UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL - UNIJUÍ
EDISON WEBER
DESENVOLVIMENTO DE UM GUINDASTE PARA VEÍCULOS UTILITÁRIOS LEVES
Panambi 2015
2 EDISON WEBER
DESENVOLVIMENTO DE UM GUINDASTE PARA VEÍCULOS UTILITÁRIOS LEVES
Trabalho apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito para a obtenção do título de Bacharel.
Orientador: Cristiano Rafael Lopes
Panambi 2015
EDISON WEBER
DESENVOLVIMENTO DE UM GUINDASTE PARA VEÍCULOS UTILITÁRIOS LEVES
Trabalho de conclusão de curso defendido e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora
Banca examinadora
________________________________________ Prof. Cristiano Rafael Lopes, Mestre - Orientador
________________________________________ Prof. Antonio Carlos Valdiero, Doutor
AGRADECIMENTOS
Aos meus mestres, que me fizeram aprender com os erros e acertá-los com serenidade e paciência, por guiarem constantemente o meu estudo sugerindo melhorias e construindo novas formas de buscar o conhecimento aplicado.
À minha esposa Claudine e ao meu filho Lucas pela compreensão das horas de ausência em favor da minha formação acadêmica e profissional e pelo amor sempre presente.
Aos meus pais Dulce e Lírio, pela dedicação, compreensão e amor. Aos amigos e colegas que ajudaram na construção do protótipo.
RESUMO
Este trabalho tem como objetivos o desenvolvimento, a sequência e modelo de projeto que possibilitam a construção de um guindaste utilizado em veículos utilitários leves para manuseio e transporte de cargas. De forma mais específica aborda-se a determinação dos componentes principais, os quais devem levar em conta as solicitações de movimentos verticais e horizontais que o equipamento sofrerá, a estabilidade da estrutura, além do projeto, será realizado o dimensionamento do sistema hidráulico. A partir da teoria de Fundamentos de Sistemas Hidráulicos, desenvolveu-se uma sequência objetiva, do ponto de vista de engenharia, para a fabricação do equipamento, pois em relação aos mecanismos a literatura utilizada é muito eficiente, dispõe de princípios simples do mecanismo que auxiliam na escolha de componentes que garante seu funcionamento de forma eficaz. Este guindaste será dimensionado para elevar uma carga de 750kg, tendo o movimento vertical e abertura da lança acionada por um sistema eletro hidráulico que é alimentado por uma fonte de energia de 12 volts, ou seja, acionado pela própria bateria do veículo, este sistema não necessita de uma tomada de força. Para o movimento rotacional, o equipamento será movimentado manualmente por um sistema de coroa e pinhão. Será fabricado um protótipo e testado com algumas cargas de geometrias diferentes para ver sua real aplicação e possíveis distâncias em relação a altura e comprimentos possíveis de serem carregados na caçamba do veículo utilitário.
ABSTRACT
This work is the development goals, the sequence and design model that enable the construction of a crane used in light commercial vehicles for handling and shipping charges. More specifically addresses the determination of the main components, which must take into account the requests of vertical and horizontal movements that the machine will suffer, the stability of the structure in addition to the project, will be held the sizing of the hydraulic system. From the Hydraulic Systems Basics theory, an objective sequence was developed from an engineering point of view, for the manufacture of the equipment, as compared to the mechanisms literature utilized is very efficient, has a simple mechanism principles that aid the choice of components ensures that its functioning effectively. This crane is scaled to increase a load of 750kg, and its vertical motion and opening of the lance driven by a hydraulic electrical system that is powered by a power supply of 12 volts, ie triggered by the own vehicle's battery, this system does not requires a power outlet. For rotational movement, the equipment will be manually moved by a rack and pinion system. A prototype will be manufactured and tested with some different geometries loads to see its actual application and possible distances from the height and possible lengths to be loaded into the utility vehicle bucket.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Imagem do estado da arte de soluções existentes ... 17
Figura2 – Veículos Urbanos de Carga com capacidade entre 1000 e 2000 kg ... 21
Figura 3 – Fotografia de uma ponte rolante ... 23
Figura 4 – Fotografia de um caminhão grua... 24
Figura 5 – Fotografia de uma grua lateral ... 25
Figura 6 – Fotografia de um guindaste para terrenos acidentados ... 25
Figura 7 – Fotografia de um guindaste Pick–n-carry ... 26
Figura 8 – Fotografia de um guindaste de deck... 26
Figura 9 – Fotografia de um guindaste telescópico ... 27
Figura 10– Fotografia de um guindaste sobre esteiras ... 27
Figura 11 – Fotografia de um guindaste sobre trilhos ... 28
Figura 12 – Fotografia de um guindaste flutuante ... 28
Figura 13 – Fotografia de um guindaste aéreo ... 29
Figura 14 – Fotografia de um guindaste de torre... 29
Figura 15 – Fotografia de um guindaste de nível elevatório ... 30
Figura 16 – Fotografia de um guindaste de pórtico ... 31
Figura 17 – Fotografia de um guindaste de bordo ... 31
Figura 18 – Fotografia de um guindaste jib ... 32
Figura 19 – Fotografia de um guindaste de granel ... 32
Figura 20 – Imagem da concepção das necessidades ... 41
Figura 21 – Solução desenvolvida em software de modelamento 3D ... 41
Figura 22 – Comprimento livre de flambagem conforme tipo de montagem ... 45
Figura 23 – Figura sobre tipos de escoamentos ... 47
Figura 24 – Imagem da base de apoio ... 52
Figura 25 – Imagem da caixa de transmissão ... 52
Figura 26 – Imagem do corpo e haste do guindaste ... 53
Figura 27 – Imagem da unidade eletro hidráulica e cilindros ... 53
Figura 28 – Fotografia das peças cortadas com processo a laser ... 54
LISTA DE FIGURAS
Figura 30 – Fotografia dos subconjuntos soldados ... 56
Figura 31 – Fotografia do conjunto pré montado ... 56
Figura 32 – Diagrama de instalação elétrica ... 57
Figura 33 – Fotografia da execução de testes prático ... 58
Figura 34 – Fotografia da execução de testes prático com volume maior ... 58
Figura 35 – Fotografia do detalhe das conexões ... 59
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Principais agentes influenciadores das mudanças nas últimas décadas... 20
Tabela 2 – Tipos de veículos urbanos existentes ... 21
Tabela 3 – Classificação dos sistemas hidráulicos ... 33
Tabela 4 – Tabela de dados e resultados encontrados atraves de cálculos ... 42
Tabela 5 – Velocidades recomendadas para tubulações ... 48
Tabela 6 – Óleos recomendados para sistemas hidráulicos ... 49
Tabela 7 – Classificação ISO 3448 para viscosidades ... 50
LISTA DE SIGLAS
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas VUC: Veículo Urbano de Carga
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 14
1.1 Generalidades ... 14
1.2 Objetivo ... 15
1.3 Metodologia ... 16
1.4 Estado da arte das soluções existentes ... 16
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18
2.1 Descrição de veículos utilitários ... 18
2.2 Descrição de tipos de guindastes ... 22
2.2.1 Guindaste ponte rolante ... 23
2.2.2 Guindaste caminhão grua ... 24
2.2.3 Guindaste grua lateral ... 24
2.2.4 Guindaste para terrenos acidentados ... 25
2.2.5 Guindaste Pick-n-carry... 26
2.2.6 Guindaste de deck ... 26
2.2.7 Guindaste telescópico ... 27
2.2.8 Guindaste sobre esteiras ... 27
2.2.9 Guindaste sobre trilhos ... 28
2.2.10 Guindaste flutuante ... 28
2.2.11 Guindaste aéreo ... 29
2.2.12 Guindaste de torre ... 29
2.2.13 Guindaste de nível elevatório ... 30
2.2.14 Guindaste de pórtico ... 30
2.2.15 Guindaste de bordo ... 31
2.2.17 Guindaste de granel ... 32
2.3 Fundamentos de Sistemas hidráulicos ... 33
2.3.1 Campo de aplicação da hidráulica ... 33
2.3.2 Características dos sistemas hidráulicos ... 35
