de lubrificação</p><p>2.3 Mancais do virabrequim</p><p>2.4 Sistema de lubrificação dos mancais</p><p>de um motor diesel</p><p>2.5 Defeitos nos mancais do virabrequim em motores diesel de grande porte</p><p>2.6 Operação e manutenção do motor diesel</p><p>2.7 Motor Diesel Ferroviário - Locomotiva</p><p>2.8 Sistemas de monitoramento de motores diesel</p><p>2.8.1 Artigo - Sistema de aquisição de parâmetros - Motor diesel marítimo</p><p>2.8.2 Artigo - Aumento de desempenho - Manutenção baseada em condições</p><p>3 Monitoramento da temperatura de mancais do virabrequim do motor diesel ferroviário</p><p>3.1 Definições do transdutor de temperatura</p><p>3.2 Funcionamento sistêmico do monitoramento da temperatura de mancais</p><p>4 Projeto do sistema de monitoramento</p><p>4.1 Desenvolvimento Gabinete</p><p>4.1.1 Módulo de processamento</p><p>4.1.2 Supervisora</p><p>4.1.3 Integração do módulo de processamento e supervisora - ECU</p><p>4.2 Placa Conversora de Protocolo - PCP</p><p>4.2.1 Detalhamento da implementação da comunicação I²C entre os sensores e a PCP</p><p>4.3 Aplicação de acesso e utilização do usuário - Software de Interface</p><p>5 Resultados</p><p>5.1 Resultado do teste de funcionamento do sistema em bancada</p><p>5.2 RESULTADO DO TESTE DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA no motor diesel da locomotiva</p><p>5.2.1 Teste e análise das temperaturas dos mancais</p><p>5.2.2 Análise do desvio da média da temperatura dos mancais</p><p>5.2.3 Configuração do debounce para ativação do alarme</p><p>6 Conclusões</p><p>Referências</p><p>. . . . . 30</p><p>2.6 OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DO MOTOR DIESEL . . . . . . . . . 33</p><p>2.7 MOTOR DIESEL FERROVIÁRIO - LOCOMOTIVA . . . . . . . . . . 34</p><p>2.8 SISTEMAS DE MONITORAMENTO DE MOTORES DIESEL . . . . 37</p><p>2.8.1 Artigo - Sistema de aquisição de parâmetros - Motor diesel marítimo . . . . 37</p><p>2.8.2 Artigo - Aumento de desempenho - Manutenção baseada em condições . . . 39</p><p>3 MONITORAMENTO DA TEMPERATURA DE MANCAIS DO VIRA-</p><p>BREQUIM DO MOTOR DIESEL FERROVIÁRIO . . . . . . . . . . . 42</p><p>3.1 DEFINIÇÕES DO TRANSDUTOR DE TEMPERATURA . . . . . . . 43</p><p>3.2 FUNCIONAMENTO SISTÊMICO DO MONITORAMENTO DA</p><p>TEMPERATURA DE MANCAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48</p><p>4 PROJETO DO SISTEMA DE MONITORAMENTO . . . . . . . . . . . 51</p><p>4.1 DESENVOLVIMENTO GABINETE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55</p><p>4.1.1 Módulo de processamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56</p><p>4.1.2 Supervisora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68</p><p>4.1.3 Integração do módulo de processamento e supervisora - ECU . . . . . . . . 71</p><p>4.2 PLACA CONVERSORA DE PROTOCOLO - PCP . . . . . . . . . . . 72</p><p>4.2.1 Detalhamento da implementação da comunicação I²C entre os sensores e a PCP 76</p><p>4.3 APLICAÇÃO DE ACESSO E UTILIZAÇÃO DO USUÁRIO - SOFT-</p><p>WARE DE INTERFACE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77</p><p>5 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81</p><p>5.1 RESULTADO DO TESTE DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA</p><p>EM BANCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81</p><p>5.2 RESULTADO DO TESTE DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA</p><p>NO MOTOR DIESEL DA LOCOMOTIVA . . . . . . . . . . . . . . . . 85</p><p>5.2.1 Teste e análise das temperaturas dos mancais . . . . . . . . . . . . . . . . . 85</p><p>5.2.2 Análise do desvio da média da temperatura dos mancais . . . . . . . . . . . 89</p><p>5.2.3 Configuração do debounce para ativação do alarme . . . . . . . . . . . . . . 91</p><p>6 CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93</p><p>REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96</p><p>15</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>São várias as aplicações de motores a diesel. No Brasil e em muitos países tem-se toda</p><p>a frota de caminhões de transportes que utilizam motores diesel e até mesmo vans e camionetes.</p><p>Além disso, tem-se também aplicações dos motores a diesel “off-highway” ou na tradução literal,</p><p>“fora de estrada”. Nestas aplicações os motores de grande porte realizam trabalhos pesados</p><p>e possuem potências de até 100 MW (CHATTERJEE, 2014), (KURMAEV et al., 2017). Na</p><p>Figura 1, é possível observar algumas aplicações de motores a diesel “fora de estrada”.</p><p>Figura 1 – Aplicações fora de estrada para motores a diesel.</p><p>Fonte: Solution (2022).</p><p>Dentre vários tipos existentes de motores diesel, este trabalho foi realizado com foco na</p><p>instrumentação de motores “fora de estrada” de ferrovias, especificamente, motores diesel de</p><p>locomotivas. O uso de motores diesel foi testado em locomotivas desde quando o modelo foi</p><p>patenteando, porém só obteve sucesso no ano 1925 (BORBA, 2011). A partir deste ano, várias</p><p>tecnologias foram utilizadas, resultando em várias topologias de funcionamento mecânico das</p><p>locomotivas. Este trabalho foi aplicado na topologia de locomotiva denominada “diesel-elétrica”,</p><p>no qual um motor diesel aciona um gerador elétrico que, por fim, fornece energia para os motores</p><p>elétricos acoplados aos eixos de tração da locomotiva. Na Figura 2 é apresentado um diagrama</p><p>em blocos simplificados da topologia diesel-elétrica.</p><p>16</p><p>Figura 2 – Diagrama em blocos locomotiva diesel-elétrica.</p><p>Fonte: Borba (2011).</p><p>Os motores diesel ferroviário de grande porte possuem um custo alto, assim como</p><p>sua manutenção, seja pelo grande tamanho das peças mecânicas, que demanda uma confecção</p><p>especializada, ou pela pouca praticidade em manusear e realizar manutenções nesses motores.</p><p>O tempo de inatividade por manutenção de uma locomotiva gera um grande prejuízo para</p><p>as concessionárias ferroviárias, pois prejudica o planejamento logístico da frota e diminui</p><p>a sua produção. Muitas vezes, para compensar o desfalque de uma locomotiva parada para</p><p>manutenção, as demais em funcionamento, são sobrecarregas, e isso acarreta em grandes períodos</p><p>de funcionamento, o que leva a negligenciar as manutenções programadas. Tendo isso em vista,</p><p>é muito importante um monitoramento constante e confiável do estado geral da locomotiva,</p><p>em especial com seu motor diesel, para que seja antecipada a quebra ou danificação de um</p><p>componente crítico do motor, como por exemplo: o bloco, virabrequim e bielas, que são os</p><p>objetos centrais do estudo deste trabalho.</p><p>Os componentes internos do motor diesel estão condicionados a um desgaste natural de</p><p>suas peças, pois estão em constante atrito e movimento. Por isso, sua durabilidade e performance</p><p>dependem unicamente dos cuidados que são dispensados aos sistemas (BORBA, 2011). Por</p><p>muito tempo, foi estudado os defeitos que acontecem em motores diesel. Um estudo apontou</p><p>que 7% de 410 eventos de parada por falha de motores diesel estão relacionadas aos rolamentos</p><p>e mancais (COLLACOTT, 1977). Outro estudo (VERSICHERUNGS-AG, 1978) fez o registro</p><p>detalhado das paradas por falha durante quatro anos, que gerou um montante de 800 registros, nas</p><p>quais 24% se deu a falhas do virabrequim. O fato de pistões, virabrequins, cilindros e camisas de</p><p>cilindros serem os componentes mais frequentemente sujeitos a danos indica uma alta proporção</p><p>de falhas de manutenção, que são as deficiências de refrigerantes e lubrificantes durante a sua</p><p>operação .