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05 Out 2010


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As opções para a substituição de cilindros em motores alternativos podem tornar-se difíceis. Este artigo disponibiliza algumas linhas para reflexão sobre o assunto

 

     

 

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Considerações sobre a manutenção e o manuseamento de cilindros em motores alternativos aeronáuticos

Alguns factores a ter em consideração

A complexa teia de considerações relacionada com a operação e manutenção dos motores aeronáuticos, nomeadamente com os motores do tipo alternativo, renova-se sempre que se aproxima a altura de proceder à reparação dos seus cilindros ou submeter um motor a uma revisão geral, sendo a discussão acerca da decisão a tomar relativamente aos seus cilindros, uma atitude da maior acuidade.

A dificuldade deste tipo de decisão está em optar pela reparação dos cilindros, no pressuposto de que estes são reparáveis, e na alternativa de os substituir por novos. No caso desta última opção, subsiste ainda uma outra decisão entre optar por cilindros nitrurados ou normalmente endurecidos.

Ao longo deste artigo procura-se avaliar ambas as situações numa perspectiva valorativa, especialmente no âmbito da segurança de voo e, evidentemente, nas consequências financeiras decorrentes de cada uma das diferentes decisões.

TBO dos motores

Quando um motor atinge o seu TBO ("Time Between Overhaul" - designação anglo-saxónica atribuida ao "período decorrido entre revisões gerais consecutivas"), definido de acordo com as recomendações do seu fabricante original (OEM - "Original Equipment Manufacturer"), deve ser removido da aeronave, desmontado, inspeccionado, remontado e ensaiado antes de poder ser de novo instalado e utilizado, de acordo com os preceitos instituidos pelas autoridades aeronáuticas, através da sua certificação de aptidão para o uso.

Neste âmbito e no final de uma revisão geral, todos os seus componentes principais e outras peças que não justifiquem ou impliquem a sua substituição, devem evidenciar dimensões e tolerâncias de acordo com as especificações dos fabricantes emitidas através dos respectivos manuais de manutenção e especialmente concebidas para este tipo de situação (diferentes da condição de novo).

Após a sua desmontagem e perante a condição encontrada surge então o difícil momento das decisões.

Reparação dos cilindros

A maioria das oficinas reparadoras consideram que os cilindros com mais de 2,000 horas de funcionamento se consideram ainda reparáveis, na maioria das situações através de soldadura de eventuais fissuras exteriores e da correcção das paredes internas do cilindro (através de um processo do tipo mandrilagem designado segundo a nomenclatura anglo-saxónica por "honing"). O que pode parecer simples de decidir torna-se gradualmente mais complexo à medida que se aprofunda a avaliação das anomalias.

No que diz respeito a este tipo de considerações nem todos os intervenientes no seio da comunidade de utilizadores e reparadores têm a consciência de que nem todas as peças dos motores contêm ou são acompanhadas de informação pertinente relativamente ao seu historial de utilização, ainda que o motor onde estão instaladas possua tal tipo de informação, designadamente o tempo total de utilização desde sempre (designada em linguagem anglo-saxónica por TSN - "Time Since New"). Na ausência de informação coerente esta situação pode significar que alguns cilindros que já tenham sido anteriormente reparados ou não, possam ter tido várias "vidas", mais de 8,000 horas de funcionamento, por exemplo, (considerando uma "vida" um período igual ao seu TBO) sem que o seu proprietário ou reparador se apercebam desse facto.

O efeito de  Fadiga do material

De entre todos os componentes constituintes de um motor alternativo a cambota e os cilindros são aquleles que se encontram submetidos às mais severas condições de funcionamento. Relativamente aos cilindros, não sendo novos, não se conhecendo o seu tempo total de utilização e perante a degradação da sua resistência mecânica através do fenómeno designado por fadiga, a decisão seguinte a tomar torna-se crítica.

