Desenvolvimento de uma garra mecânica para içamento

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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

GIANCARLOS VIEIRA SCHOLLMEIER

DESENVOLVIMENTO DE UMA GARRA MECÂNICA PARA IÇAMENTO

Panambi 2017

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GIANCARLOS VIEIRA SCHOLLMEIER

DESENVOLVIMENTO DE UMA GARRA MECÂNICA PARA IÇAMENTO

Trabalho de Conclusão do Curso apresentado para banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.

Orientador: Prof. Esp. Edomir Marciano Schmidt

Panambi 2017

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-BIOGRAFIA DO AUTOR

Giancarlos Vieira Schollmeier nascido em 1975 no município de Campo Grande, capital do estado do Mato Grosso do Sul. Formou-se no curso técnico de Ferramenteiro em 1993 no Senai, em Panambi no estado do RS. Também tem sua formação no Ensino Médio em 1994 na Escola Estadual Poncho Verde, em Panambi no estado do Rio Grande do Sul. Completou sua formação em curso superior Gestão da Produção Industrial na Faculdade de Tecnologia Internacional - FATEC em 2008, está cursando o último semestre do curso de Engenharia Mecânica na Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ.

Ingressou em 2002 na empresa Saur Equipamentos S.A. inicialmente ocupando cargo de fresador, e atualmente ocupa cargo de Projetista II no setor de Ferramentaria da empresa.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço à minha família, em especial à minha esposa Leoclécia e filha Júlia por todo amor, apoio e incentivo que a mim dedicaram.

Aos meus pais Milton e Doroti pelo incentivo e por acreditarem nos meus objetivos. Ao casal de amigos Magnus Souza e Mariana Lessa que desde o início apoiaram essa caminhada.

À empresa Saur Equipamentos S.A. pela oportunidade de crescimento profissional e por acreditar em meu trabalho e dedicação.

Aos colegas de empresa que de alguma forma contribuíram na fabricação do equipamento, em especial ao Eng. Tiago Rafael Wehrmann, por acreditar no meu esforço e trabalho, transmitindo sua experiência e seus conhecimentos neste trabalho.

Aos colegas acadêmicos...pelo companheirismo sem igual.

A todos os professores de Engenharia Mecânica que sempre auxiliaram para um bom entendimento e desenvolvimento do conteúdo apresentado, em especial ao meu orientador Prof. Edomir Marciano Schmidt.

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“Talvez não tenha conseguido fazer o melhor, mas lutei para que o melhor fosse feito. Não sou o que deveria ser, mas Graças a Deus, não sou o que era antes”. Marthin Luther King

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RESUMO

Este trabalho relata o dimensionamento de uma garra mecânica para içamento através de cálculos analíticos com o objetivo de dimensionar conforme norma NBR 8400 uma estrutura segura e leve para minimizar o esforço físico de colaboradores eliminando riscos ergonômicos, aplicando normas da Consolidação de Leis de Trabalho. Os cálculos das forças foram obtidos através da teoria da estática com incremento de um fator que as transformam em cargas, os cálculos analíticos foram realizados a partir da teoria de resistência dos materiais, implementados com o auxílio de planilha no software Excel elaborada para este trabalho. Para auxiliar o entendimento do trabalho elabora-se a revisão bibliográfica de resistência dos materiais clássica.

PALAVRAS-CHAVE: Dimensionamento de garra mecânica para içamento,

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ABSTRACT

This paper reports the dimensioning of a mechanical lifting device through analytical calculations in order to size a safe and light structure with the objective of designing according to NBR 8400 to minimize the physical effort of employees eliminating ergonomic risks, applying standards of the Consolidation of Labor Laws. The analytical calculations were based on the theory of Resistance of Materials, implemented with the aid of spreadsheet in Excel software developed for this work. To enhance the understanding of the work, a review of classical Resistance of Materials literature was elaborated.

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LISTAS DE FIGURAS

Figura 1 - Sequencia para levantamento de caixote ... 14

Figura 2 - Esquema de posicionamento da carga - NIOSH ... 18

Figura 3 - Cinta de poliéster ... 20

Figura 4 - Cinta utilizada em talhas de guindastes ... 21

Figura 5 - Linga de corrente ... 21

Figura 6 - Balancim com lingas de correntes ... 22

Figura 7 - Garra hidráulica ... 22

Figura 8 - Garra pneumática ... 23

Figura 9 - Garra mecânica ... 23

Figura 10 - Barra quadrada submetida ao carregamento axial ... 24

Figura 11 - Princípio de Saint-Venant ... 25

Figura 12 - Distribuição de tensão para barra retangular com força concentrada ... 25

Figura 13 - Distribuição de tensão para barra retangular com força concentrada ... 26

Figura 14 - Coeficientes de concentração de tensão para peças tracionadas com furo central 26 Figura 15 - Coeficientes de concentração de tensão em peças tracionadas por um eixo no centro do furo... 27

Figura 16 - Peça submetida à cisalhamento puro ... 27

Figura 17 - Peça submetida à cisalhamento e flexão ... 28

Figura 18 - Distribuição de tensão de cisalhamento de uma viga submetida à flexão ... 28

Figura 19 - Seção da barra submetida à cisalhamento ... 29

Figura 20 - Distribuição da tensão de cisalhamento em perfis de seção circular, quadrada e retangular ... 30

Figura 21 - Área de esmagamento ... 30

Figura 22 - Imagem de uma viga submetida à flexão ... 31

Figura 23 - Variáveis para cálculo da inércia ... 32

Figura 24 - Elipse da Eq. de von Mises para um estado plano de tensões ... 33

Figura 25 - Elipses formadas pela Eq. de von Mises para o estado tridimensional ... 34

Figura 26 - Dimensao da garganta em juntas de solda ... 36

Figura 27 - Concepções da garra ... 38

Figura 28 - Concepção 02 da garra ... 39

Figura 29 - Garra Mecânica ... 40

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Figura 31 - Conjunto “T” Superior ... 41