</p><p>De forma bem simplificada, o virabrequim transforma o movimento do pistão em</p><p>girante, que por sua vez permite o acionamento do gerador elétrico, no caso das locomotivas</p><p>17</p><p>diesel-elétricas (BORBA, 2011). Vários distúrbios podem prejudicar a operação de um mancal,</p><p>ou seja, quaisquer causas que impeçam a operação hidrodinâmica sob uma adequada lubrificação</p><p>completa, mesmo quando projetada de forma adequada. Estas falhas podem incluir lubrificação</p><p>deficiente, lubrificante contaminado, diluído ou espumado, sobrecarga e geometria defeituosa das</p><p>peças deslizantes devido a erros de fabricação ou montagem. Distúrbios podem causar desgaste,</p><p>superaquecimento, fadiga do material ou corrosão (RAC, 1991). Um mancal normalmente</p><p>mantém sua funcionalidade, mesmo quando tais deficiências estão presentes com um pequeno</p><p>desvio do ideal. No entanto, em um estágio avançado de deficiências, eles podem causar a falha</p><p>de um mancal (MOLLENHAUER, 2010).</p><p>Com a intenção de reduzir as falhas dos mancais do motor diesel, vários sensores</p><p>e métodos de detecção de falhas foram desenvolvidos ao longos dos anos. Um exemplo é o</p><p>monitoramento da contaminação do óleo lubrificante por meio de fluorescência de raios X, que</p><p>fazem parte da rotina de testes empregados para manutenção preditiva de motores diesel de</p><p>grande porte. Outros métodos monitoram a força aplicada aos rolamentos através da aplicação</p><p>de sensores de strain gauges. A deterioração do rolamento pode ser monitorada medindo a</p><p>vibração; isso pode ser adquirido pela aplicação de sensores de vibração ou de proximidade</p><p>(CHAUDHARI et al., 2014). Outro importante método utilizado para diagnosticar falhas em</p><p>rolamentos é através da medição direta de temperatura, que pode indicar um desgaste excessivo</p><p>do mancal ou rolamento por atrito (COLLACOTT, 1977), (MEZZADRI et al., 2018).</p><p>Com o objetivo de auxiliar na detecção de falhas nos mancais, neste trabalho foi de-</p><p>senvolvido uma forma de medir a temperatura dos mancais de forma indireta, através do óleo</p><p>lubrificante que é aplicado ao virabrequim e mancais fixos e móveis. Com a medição da tempera-</p><p>tura dos mancais, é possível identificar, em casos de alta temperatura, um desgaste excessivo e</p><p>antecipar uma falha no motor. Para isso, foi desenvolvimento uma matriz de sensores digitais de</p><p>temperatura, que é inserida dentro do motor diesel, e mantém contato com o óleo lubrificante. A</p><p>partir disso, esse transdutor é capaz</p><p>de fornecer as medidas de temperatura, que indiretamente</p><p>fornece uma visão atualizada da temperatura dos mancais e do seu estado de operação. Neste</p><p>trabalho assumiu-se que a temperatura do óleo pode ser linearmente correlacionada com a</p><p>temperatura do mancal como já visto em trabalhos anteriores.</p><p>Foi instalado este sistema em duas locomotivas para testes e realizou-se a medição da</p><p>temperatura dos mancais destas duas locomotivas com um pirômetro digital infravermelhos e</p><p>constatou-se que as temperaturas dos mancais variam de 52 °C a 93 °C. Esta variação se dá</p><p>18</p><p>através dos diferentes pontos de rotação, torque e conservação do motor, quando aplicado carga</p><p>ou não. Lembrando que essas medições através de pirômetro infravermelho não são precisas pois</p><p>são realizadas somente com o motor diesel desligado. Mas estes dados já são úteis para definir</p><p>os requisitos do transdutor de temperatura desenvolvido.</p><p>O sensor de temperatura escolhido para construir o transdutor, foi o modelo</p><p>MAX31725MTA+, da fabricante Maxim Integrated Products. Suas vantagens principais são:</p><p>range de medição de temperatura que atende à aplicação, e tamanho reduzido. Um grande</p><p>desafio deste trabalho foi o encapsulamento do transdutor para adequá-lo a trabalhar em um</p><p>ambiente agressivo como o motor a diesel de uma locomotiva. Do ponto de vista da instalação</p><p>no motor, quanto menor o tamanho do transdutor construído, menos intrusivo será sua instalação</p><p>e adequação no motor. Por isso, a busca por um modelo miniaturizado e robusto exigiu uma</p><p>pesquisa minuciosa no mercado, a qual foram encontrados alguns modelos disponíveis, e por</p><p>fim, o modelo MAX31725MTA+ mostrou-se mais adequado para esta aplicação em termos de</p><p>custo e disponibilidade.</p><p>Este trabalho, além do desenvolvimento do transdutor, contempla também o desenvol-</p><p>vimento de todo o sistema de aquisição de dados, supervisão, geração de alarmes, técnicas de</p><p>instalação na locomotiva e apresentação da análise dos dados.</p><p>1.1 OBJETIVOS</p><p>1.1.1 Objetivo Geral</p><p>Desenvolver um sistema de monitoramento da temperatura dos mancais do virabrequim</p><p>de motores diesel de grande porte utilizando sensores eletrônicos. Este desenvolvimento é</p><p>composto por dois grandes blocos, sendo eles: um transdutor de temperatura baseado numa</p><p>matriz de sensores eletrônicos e de um sistema de aquisição, armazenamento e processamento</p><p>dos dados em tempo real. O transdutor deve possuir potencial para operar sob altas vibrações</p><p>ocasionada pelo funcionamento da locomotiva, ambiente agressivo, do ponto de vista térmico, e</p><p>com altos índices de ruído eletromagnético, advindo dos geradores e motores elétricos. O cenário</p><p>principal de aplicação consiste no monitoramento da temperatura dos mancais do virabrequim</p><p>do motor diesel de locomotiva. As temperaturas coletadas podem indicar falhas na operação do</p><p>motor, especificamente no sistema de lubrificação ou refrigeração do virabrequim.</p><p>19</p><p>1.1.2 Objetivos Específicos</p><p>Os objetivos específicos são:</p><p>• Adequar a alteração da tecnologia de sensoriamento óptico existente para sensoriamento</p><p>eletrônico</p><p>• Definir os requisitos de entrada do projeto do transdutor eletrônico</p><p>• Definir modelo do sensor eletrônico a ser utilizado</p><p>• Desenvolver transdutor adequado para instalação de forma simples em motores diesel de</p><p>grande porte</p><p>• Desenvolver um sistema de aquisição, processamento e armazenamento dos dados de</p><p>temperatura</p><p>• Garantir que o sistema realize o processamento dos dados em tempo real</p><p>• Desligar o motor diesel de grande porte se alguma anomalia na operação do virabrequim</p><p>for identificada</p><p>• Instalar o transdutor e sistema em um motor diesel de locomotiva</p><p>• Testar o sistema completo instalado na locomotiva</p><p>• Coletar os dados e gerar das curvas de temperatura do motor da locomotiva</p><p>1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO</p><p>As partes fundamentais deste trabalho estão divididas em seis capítulos. A introdução</p><p>contempla um breve histórico, a importância e justificativa da escolha do tema, além de apresentar</p><p>as delimitações do assunto, a formulação das hipóteses e os objetivos da pesquisa e a estrutura</p><p>geral do trabalho. Já um estudo detalhado de motores diesel de grande porte, mancais do</p><p>virabrequim, sistema de lubrificação do virabrequim e motores de locomotivas é discorrido no</p><p>capítulo 2. No capítulo 3, é detalhado como é feito o monitoramento da temperatura dos mancais</p><p>do virabrequim, a construção e desenvolvimento do transdutor de temperatura instalado dentro</p><p>do bloco do motor diesel e, por fim, uma visão geral do funcionamento do sistema completo,</p><p>contemplando o transdutor e o sistema de análise e processamento dos dados. O capítulo 4</p><p>20</p><p>apresenta o desenvolvimento em detalhes do sistema de aquisição e processamento de dados,</p><p>discorrendo sobre cada item que compõem o sistema. No capitulo 5 é apresentado os principais</p><p>resultados obtidos do sistema após a sua instalação em um motor diesel de locomotiva . Por fim</p><p>o capitulo 6 expõe as conclusões do trabalho e sugestões de melhorias futuras para o sistema.