Para além daqueles factores e tendo em conta que a temperatura na cabeça do cilindro varia entre a temperatura ambiente e cerca de 260 ºC, em ciclos que se repetem a cada funcionamento do motor; que os embolos se deslocam no interior dos cilindros nos sentidos ascendente e descendente a uma cadência de cerca de 9,200 vezes por minuto (admitindo um regime médio de 2,300 rpm) e que as explosões da mistura gasosa no seu interior atingem cerca de 816 ºC, verifica-se quão severas são as condições de funcionamento destes componentes.

Estas condições pressupõem uma lubrificação adequada. Em condições de temperatura exterior extremamente baixa ou elevada desenvolvem-se esforços adicionais, sobretudo durante a fase de arranque, não sendo de excluír a possibilidade de fragilização e de desenvolvimento de fissuras devidas ao choque térmico.

O factor derivado de materiais dissemelhantes

Para se compreender melhor a severidade a que os cilindros estão sujeitos, é necessário ter presente a sua constituição, configuração e forma de instalação nos modernos motores alternativos, nem sempre evidente para todos os intervenientes.

Em muitos tipos de motores alternativos, mais evidente no tipo de cilindros opostos, o conjunto designado na linguagem anglo-saxónica por "cylinder assembly" é constituido por vários componentes (cilindro, cabeça (onde se localiza a câmara de combustão), embolo, segmentos, válvulas, guias de válvulas, molas, juntas, vedantes, etc.) destacando-se o cilindro propriamente dito (que contém no seu interior a camisa onde se desloca o embolo) e a cabeça do cilindro (onde se encontram as aberturas para as válvulas e velas), formando um conjunto, que à primeira vista parece ser apenas uma única peça.

Estas diferentes peças são fabricadas em diferentes materiais tais como ligas de alumínio, aço e ferro fundido. Cada um destes materiais possui diferentes coeficientes de dilatação, e cada um daqueles componentes interage entre si segundo uma montagem com interferência, originando estados de tensão e favorecendo o desenvolvimento e a propagação de fissuras, que mais tarde ou mais cedo surgirão.

Vantagens na reparação dos cilindros

Com o intuito de economizar nos custos de manutenção, as oficinas de reparação optam por reparar as fissuras que se desenvolvem nas paredes externas dos cilindros (normalmente por soldadura TIG) e por reconfigurar a parede e secção internas do cilindro devido ao desgaste existente (muitas vezes aumentando o seu diâmetro interno através de incrementos normalizados que são compensados através da utilização de segmentos adequados).

Mesmo tentando minimizar os custos de manutenção através desta forma, estes nem sempre se apresentam tão baixos quanto seria desejável. A título de exemplo e segundo informação com origem nos EUA, a revisão geral de um motor alternativo de 4 cilindros, de 200 shp e de injecção de combustível, praticada pelas oficinas reparadoras independentes pode atingir cerca de 15,000 a 20,000 Euros, dependendo da condição dos seus componentes e do grau de incorporação de peças novas. Em contrapartida, uma revisão geral ou a reconstrução do motor, praticada pelo fabricante, normalmente incorpora um custo adicional de cerca de 15 a 20% relativamente aos valores atrás indicados. No entanto, este custo adicional pode estar associado a outras vantagens.

Por exemplo, tanto a Lycoming como a Continental prosseguem uma política baseada no princípio de que "uma corrente é tanto mais robusta quanto o seu elo mais fraco o fôr", retirando de serviço sistematicamente todos os componentes do cilindro (cylinder assembly) e substituindo-os por novos ou reconstruídos, sempre que um motor lhes é enviado para revisão geral ou reconstrução. No âmbito dos fabricantes, a revisão geral é entendida como o conjunto das actividades necessárias executar por forma a garantir que o motor retorna ao serviço quando todas as dimensões e tolerâncias estão de acordo com os limites especificados pelos próprios (novos limites devido à utilização), mantendo, no entanto, o tempo acumulado de operação apresentado antes de serem submetidos à revisão geral.