Figura 32 - Conjunto “T” Inferior ... 42

Figura 33 - Conjunto Braço Direito ... 42

Figura 34 - Conjunto Braço Esquerdo ... 42

Figura 35 - Conjunto garra ... 43

Figura 36 - Eixo da Garra ... 43

Figura 37 - Pino da Garra ... 43

Figura 38 - Forças atuantes na garra ... 47

Figura 39 - Análise de forças em equilibrio na alavanca ... 48

Figura 40 - Geometria da seção da alavanca para cálculo de tensão de flexão ... 49

Figura 41 - Análise do momento em B ... 49

Figura 42 - Conjunto “T” Superior ... 50

Figura 43 – Seções do olhal de içamento ... 51

Figura 44- Soldagem do olhal de içamento ... 52

Figura 45 - Coluna ... 53

Figura 46 - Soldagem do braço na coluna ... 54

Figura 47 - Seção para determinar momento estático ... 55

Figura 48 - Seção para determinar momento estático do cordão ... 56

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Coeficientes da pega ... 19

Tabela 2 - Valores de F para Equação de NIOSH ... 19

Tabela 3 - Componentes principais da garra ... 40

Tabela 4 - Classes de utilização NBR 8400 ... 44

Tabela 5 - Estados de carga ... 44

Tabela 6 - Estado de tensões de um elemento ... 45

Tabela 7 - Classificação da estrutura dos equipamentos em grupos ... 45

Tabela 8 - Valores do coeficiente dinâmico ... 46

Tabela 9 - Coeficiente de majoração para equipamentos industriais ... 46

Tabela 10 - Tensões admissíveis à tração (ou compressão) simples ... 47

Tabela 11 – Forças atuantes na garra... 47

Tabela 12 - Forças atuantes na alavanca ... 48

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 GENERALIDADES ... 13 1.2 METODOLOGIA ... 15 1.2.1 MÉTODO DE ABORDAGEM... 15 1.2.2 TÉCNICAS DE PESQUISA ... 15 1.3 OBJETIVOS ... 16 1.3.1 Objetivo geral ... 16 1.3.2 Objetivos específicos ... 16 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 17

2.1 CAPACIDADE DE CARREGAMENTO DE PESO ... 17

2.2 EQUIPAMENTOS EXISTENTES PARA LEVANTAMENTO DE CARGAS.. 20

2.3 RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS ... 24

2.3.1 Carregamento axial ... 24

2.3.2 Princípio de Saint-Venant ... 25

2.3.3 Tensão de cisalhamento ... 27

2.3.4 Tensão de esmagamento ... 30

2.3.5 Flexão ... 31

2.3.6 Teoria de falha de von Mises ... 32

2.3.7 Teoria da tensão máxima de cisalhamento - Tresca... 34

2.3.8 Tensão admissível ... 35

2.3.9 Soldagem ... 35

3 GARRA MECÂNICA ... 38

3.1 PESQUISA DE GARRA MECÂNICA ... 38

3.2 CRIAR CONCEPÇÕES DE GARRA MECÂNICA ... 38

3.3 ESCOLHA DA CONCEPÇÃO DA GARRA MECÂNICA. ... 39

3.4 PRINCIPAIS COMPONENTES DA GARRA MECÂNICA ... 40

4 DIMENSIONAMENTO ANALÍTICO DA GARRA ... 44

4.1 FORÇAS ATUANTES NA GARRA ... 47

4.2 DIMENSIONAMENTO DA ALAVANCA ... 48

4.3 DIMENSIONAMENTO DO OLHAL DE IÇAMENTO ... 50

4.4 SOLDAGEM DO OLHAL DE IÇAMENTO ... 52

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4.6 SOLDAGEM DO TUBO NA COLUNA ... 54

4.7 DIMENSIONAMENTO DO EIXO DA GARRA ... 57

4.8 DIMENSIONAMENTO DO PINO DA GARRA ... 58

5 RESULTADO DO DIMENSIONAMENTO ... 59

6 CONCLUSÃO ... 60

7 REFERÊNCIAS ... 61

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1 INTRODUÇÃO

1.1 GENERALIDADES

O presente trabalho irá apresentar o desenvolvimento de uma garra mecânica de elevação de cargas, dimensionamento de alavancas integrantes do conjunto braço direito e conjunto braço esquerdo, dimensionamento do olhal de içamento componente integrante do conjunto “T” superior, dimensionamento do eixo da garra e dimensionamento do pino da garra, aplicando na prática todo o conteúdo aprendido no decorrer da graduação, através de cálculos, projeto em CAD e fabricação do equipamento.

Neste contexto, o desenvolvimento e construção de um projeto para aplicabilidade no setor de recebimento de uma empresa, tendo como função principal de minimizar o esforço físico do colaborador no levantamento e transporte de cargas. O levantamento de cargas com peso excessivo à capacidade humana possivelmente acarretará danos à saúde do colaborador e precisa ser evitado.

Como solicitado e analisado, este projeto tende a ser um auxílio nesta operação, afim de solucionar esta dificuldade de movimentação, eliminando riscos ergonômicos no levantamento de cargas e melhorar a performance desta movimentação.

O transporte interno de materiais é de suma importância na indústria e está diretamente envolvido com todas as etapas de qualquer processo industrial, desde a fabricação até a comercialização dos produtos.

Conforme Lopes (2010), a movimentação de materiais dentro de uma organização é considerada como improdutiva e acaba onerando o produto, desta forma, necessita ser minimizada. Isso não significa que não tenha importância no processo, muito pelo contrário, sem a movimentação não se obtém o produto desejado.

Para que a movimentação de materiais possa ser eficiente e no menor tempo possível, requisitos de segurança precisam ser atingidos a fim de propiciar ao colaborador segurança no manuseio, integridade física e conforto apropriado durante a execução da tarefa.

Logo, para atender as necessidades de movimentação de carga, empresas buscam se beneficiar de equipamentos específicos para movimentação a fim de otimizar as tarefas de acordo com a capacidade dos seus trabalhadores, reduzindo riscos de lesões e esforços demasiados, aumentando a produtividade e a qualidade do serviço. Preocupações com a ergonomia em postos de trabalho vem crescendo na busca de uma melhor performance em todas as atividades profissionais.

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“À medida que o empregador observava que as melhores condições de trabalho incidiam diretamente no aumento de produtividade, passou a ocorrer um movimento em prol da saúde dentro das fábricas”. (WACHOWICZ, 2007, p. 23).