</p><p>21</p><p>2 MOTORES DIESEL DE GRANDE PORTE</p><p>Motores diesel são máquinas térmicas alternativas, de combustão interna, destinadas ao</p><p>suprimento de energia mecânica ou força motriz de acionamento. O nome é devido a Ruldolf</p><p>Diesel, engenheiro francês nascido em Paris, que desenvolveu o primeiro motor em Augsburg -</p><p>Alemanha, no período de 1893 a 1898. Oficialmente, o primeiro teste bem sucedido foi realizado</p><p>no dia 17 de fevereiro de 1897, na Maschinenfabrik Augsburg. (PEREIRA, 2006)</p><p>Segundo sua aplicação, são classificados em quatro tipos básicos: (PEREIRA, 2006)</p><p>• Estacionários: Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias, tais como geradores,</p><p>máquinas de solda, bombas ou outras máquinas que operação em rotação constante;</p><p>• Industriais: Destinados ao acionamento de máquinas de construção civil, tais como trato-</p><p>res, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de</p><p>operação fora-de-estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações onde</p><p>se exijam características especiais específicas do acionador;</p><p>• Veiculares: Destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, tais como</p><p>caminhões, caminhonetes e ônibus;</p><p>• Marítimos: Destinados à propulsão de barcos e máquinas de uso naval.</p><p>A vantagem do motor diesel sobre os motores a gasolina (ciclo Otto), reside na sua</p><p>maior capacidade térmica (maior produção de trabalho por unidade de consumo de combustível).</p><p>Além disso, o motor diesel é mais adequado para suportar trabalho pesado durante longas</p><p>jornadas por ter elevada capacidade de força e ser mais durável. No entanto, quando em alta</p><p>rotação, o motor diesel é mais ruidoso e requer maior quantidade de manutenções, razão pela</p><p>qual o motor a gasolina é mais popular nos automóveis de passeio (BORBA, 2011).</p><p>2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE MOTORES DIESEL</p><p>O princípio de funcionamento dos motores de combustão classificado como "ciclo</p><p>Diesel", são aqueles que comprimem o ar após ser aspirado, na sequência recebe o combustível</p><p>sob uma pressão superior aquela em que o ar se encontra. A combustão ocorre por auto-ignição,</p><p>quando o combustível entra em contato com o ar aquecido pela pressão elevada. O combustível</p><p>22</p><p>que é injetado ao final da compressão do ar, na maioria dos motores do ciclo Diesel, é o óleo</p><p>Diesel comercial, porém outros combustíveis, tais como nafta, óleos minerais mais pesado e óleos</p><p>vegetais, podem ser utilizados em motores construídos especificamente para a utilização destes</p><p>combustíveis. O processo Diesel não se limita a combustíveis líquidos. Podem ser utilizados,</p><p>como exemplo, o carvão em pó e produtos vegetais. Também é possível a utilização de gás</p><p>como combustível no processo Diesel, nos motores conhecidos como de combustível misto ou</p><p>conversíveis, que já são produzidos em escala considerável (PEREIRA, 2006), (RACHE, 2007).</p><p>Os motores a diesel também podem ser classificados pelo sistema de arrefecimento,</p><p>normalmente a água ou a ar, ou pelo</p><p>número e disposição dos cilindros, sendo dispostos em linha</p><p>ou dispostos em fileiras inclinadas em V (vê) (PEREIRA, 2006).</p><p>Figura 3 – Topologias de posição de cilindros em motores diesel</p><p>(a) Motor com cilindro</p><p>em linha</p><p>(b) Motor com cilindro em V</p><p>Fonte: Costa (2002).</p><p>Na Figura 3 é possível ver as duas topologias de construção dos motores diesel de</p><p>grande porte mais utilizados atualmente. A Figura 3(a) mostra a disposição dos cilindros em</p><p>linha. Essa disposição possui a vantagem de ter uma vibração que pode ser eliminada de forma</p><p>simples, geralmente através de apoios elásticos do motor na estrutura. Já a Figura 3(b) ilustra um</p><p>motor com disposição em “V” dos cilindros. Essa, por sua vez, acarreta em maior vibração e</p><p>pode ser reduzida com o uso de um eixo suplementar provido de contrapeso. A disposição em</p><p>"V"tem como principal vantagem o fato do conjunto de cilindros ter menor comprimento do que</p><p>dos motores em linha, podendo, assim possuir um virabrequim de menor comprimento também.</p><p>O fato do virabrequim ter menor comprimento na topologia em “V”, fornece a possibilidade dele</p><p>ser mais rígido e trabalhar de maneira mais suave em altas rotações.</p><p>Como já mencionado acima sobre o virabrequim, ele é um elemento chave dos motores</p><p>diesel. Também chamado de eixo de manivelas, o virabrequim é fabricado em aço carbono</p><p>forjado, com tratamento térmico específico, e mangas endurecidas com têmpera por indução</p><p>nos munhões e nos moentes. Um exemplo de virabrequim de motores diesel de grande porte</p><p>23</p><p>pode ser visto na Figura 4. Pode ser constituído por uma única peça ou por duas seções, cujos</p><p>flanges são unidos por parafusos. Como a temperatura de trabalho do virabrequim é da ordem de</p><p>100 ºC, o mesmo possui canais internos e externos de lubrificação que permitem a circulação do</p><p>óleo lubrificante para os mancais fixos e móveis, a fim de arrefecer o conjunto eixo virabrequim-</p><p>casquilhos e garantir que sua temperatura não se eleve excessivamente. O eixo virabrequim é</p><p>fixado ao bloco através dos mancais principais (mancais fixos) nos munhões, e suporta o torque</p><p>proveniente dos conjuntos de força através dos mancais das bielas (mancais móveis) nos moentes</p><p>(BORBA, 2011).</p><p>Figura 4 – Virabrequim de um motor diesel de grande porte</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>O conjunto de peças do virabrequim é a parte principal do motor, responsável pela</p><p>transformação do movimento linear dos pistões em movimento rotativo. Além do virabrequim, o</p><p>conjunto do motor diesel se subdivide em outros cinco componentes que compõe sua estrutura e</p><p>é mostrado na Figura 5. Sendo eles:</p><p>• Cabeçotes: funcionam como tampas dos cilindros e acomodam os mecanismos das válvulas</p><p>de admissão e escape, bicos injetores e canais de circulação do líquido de arrefecimento;</p><p>• Cárter: compreender o reservatório do óleo lubrificante utilizado, situado inferiormente no</p><p>motor;</p><p>• Seção dianteira: composto pelas engrenagens de distribuição de movimentos para os</p><p>acessórios do motor;</p><p>• Seção traseira: onde se encontra o volante e respectiva carcaça, para montagem do equipa-</p><p>mento acionado;</p><p>• Bloco de cilindros: alojam-se os conjuntos de cilindros, pistões, anéis, camisas, bielas,</p><p>árvores de manivelas e árvore de comando de válvulas;</p><p>• Virabrequim: responsável pela transformação do movimento linear dos pistões em movi-</p><p>mento rotativo.</p><p>24</p><p>Figura 5 – Cabeçote, bloco e cárter de um motor diesel.</p><p>Fonte: Costa (2002).</p><p>2.2 SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO MOTOR DIESEL</p><p>O sistema de lubrificação em um motor diesel tem como função distribuir o óleo</p><p>lubrificante entre as partes móveis do motor, com o objetivo de diminuir o desgaste, o ruído e</p><p>auxiliar no arrefecimento do motor. Nos motores diesel de quatro tempos o óleo lubrificante é</p><p>armazenado no cárter do motor. O fluxo de óleo é feito sob pressão através de galerias existentes</p><p>no motor. (VARELLA; SANTOS, 2010).