Por outro lado, a reconstrução do motor implica que todos os seus componentes voltam ao serviço com as dimensões e tolerâncias de acordo com as especificações de novo, e eliminando o historial de utilização daquele motor, recomeçando a contagem do tempo de utilização como se nunca tivesse sido utilizado. Nestas circunstâncias e apesar de os componentes serem autorizados a voltar ao serviço na configuração de novos, a acumulação de ciclos de funcionamento é imutável e irrevogável, ficando apenas dependente do aumento de resistência à fadiga obtido por tratamentos entretanto induzidos nos materiais.

Uma vez que ninguém pode determinar a quantas revisões gerais terão os cilindros sido submetidos (no caso de perda de rastreabilidade de informação histórica), a atitude mais conservadora consiste na sua sistemática substituição por novos, por forma a garantir uma operação segura.

No seio da comunidade dos operadores muitos comungam do mesmo princípio apenas aceitando cilindros novos ou reconstruidos sempre que submetem os seus motores a revisões gerais. Perante a perspectiva de um cilindro reparado poder vir a ser rejeitado após uma revisão geral e em sua substituição ter de ser colocado um reconstruido, é fácil antever um custo agravado motivado pela remoção do motor e seu recondicionamento, custo esse que será sempre superior ao custo correspondente se a opção por cilindros novos ou reconstruidos tivesse sido adoptada aquando da última revisão geral.

De uma forma geral a argumentação dos fabricantes assenta no princípio de que quem paga deve escolher o que pretende. Nesta matéria, apesar de uma grande parte dos reparadores de motores proporem soluções mais baratas no curto prazo, estas podem revelar-se mais onerosas a médio prazo, sobretudo se passadas 50 ou 100 horas de operação após a última revisão geral, um dos cilindros desenvolver uma fissura na sequência do seu envelhecimento e ninguém tiver sido capaz de determinar o tempo acumulado de operação desde sempre.

Inspecção quanto a fissuras

Apesar de o motor poder evidenciar um bom aspecto através de uma pintura nova e de apresentar todas as dimensões e tolerâncias dentro dos limites especificados pelos fabricantes, pode esconder, todavia, a possibilidade de desenvolver uma fissura. Nestas circunstâncias e apesar de poder ser corrigida através de soldadura, a zona termicamente afectada por esta reparação poderá nunca mais evidenciar a mesma resistência mecânica de outrora.

Assim, para prevenir a ocorrência de efeitos de maior amplitude, as áreas de maior susceptibilidade à ocorrência de fissuras incluem (sem se restringirem) à linha situada entre as aberturas destinadas à vela e ao injector. Com o envelhecimento, as alhetas de arrefecimento tornam-se frágeis aumentando igualmente a sua susceptibilidade à fissuração. Embora uma soldadura depois de afagada faça transparecer um bom aspecto, o facto é que a estrutura metalúrgica do material de base não mais apresenta as características originais e permanecerá enfraquecido ao longo do cordão da soldadura. Neste caso, a susceptibilidade à fissuração pode até aumentar através do desenvolvimento de fissuras paralelas à original.

O processo de soldadura

Dado o processo tecnológico de soldadura normalmente utilizado para a correcção das fissuras ser o TIG (Tungsten Inert Gas), mesmo os soldadores mais experientes e qualificados não estão isentos de inadvertidamente poder introduzir defeitos, designadamente, através da inclusão de partículas de tungsténio provenientes do eléctrodo utilizado.

A deposição de um cordão de soldadura induz invariavelmente efeitos termodinâmicos e químicos indesejáveis, quer através do arrefecimento rápido que proporciona e que alteram a textura local do grão, endurecendo a área mas reduzindo a resistência aos esforços, quer através do efeito de corrosão proporcionado pela exposição do metal a elevadas temperaturas e em contacto com agentes agressivos. As zonas laterais à soldadura e designadas por "Zona Termicamente Afectada" serão o local privilegiado para a ocorrência das proximas fissuras.