Em uma empresa do ramo metalúrgico, por exemplo, colaboradores do setor de recebimento de matérias-primas enfrentam dificuldades ergonômicas no momento de movimentar caixotes. Os mesmos apresentam uma pega ruim (faces planas) e peso superior ao recomendável para o homem. A Figura 1 apresenta as etapas que compreendem as atividades para levantar um caixote partindo do chão até uma determinada altura.

Figura 1 - Sequencia para levantamento de caixote

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1.2 METODOLOGIA

1.2.1 MÉTODO DE ABORDAGEM

O método de abordagem de pesquisa que este trabalho pretende seguir é o Método Dedutivo. Trata os problemas de maneira lógica e descendente, ou seja, a partir de um fato inicial maior considerado verdadeiro (uma lei ou teoria) submete-se um segundo fato menor e pela lógica chega-se a uma conclusão que já estava presente nas premissas trabalhadas pelo pesquisador. Considerando princípios, teorias ou leis avaliadas corretas e conclusivas, prediz a ocorrência de casos particulares com base na lógica. “Parte de princípios reconhecidos como verdadeiros e indiscutíveis e possibilita chegar a conclusões de maneira puramente formal, isto é, em virtude unicamente de sua lógica”. (GIL, 2008, p. 9).

O raciocínio dedutivo, objetiva explanar o conteúdo das premissas. Por intermédio de uma cadeia de raciocínio em ordem descendente, de análise do geral para o particular, chega a uma conclusão.

Pretende-se projetar baseando-se em normas e diretrizes vigentes da Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT e da Consolidação das Leis de Trabalho – CLT, reaproveitando matéria-prima disponível em estoque considerada obsoleta.

Através de acompanhamento das atividades no Setor de Recebimento de matéria-prima da empresa, deseja-se obter o entendimento apropriado da solicitação do dispositivo, verificando a sistemática da movimentação de cargas durante a descarga de caminhões e posteriormente ao fazer a inspeção do produto recebido.

Com interação e diálogo com o colaborador do setor, espera-se compreender as dificuldades que o mesmo encontra no momento de movimentar cargas, pois as trocas de experiências e opiniões permitem transmitir a importância da participação do colaborador na busca e solução do problema

Para validação do equipamento será utilizado uma talha de uma ponte rolante com caixotes vazios e posteriormente com carga.

1.2.2 TÉCNICAS DE PESQUISA

Para atender a realização deste projeto, foi necessário a elaboração de um plano de pesquisa, bem como acompanhamento no local de aplicação a fim de visualizar a situação atual e possibilitar a delimitação de algumas diretrizes necessárias.

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 Pesquisas e leituras de literaturas que tratam de Ergonomia, delimitando na temática de capacidade humana para levantamento de pesos.

 Pesquisas e leituras de Normas Técnicas e Leis Trabalhistas adequadas, delimitando na temática de capacidade humana para levantamento de pesos.

 Pesquisa e leitura de literaturas que fundamentam a Engenharia Mecânica, delimitando no embasamento teórico de Resistência dos Materiais.

 Visita no local da solicitação da demanda.

 Acompanhamento das atividades no respectivo setor a fim de obter entendimento das dificuldades apresentadas.

 Diálogo com colaboradores do local.

 Desenhar protótipo com auxílio de software de CAD SolidWorks. 1.3 OBJETIVOS

Os objetivos deste projeto encontram-se divididos em objetivo geral e em tópicos de objetivos específicos.

1.3.1 Objetivo geral

Projetar e construir uma garra para içamento de cargas com capacidade de 500 kg, com acionamento mecânico, para auxiliar a movimentação de cargas em um setor de recebimento de materiais em uma indústria metalomecânica.

1.3.2 Objetivos específicos

a) Estudar normas relativas a ergonomia e levantamento de cargas; b) Projetar a garra em software de CAD SolidWorks;

c) Dimensionar a garra; d) Fabricar o protótipo; e) Validar o protótipo.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 CAPACIDADE DE CARREGAMENTO DE PESO

O Artigo 198 da CLT (Consolidação das Leis de Trabalho) indica como 60 kg o peso máximo que o empregado pode remover individualmente, ressalvadas as disposições especiais relativas ao trabalho do menor e da mulher. Este artigo não se refere a remoção de material feita por impulsão ou tração de aparelhos mecânicos. O Ministério do Trabalho, em tais casos, pode fixar limites para evitar que se exija do empregado serviços superiores às suas forças.

Para a mulher, o Artigo 390 informa que é vedado empregá-la em serviço que demande o emprego de força muscular superior a 20 kg para o trabalho contínuo, ou 25 kg, para o trabalho ocasional.

De acordo com Iida (2005), a capacidade de carga é influenciada conforme sua localização em relação ao corpo, assim como a outras características, tais como, formas, dimensões e facilidades de manuseio. Quando se trata de uma localização relativa para movimentos repetitivos, a força máxima para o levantamento de peso é realizada quando a carga se situa a 30 cm de distância do corpo e a 30 cm de altura do solo, esta capacidade reduz-se quando a carga se afasta 60 cm do corpo, chegando a praticamente zero quando se afasta a 90 cm do corpo. A utilização da ergonomia na maioria das vezes tem sido empregada como uma forma preventiva, através da busca de eliminação de problemas iniciais nas diferentes atividades laborais. Para estes casos deve-se utilizar máquinas/equipamentos que facilitem o seu transporte.

Iida (2005) comenta que o National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) estudou e propôs um valor de peso limite recomendável, desenvolvendo uma equação que avalia manipulação de cargas no trabalho.

Este estudo contemplava a ação de levantar uma carga afastada do corpo e deslocá-la a um outro nível usando as mãos. O peso limite recomendado é de 23 kg pois considera-se aceitável a 99% dos homens e 75% das mulheres, sem provocar danos físicos em trabalhos repetitivos.

A carga inicialmente encontrava-se em um nível localizado a 75 cm do chão, afastada a 25 cm do corpo, sendo erguida verticalmente para um nível superior a 25 cm (totalizando 100 cm do chão), conforme verificado na Figura 2.