</p><p>2.2.1 Tipos de óleos lubrificantes</p><p>O óleo é um fluido aplicado nos motores para manter a lubrificação e também utilizado</p><p>no sistema de transmissão hidráulico de máquinas pesadas. O uso correto do óleo lubrificante</p><p>recomendado pelo fabricante é de suma importância. Uma das principais propriedades desses</p><p>óleos é sua viscosidade. Óleos com viscosidade baixa, executam uma má lubrificação quando</p><p>utilizado fora de sua especificação de aplicação, pelo fato de escorrer entre as folgas, e não</p><p>realizar a lubrificação corretamente. Já os óleos com viscosidade maior, não penetram nas folgas</p><p>existentes do motor e também não realizam a lubrificação de forma adequada. A viscosidade é</p><p>a resistência que um óleo impõe ao seu escoamento. É o tempo, em segundos, para que certa</p><p>quantidade de óleo, numa dada temperatura, escoe através de um orifício de formato e dimensões</p><p>padronizados. É medida em instrumento padrão, denominado viscosímetro Saybolt universal</p><p>25</p><p>(VARELLA; SANTOS, 2010), (CARRETEIRO; BELMIRO, 2006).</p><p>Portanto, é muito importante utilizar o óleo lubrificante indicado pelo fabricante, garan-</p><p>tindo, assim, que não haverá problemas na lubrificação do motor.</p><p>As principais funções do óleo lubrificante em um motor são (VARELLA; SANTOS,</p><p>2010):</p><p>a) Diminuir o atrito com consequente diminuição do desgaste das partes em contato;</p><p>b) Atuar como agente de limpeza, retirando os carvões e partículas de metais que se</p><p>formam durante o funcionamento do motor;</p><p>c) Realizar um resfriamento auxiliar do motor;</p><p>d) Impedir a passagem dos gases da câmara de combustão para o cárter, completando</p><p>a vedação entre os anéis do pistão e a parede do cilindro;</p><p>e) Reduzir o ruído entre as partes em funcionamento;</p><p>f) Amortecer os choques e as cargas entre os mancais.</p><p>2.2.2 Tipos de sistemas de lubrificação</p><p>Os sistemas de lubrificação são classificados de acordo com a forma de distribuição do</p><p>óleo pelas diferentes partes do motor (VARELLA; SANTOS, 2010):</p><p>• Sistema de mistura com o combustível: Utilizado nos motores de 2 tempos a gasolina. O</p><p>óleo é misturado ao combustível na proporção de 1:20 a 1:40.</p><p>• Sistema por salpico: Mais utilizado em motores estacionários, monocilíndricos de uso</p><p>agrícola. O pé da biela apresenta um prolongamento afilado denominado pescador. Uma</p><p>bomba alimenta com óleo o pescador. Ao girar o motor o óleo é borrifado pelo pescador</p><p>nas paredes dos cilindros e nas peças da parte inferior do bloco.</p><p>• Circulação e salpico: Neste sistema, uma bomba força a passagem do óleo através de uma</p><p>galeria principal contida no bloco do motor, ao mesmo tempo em que abastece as calhas</p><p>de lubrificação por salpico. Da galeria principal, o óleo, sob pressão, é direcionado para a</p><p>árvore de manivelas, eixo de cames e eixo de balancins. O óleo que escapa dos eixos é</p><p>pulverizado na parte superior das paredes dos cilindros, nos pistões e pinos das bielas.</p><p>26</p><p>• Circulação sob pressão: O óleo sob pressão circula entre as partes móveis do motor.</p><p>Passa através dos mancais do eixo da árvore de manivelas, cames, balancins e pinos dos</p><p>pistões. Estes pinos são lubrificados por galerias existentes nas bielas. As partes superiores</p><p>dos cilindros e dos pistões são lubrificadas pelo óleo que escapa de furos existentes nas</p><p>conexões das bielas com os pinos dos pistões. Já as partes inferiores são lubrificadas pelo</p><p>óleo pulverizado de furos existentes nas conexões da árvore de manivelas com as bielas.</p><p>Devido à longa distância que o óleo percorre neste sistema, o requerimento de pressão na</p><p>maioria dos motores varia entre 15 e 40 psi, podendo chegar a 65 psi em alguns motores. A</p><p>Figura 6 ilustra a circulação do óleo no sistema de lubrificação sob pressão. Esse sistema</p><p>é constituído dos seguintes componentes: reservatório de óleo, bomba de óleo, galerias,</p><p>filtro de óleo, válvula de alívio, manômetro e radiador de óleo.</p><p>Figura 6 – Circulação do óleo lubrificante no sistema de lubrificação sob pressão</p><p>Fonte: Varella e Santos (2010).</p><p>As galerias são furos localizados no interior do bloco do motor, por onde o óleo é</p><p>bombeado até as partes a serem lubrificadas. É uma espécie de encanamento para a</p><p>circulação</p><p>do óleo lubrificante. Esse óleo é armazenado no cárter. Como já ilustrado anteriormente, o cárter</p><p>localiza-se na parte inferior do motor à diesel, onde o óleo é acumulado pela própria gravidade.</p><p>No cárter ou próximo ao cárter, localiza-se a bomba de óleo. Ela é acionada pelo</p><p>movimento do eixo de manivelas ou pelo eixo do comando de válvulas. Sua função é suprir óleo</p><p>lubrificante sob pressão às diversas partes do motor. As bombas de óleo, em sua maioria, são do</p><p>27</p><p>tipo de engrenagens. Estas bombas são constituídas por um par de engrenagens encerradas em</p><p>uma caixa fechada. O óleo entra por uma das extremidades da caixa e é forçado a passar entre as</p><p>engrenagens. À medida que as engrenagens giram é obtido o aumento de pressão (VARELLA;</p><p>SANTOS, 2010).</p><p>Outro componente importante do sistema de lubrificação é o filtro de óleo e está</p><p>localizado na parte externa do bloco do motor. Tem como função reter partículas indesejáveis</p><p>visando promover a limpeza do óleo lubrificante. As impurezas reduzem significativamente a</p><p>vida dos motores pois fazem um lixamento das partes que estão em contato, por isso é muito</p><p>importante manter a troca dos filtros de acordo com a recomendação do fabricante do motor</p><p>(VARELLA; SANTOS, 2010).</p><p>Por fim, tem-se o radiador de óleo, que é responsável por resfriar o óleo lubrificante do</p><p>motor, fazendo a troca de calor do óleo para o ar.</p><p>2.3 MANCAIS DO VIRABREQUIM</p><p>Os mancais são utilizados para reduzir o atrito e servir de apoio a todas as peças</p><p>giratórias de um veículo, sejam estas eixos ou rodas sobre eixos.</p><p>No caso do virabrequim, entre ele e os mancais/bielas, são colocados os casquilhos para</p><p>evitar desgaste do mesmo. Ainda assim, essas peças não são justas, existindo entre elas uma</p><p>folga na ordem de centenas de micrômetros, por onde circula o óleo lubrificante (BORBA, 2009).</p><p>Na Figura 7 é exemplificado um casquilho utilizado em motores diesel de grande porte.</p><p>O casquilho é o material superficial de um mancal e possui a função de diminuir o</p><p>atrito, e resistir à alta cargas mecânicas. Ele é construído com uma base de aço e revestido</p><p>com um material antifricção conforme mostrado na figura Figura 7(a) . Assim, a superfície do</p><p>mancal (casquilho) desempenha a função de equalizar as cargas do eixo com pouca resistência</p><p>ao movimento e com pequena possibilidade de causar desgaste no virabrequim ou biela.</p><p>Os mancais dividem-se em dois tipos principais: os lisos e os rolamentos (COSTA,</p><p>2002).</p><p>• Lisos: São dos tipos duas meias buchas, duas meias capas, duas meias bronzinas ou por</p><p>buchas. Essas duas partes ou bucha do mancal é também chamada de casquilho.</p><p>• Rolamentos: podem ser de esferas, de roletes ou de agulhas.</p><p>28</p><p>Figura 7 – Casquilhos</p><p>(a) Disposição da liga anti-fricção no casquilho</p><p>Fonte: Porto (2020).</p><p>(b) Ligação biela / virabrequim</p><p>Fonte: Porto (2020).</p><p>(c) Exemplo de um casquilho usado de</p><p>motor a diesel</p><p>Fonte: Borba (2011).