Bancada de testes de vida: quais parâmetros precisam ser controlados durante o ensaio?

Uma bancada de testes de vida pode executar milhares ou milhões de ciclos e, ainda assim, produzir um ensaio pouco representativo se as variáveis relevantes para aquela aplicação não forem adequadamente controladas.

O número de ciclos é apenas uma das definições do teste. Dependendo do componente avaliado, força, deslocamento, pressão, temperatura, frequência, velocidade ou condições ambientais podem participar simultaneamente da solicitação imposta ao corpo de prova.

O projeto de uma bancada de testes de vida começa, portanto, pela compreensão do fenômeno que precisa ser reproduzido. A instrumentação, os sistemas de atuação, a lógica de controle e a aquisição de dados são definidos a partir dessa necessidade.

O que uma bancada de testes de vida precisa reproduzir?

Testes de vida e durabilidade são utilizados para avaliar como um produto ou componente se comporta diante de solicitações repetidas ao longo de determinado período ou número de ciclos.

A configuração do ensaio depende diretamente da aplicação. Uma válvula submetida repetidamente à abertura e ao fechamento apresenta condições diferentes das encontradas em um componente sujeito à pressão ciclada, enquanto um radiador ou intercooler pode exigir a combinação de solicitações térmicas e mecânicas.

Antes de definir quais parâmetros serão controlados, é necessário estabelecer quais condições de uso precisam ser reproduzidas e quais mecanismos de degradação ou falha se pretende avaliar.

Essa definição evita um problema relevante em ensaios de durabilidade: reproduzir a quantidade esperada de ciclos sem reproduzir adequadamente a solicitação associada a eles.

Força e deslocamento

Em ensaios envolvendo carregamentos mecânicos, força e deslocamento estão frequentemente entre as principais variáveis de interesse.

A escolha da variável de controle depende do comportamento que precisa ser reproduzido. Há aplicações em que é necessário garantir determinado esforço aplicado ao componente; em outras, o movimento ou a posição alcançada é o parâmetro determinante.

Também pode ser necessário monitorar ambas as variáveis. Alterações na relação entre força e deslocamento ao longo do teste podem fornecer informações sobre mudanças de rigidez, aparecimento de folgas ou degradação progressiva do componente antes de uma falha completa.

A definição da faixa de trabalho, frequência, amplitude e forma do ciclo deve estar relacionada às condições estabelecidas para o ensaio.

Pressão

Em uma máquina de testes de vida destinada a componentes hidráulicos, pneumáticos ou sistemas submetidos a pressão, conhecer somente o valor máximo pode ser insuficiente.

Um ciclo pode envolver pressão mínima e máxima, taxa de subida, taxa de descida, períodos de permanência e frequência de repetição. A temperatura e as características do fluido também podem fazer parte das condições relevantes, conforme o produto e o objetivo do teste.

A posição do transdutor precisa ser considerada. Em sistemas dinâmicos, a pressão medida em determinado ponto do circuito pode apresentar comportamento diferente daquela existente efetivamente no corpo de prova.

Por isso, o projeto da instrumentação deve considerar qual pressão precisa ser conhecida e em qual região do sistema essa informação deve ser obtida.

Temperatura

Temperatura é outra variável que pode exigir mais do que a definição de um setpoint.

Em testes que envolvem aquecimento, resfriamento ou ciclagem térmica, podem ser relevantes a temperatura mínima e máxima, as taxas de variação, o tempo de permanência nos patamares e a estabilização térmica do componente.

Também é importante distinguir a temperatura do meio utilizado no ensaio daquela efetivamente atingida pelo corpo de prova. Dependendo de massa, geometria, materiais e transferência de calor, existe uma resposta térmica própria do componente.

Quando temperatura e outra solicitação atuam simultaneamente, o sincronismo entre essas variáveis passa a fazer parte da configuração do teste.

Frequência e velocidade do ciclo

Aumentar a frequência parece uma solução direta para reduzir a duração de um ensaio com grande número de ciclos. Essa alteração, entretanto, precisa respeitar o comportamento físico que está sendo avaliado.

Uma frequência maior pode modificar condições térmicas, efeitos dinâmicos e a resposta de determinados materiais ou sistemas. O próprio equipamento também precisa ser capaz de executar o perfil comandado dentro das tolerâncias definidas.