2.3.3 Componentes de um sistema hidráulico ... 36
3 PROJETO DE UM GUINDASTE COM CAPACIDADE DE CARGA 750KG ... 38
3.1 Considerações iniciais ... 38
3.2 Análise das necessidades ... 39
3.3 Projeto mecânico conceitual ... 40
3.4 Projeto preliminar do sistema hidráulico ... 42
3.4.1 Cálculo do diâmetro interno do cilindro ... 43
3.4.2 Cálculo do diâmetro mínimo da haste ... 44
3.4.3 Cálculo da velocidade mínima de deslocamento da haste do cilindro ... 46
3.4.4 Cálculo da vazão necessária ao sistema ... 46
3.4.5 Cálculo da potência hidráulica necessária ao sistema ... 47
3.4.6 Cálculo do diâmetro da tubulação do sistema ... 47
3.4.7 Cálculo do volume do reservatório ... 51
3.5 Projeto Detalhado ... 52
3.5.1 Base de apoio ... 52
3.5.2 Caixa de transmissão ... 52
3.5.3 Corpo e haste do guindaste ... 53
3.5.4 Unidade hidráulica e cilindros ... 53
4 CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO DE UM GUINDASTE COM CAPACIDADE DE CARGA DE 750KG. ... 54
4.1 Descrição da Construção do Protótipo ... 54
4.2 Testes de funcionamento ... 57
CONCLUSÕES ... 62 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 63
1 INTRODUÇÃO
1.1 Generalidades
Diante da competitividade existente, tanto no mercado mundial como no nacional, o aumento da produtividade e da qualidade é muitas vezes uma questão de sobrevivência para o empresário. Neste contexto, segundo Valdiero (2002), as primeiras fases do desenvolvimento do produto são de fundamental importância para o sucesso do projeto, pois avaliando os detalhes de projeto, fabricação, montagem, inspeção, transporte, venda, assistência técnica, descarte e outros, desde o início do desenvolvimento, problemas podem ser detectados e resolvidos de maneira mais fácil, rápida e barata. Partindo deste raciocínio, foi elaborado este trabalho visando nas necessidades do cliente e claro, aplicando conhecimentos adquiridos ao longo da experiência acadêmica para que o projeto saia do papel e atenda com êxito a dificuldade existente que é o manuseio de cargas.
Este trabalho trata da necessidade de desenvolver um sistema mecanizado responsável por realizar a operação de cargas e descargas em veículos utilitários leves como, por exemplo, camionetas com capacidades de cargas de até dois mil quilogramas. Atualmente, sistemas mecanizados que desempenham esta função podem ser encontrados no mercado, porém, com capacidade de cargas menor ou maior que setecentos e cinquenta quilogramas, muitas vezes com um custo superior ao preço que o cliente está disposto a pagar. Guindastes encontrados no mercado com capacidade de quinhentos quilogramas, muitas vezes não atende a distancias de altura que exige para alocar a carga na caçamba do utilitário. Já os guindastes que tem a capacidade maior que setecentos quilogramas possuem o peso do equipamento muito elevado, absorvendo mais que trinta por cento da total capacidade do veículo, e neste caso, é exigido um sistema de patolamento que encarece o produto. A partir deste princípio, tem-se como desafio, desenvolver um protótipo que atenda a necessidade das pessoas que possuem veículos de cargas leves e que o custo do acessório não seja elevado, fazendo com que estes clientes sejam beneficiados com uma força mecânica à custos justos de mercado.
1.2 Objetivo
Desenvolver o projeto e construir um protótipo do sistema mecanizado de um guindaste para veículos utilitários leves onde deverá ser de baixo custo, para que todos os profissionais em transportes urbanos e também as pessoas que possuem camionetas, tenham condições de adquirir o acessório; deverá ser de fácil manuseio; de fácil instalação; componentes e peças do conjunto deverão ser de fácil manutenção e as peças de fixação deverá ser facilmente encontradas no comércio local em caso de reposição; a operação do guindaste quando instalado não fará necessária a disponibilidade de um operador exclusivo para controle do manuseio como um todo, além disso, espera-se colocar em prática os conhecimentos adquiridos durante a formação acadêmica.
Como objetivos específicos deste trabalho têm-se:
a. Pesquisar o levantamento de dados da arte de sistemas em elevação de cargas; b. Analisar os requisitos de projeto em relação aos parâmetros dimensionais dos
veículos utilitários, desempenho e potência necessária; c. Projetar em software de modelamento 3D;
d. Calcular o sistema hidráulico do equipamento;
e. Construir um protótipo experimental e realizar testes práticos; f. Selecionar componentes e matérias primas;
1.3 Metodologia
Este projeto será desenvolvido a partir de um estudo sobre fundamentos de sistemas hidráulicos e dimensionado de acordo com a teoria, para que de forma eficaz, seja possível elevar uma carga na caçamba de um veículo utilitário. Utilizar-se-á o Software Solid Edge para o modelamento 3D e detalhamento de desenhos para fabricação do produto; será utilizado para a fabricação, ferramentas básicas, tais como: furadeira; lixadeira, aparelho de solda; bancada de montagem e também um veículo utilitário para a elaboração dos testes do protótipo. Os componentes que fazem parte da estrutura do equipamento serão comprados conforme projeto de prestadores de serviços, empresas estas, que possuem máquinas de corte a laser para uma melhor qualidade no produto. As peças cilíndricas também serão compradas de prestadores de serviços de usinagem. A preparação, soldagem e montagem será elaborada pelo seu mentor auxiliado por um profissional com mais de quarenta anos de experiência na prática de soldagem de equipamentos. Matéria prima: será empregado chapas de aço ao carbono ASTM-A36 de diferentes espessuras, perfis, tubos mecânico; material hidráulico e de fixação de fácil aquisição, encontrados em lojas locais.
A metodologia aplicada neste trabalho busca entre um dos aspectos mais importantes atender aos desejos do cliente, relacionando-os com características de engenharia. Para tal são utilizadas técnicas de desenvolvimento do projeto como por exemplo estado da arte das soluções existentes e métodos estudados durante o curso. Discutem-se características desejadas e indesejadas do produto, recursos e meio ambiente para a fabricação do mesmo, ou seja, dá-se importância as fases do ciclo de vida do produto. Com isso, diferentes concepções de projeto do produto poderão ser idealizadas, e então uma análise é realizada para averiguar as concepções do produto a partir de critérios aceitáveis, visando a escolha da concepção viável que melhor atenda os desejos e necessidades do cliente.
1.4 Estado da arte das soluções existentes
A partir que uma necessidade seja expressada é possível realizar visitas a alguns estabelecimentos comerciais e também pode-se fazer pesquisas em sites nacionais e
internacionais a procura do estado da arte das soluções existentes para elevação de cargas em veículos utilitários. É uma maneira que nos permite conhecer os produtos existentes que estão disponíveis no mercado. Aplicando esta metodologia, desta pesquisa resultou em três modelos de equipamentos ilustrados na Figura 1, comercializado por empresas nacionais.
Figura 1 – Imagem do estado da arte de soluções existentes
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo, será apresentado o embasamento teórico a partir de uma literatura adequada referente aos tipos de veículos utilitários e suas características usadas na logística de cargas e descargas dos grandes centros e tipos de equipamentos para levantamento e movimentação de cargas, os quais fazem parte do tema deste trabalho de pesquisa.
2.1 Descrição de veículos utilitários
Inicialmente, será realizada uma análise dos veículos utilitários e logística de transporte de cargas nos grandes centros, na sequencia serão apresentadas as principais vantagens da construção deste guindaste. Finalizando, será apresentado a modelagem e construção de um guindaste para veículos utilitários leves.