Conforme Couto (1995), uma das maiores vantagens da equação de NIOSH refere-se à visualização matemática do peso de cada fator considerado na redução do limite de peso a ser levantado, o que permite uma atenuação ergonômica seletiva sobre aquele item.

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Multiplica-se este peso limite recomendado (PLR) entre seis outros fatores de redução (iguais ou inferiores a 1) dependendo das condições de trabalho conforme Tabela 1.

PLR = força limite recomendável.

H = distância horizontal entre o indivíduo e a carga (posição das mãos) em cm. V = distância vertical na origem da carga (posição das mãos) em cm.

D = deslocamento vertical, entre a origem e o destino, em cm. A = ângulo de assimetria, medido a partir do plano sagital, em graus. F = frequência média de levantamentos em levantamentos/min (Tabela 2) C = qualidade da pega (Tabela 1)

𝑃𝐿𝑅 = 23 × (25 𝐻) × (1 − 0,003 [𝑉 − 75]) × (0,82 + 4,5 𝐷 ) × (1 − 0,0032 × 𝐴) × 𝐹 × 𝐶 (1) Fonte: Iida (2005, p.183).

Como exemplo proposto, supondo que uma pessoa necessite levantar uma carga situada a 100 cm de altura (V= 100) e a 30 cm do corpo (H= 30), deslocando-a até 50 cm de altura (D= 50), rotacionando o corpo a 45° (A= 45). Esse movimento seja repetido 5 vezes por minuto e durante 1 hora. Através da Tabela 2, o fator F é de 0,8. A qualidade da pega é ruim (caixa com paredes planas), no caso analisando a Tabela 1, logo então o C= 0,9.

Aplicando estes dados na equação de NIOSH teremos:

PRL = 23 X (25/30) X (1 - 0,003/ [100-75]) X (0,82 + 4,5/50) X (1- 0,0032 X 45) X 0,8 X 0,9

PRL= 10,74 kg = 105,36N.

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Nessas condições de trabalho, a pessoa poderá levantar 10,74 kg sem sofrer danos musculoesqueléticos.

Tabela 1 - Coeficientes da pega

Fonte: Adaptado de Iida (2005, p.183).

Tabela 2 - Valores de F para Equação de NIOSH

Fonte: Adaptado de Iida (2005, p.184).

V<75 V≥75 Boa 1,00 1,00 Média 0,95 1,00 Ruim 0,90 0,90 Coeficientes da pega Qualidade da pega

V= Altura inicial do levantamento, cm

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Neste contexto, escolheu-se realizar o desenvolvimento de uma garra mecânica para içamento dos referidos caixotes, a fim de proporcionar maior conforto, segurança e desempenho eficiente.

2.2 EQUIPAMENTOS EXISTENTES PARA LEVANTAMENTO DE CARGAS

Nas últimas décadas, as empresas e empregadores de modo geral, têm buscado garantir conforto e integridade física a seus colaboradores buscando encontrar soluções aos desafios inerentes a cada tipo de tarefa e desta forma, atender o Ministério do Trabalho e Emprego que estabeleceu uma série de normas que visam adequar o ambiente de trabalho ao colaborador.

Embora tenham intenções positivas em aplicar estas oportunidades de melhorias em seus processos produtivos contemplando a segurança, muitas vezes se deparam com a necessidade de diminuir custos de produção, o que de certa forma inviabiliza a aquisição de soluções prontas encontradas no mercado.

Atualmente no mercado, existe a disposição uma vasta gama de acessórios e equipamentos destinados à movimentação de materiais, como exemplos a seguir:

a) Cintas de poliéster ilustradas na Figura 3 são utilizadas frequentemente na movimentação de cargas, geralmente em pontes rolantes com talhas, em guindastes de cargas e até mesmo individualmente conforme ilustrado na Figura 4.

Figura 3 - Cinta de poliéster

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Figura 4 - Cinta utilizada em talhas de guindastes

Fonte: www.minastek.com.br (2017)

As cintas para elevação de carga modelo SLING são confeccionadas com fios de poliéster de alta tenacidade, tratados no processo de pigmentação para garantir alta resistência à abrasão e ao envelhecimento do tecido. Todas as cintas de elevação de carga recebem etiqueta de identificação com todos os dados do produto que permite a rastreabilidade e sua identificação de capacidade, bordada no corpo para auxiliar na escolha da capacidade de carga. Podem suportar pesos de até 20.000 kg.

b) As lingas de correntes ilustradas na Figura 5 estão disponíveis em várias configurações de montagens para aplicações distintas, comumente designada como número de pernas. Muito utilizadas pela versatilidade que oferecem no momento de fixação da carga, tanto na forma de laço ou pelo engate do gancho, facilitando assim a movimentação de cargas em ponte rolante com talhas ou em guindastes de cargas.

Figura 5 - Linga de corrente

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Também é comum sua aplicação como componente integrante de equipamentos dedicados a transporte de cargas, conforme visualizado na Figura 6.

Figura 6 - Balancim com lingas de correntes

Fonte: O Autor (2017)

c) Garras hidráulicas ilustradas na Figura 7 são muito utilizadas em gruas florestais. Apresentam grande capacidade de força de aperto através de cilindros hidráulicos e alavancas. Permitem movimentos circulares através dos rotores hidráulicos acoplados nas mesmas.

Figura 7 - Garra hidráulica

Fonte: www.saur.com.br (2017)

d) Garras pneumáticas ilustradas na Figura 8 são geralmente encontradas nas linhas de produção de industrias e tem como objetivo auxiliar na movimentação de cargas. A força de aperto fornecida é dada por atuadores pneumáticos.

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Figura 8 - Garra pneumática

Fonte: www.logismarket.ind.br (2017)

e) Garras mecânicas ilustradas na Figura 9, geralmente seus componentes são braços de alavancas. Comumente denominadas de tesouras, as forças de atuação são aplicadas de encontro a carga. A força de aperto é dependente do tamanho do braço da alavanca e do próprio peso da carga.

Figura 9 - Garra mecânica

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2.3 RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS 2.3.1 Carregamento axial

Beer e Johnston (1995) explicam que o carregamento axial se caracteriza através de uma força de tração ou compressão atuando em uma seção qualquer, aplicada no centro da seção transversal em relação a direção da força. A Figura 10 mostra um exemplo de carregamento axial.