</p><p>O tipo de mancal liso com duas meias-buchas é utilizado como apoio para peças</p><p>giratórias e constituído por duas partes iguais, que facilitam a montagem. Estes são de metal</p><p>antifricção e revestidos por capas ou bronzinas. As bronzinas possuem carcaça de aço, revestida</p><p>interiormente por uma liga de metal maleável, com propriedades para reduzir o atrito e devem</p><p>ter um sólido e perfeito contato no seu alojamento para que o calor gerado pela fricção se dissipe</p><p>no casquilho, evitando o sobreaquecimento. Os casquilhos também apresentam um sulco, que</p><p>permite a passagem de óleo para a cabeças das bielas através do virabrequim. Os mancais de</p><p>apoio do virabrequim estão alojados no bloco, situando-se os da biela nas cabeças das mesmas.</p><p>(COSTA, 2002), Os mancais de apoio são denominados mancais fixos e os mancais que se</p><p>conectam com as bielas, são os mancais móveis. Todos esses detalhes são mostrados na Figura 7.</p><p>2.4 SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO DOS MANCAIS DE UM MOTOR DIESEL</p><p>Uma das extremidades do virabrequim está submetida ao impulso proveniente da</p><p>pressão da embreagem e, em alguns casos, da reação resultante das engrenagens que movem</p><p>os órgãos auxiliares. Se este impulso não fosse controlado causaria deslocamentos axiais no</p><p>virabrequim, o que, além de originar ruídos, provocaria desgastes. Para eliminar tal inconveniente,</p><p>29</p><p>Figura 8 – Lubrificação Casquilho</p><p>(a) Casquilho meia lua</p><p>Fonte: Mezzadri (2018).</p><p>(b) Filme de oléo de lubrificação em</p><p>um mancal</p><p>Fonte: Schwenke (2017).</p><p>um dos apoios do virabrequim é rodeado pelos casquilhos, constituídos por finos segmentos de</p><p>aço revestidos de metal antifricção, que mantém o virabrequim na sua posição, anulando por</p><p>encosto qualquer reação evidente à deslocação axial. Uma bomba faz com que o óleo circule,</p><p>sob pressão, por uma série de canais existentes no bloco (galerias) e penetre nos mancais do</p><p>virabrequim através de um orifício aberto em cada casquilho. Este orifício comunica-se com</p><p>um sulco existente em torno da face interior do casquilho, através do qual o óleo é distribuído,</p><p>formando um filme de óleo conforme mostra a Figura 8(a). Parte do óleo sob pressão penetra</p><p>pelos furos abertos no virabrequim e lubrifica os mancais das bielas. A folga entre o eixo e</p><p>os apoios, que nunca deve exceder 0,1 mm, regula a circulação de óleo e, em grande parte,</p><p>a quantidade de óleo impulsionada para os pistões e cilindros. O orifício por onde penetra o</p><p>óleo que lubrifica um mancal situa-se próximo do ponto onde a pressão exercida sobre esta é</p><p>mínima, isto é, no local onde é maior a folga entre o mancal e o eixo. A Figura 8(b) ilustra esse</p><p>fenômeno. Ao rodar, o eixo arrasta o óleo em volta do mancal formando um calço de óleo. A</p><p>pressão autogerada no calço de óleo é bastante superior à pressão resultante da ação da bomba</p><p>de óleo nas tubulações de alimentação, evitando assim o contato das superfícies metálicas entre</p><p>si, mesmo quando o mancal esta sujeito a elevadas cargas. (COSTA, 2002)</p><p>Esta constante lubrificação feita pelo óleo para que o mancal mantenha-se integro, gera</p><p>um esguicho de óleo, conforme ilustrado na Figura 9(a). Este esguicho é formado por ranhuras</p><p>que são projetadas na biela, para permitir que o óleo circule pela junção conforme ilustra a</p><p>Figura 9(b).</p><p>30</p><p>Figura 9 – Lubrificação de mancais</p><p>(a) Esguicho de óleo que sai do mancal em operação (b) Ranhuras que dão origem ao esguicho de óleo</p><p>Fonte: Autoria Própria.</p><p>2.5 DEFEITOS NOS MANCAIS DO VIRABREQUIM EM MOTORES DIESEL DE</p><p>GRANDE PORTE</p><p>A lubrificação dos motores é muito importante e mantém todo o sistema móvel com</p><p>baixo atrito e temperatura adequada. Qualquer falha de lubrificação pode causar danos severos.</p><p>Estas falhas ocorrem por diferentes motivos, tais como: excesso de sujeira, entupimento dos</p><p>dutos de lubrificação, peças não colocadas na posição correta, peças com apertos acima ou</p><p>abaixo do recomendado pelo fabricante, utilização de óleo fora da validade, operação incorreta</p><p>do motor como “motor frio”, desbalanceamento ou descentralização do virabrequim, entre outros</p><p>(MEZZADRI, 2018).</p><p>Umas das consequências da má lubrificação é o desgaste dos casquilhos dos mancais.</p><p>O desgaste pode ocorrer de forma lenta, levando meses até que o problema se agrave e seja</p><p>realmente notado. Uma inspeção visual pode ser suficiente para classificar e diagnosticar a</p><p>falha nos mancais (AFFONSO, 2006). A Figura 10(a) mostra um desgaste ocorrendo na parte</p><p>externa do casquilho, e a Figura 10(b) mostra o desgaste na parte interna do casquilho. Estes</p><p>desgastes depositam, de forma indesejada, material ao óleo, que consequentemente, alteram suas</p><p>propriedades. Estes desgastes gera um atrito maior, fazendo com que o óleo lubricante tenha</p><p>uma temperatura maior quando em contato com as superfícies dos casquilhos. Na Figura 10(c)</p><p>pode-se observar trincas no centro do casquilho, o qual já representa um caso relativamente mais</p><p>grave, e por fim, na Figura 10(d) é possível ver a carbonização do casquilho com depósito de</p><p>material do virabrequim, que neste caso compromete a integridade do mancal e do virabrequim.</p><p>O mesmo pode ocorrer com a biela.</p><p>31</p><p>Figura 10 – Carbonização do casquilho devido a sobreaquecimento do mancal do virabrequim</p><p>(a) Parte externa dos casquilhos (b) Parte interna dos casquilhos</p><p>(c) Trincas na parte interna do casqui-</p><p>lho</p><p>(d) Depósito de material do virabre-</p><p>quim no casquilho</p><p>Fonte: Mezzadri (2018).</p><p>Com o desgaste de qualquer tipo dos mencionados acima, vem acompanhado o aumento</p><p>de temperatura na região; consequentemente, o filme de óleo que flui entre essas partes móveis</p><p>aquece. Essa variação de temperatura do filme de óleo pode ser usada como indicador de</p><p>desgaste para monitoramento antecipado de falhas, tendo em vista que o ponto de ebulição do</p><p>óleo lubrificante varia de 371 °C a 538 °C, dependendo da pressão aplicada, e a temperatura de</p><p>operação do motor não ultrapassa 120 °C (MEZZADRI et al., 2018).</p><p>Outra falha que pode ocorrer em mancais está relacionada às bielas. Essas falhas são</p><p>manifestadas nas junções entre a capa e a biela, e também entre a biela e o casquilho. Pode-se</p><p>manifestar na parte externa da biela quando há algum objeto solto no interior do motor, causando</p><p>possível quebra da biela. Em todos os casos ocorre o aumento da temperatura do fluxo do óleo</p><p>que percorre essas partes móveis do motor. As manifestações de desgastes em bielas de motor</p><p>diesel podem ser vistas na Figura 11 (MEZZADRI, 2018).</p><p>Uma das falhas mais graves que pode ocorrer em um motor diesel de grande porte está</p><p>relacionada ao virabrequim. Os desgastes no virabrequim são oriundos de falhas de lubrificação,</p><p>e acumulo de materiais dos casquilhos e, se for mais grave, materiais das bielas (VENCL;</p><p>RAC, 2014). Desgastes no colo do virabrequim podem acarretar no travamento dessa parte</p><p>32</p><p>móvel girante. Como há várias forças originadas de todos os pistões, e uma força contrária da</p><p>carga acoplada no eixo do virabrequim, certamente acarretará na quebra do mesmo, como é</p><p>visto na Figura 11(d). A quebra do virabrequim também pode ser oriunda da descentralização</p><p>do virabrequim no bloco do motor por consequência de operação incorreta do motor. O caso</p><p>mais grave de falha com o motor diesel de grande porte ocorre com a quebra ou torção do</p><p>bloco do motor. A danificação permanente do bloco do motor traz o maior prejuízo financeiro</p><p>para a empresa. Neste caso, não há mais recuperação e somente algumas peças do motor são</p><p>reaproveitadas (MEZZADRI, 2018).