A distribuição urbana de mercadorias é uma atividade fundamental no desenvolvimento das cidades, com significativa importância na sustentação do estilo de vida da população, na manutenção e competitividade das atividades industriais e comerciais. Contudo, apesar desta importância, as autoridades públicas promovem poucas políticas em relação ao transporte de cargas nas grandes cidades, atuando, principalmente, com a imposição de regulamentações. Estas, por sua vez, em muitos casos, pela falta de uma fiscalização efetiva e de uma maior integração entre os vários fatores que compõem o ambiente urbano acabam não atingido seus objetivos básicos.
Pode-se definir a distribuição urbana de cargas como sendo vários fluxos constantes entrando, atravessando e deixando as áreas urbanas. O transporte urbano de carga é a “entrega de produtos nas cidades ou áreas suburbanas, incluindo o fluxo reverso de produtos utilizados em termos de resíduos limpos”. Segundo Browne (2007) “carga urbana é parte do transporte de carga em geral e da cadeia logística que, frequentemente, envolve uma área maior do que apenas uma cidade”. Portanto, se torna difícil a implementação de uma política destinada à distribuição urbana de carga sem afetar a parte interurbana deste fluxo de produtos. É
ressaltado que a distribuição urbana de cargas não é um fim em si mesmo, mas reflexo de um processo econômico global, nacional e local. Assim, a função do transporte de carga está em disponibilizar o produto transportado a outros setores da economia para que o mesmo seja usado, processado, reparado, modificado, armazenado ou consumido. Neste sentido, o transporte agrega valor espacial ao produto tornando-o parte do processo econômico de produção e consumo. O transporte urbano de cargas deve ser um componente importante no planejamento urbano e a sua racionalização é essencial não somente para o sucesso da cadeia de suprimentos, mas também para o crescimento econômico sustentável.
Segundo os tele jornais, a movimentação urbana de mercadorias tem crescido muito em importância por estar diretamente relacionada com a vida das pessoas nas cidades e com o aumento dos congestionamentos nas regiões mais centrais. Neste sentido, apontam que os principais fatores que contribuem para este fenômeno são a atual produção e distribuição baseadas em baixos estoques e entregas JIT (Just in Time), bem como o crescimento explosivo do comércio eletrônico que gera volumes significativos de entregas em domicílio.
As autoridades públicas promovem poucas políticas em relação ao transporte de mercadorias nas grandes cidades, atuando, principalmente, no sentido das regulamentações de estacionamento, de acesso à via, da janela de tempo para as operações de carga/descarga, e assim por diante. Isto porque, os governos tratam o transporte de mercadorias como uma atividade, essencialmente, privada. Portanto, as questões de transporte de mercadorias no nível da cidade ainda não são bem compreendidas, nem quantificadas, e não existe uma metodologia voltada especificamente para a análise e planejamento da movimentação de cargas. Desta forma, a melhoria da eficiência dos sistemas de transportes tende a perder relevância nas decisões dos gestores públicos. Ainda que alguns governantes seguem o princípio que “carga não vota, passageiros votam”, assim o transporte de passageiros acaba recebendo maior atenção e prioridade nas políticas públicas e na distribuição dos recursos financeiros.
No entanto, relatamos que este cenário tende a mudar. Isto porque, o número de veículos de todos os tipos está aumentando rapidamente e, como consequência, o congestionamento e os níveis de poluição crescem em um ritmo acelerado. Além disto, observa-se aumento da consciência pública em relação aos temas que impactam na qualidade da vida da população e, consequentemente, as autoridades começaram a tomar conhecimento
e mostrar vontade política crescente de fazer alguma coisa. Assim, verifica-se a necessidade de analisar os movimentos de veículos de mercadorias nas cidades, foco deste trabalho.
A Tabela 1 descreve os principais agentes influenciadores das tantas mudanças ocorridas nos últimos anos quanto ao comportamento das cidades.
Tabela 1: Principais agentes influenciadores das mudanças nas últimas décadas
Globalização
A intensa globalização do mercado que aumentaram as distâncias entre a fonte de matéria-prima, a transformação dos produtos e o consumidor final. Grande concentração da
população nos grandes centros urbanos
Em 1950 menos de 30% da população mundial morava em zonas urbanas e a ONU projeta para 2050 mais de
60% da população vivendo nos grandes centros urbanos.(WBCSD,2001)
JIT (Just in Time) A filosofia JIT reduziu drasticamente os estoques e com isto aumentou o número de transportes diários
Preocupação Ambiental O aumento com a preocupação ambiental devido aos grandes problemas gerados com a poluição nas cidades
Surgimento de novas tecnologias Surgimento de novas tecnologias como a B2C (Business to Consumer) e o comercio eletrônico.
Fonte: Artigo transporte urbano de mercadorias e logísticas (2014)
Além dos veículos tecnologicamente mais sofisticados que vêm sendo testados e adaptados ao transporte de cargas como os veículos híbridos, já se diferenciam veículos de entregas específicos para os grandes centros urbanos, isto chama-se alternativas para o transporte de cargas nos grandes centros urbanos.
Veículo Urbano de Carga (VUC) e Veículo Leve de Carga (VLC) é um novo tipo de veículo que estará cada vez mais presente nos grandes centros urbanos brasileiros conforme Tabela 2. Ainda não existe uma legislação única no Brasil, mas algumas cidades já vêm se
adiantando, como por exemplo: São Paulo, Rio de Janeiro, Belo Horizonte, Curitiba e Porto Alegre, e criando restrições às dimensões de caminhões na circulação nas cidades. Portanto, trata-se de um novo nicho de mercado que as montadoras já começaram a explorar. É na categoria VUC que pretende-se desenvolver o guindaste e instalar na carroceria deste utilitário conforme Figura 2.
Tabela 2: Tipos de veículos urbanos existentes
VUC (Veículo Urbano de Carga)
Comprimento - 5,5m Largura - 2,20m
Livre circulação na ZMRC (Zona Máxima de Restrição de Circulação em São Paulo)
VLC (Veículo Leve de Carga)
Comprimento - 5,5m e 6,30m Largura - 2,20m
Restrições de circulação naZMRC de São Paulo Fonte: Artigo transporte urbano de mercadorias e logísticas (2014) Figura 2 – Veículos Urbanos de Carga com capacidade entre 1000 e 2000 kg
2.2 Descrição de tipos de guindastes
Guindastes são um tipo de máquina que, em geral, é equipada com uma grua, cabos ou correntes, e pode ser utilizado tanto para elevar e baixar materiais como para movê-los horizontalmente. É usado principalmente para levantar itens de peso elevado e transportá-los para outros lugares. Utiliza-se de uma ou mais máquinas simples para criar vantagem mecânica e, assim, mover cargas extremamente além da capacidade normal de um humano. Guindastes são comumente empregados na indústria do transporte para a carga e descarga de mercadorias, na indústria da construção para a circulação de materiais e na indústria de transformação para a montagem de equipamentos pesados.
Os primeiros guindastes foram inventados pelos gregos antigos, e eram movidos por homens ou animais de carga. Estas máquinas foram usadas para a construção de edifícios. No século passado, guindastes portuários foram introduzidos para carregar e descarregar navios e ajudar com a sua construção - alguns foram construídos em torres de pedra para conferir força e estabilidade extra. Os primeiros guindastes foram construídos a partir de madeira, mas o ferro fundido e o aço assumiram a composição destas máquinas com o advento da Revolução Industrial.
Por muitos séculos, a força era fornecida pelo esforço físico de homens ou animais, embora guinchos em moinhos de água e moinhos de vento poderiam ser impulsionado pela energia cinética natural reaproveitada. A primeira força mecânica foi fornecida por motores a vapor: datam do século 19, com muitos permanecendo em uso no começo do século 20. Guindastes modernos normalmente usam motores de combustão interna ou motores elétricos, e sistemas hidráulicos para fornecer uma maior capacidade de levantamento do que era possível anteriormente, embora guindastes manuais ainda são utilizados quando o fornecimento de energia não teria viabilidade econômica.