Figura 10 - Barra quadrada submetida ao carregamento axial

Fonte: Beer e Johnston (1995, p. 4).

Para calcular a tensão média (tensão normal representada pela letra grega sigma σ) para carregamento axial, utiliza-se a Equação (2), sendo A igual a área da seção transversal da peça e F a força aplicada.

𝜎_𝑚𝑒𝑑 =𝐹

𝐴 (2)

Na expressão da Equação (2), a tensão normal é distribuída uniformemente em qualquer seção transversal ao eixo da barra. No entanto, esta dedução não se verifica nas adjacências do ponto onde fora aplicado a força, não permitindo a determinação desta tensão estaticamente e sim atendida pela teoria matemática da elasticidade.

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2.3.2 Princípio de Saint-Venant

O princípio de Saint-Venant é explicado por Beer e Johnston (1995), onde demonstra que uma carga P provoca alterações nas extremidades da região onde está sendo aplicada esta carga, provocando um aumento de tensões. A Figura 11 apresenta uma situação de distorção da malha nas extremidades, onde uma barra está fixada de modo rígido na extremidade inferior e a carga sendo aplicada no furo na extremidade superior. Nota-se que nas regiões mais centralizadas, a malha deforma-se sem distorção (linhas retas e paralelas), validando nesta região o cálculo da tensão pela Equação (2).

Figura 11 - Princípio de Saint-Venant

Fonte: Engbrasil (2017)

Para um perfil retangular, as distribuições de tensões ocorrem conforme exemplo da Figura 12, anteriormente determinada por métodos analíticos e experimentais.

Figura 12 - Distribuição de tensão para barra retangular com força concentrada

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Da mesma forma que a tensão é maior nas proximidades da aplicação da carga, o mesmo ocorre quando a barra ou peça possui variações bruscas de seção causadas por descontinuidades, rebaixos ou furos como exemplifica a Figura 13.

Figura 13 - Distribuição de tensão para barra retangular com força concentrada

Shigley e Mischke (1996) explicam que através de realizações de experimentos em laboratórios e estudos fotoelásticos encontra-se a maioria dos concentradores de tensões, pois permitem visualização conjunta das tensões internas nos corpos, não necessitando de gráficos ou esquemas requeridos por outros métodos analíticos. Conforme a Figura 14 e Figura 15, analisando a geometria das peças, encontra-se um fator que multiplicado pela tensão média calculada pela Equação (2), obtém a tensão máxima conforme Equação (3).

Figura 14 - Coeficientes de concentração de tensão para peças tracionadas com furo central

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Figura 15 - Coeficientes de concentração de tensão em peças tracionadas por um eixo no centro do furo

Fonte: Shigley e Mischke (1996, p. 922).

𝜎_𝑚á𝑥 =𝐾𝑡× 𝐹

𝐴 (3)

Sendo a área das geometrias da Figura 14 e Figura 15calculada pela Equação (4).

𝐴 = (𝑤 − 𝑑)𝑡 (4)

2.3.3 Tensão de cisalhamento

Conforme Norton (2013), a tensão de cisalhamento é representada pela letra grega tal



e ocorre quando a força é aplicada perpendicularmente ao comprimento da barra. O cisalhamento puro ocorre em situações que não há flexão junto à mesma, como é o caso apresentado na Figura 16, em razão de a lâmina de corte estar apertada contra os mordentes.

Figura 16 - Peça submetida à cisalhamento puro

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A tensão de cisalhamento média é calculada pela Equação (5), onde A é a área da seção de transversal da peça e F é a força aplicada.

𝜏𝑚𝑒𝑑 = 𝐹

𝐴 (5)

Norton (2013) comenta também que se a peça estiver trabalhando com uma pequena folga, conforme representada por x na Figura 17, será submetida à cisalhamento e momento fletor, gerando assim um estado de tensão diferente do apresentado na Figura 16.

Figura 17 - Peça submetida à cisalhamento e flexão

Fonte: Norton (2013, p. 153).

Dessa forma, em peças submetidas à flexão e cisalhamento, o cálculo do cisalhamento é diferente do mostrado na Equação (5) (cisalhamento puro), uma vez que o momento provoca cisalhamento na direção horizontal da peça.

Figura 18 - Distribuição de tensão de cisalhamento de uma viga submetida à flexão

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Representado na Figura 18, é possível observar a existência de uma deformação nos elementos superiores da viga em uma direção, bem como nos elementos inferiores na direção oposta, criando assim uma região de cisalhamento horizontal na viga. Para uma viga com seção transversal retangular, a tensão de cisalhamento varia parabolicamente com a altura. A tensão de cisalhamento máxima ocorre ao longo do eixo neutro.

Esta tensão de cisalhamento é calculada pela Equação (6).

𝜏_𝑥𝑦 =𝑉𝑄

𝐼𝑡 (6)

Sendo I a inércia de área aplicada, V a força aplicada, t a largura da peça conforme mostra a Figura 19, calculada pelas Equações do Anexo B e o momento estático representado por Q.

Figura 19 - Seção da barra submetida à cisalhamento

Assim, Beer e Johnston (1995) explica que o momento estático é calculado pela Equação (7), onde A’ é a área da seção transversal do ponto de onde se quer obter a tensão até a superfície externa da peça e y é a distância entre o centróide da seção da peça ao centróide da área A’.

y A

Q '. (7)

Resultando assim na distribuição de tensão de cisalhamento para perfis de seção circular, quadrada e retangular conforme se observa na Figura 20.

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Figura 20 - Distribuição da tensão de cisalhamento em perfis de seção circular, quadrada e retangular

2.3.4 Tensão de esmagamento

Shigley e Mischke (1996) exemplificam que um pino engastado em suportes com furos conforme a representação da Figura 21, também pode falhar de outras formas e não apenas pelo cisalhamento e o momento. Ocorre que as superfícies cilíndricas do furo e pino que se encontram em contato podem sofrer de tensão de esmagamento, tendendo a esmagar o furo ou o pino em questão. Não necessariamente haverá o cisalhamento. Esta tensão é representada pela letra sigma, sendo a área (A) calculada pela Equação (8) a projeção da região de contato entre o pino e o furo, d é o diâmetro do eixo ou do furo e t a largura da região de contato, utilizando a Equação (2).