Em uma bancada de testes de durabilidade, portanto, a frequência precisa ser estabelecida considerando tanto o tempo disponível quanto a representatividade do ensaio.

Acelerar um teste exige verificar se o mecanismo de solicitação que interessa continua preservado.

O perfil do ciclo também precisa ser controlado

Dois ensaios podem utilizar os mesmos valores máximos e mínimos e ainda submeter o componente a condições diferentes.

A forma como uma variável percorre esses extremos interfere no perfil aplicado. Rampas, patamares, velocidade de atuação e sequência das solicitações podem fazer parte da definição de um ciclo.

Esse aspecto ganha importância quando a bancada precisa reproduzir eventos dinâmicos ou combinar diferentes variáveis. Pressão e temperatura, por exemplo, podem atingir os mesmos extremos em dois testes, mas a relação temporal entre elas pode produzir condições distintas para o corpo de prova.

Controle e monitoramento não são sinônimos

Nem toda variável medida precisa necessariamente ser utilizada para controlar a bancada.

O sistema pode utilizar uma variável para comandar o ensaio enquanto outros sensores acompanham a resposta do componente. Uma força pode ser controlada e o deslocamento monitorado; a temperatura de um fluido pode orientar o sistema de controle enquanto sensores adicionais acompanham diferentes regiões do corpo de prova.

Essa distinção amplia a capacidade de interpretar o ensaio.

Além de verificar se a bancada executou aquilo que foi programado, os dados monitorados podem mostrar como o componente respondeu ao longo dos ciclos.

Aquisição de dados: o que precisa ser registrado?

Registrar somente o número final de ciclos pode eliminar informações importantes sobre a evolução do comportamento do produto.

Conforme o objetivo do teste, a aquisição pode acompanhar força, deslocamento, pressão, temperatura, vibração e outras grandezas relevantes. A taxa de aquisição precisa ser compatível com a dinâmica dos fenômenos observados para que eventos importantes não sejam perdidos entre as amostras.

O registro histórico também permite relacionar uma ocorrência ao momento em que aconteceu. Se houver alteração de pressão, aumento de temperatura ou mudança de resposta mecânica, por exemplo, é possível analisar em que etapa do ensaio o comportamento começou a se modificar.

Critérios de falha e de parada precisam ser definidos antes do teste

A ruptura física do componente é uma condição evidente de interrupção, mas não é a única possível.

Um produto pode continuar operando e, ainda assim, ultrapassar limites estabelecidos para vazamento, deformação, deslocamento, força, pressão, temperatura ou outra variável funcional.

Por isso, uma bancada automatizada pode incorporar limites e critérios que permitam identificar essas condições e executar ações previstas para cada ocorrência. Dependendo do ensaio, isso pode envolver interromper a ciclagem, colocar o sistema em condição segura e registrar os dados associados ao evento.

Definir previamente esses critérios evita que a avaliação do resultado dependa apenas da constatação visual de que a peça “quebrou” ou “não quebrou”.

Intertravamentos também fazem parte do projeto

Ensaios de longa duração podem permanecer em execução por horas, dias ou períodos ainda maiores. Nesse contexto, monitorar condições anormais também é uma função importante da bancada.

Sobrepressão, sobretemperatura, força acima do limite, falha de sensor ou outras condições definidas pelo projeto podem exigir respostas automáticas para proteger o operador, o equipamento e o próprio corpo de prova.

A arquitetura de segurança e os intertravamentos devem ser dimensionados de acordo com os riscos específicos da máquina e do processo de ensaio.

Cada teste exige uma combinação própria de parâmetros

Não existe uma configuração universal para uma bancada de testes de vida. Mesmo componentes semelhantes podem exigir condições diferentes quando o objetivo da validação, o perfil de utilização ou o mecanismo de falha estudado muda.

Por isso, especificar uma bancada apenas pelo número de ciclos ou pela força, pressão ou temperatura máxima desejada fornece poucas informações para definir adequadamente o sistema.

O desenvolvimento precisa conectar objetivo do ensaio, perfil de solicitação, atuação, instrumentação, controle, aquisição de dados, critérios de falha e segurança.

É essa combinação que permite transformar uma máquina capaz de repetir ciclos em uma bancada capaz de produzir dados relevantes para uma decisão de engenharia.