Guindastes existem em uma enorme variedade de formas - cada uma adaptada a um uso específico. Às vezes, os tamanhos vão desde os mais pequenos guindastes de lança, utilizados no interior de oficinas, para os guindastes torres mais altas, utilizados para a
construção de edifícios. Também, podemos encontrar guindastes flutuantes maiores, geralmente utilizados para construir plataformas de petróleo.
2.2.1 Guindaste ponte rolante
Um guindaste que é classificado como ponte rolante é uma máquina onde o mecanismo de gancho e linha corre ao longo de uma viga horizontal que se dirige ao longo de duas vigas separadas. Muitas vezes é em um "edifício" e os materiais correm ao longo de trilhos posicionados ao longo de duas longas paredes da casa maior. Este esquema de funcionamento é semelhante a um guindaste de pórtico. Podem ser construídos com vigas de aço típico ou um tipo de caixa de viga mais complexa. Pontes de vigas duplas são mais típicas quando necessitam-se de sistemas de capacidade acima de 10 toneladas.
A vantagem dos resultados da configuração de tipo caixa de viga em um sistema que tem um peso morto menor e torna a integridade do sistema global maior. Na indústria do aço, o uso deste tipo de equipamento é mais comum devido ao peso bruto das matérias primas e do próprio produto final serem impossíveis de movimentar manualmente.
Figura3 – Fotografia de uma ponte rolante
2.2.2 Guindaste caminhão grua
A grua montada sobre um veículo caminhão, fornecendo mobilidade, é a maior vantagem para este tipo de equipamento. É constituído de duas partes: o caminhão em si, que atua como veículo transportador, e o componente de levantamento.
Figura 4 – Fotografia de um caminhão grua
Fonte: https://portogente.com.br (2015)
Caminhão grua destaca-se por sua mobilidade. Estes estão acoplados em conjunto por meio de uma placa giratória, permitindo que a parte superior gire de um lado para outro. Estes guindastes hidráulicos modernos são geralmente máquinas monomotores, com o mesmo motor que impulsionam o veículo e o guindaste. A parte superior é geralmente alimentada via hidráulica e atravessam o prato giratório da bomba montada na parte inferior.
2.2.3 Guindaste grua lateral
Um guindaste de grua lateral, ou sidelifter, é um caminhão de estrada ou semi reboque, com capacidade para içar e transportar contêineres padrão ISO. O processo de levantamento é feito com um processo semelhante ao guincho, que permite que o material seja suspenso do chão ou de um veículo terrestre de carga (caminhão ou trem).
Figura 5 – Fotografia de uma grua lateral
Fonte: https://portogente.com.br (2015)
2.2.4 Guindaste para terrenos acidentados
Um guindaste montado sobre uma armação com quatro pneus de que é projetado para operações de levantamento e carregamento off-road e aplicações em todos os tipos de terreno. Estabilizadores especiais são usados para nivelar e estabilizar o guindaste para içamento. Este tipo de guindaste possui chassi resistente e pode ser empregado em terrenos acidentados. Estes guindastes telescópicos são máquinas monomotores, com o mesmo motor que impulsiona a material rodante e o guindaste, semelhante a um caminhão grua. Em um guindaste para terrenos acidentados, o motor é geralmente montado no chassi, em vez de estar contido na parte superior, como acontece com um guindaste de esteiras. A maioria tem tração nas 4 rodas, que lhes permite atravessar terrenos acidentados sem maiores problemas.
Figura 6 – Fotografia de um guindaste para terrenos acidentados
2.2.5 Guindaste Pick-n-carry
Um guindaste pick-n-carry é semelhante a uma grua móvel, que é projetado para circular em vias públicas, no entanto não possuem estabilizadores e são projetados para levantar a carga e transportá-lo para o seu destino, dentro de um pequeno raio, e, em seguida, serem capazes em conduzir o próximo trabalho. Traduzindo literalmente, o nome do guindaste já nos diz qual é sua função primordial: pegar e carregar.
Figura 7 – Fotografia de um guindaste Pick–n-carry
Fonte: http://www.tigercranes.com.au (2015) 2.2.6 Guindaste de deck
É um pequeno guindaste de 4 rodas com um bloco de rotação de 360 graus localizado no centro e uma cabine operadora localizada em uma extremidade da estrutura. A porção posterior aloja o motor e a área acima das rodas é uma plataforma plana. Por sua configuração, tem a vantagem de ser capaz de operar em locais apertados, retirando a carga e movendo para qualquer espaço ao redor de sua base, ou até mesmo em um outro ponto e/ou veículo para a retirada do material.
Figura 8– Fotografia de um guindaste de deck
2.2.7 Guindaste telescópico
São como empilhadeiras, que têm uma base extensível telescópica. Uma desvantagem em seu início era a ausência de giro, no entanto, vários dos fabricantes projetaram guindastes telescópicos que giram 360 graus através de uma base fixa. São muitas vezes utilizados para movimentar páletes de tijolos e instalar vigas de em construções.
Figura 9 – Fotografia de um guindaste telescópico
Fonte: https://portogente.com.br (2015) 2.2.8 Guindaste sobre esteiras
É montado sobre uma base que possui dois eixos de esteiras, que fornecem estabilidade e mobilidade. Também chamados de guindastes de lagartas, variam em capacidade de elevação de cerca de 40 a 3.500 toneladas. Sua principal vantagem é que eles podem se movimentar no local e realizar os trabalhos sem maiores ajustes de segurança, uma vez que o guindaste está estável em seus eixos. Além disso, um guindaste sobre esteiras é capaz de transportar uma carga em um determinado local onde está sendo empregado.
Figura10 – Fotografia de um guindaste sobre esteiras
2.2.9 Guindaste sobre trilhos
A forma mais simples deste tipo de equipamento é um guindaste montado sobre um carrinho sobre trilhos. Existem dispositivos mais complexos e com maior capacidade de trabalho, que são construídos com base em uma utilização específico, tal como a retirada de minério de ferro de um vagão e construção da própria ferrovia.
Figura 11 – Fotografia de um guindaste sobre trilhos
Fonte: https://portogente.com.br (2015) 2.2.10 Guindaste flutuante
São utilizados principalmente na construção de pontes e terminais portuários, e ocasionalmente para a carga e descarga de navios. Alguns guindastes flutuantes são montados em um pontão e outros em barcaças, com uma capacidade de elevação superior a 10.000 toneladas. São capazes de transportar peças inteiriças de pontes e até mesmo de trazer a superfície embarcações naufragadas.
Figura 12– Fotografia de um guindaste flutuante
2.2.11 Guindaste aéreo
Geralmente, nada mais são do que helicópteros projetados para levantar grandes cargas. São capazes de viajar carregando cargas para áreas que são de difícil acesso por guindastes convencionais. São empregados também em combate a incêndios e missões humanitárias.
Figura 13– Fotografia de um guindaste aéreo
Fonte: https://portogente.com.br (2015) 2.2.12 Guindaste de torre
É fixo ao solo sobre uma laje de betão, gruas de construção frequentemente dão a melhor combinação de altura e capacidade de elevação e são usadas na construção de edifícios altos. A base é, em seguida, ligada ao mastro, que dá a grua sua altura nominal.
Figura 14– Fotografia de um guindaste de torre
Guindastes de torre são largamente empregados na construção civil. Além disso, o mastro é ligado à unidade de rotação. No topo da unidade de rotação há três partes principais, que são o braço longo horizontal, a lança e a cabine do operador.
2.2.13 Guindaste de nível elevatório
Normalmente, é um guindaste com um braço articulado que tem o seu gancho também se movendo para cima e para baixo. Em suma é um guindaste comum, com a única diferença sendo o braço articulado.
Figura 15– Fotografia de um guindaste de nível elevatório
Fonte: https://portogente.com.br (2015)
2.2.14 Guindaste de pórtico
Um guindaste de pórtico tem um guincho em uma casa de máquinas fixas ou em um carrinho que corre horizontalmente ao longo de trilhos, geralmente instalados em um único feixe ou em duas vigas. O peso do guindaste é suportada em um sistema de pórtico com vigas e rodas equalizados que correm no trilho do pórtico, geralmente perpendiculares à direção de carregamento. Estes guindastes possuem vários tamanho, e alguns podem movimentar cargas muito pesadas, podendo citar particularmente os utilizados em estaleiros ou instalações industriais.