</p><p>Figura 11 – Desgastes das partes móveis de um motor diesel</p><p>(a) Desgastes na parte externa da biela (b) Desgaste na junção biela casquilho</p><p>(c) Desgastes na junção capa e biela (d) Dano com quebra do virabrequim</p><p>Fonte: Mezzadri (2018).</p><p>Com o objetivo de auxiliar na detecção de falhas nos mancais e virabrequim neste</p><p>trabalho foi desenvolvido uma forma de medir a temperatura dos mancais de forma indireta,</p><p>através do óleo lubrificante que é aplicado ao virabrequim e mancais fixos/moveis. Com a</p><p>medição da temperatura dos mancais é possível identificar em casos de alta temperatura um</p><p>desgaste excessivo e antecipar uma falha no motor.</p><p>33</p><p>2.6 OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DO MOTOR DIESEL</p><p>As manutenções preventivas aplicam-se em todos os sistemas do motor diesel. A manu-</p><p>tenção no mecanismo principal é realizada apenas em caso de recondicionamento ou reforma,</p><p>quando ocorre o desmonte, ou em caso de manutenção corretiva por um defeito ou acidente. É</p><p>inevitável que ocorram desgastes dos componentes internos, todavia os cuidados aplicados aos</p><p>sistemas aumentam a durabilidade e desempenho desses componentes (PEREIRA, 2006). Para</p><p>manter os motores diesel em operação, ou estender o tempo de funcionamento, são executados al-</p><p>guns procedimentos de manutenção e operação. Um dos procedimentos é a verificação e registro</p><p>das horas de operação, consumo de água, consumo de combustível, consumo de óleo lubrificante,</p><p>bem como a manutenção e reparos dos sistemas. Dessa forma, não é permitida a operação</p><p>do motor com óleo lubrificante em baixa pressão, água de arrefecimento em alta temperatura,</p><p>excesso de fumaça, ruído anormal, vazamentos em sistemas de arrefecimento, lubrificação e</p><p>combustível (PEREIRA, 2006). Se constatada alguma irregularidade, é providenciada a correção</p><p>antes de utilizar-se o motor (MEZZADRI, 2018).</p><p>O impedimento de parada imediata do motor após um período de operação também se</p><p>trata de um procedimento de operação. Caso o fluxo de água seja interrompido repentinamente, o</p><p>calor retido nas massas de ferro acarreta na ebulição da água em torno das camisas e passagens do</p><p>cabeçote. Em sistemas de partida e parada automática de grupos geradores, o tempo de trabalho</p><p>em vazio é na ordem de 3 a 5 min. Já em motores turbo-alimentados, como é o caso de motores</p><p>diesel de locomotiva, este procedimento evita que o turbo-alimentador gire sem lubrificação. A</p><p>parada imediata é um fator já investigado, considerando os mancais do virabrequim, uma vez</p><p>que os desgastes nos mancais com falha podem evoluir enquanto a máquina estiver trabalhando</p><p>(MEZZADRI, 2018).</p><p>Outro procedimento comumente adotado é a proibição de acionamento do motor con-</p><p>tinuamente por mais de 30 s, e a espera de 3 a 5 s para nova tentativa de partida, sendo isto</p><p>necessário para preservar o motor de partida, pois a temperatura do enrolamento sobe rapida-</p><p>mente quando em serviço (PEREIRA, 2006). Não é permitido deixar o motor sem funcionar</p><p>por longos períodos. Aciona-se no mínimo durante meia hora sob carga, uma vez por semana,</p><p>para manter os componentes lubrificados e evitar que acumule impurezas nas partes móveis</p><p>(PEREIRA, 2006).</p><p>34</p><p>2.7 MOTOR DIESEL FERROVIÁRIO - LOCOMOTIVA</p><p>A aplicação do motor diesel em locomotivas necessita de um conjunto de elementos</p><p>que permita a transferência da potência mecânica gerada no motor até as rodas da locomotiva.</p><p>Esse conjunto é denominado de Sistema de Transmissão. Como característica, o sistema de</p><p>transmissão deve permitir que o acionamento do motor diesel dê-se praticamente em vazio, e que</p><p>o sistema varie a potência aplicada de acordo com o peso do trem e as condições geométricas da</p><p>via. (BORBA, 2009)</p><p>O carregamento do motor se dá através da ação de um acoplamento. Isto implica na</p><p>possibilidade do motor atingir até mesmo seu conjugado máximo com velocidades decrescentes,</p><p>ao invés de fazê-lo com velocidades crescentes, como é o caso de uma partida normal, sem o</p><p>acoplamento. A utilização dos acoplamentos também visa o controle de velocidade do sistema.</p><p>Por outro lado, a maioria dos tipos de acoplamentos utilizados em acionamentos serve como um</p><p>amortecedor aos transitórios de carga. Conforme o método de acoplamento utilizado, é possível</p><p>definir três tipos de sistema de transmissão (BORBA, 2009):</p><p>• Mecânica: locomotiva diesel-mecânica</p><p>• Hidráulica: locomotiva diesel-hidráulica</p><p>• Elétrica: locomotiva diesel-elétrica</p><p>Figura 12 – Distribuição percentual da frota mundial de lo-</p><p>comotivas diesel</p><p>Fonte: Borba (2009).</p><p>35</p><p>A maioria das locomotivas diesel usa a transmissão elétrica. Os sistemas de transmissão</p><p>mecânica e hidráulica ainda são utilizados, porém são mais comuns em trens unidades, locomo-</p><p>tivas leves e locomotivas de manobra. A frota mundial de locomotivas diesel é composta por</p><p>aproximadamente 86 mil unidades, que estão distribuídas percentualmente por tipo, no gráfico</p><p>da Figura 12 (BORBA, 2009).</p><p>A locomotiva diesel-elétrica difere-se de uma locomotiva elétrica no fato de ser um</p><p>sistema de produção e geração de energia elétrica, completo e isolado, isto é, carrega sua própria</p><p>estação geradora de energia, em vez de ser conectada a uma estação geradora de energia remota</p><p>através de cabos aéreos ou de um terceiro trilho. O sistema de produção e geração de energia</p><p>elétrica da locomotiva diesel-elétrica tem o motor diesel como fonte primária de energia, que é</p><p>diretamente acoplado a um gerador de energia elétrica a qual produz a eletricidade necessária</p><p>para alimentar os motores elétricos de tração e acionar os rodeiros da locomotiva. Por sua</p><p>vez, os motores elétricos de tração podem ser em corrente</p><p>contínua ou em corrente alternada.</p><p>(BORBA, 2009). Na Figura 13, é exemplificado um diagrama das duas topologias de locomotiva</p><p>diesel-elétrica.</p><p>Figura 13 – Diagrama em blocos - Locomotiva diesel-elétrica</p><p>(a) Locomotiva com motores de tração de corrente</p><p>contínua</p><p>(b) Locomotiva com motores de tração de cor-</p><p>rente alternada</p><p>Fonte: Adaptado de Borba (2009).</p><p>Na busca contínua pelo aumento da eficiência, em conjunto com o aprimoramento das</p><p>unidades de tração, foram desenvolvidos sistemas de transmissão mais sofisticados, através dos</p><p>quais, itens antes pouco importantes, passaram a receber atenção cada vez maior. Além da maior</p><p>eficiência energética e do maior rendimento no tracionamento, alcançou-se também uma maior</p><p>compacidade das unidades de tração com menores níveis de ruído e de vibrações. Este avanço</p><p>proporcionou um maior conforto, especialmente nas unidades de transporte de passageiros, isto</p><p>graças à sofisticação dos componentes de transmissão intermediários, ou seja, dos acoplamentos</p><p>e dos engrenamentos (BORBA, 2009).</p><p>36</p><p>Um exemplo de locomotiva diesel-elétrica que se encontra em operação no Brasil é a</p><p>GE U20C mostrada na Figura 14(a). Na Figura 14(b) é ilustrado o seu motor diesel GE-7FDL. O</p><p>modelo deste motor é o GE-7FDL e possui 12 cilindros em “V” (6 cilindros de cada lado).</p><p>Figura 14 – Locomotiva diesel-elétrica - GE</p><p>(a) Locomotiva GE U20C</p><p>Fonte: Fratesch (2022).