Efeito da operação dos motores através de misturas pobres

O motor ou os cilindros obtidos de qualquer ponto de venda poderão ter tido origem em motores que tenham sido prolongadamente operados através de misturas empobrecidas, ou incorrectamente explorados através de rápidas descidas segundo regimes reduzidos, efeitos estes causadores do chamado choque térmico (caracterizado por aquecimentos e arrefecimentos bruscos).

Endurecimento das paredes internas dos cilindros

Depois de avaliados os efeitos decorrentes da opção por cilindros reparados ou reconstruídos, vejamos de seguida os efeitos relacionados com a opção por cilindros nitrurados ou normalmente endurecidos.

Os cilindros propriamente ditos resultam de fundição nos quais são instaladas as camisas, fabricadas normalmente de aço e onde deslizam os embolos. Para resistir ao esforço gerado pelo contacto entre a camisa e o embolo e perante as elevadas temperaturas a que ficam submetidos durante o funcionamento do motor, a parede interna do cilindro deve manter a forma original para permitir o deslocamento do embolo e garantir simultaneamente a compressão na parte superior do embolo.

Durante uma utilização típica de 2,000 horas de funcionamento entre revisões (TBO), para um regime médio de cerca de 2,300 rpm, cada cilindro deverá ter sido submetido a cerca de 552,000,000 movimentos do embolo no mesmo sentido (1,104,000,000 deslocamentos alternados). Este facto demonstra bem a severidade da utlização a que estes componentes estão submetidos e a necessidade de lhes conferir resistência adicional, através de tratamentos superficiais.

Tratamento de endurecimento tradicional

O tratamento de endurecimento tradicional consiste num tratamento térmico em que a superfície da peça a tratar é submetida a uma temperatura elevada durante algumas horas por forma a criar uma fina camada superficial, na ordem de 1/4 mm, de dureza superior às restantes zonas da peça a que corresponde uma maior resistência mecânica ao desgaste e aos esforços. Este efeito deve-se à difusão do carbono existente no aço para a camada aquecida por alteração da sua estrutura metalúrgica.

São adeptos deste tipo de tratamento os fabricantes não originais, normalmente possuidores de uma licença de PMA ("Parts Manufacturer Approval") concedida pela FAA. No entendimento desta autoridade aeronáutica, o endurecimento tradicional é considerado suficiente para aumentar a resistência das paredes internas do cilindro e conferir-lhe a resistência necessária para resistir à operação durante o TBO do motor, o que se pode considerar aceitável.

Tratamento de endurecimento por Nitruração

O tratamento de endurecimento por Nitruração é usado sobretudo pelos OEM e consiste num tratamento complementar ao endurecimento tradicional, por via da difusão de azoto através duma fina camada superficial. Este processo requer a utilização de fornos com características especiais, entre as quais, serem pressurizados e estanques por forma a suster a atmosfera de amonia a que as peças são submetidas durante o tratamento térmico a cerca de 524 ºC. Durante o aquecimento dessa atmosfera, no decurso do tratamento térmico, ocorre a síntese da amonia libertando hidrogénio e azoto. O azoto, assim libertado, em contacto directo com as peças a tratar difunde-se através das suas superfícies para o interior da peça até profundidades na ordem de 0.635 mm, conferindo-lhes uma dureza suplementar. Este tratamento requer uma exposição, nas condições referidas, entre 25 a 80 horas.

O endurecimento por Nitruração aumenta a resistência ao desgaste e à fadiga, permitindo a utilização de segmentos cromados (mais duros) e assegurando uma melhor compressão através de melhor estanquecidade entre o carter (bloco) do motor e a camâra de combustão.