Figura 16– Fotografia de um guindaste de pórtico
Fonte: https://portogente.com.br (2015) 2.2.15 Guindaste de bordo
Geralmente, guindastes de bordo estão presentes em navios graneleiros e navios de carga geral. Acoplados à própria estrutura de embarcações, são utilizados para as operações de carga ou descarga e de recuperação quando não existem equipamento terrestres disponíveis. Possuem geralmente funcionamento hidráulico e motores próprios.
Figura 17– Fotografia de um guindaste de bordo
Fonte: https://portogente.com.br (2015) 2.2.16 Guindaste Jib
É fixo e tem utilização principal na indústria, é um tipo de guindaste onde um membro horizontal, apoiando uma grua móvel, é fixada a uma parede ou a um pilar montado no chão. São usados em instalações industriais e em veículos militares. O braço pode balançar através de um arco, para conferir movimento lateral adicional ou exercer contrabalanço.
Figura 18– Fotografia de um guindaste Jib
Fonte: https://portogente.com.br (2015) 2.2.17 Guindaste de granel
Possuem, em sua extremidade, uma espécie de pá, que é colocada no local onde está a carga a granel a ser manuseada. O dispositivo se fecha, e se abre no local da descarga do produto. Em uma escala extremamente menor, o funcionamento é simular a uma grua de coletar animais de pelúcia, largamente utilizada em parques de diversão.
Figura 19– Fotografia de um guindaste de granel
2.3 Fundamentos de Sistemas hidráulicos
Segundo Linsingen (2003), um sistema hidráulico é um conjunto de elementos físicos convenientemente associados que, utilizando um fluído como meio de transferência de energia, permite a transmissão e controle de forças e movimentos. O mesmo autor afirma que um sistema hidráulico é, portanto o meio através do qual uma forma de energia de entrada é convertida e condicionada de modo a ter como saída energia mecânica útil.
Alexandre Perin de Souza (2012) em sua tese explica com base em autores renomados que os sistemas hidráulicos são classificados de acordo com a pressão nominal que pode ser observada na Tabela 3.
Tabela 3 - Classificação dos sistemas hidráulicos. Pressão
Classificação
Bar Psi
0 a 14 0 a 203,10 Sistema de Baixa Pressão
14 a 35 203,10 a 507,76 Sistema de Média Pressão
35 a 84 507,76 a 1218,68 Sistema de Média - Alta Pressão 84 a 210 1218,68 a 3046,62 Sistema de Alta Pressão Acima de 210 Acima de 3046,62 Sistema de Extra - Alta Pressão
Fonte: Fialho (2011)
2.3.1 Campo de aplicação da hidráulica
Segundo Linsingen (2001), em função dos esforços de desenvolvimento tecnológico, os sistemas hidráulicos encontram aplicação em praticamente todos os ramos de atividade, da extração mineral à industria aeroespacial, bem como em aplicações de uso cotidiano, como em veículos de transporte e passeio, equipamentos odontológicos e médico-hospitalares, construção civil, etc. Procurando dar uma noção de abrangência da aplicabilidade dos
sistemas hidráulicos, apresentam-se alguns exemplos de aplicação, subdivididos em seis grupos:
a) Hidráulica Industrial
Máquinas para cerâmica e para madeira; Máquinas operatrizes, máquinas injetoras; Prensas hidráulicas, maquinaria pesada; Robôs industriais, máquinas de precisão; Simuladores de automóveis.
b) Siderurgia, Engenharia Civil, Geração de Energia e Extração Mineral Laminadores, transportadores;
Controle de fornos e de lingotamento; Comportas e represas;
Mancais e controladores de turbinas; Equipamentos para pontes móveis;
Equipamentos de mineração e exploração de petróleo.
c) Hidráulica Móbil
Máquinas de terraplanagem;
Máquinas agrícolas e off - road em geral; Veículos de transporte e passeio.
d) Hidráulica para Aplicações Navais
Guindastes de convés, controladores de leme; Operação de redes em barcos de pesca; Controle de tanques de descarga de navios.
e) Aplicações Técnicas Especiais
Controle de aeronaves (lemes, flaps); Trens de aterrissagem, simuladores de vôo; Operação de antenas e telescópios;
Direcionadores de foguetes; Bóias de sinalização;
Disjuntores de centrais elétricas.
f) Aplicações Gerais
Equipamentos odontológicos e hospitalares; Processadores de lixo urbano;
Oficinas e postos de serviços de veículos; Manutenção de redes elétricas.
2.3.2 Características dos sistemas hidráulicos
Ainda segundo Linsingen (2001), os sistemas hidráulicos possuem características que os tornam especialmente recomendados para uma série de aplicações, algumas das quais listadas no item anterior. No entanto, apresentam também limitações de que devem ser consideradas quando da escolha do tipo de sistema a ser empregado, principalmente se a aplicação específica for compatível com sistemas mecânicos, elétricos ou pneumáticos. Algumas caracteristicas revelantes são listadas a seguir:
a) Bom comportamento em relação ao tempo, ou seja, resposta rápida à partida e inversão de movimento sob carga, devido aos baixos momentos de inércia. Esta característica é importante para a direcionabilidade de aviões e foguetes, bem como para uma acurada precisão de máquinas operatrizes e para a solução de problemas que surgem em copiadoras e na produção seriada;
b) Adaptação automática de força ou torque;
c) Possibilidade de variação contínua de força e velocidade nos atuadores lineares e de torque e rotação nos atuadores rotativos, por meio de controle e ajuste;
d) Sistemas adequados tanto para o controle de processos em que o movimento é rápido quanto para os de movimento de precisão extremamente lento;
e) Segurança eficaz contra sobrecargas através do uso de válvulas limitadoras de pressão, evitando danos ao sistema;
g) Capacidade de armazenamento de energia de forma relativamente simples, por meio de acumuladores hidropneumáticos;
h) Possível combinação com sistemas mecânicos, elétricos e pneumáticos;
i) Possibilidade de utilização de sistemas em condições ambientais adversas, desde que tomados os devidos cuidados construtivos.
As limitações apresentadas pelos sistemas hidráulicos são basicamente as seguintes: a) Custo elevado em relação a sistemas mecânicos elétricos compatíveis;
b) Perda de potência (baixo rendimento) devida à dissipação de energia por atrito viscoso, isto é, perdas de carga nas canalizações e componentes, o que limita a velocidade do fluído e, como consequência, a velocidade dos atuadores hidráulicos;
c) Perdas por vazamentos internos e possibilidade de vazamentos externos, devidos a folgas, que diminuem a eficiência dos sistemas e comprometem a precisão dos movimentos;
d) A compressibilidade do fluido hidráulico, embora pequena, da mesma forma que os vazamentos variáveis, exige a utilização de sistemas especiais para a sincronização de movimentos de dois ou mais atuadores (motores lineares ou rotativos);
e) A presença de ar no sistema, na forma de ar livre, provoca movimentação não uniforme e pulsante dos atuadores, devido à grande compressibilidade do ar. Ar livre no sistema resulta da desaeração incompleta, absorção ou liberação de bolhas de ar repetidas em cavidades existentes nos componentes;
f) Elevada dependência da temperatura. Alterações na temperatura do fluido, devidas as condições ambientais e/ou dissipação de energia, provocam alteração da viscosidade e, por consequência, alteram-se as perdas por vazamentos e as condições operacionais do sistema. Esses efeitos deverão ser corrigidos por meio de trocadores de calor ou sistemas de controle de temperatura.
2.3.3 Componentes de um sistema hidráulico
Fluido Hidráulico - Na maioria das aplicações são produtos destilados do petróleo e tem a função de: transmitir pressão, lubrificar as partes móveis da instalação, refrigerar, amortecer oscilações de pressões, proteger contra a corrosão e remover impurezas.