Figura 21 - Área de esmagamento

t d

(32)

2.3.5 Flexão

Conforme Beer e Johnston (1995), os fenômenos físicos denominados por flexão são estabelecidos em peças submetidas a carregamentos transversais ao seu comprimento, sendo que esse tipo de peça se chama viga. Para facilitar o estudo da tensão encontrada, supõe-se que essas peças sejam submetidas somente a esforços de flexão e essa suposição é chamada de flexão pura. A maioria das vigas reais também é submetida a carregamentos de cisalhamento combinado com flexão. Nesses casos, devem-se submeter às peças aos cálculos de uma teoria de falha, para se calcular uma tensão normal equivalente ao carregamento combinado.

A Figura 22 mostra uma viga submetida à flexão pela força P perpendicular ao seu comprimento. Essa força na sua posição atual causa uma força cortante, representada com o diagrama V, servindo para calcular a tensão de cisalhamento. O diagrama de momento fletor M resultante nessas condições de apoio da viga, usado para calcular a tensão normal de flexão pura nesta peça, também está representado na mesma figura.

Figura 22 - Imagem de uma viga submetida à flexão

Neste caso, a tensão máxima ocasionada pela flexão pura pode ser apurada através da Equação (9), onde M é o momento fletor obtido no cálculo do diagrama de momento fletor, C é a distância do centróide da seção transversal até a superfície mais afastada do centróide e I a inércia de área, calculada para cada seção, e representadas pelas equações algébricas do Anexo A. (BEER e JOHNSTON, 1995)

(33)

Figura 23 - Variáveis para cálculo da inércia

I M.c

σ_max  (9)

2.3.6 Teoria de falha de von Mises

Conforme Norton (2013), de maneira que existem situações envolvendo tensões combinadas de normal e de cisalhamento no mesmo ponto, demanda esclarecer uma tensão equivalente que possa ser usada para representar a combinação de tensões. A utilização da energia de distorção (von Mises) nos dá um bom meio para fazê-lo para materiais dúcteis. A tensão equivalente de von Mises é definida como a tensão de tração uniaxial que criaria a mesma energia de distorção que é criada pela combinação atual das tensões aplicadas.

Para se obter a tensão de von Mises para um estado plano de tensões é necessário primeiramente calcular as tensões máximas e mínimas obtidas pelos diversos carregamentos que a peça foi submetida. A tensão máxima é mostrada pela Equação (10) e a tensão mínima é mostrada pela Equação (11).

2 2 xy             2 σ -σ 2 σ σ σ σ x y x y 1 max (10)

(34)

2 2 xy               2 σ -σ 2 σ σ σ σ x y x y 3 min (11)

Calculada a tensão σ1 e σ3, aplicam-se os resultados obtidos na Equação (12), para determinar a tensão von Mises, sendo σ2 = 0 por se tratar de um estado plano de tensão. (NORTON, 2013) ² σ .σ σ ² σ σ 3 3 1 1 VM    (92)

A Equação (12) para um estado plano de tensões descreve uma elipse mostrada na Figura 24, onde as tensões σ1 e σ3 necessitam estar no interior da mesma para prevenir a falha sob escoamento para carregamentos estáticos. (NORTON, 2013)

Figura 24 - Elipse da Eq. de von Mises para um estado plano de tensões

Com a finalidade de obter a tensão de von Mises para um estado tridimensional usa a Equação (13), descrita como um cilindro circular inclinado nos eixos σ1, σ2 e σ3, no qual cada um dos 3 planos mostrados possui o ângulo de Euler de 45°, como mostra a Figura 25, sendo o seu interior uma região segura contra o escoamento com a combinação de tensões. (NORTON, 2013) 𝜎_𝑉𝑀 = √( ²) ² ² ( 6 )² ( )² ( )² _y _z _z _x _xy _yz _zx y x                  2 (13)

(35)

Figura 25 - Elipses formadas pela Eq. de von Mises para o estado tridimensional

O método também é válido nos casos de peças submetidas à tensão de cisalhamento puro, em que as tensões principais σ1=σ3=τ e σ2=0, resultam na tensão de von Mises de mesmo valor que a tensão de cisalhamento, ocasionando a ruptura na região da elipse representada pelos pontos A e B, conforme mostra anteriormente a Figura 24. Para encontrar os valores admissíveis para os pontos A e B aplica-se a Equação (16). (NORTON, 2013)

3 σ

σ e

1 (1410)

Com base na Equação (14), chega-se na Equação (15), que determina a tensão de escoamento do material para cisalhamento.

0,577 σe 

e



(15)

2.3.7 Teoria da tensão máxima de cisalhamento - Tresca

Shigley e Mischke (1996) comentam que a teoria da tensão máxima de cisalhamento prevê que o escoamento inicia quando a tensão máxima de cisalhamento em qualquer elemento iguala-se ou excede à tensão máxima de cisalhamento em um espécime de ensaio de tração do mesmo material quando aquele espécime começa escoar. Como a tensão de cisalhamento é máxima a 45° com o eixo de tração, faz sentido considerar a falha.

(36)

Como a tensão de tração simples é encontrada através da Equação (2), de tal forma que a tensão máxima ocorre em uma superfície a 45° da superfície de tração, com magnitude mostrada na Equação (16).

2 σ

máx 

 (116)

Esta teoria constitui-se em um instrumento de previsão de falha aceitável e frequentemente é empregada.

2.3.8 Tensão admissível

A tensão admissível do material expressa a capacidade de o mesmo suportar determinada tensão com segurança, correspondente a fenômenos não avaliados como a fadiga dos materiais, que é calculada pela Equação (17) para os casos de tensão normal e pela Equação (18) pelos casos de tensão de cisalhamento. (BEER e JOHNSTON, 1995)

cs σ σ e adm  (17) cs e adm



 (18)

Onde cs é o coeficiente de segurança utilizado para garantir maior vida longa ao equipamento motivado pela perda de resistência do material e a fadiga.