</p><p>(b) Motor diesel GE-7FDL da locomotiva</p><p>GE-U20C</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>As locomotivas GE U20C foram produzidas pela General Electric (GE) entre os anos</p><p>de 1960 e 1990, sendo muito utilizada em países em desenvolvimento. Neste período foram</p><p>produzidas aproximadamente 984 unidades. O motor diesel dessa locomotiva, modelo GE-7FDL,</p><p>é capaz de fornecer uma potencia total de até 2.150 HP. (GUSTAVO, 2012). Como já mencionado,</p><p>a disposição dos cilindros em V deste motor, é preferida em locomotivas, devido à economia de</p><p>peso e espaço (BRINA, 1988).</p><p>Todo o torque gerado pelo motor diesel é transferido para o gerador elétrico da locomo-</p><p>tiva. Ele é responsável por gerar a energia necessária para os motores de tração. Este gerador</p><p>elétrico é mostrado na Figura 15(a). O conjunto motor diesel e gerador elétrico, denomina-se</p><p>grupo gerador.</p><p>No centro do motor a diesel GE-7FDL existe o virabrequim. Este é conectado aos</p><p>cilindros através das bielas. Um virabrequim é mostrado na Figura 15(b). Para o motor em</p><p>questão, cada par de cilindro conecta-se em um mancal móvel do virabrequim, totalizando 6</p><p>mancais móveis. Os mancais fixos mantém o virabrequim fixado na estrutura do bloco do motor</p><p>e fornecem apoio ao movimento de rotação do eixo. Tendo em vista que as extremidades do</p><p>virabrequim são suportadas por mancais fixos, tem-se ao total 7 mancais fixos (BORBA, 2011).</p><p>37</p><p>Figura 15 – Motor, gerador e virabrequim de uma locomotiva diesel-elétrica</p><p>(a) Gerador elétrico da locomotiva GE U20C</p><p>Fonte: Mezzadri (2018).</p><p>(b) Virabrequim do motor GE-7FDL</p><p>Fonte: Autoria Própria.</p><p>2.8 SISTEMAS DE MONITORAMENTO DE MOTORES DIESEL</p><p>Como já comentado, motores a diesel de grande porte utilizados em geradores de energia,</p><p>locomotivas e navios trabalham em condições extremas - altas temperaturas, vibrações, gases</p><p>de escape agressivos - causando desgaste dos componentes e exigindo manutenção periódica.</p><p>As condições de operação, especialmente sobrecarga e velocidade excessiva, são muitas vezes</p><p>responsáveis pela falha precoce de componentes dos motores. A importância de perceber os</p><p>primeiros sinais de degradação e a necessidade de manutenção que se aproxima, prevê danos</p><p>maiores e mais custosos (ZAWADZK et al., 2021). Nesta seção serão exemplificados alguns</p><p>tipos de sensoriamento de motores diesel já desenvolvidos e publicados em anais científicos.</p><p>2.8.1 Artigo - Sistema de aquisição de parâmetros - Motor diesel marítimo</p><p>No artigo intitulado "Development of Operating Parameters Acquisition System on</p><p>Marine Diesel Engine" (ZHANG et al., 2018), foi desenvolvido um sistema no qual, através</p><p>de um sensor de pressão, é adquirido em tempo real dados da pressão do cilindro do motor</p><p>diesel marítimo. Estes dados são usados para levantar a curva de pressão do cilindro e a curva de</p><p>liberação de calor que se adapta à mudança do ângulo da manivela (ZHANG et al., 2018).</p><p>O artigo descreve que já existem alguns sistemas de análise de parâmetro usado em</p><p>motores de combustão interna e que foram desenvolvidos por empresas como Kistler, AVL e</p><p>a Japan Ono. Estes fabricantes fornecem uma grande quantidade destes equipamento para a</p><p>China, que é o país de origem dos autores do artigo. O objetivo do trabalho descrito no artigo</p><p>em questão, foi desenvolver um sistema similar ao das empresas Kistler, AVL e Japan Ono com</p><p>38</p><p>algumas funcionalidades inferiores, porém com uma relação custo/benefício adequada.</p><p>De forma bastante simplificada, o projeto desenvolvido tem como base um sensor de</p><p>pressão piezoelétrico de Quartz instalado na cavidade do cilindro, um encoder óptico instalado</p><p>no virabrequim do motor, alguns sensores de temperatura que medem a temperatura do óleo</p><p>e do líquido refrigerante do motor, Conversor analógico digital (A/D) para os sensores de</p><p>pressão, temperatura e um software desenvolvido em Labview, que processa e disponibiliza os</p><p>dados. Na Figura 16 é mostrado o local e a forma de instalação do sensor dentro do motor. O</p><p>encapsulamento do sensor nem a forma de instalação foi detalhada no artigo. Entretanto, pela</p><p>imagem é possível observar que um furo no bloco do motor foi realizado para dar acesso à camisa</p><p>do cilindro. Os demais itens, como encoder e sensores de temperaturas, não foram detalhados</p><p>por fotos no artigo.</p><p>Figura 16 – Instalação do sensor de pressão dentro do cilindro</p><p>Fonte: Zhang et al. (2018).</p><p>As conclusões do artigo sobre o projeto desenvolvido foram:</p><p>• Um sistema de aquisição e análise de parâmetros operacionais de motores diesel marítimos</p><p>foi desenvolvido com base na linguagem Labview usando um conversor A/D comercial do</p><p>modelo AC6111. O software desenvolvido fornece armazenamento de dados e exibição</p><p>em tempo real. Além disso, fornece funções de reprodução de gráficos para atender às</p><p>necessidades de estudos de teste de bancada de motores diesel marítimos em análise de</p><p>dinamômetro. (ZAWADZK et al., 2021)</p><p>• Um módulo utilizado para cálculo da taxa de liberação de calor em motor diesel marítimo</p><p>foi desenvolvido com linguagem Labview, além da aplicação de um filtro Wavelet nos</p><p>dados, que forneceu uma resultado mais limpo dos mesmos. O módulo do programa</p><p>permite exibir a pressão do cilindro e os resultados do cálculo de calor em tempo real</p><p>(ZAWADZK et al., 2021).</p><p>39</p><p>Embora este trabalho não tenha sido desenvolvido com o objetivo principal de instru-</p><p>mentalizar e monitorar a temperatura dos mancais do virabrequim, foi exemplificado a intrusão</p><p>no bloco do motor diesel, através de um furo para inserção do sensor de pressão, bem como o</p><p>desenvolvimento de um sistema que processa dados em tempo real, semelhante ao sistema de-</p><p>senvolvido nesta dissertação e ressalta uma das inúmeras iniciativas de instrumentalizar motores</p><p>diesel de grande porte afim de prever falhas e auxiliar nas manutenções.</p><p>2.8.2 Artigo - Aumento de desempenho - Manutenção baseada em condições</p><p>O artigo "Increased Locomotive performance using Condition Based Maintenance"</p><p>do autor Antony Barnes (BARNES, 2014), expõe um estudo feito por um operador ferroviário</p><p>dos Estados Unidos da América (EUA) que identificou a necessidade de mudar a forma de</p><p>realizar manutenção na sua frota de locomotivas a diesel para que fosse obtido o mais alto</p><p>nível de disponibilidade e desempenho junto com o menor custo possível. Tradicionalmente</p><p>a manutenção baseada em tempo de uso, com períodos de revisão geral entre 6 e 12 anos se</p><p>mostrou custoso em termos de peças, materiais, mão de obra e tempo de máquina parada.</p><p>Uma mudança na forma de realizar a manutenção, incluiu a introdução de tecnologia</p><p>embarcada para a detecção de falhas. Um</p><p>investimento de 3.4 milhões de dólares foi feito em</p><p>um fornecedor terceiro para a implantação deste plano de manutenção, distribuído em 105</p><p>locomotivas diesel de sua frota. O método utilizado foi o denominado Manutenção Baseada em</p><p>Condições (CBM). O método em questão, fornece as ferramentas e tecnologias para a medição</p><p>e análise de: vibração, ondas de estresse, qualidade do óleo lubrificante, imagem térmica e</p><p>ultrassônicos. Essas ferramentas concede visibilidade para falhas relacionadas a motores diesel</p><p>alternativos de 2 e 4 tempos, geradores elétricos principais e auxiliares, compressores, bombas</p><p>de água e lubrificação, motores de tração, caixas de velocidades, ventiladores de refrigerações,</p><p>sopradores dinâmicos/inerciais e caixas de câmbio de tração. Nestes componentes é possível</p><p>identificar falhas de desgastes, folgas, desalinhamento, problemas de carga elétrica, problemas</p><p>de lubrificação e problemas de combustão.