Unidade de Potência Hidráulica – Componentes básicos de uma unidade de potência hidráulica:
Reservatório ou tanques têm por finalidade básica armazenar e facilitar a manutenção do fluido utilizado nos sistemas hidráulicos. O reservatório pode ser projetado para cumprir várias funções, desde que não haja problemas quanto à sua localização ou ao seu tamanho. É fundamental que o reservatório apresente, no mínimo, as seguintes características: ter espaço para separação do ar do fluido; permitir que os contaminadores se assentem; ajudar a dissipar o calor gerado pelo sistema; facilitar a manutenção.
Bomba Hidráulica é utilizada nos circuitos hidráulicos para converter energia mecânica em energia hidráulica, empurrando o fluido hidráulico no sistema. As bombas são fabricadas em vários tamanhos e formas, com diversos e complexos mecanismos de bombeamento e para várias aplicações. Todas as bombas são classificadas em uma das categorias básicas: hidrodinâmica e hidrostática.
Atuadores Hidráulicos transformam a energia hidráulica em energia mecânica, executando movimentos lineares, elevando, descansando, bloqueando e deslocando cargas. As vantagens são: bom rendimento ao transformar movimentos; força máxima constante ao longo do curso; controle fácil da força no atuador; velocidade constante se vazão é constante; velocidade constante ao longo do curso; as forças podem ser de tração e compressão; acionamentos de grande potência com cotas reduzidas de montagem. O cilindro hidráulico é composto de diversas partes. São classificados, quanto à sua ação, em: simples ação ou simples efeito dupla ação ou duplo efeito
Mangueiras flexível geralmente os sistemas hidráulicos utilizam mangueiras flexíveis como elementos para movimentação do fluido, isto devido ao fato das mangueiras absorverem vibrações e facilitarem a mudança de direção de transmissão da força. Existe uma grande quantidade de diferentes tipos de mangueiras, classificadas de acordo com a sua pressão máxima que suporta, diâmetro, etc
Os motores hidráulicos são também conhecidos como atuadores rotativos, os quais convertem energia hidráulica em mecânica, sendo estes caracterizados de acordo com o torque e deslocamento. Diferenciam-se dos demais motores pela sua construção, característica
e aplicabilidade, o que para outros tipos de motores talvez os locais aos quais são empregados tornariam desfavoráveis para se trabalharem, suas características potenciais esta no volume de absorção, na pressão máxima, nas faixas de rotações e torques desejados.
3 PROJETO DE UM GUINDASTE COM CAPACIDADE DE CARGA 750KG
3.1 Considerações iniciais
As atividades intrínsecas a um processo produtivo estão relacionadas a um transporte de cargas, seja de forma contínua ou descontínua. Para atividades de manuseio pode-se citar:
a. Talhas (sistemas de levantamentos standard); b. Pontes rolantes;
c. Pórticos rolantes; d. Semipórticos rolantes; e. Guindastes.
Para todos os equipamentos acima existe pelo menos um movimento que é comum, o movimento vertical, o qual pode estar associado aos movimentos de translação e rotação. Para cada movimento estará implícito um mecanismo, o qual poderá ser motorizado ou não, dependendo do tempo necessário de execução (velocidade) e do esforço envolvido, como por exemplo, o movimento vertical possui um mecanismo de levantamento. A classificação dos mecanismos e estruturas é um dos fatores iniciais de suma importância, pois resultará na definição do equipamento, e como trata-se de equipamentos de custos iniciais elevados, requer um cuidado redobrado para que o equipamento não se torne obsoleto em um tempo relativamente curto ou que seja superdimensionado, ocasionando custos desnecessários.
Essa etapa necessita de um estudo aprofundado, por se tratar de uma etapa complexa, pois há a necessidade de prever como o equipamento será operado, isto é, qual será a frequência de utilização e com qual fração da carga em relação a máxima será submetida. Com essas informações pode-se classificar a estrutura e os mecanismos de acordo com a norma brasileira ABNT NBR-8400.
A Norma ABNT 8400:1984 tem por objetivo fixar as diretrizes básicas para o cálculo das partes estruturais e componentes mecânicos dos equipamentos de levantamento e movimentação de cargas, independente do grau de complexidade e do tipo de serviço do equipamento, considerando as combinações de solicitações, condições de resistência dos diversos componentes e condições de estabilidade.
Para a utilização da norma é de extrema importância saber as seguintes definições: a. Carga Útil – Carga que é sustentada pelo gancho ou outro elemento de
içamento.
b. Carga de Serviço – Carga útil acrescida da carga dos acessórios de içamento. c. Carga permanente sobre um elemento – Soma das cargas das partes
mecânicas, estruturais e elétricas fixadas ao elemento, devidas ao peso próprio de cada parte.
d. Serviço Intermitente – Serviço em que o equipamento deve efetuar deslocamentos da carga com numerosos períodos de parada durante as horas de trabalho.
e. Serviço intensivo – Serviços em que o equipamento é quase permanentemente utilizado durante as horas de trabalho, sendo os períodos de repouso muito curtos, é o caso de equipamentos que estão incluídos em um ciclo de produção, devendo executar um número regular de operações.
f. Turno – Período de 8 horas de trabalho.
g. Translação – Deslocamento horizontal de todo o equipamento. h. Direção – Deslocamento horizontal do carro do equipamento.
i. Orientação - Deslocamento angular horizontal da lança do equipamento.
3.2 Análise das necessidades
Neste subcapítulo, através das técnicas e métodos, apresenta-se os desejos do cliente, onde os clientes expressam as suas necessidades e as suas reais expectativas com relação ao novo produto, tendo em vista que o sucesso ou insucesso deste novo produto tende a estar
condicionado a esta fase do processo de seu desenvolvimento. Também pode-se dizer que é nesta fase que encontramos a necessidade de desenvolver um sistema mecanizado que possa ajudar os cidadãos que trabalham nos grandes centros ou então no meio rural fazendo movimentações de cargas, onde muitas vezes são de pesos superiores à capacidade de um ser humano. Afim de atender a estas necessidades, tem-se as seguintes metas:
a. A estrutura do equipamento não deverá exceder 200 kg; b. Tipo de içamento: gancho e cabo de aço ou linga de poliéster.
c. Seu dimensional não deverá utilizar um espaço maior que 30cm junto a face traseira da cabine.
d. Terá alcance máximo vertical: 2,5 metros e alcance máximo horizontal: 2,1 metros;
e. Terá que suportar uma carga equivalente a 750 kg;
3.3 Projeto mecânico conceitual
A concepção inicial a ser desenvolvida para atender as expectativas dos clientes está representada na Figura 20, tendo como ideia principal, um sistema mecanizado com uma estrutura metálica composta de uma base, coluna, uma caixa de transmissão que faz o giro do guindaste, um corpo para sustentar o braço, um conjunto de braço e por fim, um sistema hidráulico composto por uma mini central hidráulica ligada à uma bateria 12 volts que possa fazer os movimentos vertical e horizontal através de um mecanismo hidráulico acionado por controle remoto. Para o movimento rotacional, foi definido que poderá ser acionado manualmente por um sistema de coroa e pinhão através de uma manivela. O sistema hidráulico terá a função de mover o guindaste na vertical e na horizontal
Neste capítulo é abordado as técnicas de criatividade, elaboração de estruturas e funções, com o propósito de se chegar a uma solução conceitual viável e capaz de resolver o problema. É uma etapa de procura por princípios, mecanismos e elementos de máquinas que satisfaçam e solucionem as necessidades encontradas ao fazer o modelamento no software.
Define-se os tipos de materiais que serão utilizados, os componentes de fixação e também os componentes do sistema hidráulico que estão dimensionados no capítulo seguinte.