Comparação entre os dois processos de endurecimento

O endurecimento tradicional confere durezas na ordem de 30 a 35 Rockwell C (Rockwell C é uma das escalas de medida de durezas, entre outras, que vais desde 1 para o mais macio até 100 para o mais duro) até uma profundidade de 0.25 mm, enquanto que o endurecimento por nitruração (que é sempre um processo de endurecimento complementar ao tradicional), permite um acréscimo de dureza, resultando valores na ordem de 53 a 55 Rockwell C até uma profundidade de 0.635 mm.

Para se ter uma noção das profundidades relativas a que é possível alterar as durezas, refira-se que após a reformação das paredes internas dum cilindro e o consequente aumento do seu diâmetro interno, através de incrementos normalizados (primeiro oversize), o primeiro destes incrementos limita esse aumento a cerca de 0.0254 mm no raio o que é cerca de 10 vezes inferior à profundidade do endurecimento conseguido através do processo tradicional.

A Nitruração passou a ser aplicada pelos principais fabricantes de motores alternativos (Lycoming e Continental) desde 1960 e tem confirmado uma maior durabilidade e resistência dos cilindros tratados por este processo.

Embora as autoridades aeronáuticas norte-americanas (FAA) bem como os fabricantes não originais (concorrentes) garantam que os cilindros processados através do método de endurecimento tradicional sejam capazes de resistir durante todo o TBO, a discussão acerca do melhor método permanece e compete aos proprietários, segundo o melhor aconselhamento por parte dos reparadores, a opção final.

Conclusão

A discussão acerca do fabrico e reparação de cilindros, quer pelos OEM quer por não OEM, prossegue à medida que cada um esgrime argumentos em defesa dos métodos que utiliza. As autoridades aeronáuticas têm aceite ambos os métodos, numa forma de garantia de que ambos são fiáveis e permitem que os cilindros assim processados possam resistir pelo menos 2,000 horas de funcionamento sem se degradarem significativamente de modo a colocar em causa quer a segurança de voo quer os procedimentos de manutenção.

Perante a informação disponível compete aos utilizadores e proprietários dos motores optarem por cilindros novos ou reconstruídos ou simplesmente reparados segundo as especificações dos OEM e que possam eventualmente ter sido alvo de várias revisões gerais ao longo do seu ciclo de vida. De igual forma, o método de endurecimento das paredes internas, determina a maior ou menor resistência ao desgaste provocado pelo movimento relativo entre o embolo e o cilindro.

Por forma a eliminar quaisquer dúvidas sobre a eventual utilização excessiva dos cilindros ao longo de várias revisões gerais ou a possibilidade de os motores em que estiveram instalados poderem ter sido incorrectamente utilizados e operados, apenas a incorporação de cilindros novos ou reconstruídos pelos OEM associada a uma adequada rastreabilidade das acções de manutenção entretanto realizadas poderá assegurar uma confiança total.

Obviamente que esta opção tem um custo associado. Embora estatisticamente e em termos de uma análise de longo prazo os custos derivados das diferentes opções se aproximem, compete ao utilizador actual a decisão mais adequada, que perante certas circunstâncias poderá representar a melhor opção.

Ainda assim, compete ao utilizador tomar medidas preventivas por forma a eliminar causas desagradáveis que possam conduzir a uma degradação prematura dos cilindros, tais como a correcta utilização dos filtros de ar, por forma a garantir a não ingestão de areias ou outras partículas altamente abrasivas, que poderão originar riscos e fortes sulcos nas paredes internas dos cilindros, mesmo quando estes tenham sido submetidos a processos bastante eficazes de endurecimento, originando falta de estanquecidade e consequentemente fuga de compressão da câmara de combustão para o interior do carter do motor, perdendo-se potência e degradando-se a qualidade do óleo de lubrificação (causa de outras anomalias colaterais).

Fonte: Traduzido e adaptado de Aircraft Maintenance Technology, Julho 2002, pág. 10 - 16


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