2.3.9 Soldagem

Conforme Norton (2013), é útil para um engenheiro projetista ter um conhecimento básico dos processos de soldagem e de suas limitações, da mesma forma por exemplo que ele necessita da compreensão de como uma peça pode ser (ou não) fabricada em uma máquina operatriz, por exemplo, necessitando saber as aplicações e limitações do processo.

Norton explica que soldas de filete são definidas pelo comprimento de sua perna, w, mas a resistência da soldagem é limitada pela dimensão da garganta, t, como mostrado na Figura 26.

(37)

Figura 26 - Dimensao da garganta em juntas de solda

Fonte: Norton (2013, p. 932)

Comumente, as orientações de soldas de filete entre duas chapas são ortogonais, mas podem unir peças a qualquer ângulo. Estando ortogonais e o filete à 45°, logo a garganta, t é 0,707 vezes a dimensão w, da perna.

Norton (2013) compara com o cálculo de tensões em componentes de máquinas com geometria complexa, o cálculo das tensões em um cordão de solda de maneira simples. Se pudermos evitar o carregamento em flexão nas soldas, o carregamento será normalmente de tração/compressão ou cisalhamento direto. A Equação para o cálculo da tensão é simples definida anteriormente também pela Equação (2).

Para definir então a área do cordão de solda, multiplica-se a medida da garganta t pelo perímetro que será soldado.

A NBR 8800-item 7.5.3 indica como regra geral que para os estados limites de escoamento de seção bruta e ruptura da seção líquida, as tensões atuantes de cálculo não podem ultrapassar as seguintes resistências de cálculo tensão de cisalhamento Rn através da Equação (19) e Equação (20), onde Rn é a força e fy que é a tensão máxima permissível à tração, logo, quando a solda é submetida ao cisalhamento, a tensão é de 60% da tração.

y f  Rn ₍₁₉₎ y f   60, Rn ₍₂₀₎

(38)

A NBR 8800-item 7.2.5 aponta a indica que para solda de entalhe atuando tração e compressão a utilização da Equação (21) e para cisalhamento (soma vetorial) conforme Equação (22) e Equação (23), tratando do fator de correção da área.

y w f A   Rn ₍₂₁₎ y w f A   60, Rn ₍₂₂₎ w w f A   60, Rn (23)

(39)

3 GARRA MECÂNICA

3.1 PESQUISA DE GARRA MECÂNICA

Após o diálogo e trocas de experiência com os colaboradores do setor que receberá o equipamento, iniciou-se uma pesquisa virtual e em catálogos impressos de equipamentos similares no mercado.

Nesta fase da tarefa procura-se encontrar soluções ou ideias já praticadas, afim de fornecer mais de uma concepção de projeto. Desta forma é possível encontrar soluções já praticadas em situações semelhantes de forma rápida.

Encontrou-se uma diversidade de equipamentos apresentados anteriormente no capítulo 2.2 e decidiu-se fabricar o equipamento.

3.2 CRIAR CONCEPÇÕES DE GARRA MECÂNICA

Nesta fase entra em evidência a capacidade observativa e criativa do Engenheiro, sendo conveniente oferecer mais de uma concepção de projeto.

Quando se tem concepções distintas, torna-se possível ter alternativas de escolhas para tornar assertivo o projeto.

Primeiramente, rascunhou-se duas concepções básicas de garras e posteriormente iniciou-se um estudo de projeto de cada croqui com auxílio de software de CAD Solidworks, com as dimensões aproximadas da conforme necessidades, sem grandes preocupações com geometrias, conforme demonstrado na Figura 27, onde (a) é a Concepção 01 e (b) Concepção 02.

Figura 27 - Concepções da garra

(a) (b)

(40)

Para permitir oferecer mais de uma concepção, é de grande importância a capacidade de desprender-se o máximo possível das concepções anteriores. Muitas vezes acabam-se mesclando ideias e conceitos chegando ao projeto final considerado então como ideal.

3.3 ESCOLHA DA CONCEPÇÃO DA GARRA MECÂNICA.

Nesta fase explicou-se detalhadamente ao operador o funcionamento de cada concepção, destacando-se os prós e contras. É neste momento que ficou evidente a preferência do colaborador referente as duas concepções. Com o auxílio da visualização do projeto em tela do computador, escolheu-se a Concepção 02 mostrada na Figura 28.

Este envolvimento do usuário do equipamento mostrou-se uma prática importante para ter aceitação do projeto e decisão final foi tomada em conjunto.

Figura 28 - Concepção 02 da garra

Como diretrizes para projeto, a garra deveria ser fabricada com o máximo reaproveitamento de materiais considerados como obsoletos ou sobras no setor de corte da empresa em questão. Projetado para abertura mínima de 105mm e máxima de 405mm conforme indicado na Figura 29.

(41)

Figura 29 - Garra Mecânica

3.4 PRINCIPAIS COMPONENTES DA GARRA MECÂNICA

A garra mecânica é formada pelos componentes principais descritos na Tabela 3 e ilustrados na Figura 30.

Tabela 3 - Componentes principais da garra

Nº do

Item

Código

Descrição

QTD.

1 Ei2215-02 Conjunto “T” Superior

1

2 Ei2215-01 Conjunto “T” Inferior

1

3 Ei2215-05 Conjunto Braço Direito

1

4 Ei2215-06 Conjunto Braço Esquerdo

1

5 Ei2215-03 Conjunto Garra

2

6 Ei2215-19 Eixo da Garra

2

(42)

Figura 30 - Componentes principais da garra

O item 01 denominado Conjunto “T” Superior e demonstrado na Figura 31, é o componente onde será fixado a linga da talha para içamento da garra.

Figura 31 - Conjunto “T” Superior

(43)

O item 02 denominado Conjunto “T” Inferior e demonstrado na Figura 32 será embutido no componente Ei2215-02, permitindo o movimento livre na vertical.

Figura 32 - Conjunto “T” Inferior

No conjunto braço direito e braço esquerdo visualiza-se a trava que libera o equipamento para a prensagem do caixote e todas as possíveis posições predeterminadas para abertura dos braços (o item 03 e item 04 respectivamente) ilustrados na Figura 33 e Figura 34.