Figura 20 – Imagem da concepção das necessidades
Fonte: Autor
Figura 21 – Solução desenvolvida em software de modelamento 3D
3.4 Projeto preliminar do sistema hidráulico
Este capítulo tem o objetivo de desenvolver o projeto preliminar do sistema hidráulico que atenda
a necessidade de elevação de uma carga com massa de até 750 quilogramas. Nas seções seguintes serão abordados cada componente do sistema, dimensionados conforme literatura de pesquisa LINSINGEN, 2001. Na Tabela 04 estão os dados e valores encontrados. O memorial de cálculos estão elaborados ao final do trabalho no Apêndice A.
Tabela 4 – Tabela de dados e resultados encontrados atraves de cálculos . TABELA DE DADOS
Dados Simbologia Unidade medida Valor calculado Valor implantado Observação Pressão suprimento p s Bar 100 150 Conforme fornecimento da bomba eletro hidráulica Massa máxima da carga M Kg 750 Força para elevar a carga F N 7357,5 Area do Ø mínimo do cilindro Am m² 0,000735 0,00197 Diâmetro mínimo do cilindro Dm M 0,0306 0,0508 Cilindro padrão de mercado com baixo custo Diâmetro mínimo da haste do cilindro Dh m 0,0227 0,04 Cilindro padrão de mercado com baixo custo Força total na pior situação Ft N 8495,71 Modulo de elasticidade do aço E N/m²
Comprimento livre de flambagem C m 0,933 0,933 Mantido curso do projeto Velocidade do acionamento hidráulico V m/s 0,07 0,07 Vazão do fluido no sistema hidráulico Q m³/s Potência hidráulica Ph Watt 515,025 1600 Esta era a menor potencia
que havia para fornecimento Diâmetro da
tubulação dt m 0,00809 0,00952
Conforme conexões do cilindro foi feito
a tubulação Volume do reservatório V L 9,27 12 Valor mais próximo encontrado Fonte: Autor
3.4.1 Cálculo do diâmetro interno do cilindro
Para o cálculo do diâmetro interno mínimo do cilindro (Dmin), nós estimamos que a pressão de suprimento (ps) é igual a 100 bar e que a massa a ser elevada é de 750 kg, será exemplificada na Equação 1, portanto:Calculo da força:
. 1 Calculo da área mínima do cilindro é elaborado conforme Equação 2:
2
Calculo do diâmetro mínimo do cilindro é encontrado substituindo os valores na Equação 3:
No protótipo será utilizado um cilindro encontrado no comércio com as dimensões mais próximas do valor calculado.
3.4.2 Cálculo do diâmetro mínimo da haste
Segundo LINSINGEN 2001, o diâmetro da haste pode ser determinado, para cilindros diferenciais, em função das necessidades de velocidade de avanço e retorno. Entretanto, para qualquer tipo de cilindro, o critério básico de escolha deve recair na estabilidade da haste quando submetida a uma determinada forma e valor de carregamento.
Dentre os diversos métodos de verificação de estabilidade a flambagem, utiliza-se com maior frequência o de Euler, que permite determinar o diâmetro mínimo necessário para suportar, de forma estável, cargas axiais de compressão sobre a haste, em condições específicas de fixação.
Segundo esse critério, a força de compressão axial responsável deformação da haste é determinada pela Equação 4:
². .² (4) Onde: J π. d /64 é o momento de inércia m , E módulo de elasticidade do material /200x102 N m4 para aços7 , c comprimento livre de flambagem m , d diâmetro da haste m .
Devido às dificuldades de identificação das condições de operação e de montagem precisa do cilindro que garantam o alinhamento das forças aplicadas, normalmente ter-se-á componente de força lateral variável que favorece a flambagem da haste.
Para evitar as consequências deste e de outros problemas de montagem, utiliza-se um coeficiente de segurança da ordem de 3,5, ou seja, a força total a ser aplicada pode ser de no máximo conforme Equação 5:
> ?,@ 5 . O valor do comprimento livre de flambagem, c, é função das condições de montagem de cilindro e do comprimento total cilindro/haste entre apoios, com a haste totalmente avançada. Este valor pode ser obtido na Figura 22:
Figura 22– Comprimento livre de flambagem conforme tipo de montagem
Fonte: LINSINGEN 2001 (pag. 202)
Neste caso, como o projeto prevê o cilindro engastado em ambas extremidades, utilizaremos o c do CASO 2, onde L=H.
Dados:
Introduzindo o fator de segurança, chega-se a uma expressão para determinação do diâmetro da haste, em função da força total aplicada, do comprimento livre de flambagem e do módulo de elasticidade do material, na Equação 6:
B CD, >. E
F, @
6
3.4.3 Cálculo da velocidade mínima de deslocamento da haste do cilindro
Para o cálculo da velocidade mínima de deslocamento da haste do cilindro, partiremos dos dados existentes, que são deslocamento (∆s e tempo (∆t .
Calculamos a velocidade pela Equação 7:
H ∆I∆J 7
Segundo LISINGEN (pagina 209), quando há grandes massas a movimentar e/ou velocidades do pistão superiores a 0,1 m/s, recomenda-se a utilização de amortecimento hidráulico para minimizar os efeitos de choque de fim de curso contra o cabeçote ou tampa de fundo, causado pela transformação de energia cinética em energia de pressão e/ou pela inercia da massa acoplada a haste.
3.4.4 Cálculo da vazão necessária ao sistema
Segundo a lei de Bernoulli, a vazão de um fluido pode ser determinada de duas formas distintas. Pode-se determiná-la pela razão do volume escoado do fluido por unidade de tempo ou ainda pelo produto da velocidade do fluido versos a área da secção transversal na qual o mesmo está escoando. Para o cálculo da vazão e fluido do sistema, utilizaremos os dados calculados da velocidade e a área do cilindro, conforme Equação 8:
3.4.5 Cálculo da potência hidráulica necessária ao sistema
A potência de um circuito hidráulico normalmente é concebida a partir do atuador para o motor de acionamento e para cálculos rápidos considera-se o rendimento total do sistema em torno de 65%. Daí a potência hidráulica pode ser definida a partir da seguinte Equação 9:
B L. NI (9) 3.4.6 Cálculo do diâmetro da tubulação do sistema
As tubulações em sistema hidráulico tem um papel importante, pois com o correto dimensionamento deste item a perda de carga pode ser atenuada.
Todo o fluido de um circuito hidráulico tem por obrigação ser conduzido até um atuador ou ser distribuído por válvulas. Contudo poderá gerar alguns tipos de problemas no escoamento, Osborne Reynolds, identificou alguns parâmetros numéricos que reconhecem os limites de comportamento, denominados de escoamento laminar, escoamento indeterminado e o escoamento turbulento. Podem ser verificados os escoamentos na Figura 23:
Figura 23: Figura sobre tipos de escoamentos
Segundo LINSINGEN (pagina 64), a influência relativa das forças de inércia e das forças viscosas para uma dada situação de escoamento pode ser percebida através do número de Reynolds, definido pela Equação 10:
OP H.Q 10J O diâmetro, velocidade característica, massa específica e viscosidade dinâmica têm influência sob o número de Reynolds. Se o valor de Reynolds for menor que 2000, o escoamento é laminar; 2000 < Re < 2400, escoamento de transição; e se Re > 2400, escoamento turbulento.
Para que as tubulações sejam dimensionadas, também deve se considerar as velocidades recomendadas, segundo Fialho (2011, p.84) “A fim de obter a menor perda de carga possível e garantir um regime laminar no escoamento do fluido, são aplicados alguns critérios empíricos amplamente indicados. Um desses critérios é a velocidade [...]”. A Tabela 5 apresenta algumas velocidades recomendadas:
Tabela 5 – Velocidade recomendada para tubulações.