</p><p>O projeto foi dividido em 3 grandes fases, sendo elas: projeto, implementação e revisão.</p><p>A etapa de projeto, trabalhou na identificação do objetivo do negócio, avaliação da planta e do</p><p>ativo, definição das tecnologias que seriam utilizadas. Ao todo, a empresa terceira dispunha</p><p>de uma gama de pelo menos 12 equipamentos e instrumentos diferentes que poderiam ser</p><p>utilizados no processo de coleta de dados dos motores diesel. Os estudos inicias de projeto se</p><p>40</p><p>deram principalmente com avaliações de criticidade para construir o programa com ferramentas e</p><p>tecnologias corretas para dar mitigação aos modos de falhas mais prováveis e fornecer um critério</p><p>de decisão para os intervalos de testes. Foi escolhida como uma das principais ferramentes para</p><p>a detecção precoce de falhas, a tecnologia de ondas de estresse (stresswave). Ela foi aplicada em</p><p>todas as partes rotativas da frota de locomotivas, incluindo motores diesel que historicamente se</p><p>mostraram difíceis em termos de capacidade de detecção de falhas. O equipamento foi montado</p><p>nos motores diesel da locomotiva conforme mostra a Figura 17, tendo sido escolhido os locais de</p><p>medição com base no melhor caminho de transmissão pra dados de vibração e ondas de estresse,</p><p>juntamente com todas as considerações de segurança.</p><p>Figura 17 – Medidor de ondas de stress - Stresswave</p><p>Fonte: Barnes (2014).</p><p>Já o estágio inicial da etapa de implementação foi pensando em treinamentos para as</p><p>equipes da ferrovia a fim de mate-los autossuficientes na operação do programa e dispensar a</p><p>mão de obra terceirizada (que é cara) ao longo prazo.</p><p>Por fim, na última etapa do projeto, a revisão, foi realizada a análise dos dados coletados</p><p>pelos instrumentos e tirado conclusões. Como por exemplo, com o instrumento de medição da</p><p>vibração do motor, stresswave, foi possível levantar gráficos de vibração para todos os cilindros</p><p>de um motor dentre os 105 instalados e encontrado um problema no cilindro 8 deste motor em</p><p>específico. Foi detectado no cilindro 8, um nível de onda de tensão muito alto na combustão,</p><p>chegando a 400 vezes a Aceleração relativa á gravidade da Terra (G), sendo que os demais</p><p>cilindro para as mesmas condições, apresentaram valores de aproximadamente 100 G. Após</p><p>a desmontagem do motor, observou-se que o injetor do cilindro 8 estava travado e aberto,</p><p>41</p><p>permitindo que o combustível entrasse continuamente no cilindro, resultando em uma super</p><p>combustão. A válvula foi reparada e refeita a coleta de dados e após o reparo, a medição mostrou</p><p>um comportamento do cilindro 8 semelhante aos demais cilindros, em torno de 100 G. A detecção</p><p>de vibração e ondas de estresse é usada para alertar antecipadamente sobre o desenvolvimento</p><p>de falhas em partes móveis do motor. A chave para qualquer falha é detectá-la, planejar a</p><p>revisão ou alteração e em seguida confirmar a falha por meio de inspeção dos componentes</p><p>removidos. Como conclusão do programa após 5 anos de aplicação, foi observado os seguintes</p><p>benefícios: Prevenção de falhas e avarias prematuras, redução de troca de peças críticas, melhor</p><p>utilização da manutenção, manutenção mais precisa e focada em itens apresentando falhas, maior</p><p>disponibilidade das locomotivas, redução aproximada de 25% nas ações de manutenção baseada</p><p>em tempo, entre outros benefícios apontados no artigo (BARNES, 2014).</p><p>Este artigo demonstra na prática a importância da instrumentação do processo de</p><p>manutenção em motores diesel e mostra como auxiliam de forma direta a disponibilidade da</p><p>frota, dando retorno financeiro sobre a operação da empresa. A instrumentação auxilia o sistema</p><p>de manutenção a entender o tipo e as incidências de falhas e as ações de manutenção necessárias</p><p>para corrigir as falhas, trazendo vários benefícios, como mostrados anteriormente e reforça a</p><p>viabilidade do desenvolvimento de sistemas como proposto nesta dissertação.</p><p>42</p><p>3 MONITORAMENTO DA TEMPERATURA DE MANCAIS DO VIRABREQUIM DO</p><p>MOTOR DIESEL FERROVIÁRIO</p><p>Neste capitulo será apresentado e discutido o método de monitoramento da temperatura</p><p>do mancal de um motor diesel de uma locomotiva diesel elétrica com base no trabalho intitulado</p><p>"Instrumentação óptica de máquinas industriais de grande porte para medição de temperatura”</p><p>(MEZZADRI, 2018). Como apresentado anteriormente, qualquer desgaste dos mancais do</p><p>virabrequim do motor diesel, é formado pelo aumento do atrito da interface do mancal com o</p><p>virabrequim. O sistema de lubrificação do motor proporciona um filme de óleo entre o mancal e</p><p>o virabrequim, que mantém o nível de atrito dentro de limites que não causam danos nas partes</p><p>móveis e fixas do motor. Uma lubrificação deficiente, um desgaste das dimensões do virabrequim,</p><p>um aperto incorreto da biela no virabrequim entre outros motivos, levam a um aumento do atrito</p><p>e, consequentemente, a um aumento na temperatura do filme de óleo do mancal. Este filme de</p><p>óleo, que é introduzido entre o mancal e a biela, é esguichado na parede do bloco do motor,</p><p>fornecendo, assim uma forma de medir indiretamente a temperatura dos mancais ao posicionar o</p><p>elemento sensor no local onde o óleo é esguichado.</p><p>A partir do esguicho de óleo lubrificante do mancal, e por estar acompanhado do</p><p>movimento girante do virabrequim, parte deste esguicho atinge as paredes internas do bloco</p><p>do motor. Este trabalho baseia a medição de temperatura do mancal de forma indireta, através</p><p>da construção de um transdutor de temperatura composto por dezenas de elementos sensores</p><p>dispostos de forma linear, que por sua vez, é fixado na parede interna do bloco do motor, em</p><p>contato direto com o esguicho de óleo proveniente dos mancais.</p><p>Como resultado do estado de conservação dos mancais, os esguichos de óleo possuem</p><p>energia que são transmitidas na forma de pressão, velocidade e temperatura, os quais podem ser</p><p>monitorados. Através da leitura e identificação da alteração de quaisquer grandezas dessas nos</p><p>esguichos, como a temperatura, podem ser previstos problemas de falhas no motor como, por</p><p>exemplo, a perda de potência, emissão de fumaça e desgastes excessivos das partes mecânicas</p><p>do motor diesel (MEZZADRI, 2018).</p><p>Não há normas para a detecção de problemas no interior do motor com o monitoramento</p><p>dos mancais, portanto, o projeto proposto consiste em um método diferenciado de monitoramento</p><p>do motor diesel o qual monitora a temperatura dos mancais indicando falhas no motor ou na</p><p>própria lubrificação. Qualquer avaria responsável por gerar algum sobreaquecimento nos mancais</p><p>43</p><p>provém do incorreto posicionamento e aperto das bielas e das deformidades das partes girantes</p><p>do motor, apresentando alterações na pressão e no trabalho do óleo lubrificante, que acarreta no</p><p>aumento da temperatura no local da falha e, consequentemente, há um aumento na temperatura no</p><p>fluxo do óleo lubrificante que podem atingir o transdutor. Nessa configuração, também pode-se</p><p>concluir que, a partir do monitoramento da temperatura do óleo lubrificante que passa pelos</p><p>mancais, pode-se obter um indicativo do estado do próprio mancal. Um sistema de monitoramento</p><p>térmico</p>