Tubulação Pressão (bar)
Velocidade (cm/s) 20 50 100 >200 Tubulação de Pressão 300 400 500 600 Tubulação de Retorno 300 Tubulação de Sucção 100 Fonte: Fialho (2011)
Fialho (2011) ainda propõe que para pressões intermediárias entre 20 e 200 bar, pode ser utilizado na Equação 11:
R S S, T@. U?,?S 11
A maioria é formulado com viscosidades de ISO VG 32, 46 ou 68. Com o tempo de uso e a influência de umidade a viscosidade do óleo tende a aumentar devido a emulsificação de água no óleo, fato que ocorre muito nas indústrias de alimentos aonde ocorre a limpeza dos equipamentos diariamente com água sob pressão e detergentes, contaminando assim o óleo hidráulico. Com óleos semi sintéticos ou sintéticos consegue-se uma economia considerável, devido a diminuição de trocas e paradas no processo produtivo.
Como viscosidade ou tenacidade de um líquido se entende a resistência que as moléculas de um líquido fazem contra um deslocamento. Essa resistência é também chamada atrito interno. Viscosidade Cinemática: Relação viscosidade/densidade indicada em mm2/s (antigamente, centistoke). Viscosidade Dinâmica: é a medida da resistência interna que o óleo lubrificante forma contra o fluxo (por exemplo, fluxo através de tubulações, fluxo na fenda de lubrificação). A viscosidade dinâmica é denominada em Centipoise (cP).Para medir as viscosidades temos diversos aparelhos de medição (viscosímetros). A indicação é em mm2/s, antigamente se utilizavam graus Engler (°E ) ou Centistokes (cSt). Decisiva para a medição é a indicação da temperatura da medição, pois o resultado depende muito desta temperatura (Óleos frios fluem com tenacidade, óleos quentes se tornam mais líquidos). As classes de viscosidades têm vários institutos de classificação. Os mais conhecidos são SAE, API, AGMA e ISO VG. No sistema SI, a unidade é m²/s, mas usualmente é medida em centiStokes (cSt). O Stokes é cm²/s, assim, para obter a viscosidade em m²/s, multiplique a viscosidade em cSt por 10VW.
Tabela 6 – Óleos recomendados para sistemas hidráulicos.
Viscosidade a 40 ºC 32cSt (150 SSU) 46 cSt (217 SSU) 68cSt (315 SSU) (ISO VG 32) (ISO VG 46) (ISO VG 68) Marca Sistema Frio Sistema Médio Sistema Quente
(Até 35ºC) (35ºC a 50ºC) (50ºC a 65ºC) CASTROL
HYSPING VG 32 HYSPING VG 46 HYSPING VG 68 HYSPING AWS 32 HYSPING AWS 46 HYSPING AWS 68
ESSO NUTO H 32 NUTO H 46 NUTO H 68
TERESSO 32 TERESSO 46 TERESSO 68
SHELL TELLUS T 32 TELLUS T 46 TELLUS T 68
TELLUS 32 TELLUS 46 TELLUS 68
MOBIL OIL DTE 24 DTE 25 DTE 26
TEXACO RANDO OIL
HD32
RANDO OIL HD46
RANDO OIL HD68
VALVOLINE ETC 32 ETC 46 ETC 68
PROMAX BARDHAL MAXBLU MA – 32 MAXBLU MA - 46 MAXBLU MA – 68
PETROBRAS LUBRAX IND. LUBRAX IND. LUBRAX IND.
IPIRANGA IPITUR AW 32 IPITUR AW 46 IPITUR AW 68 RENOLUB (FUCHS) RENOLIN B 10 RENOLIN B 15 RENOLIN B 20 RENOLUB (FUCHS) RENOLIN MR 10 RENOLIN MR 15 RENOLIN MR 20
HOGHTON HYDRO-DRIVE HYDRO-DRIVE HYDRO-DRIVE
Fonte: Fialho (2011)
Tabela 7 – Classificação ISO 3448 para viscosidades. CLASSIFICAÇÃO ISO 3448 DE VISCOSIDADE
ISO 3448 Viscosity classification
A classificação ISO para viscosidade é recomendada para aplicações industriais. A temperatura de referência é 40°C que representa a temperatura de operação da máquina
ISO 3448
Viscosidade cinemática à 40°C Kinematic viscosity at 40°C
(mm²/s = cSt)
Classe de viscosidade Ponto médio Mínimo Máximo
ISO VG 2 2,2 1,98 2,42 ISO VG 3 3,2 2,88 3,52 ISO VG 5 4,6 4,14 5,06 ISO VG 7 6,8 6,12 7,48 ISO VG 10 10 9 11 ISO VG 15 15 13,5 16,5 ISO VG 22 22 19,8 24,2 ISO VG 32 32 28,8 35,2 ISO VG 46 46 41,4 50,6 ISO VG 68 68 61,2 74,8 ISO VG 100 100 90 110 ISO VG 150 150 135 165 ISO VG 220 220 198 242 ISO VG 320 320 288 352 ISO VG 460 460 414 506 ISO VG 680 680 612 748 ISO VG 1000 1000 900 1100 ISO VG 1500 1500 1350 1650 Fonte: Fialho (2011)
• Para a sucção a velocidade recomendada, segundo a Tabela 04, é de 1 m/s. • Para a pressão a velocidade recomendada, segundo Tabela 04, é de 4 m/s. • Para o retorno a velocidade recomendada, segundo Tabela 04, é de 3 m/s.
3.4.7 Cálculo do volume do reservatório
Para o correto funcionamento de qualquer tipo de sistema hidráulico é necessário ter uma quantidade de fluido suficiente, ainda, o fluido deve conter uma forma de resfriamento.
O reservatório parece ser o elemento mais trivial de um circuito hidráulico, porém, na realidade, por não estar sujeito a nenhum critério prévio de unificação, pode causar ao projetista inexperiente algumas dificuldades quanto ao seu dimensionamento e posicionamento de elementos e acessórios (FIALHO, 2011, p. 104).
Segundo Esposito apud Renner (2010), sistemas hidráulicos requerem alguns elementos básicos: reservatórios, para armazenar fluido; bombas, para prover vazão de fluido ao sistema; fonte de energia, como o exemplo de um motor elétrico, para acionar a bomba; válvulas, para controle do fluido, direção, pressão e vazão; atuadores, para converter energia associada ao fluido em energia mecânica; e um sistema de canalização, para conduzir o fluido de um lugar a outro.
O armazenamento do fluido pode se tornar um ponto crítico dentro de um sistema hidráulico, “O Volume de fluido armazenado no reservatório deve ser o suficiente para suprir o sistema por um período de no mínimo três minutos antes que haja o seu retorno, completando um ciclo (FIALHO, 2011, p. 104)”.
Ou seja, o volume do reservatório deverá ser maior ou igual a três vezes a vazão da bomba.
3.5 Projeto Detalhado
Neste subcapítulo será descrito as partes que compõem o equipamento, suas características e funções. Para melhor exemplificar será dividido em quatro tópicos:
3.5.1 Base de apoio
A base de apoio é um subconjunto soldado que tem a função de fixar o equipamento nas longarinas do veículo utilitário, sendo este, fixado por meio de tirantes de barra roscada M20 e porcas autotravante. Na Figura 24 está representado a base de apoio.
Figura 24: Imagem da base de apoio.
Fonte: Autor
3.5.2 Caixa de transmissão
Este conjunto foi desenvolvido para fazer a função de giro do equipamento. Basicamente é composto por um sistema coroa, pinhão e manivela e demais chapas para fixar o sistema. Pode ser observado na Figura 25.
Figura 25: Imagem da caixa de transmissão.
3.5.3 Corpo e haste do guindaste
É composto por chapas e tubos que formam uma estrutura capaz de resistir a carga estipulada inicialmente de 750kg. Para unir o corpo soldado na haste de tubo, foi desenvolvido um eixo e buchas fixadas com anel elástico.
Figura 26: Imagem do corpo e haste do guindaste.
Fonte: Autor
3.5.4 Unidade hidráulica e cilindros
O sistema hidráulico foi dimensionado através de cálculos elaborados no capítulo anterior. Após a definição e análise dos cálculos foi solicitado da empresa LYCOS um sistema completo com dimensional próximo do especificado para empregar e testar no protótipo.
Figura 27: Imagem da unidade eletro hidráulica e cilindros.