Figura 33 - Conjunto Braço Direito

Figura 34 - Conjunto Braço Esquerdo

(44)

O item 05 denominado Conjunto Garra e demonstrado na Figura 35 é responsável pelo contato direto com o caixote transmitindo a força de aperto necessária para a tarefa de fixação e sustentação do mesmo.

Figura 35 - Conjunto garra

O item 06 denominado “Eixo da Garra” mostrado na Figura 36 é responsável pela união do Conjunto Garra com os respectivos Conjuntos Braços.

Figura 36 - Eixo da Garra

O item 07 denominado Pino da Garra mostrado na Figura 37 é responsável pelo posicionamento escolhido da garra.

Figura 37 - Pino da Garra

(45)

4 DIMENSIONAMENTO ANALÍTICO DA GARRA

Com base na orientação de que a garra deveria ser fabricada com o máximo de itens considerados obsoletos ou sobras no estoque da empresa e através das características técnicas exigidas para a garra, iniciou-se o dimensionamento dinâmico do equipamento através de cálculos analíticos realizados através da teoria de resistência dos materiais.

A garra mecânica possui capacidade de elevar uma massa de 500 kg. Buscou-se na norma NBR 8400 em qual Classe de Utilização e Estado de Carga se enquadra este equipamento, servindo de base para os cálculos. Para cada uma destas classes estipula-se um número total teórico de ciclos de levantamento que o equipamento deverá efetuar durante sua vida. Estes números de ciclos de levantamento constantes na Tabela 4 e Tabela 5 servem de base para a determinação do número de ciclos de variações de tensões, em um elemento da estrutura, ou um elemento não giratório dos mecanismos, na verificação à fadiga. Conforme as tabelas, considerou-se CLASSE: D com 2 milhões de ciclos e Estados de Carga: 3.

Tabela 4 - Classes de utilização NBR 8400

Fonte: Acervo Saur - NBR 8400 (2017)

Tabela 5 - Estados de carga

(46)

O cálculo da estrutura do equipamento é efetuado determinando-se as tensões atuantes na mesma durante o seu funcionamento. Conforme Tabela 6, enquadrou-se no Estado de tensões 3 (pesado) onde o elemento está submetido frequentemente a sua tensão máxima.

Tabela 6 - Estado de tensões de um elemento

Através da Tabela 7, determinou-se através do Estado de tensão 3 e a Classe de utilização D com seu respectivo número de ciclos que a garra pertence ao grupo 6.

Tabela 7 - Classificação da estrutura dos equipamentos em grupos

As solicitações devidas aos movimentos verticais são provenientes do içamento relativamente brusco da carga de serviço, durante o levantamento, e de possíveis choques verticais devido ao movimento sobre o caminho de rolamento. Nas solicitações devidas ao levantamento da carga de serviço, levam-se em conta as oscilações provocadas pelo levantamento brusco da carga, multiplicando-se as solicitações devidas à carga de serviço por um fator chamado coeficiente dinâmico (ψ). O valor do coeficiente dinâmico a ser aplicado à solicitação devida à carga de serviço é dado na Tabela 8.

(47)

Tabela 8 - Valores do coeficiente dinâmico

Verificou-se que a velocidade de deslocamento vertical da garra através da ponte rolante será inferior que 0,25m/s, logo as cargas serão multiplicadas pelo fator dinâmico ψ de 1,15 através da Equação (24). 15 , 1 . .g m F  (24)

A norma prevê três casos de solicitações que o equipamento poderá estar submetido. a) caso I - serviço normal sem vento;

b) caso II - serviço normal com vento limite de serviço; c) caso III - solicitações excepcionais.

As diversas solicitações determinadas como indicado podem, em certos casos, ser ultrapassadas devido às imperfeições de cálculo ou a imprevistos. Por esse motivo leva-se ainda em conta um coeficiente de majoração (Mx), que depende do grupo no qual está classificado o equipamento, que deve ser aplicado no cálculo das estruturas.

Como a garra pertence ao grupo 6, o valor do coeficiente de majoração Mx é obtido da Tabela 9 e corresponde a 1,20. Este valor multiplica-se com o coeficiente de segurança proposto para a garra mecânica, 1,5 originário do caso I, obtido da Tabela 10, equivalendo a divisão da tensão de escoamento por 1,5.

Tabela 9 - Coeficiente de majoração para equipamentos industriais

(48)

Tabela 10 - Tensões admissíveis à tração (ou compressão) simples

Conforme determinado, através da Equação (25) multiplica-se os coeficientes e obtém-se o CS (Coeficiente de Segurança) necessária para a garra mecânica.

8 , 1 5 , 1 . 20 , 1   CS (25)

4.1 FORÇAS ATUANTES NA GARRA

A Figura 38 ilustra as forças atuando na garra. Converteu-se as massas do equipamento e do caixote (38 kg e 500 kg respectivos) em forças Newton utilizando a Equação (24) com o fator dinâmico, conforme indicado na Tabela 11.

15 , 1 . .g m F  ₍₂₄₎

Tabela 11 – Forças atuantes na garra

Força Valor Unidade Descrição

FPE 428,70 N Força peso de Equipamento FPc 5640,75 N Força peso do caixote

FI 6069,45 N Força de içamento Fonte: O Autor (2017)

Figura 38 - Forças atuantes na garra

(49)

4.2 DIMENSIONAMENTO DA ALAVANCA

Projetou-se com material LNE 38, onde tensão de escoamento é de 380 MPa, resistência a tração de 500 MPa e a tensão de cisalhamento pelo critério de Tresca (metade da tensão de escoamento) é de 250 MPa. A garra montada é formada por quatro peças denominadas “Alavanca”, conforme visualizado anteriormente da Figura 30. Desta forma, as forças FPE e FPc aplicadas serão proporcionais a cada alavanca, gerando novas forças com suas posições ilustradas na Figura 39 e respectivos valores na Tabela 12.

Figura 39 - Análise de forças em equilibrio na alavanca

Tabela 12 - Forças atuantes na alavanca

Força Valor Unidade Descrição

FW=FPE/4 214,35 N Força do equipamento FAy 1517,35 N Força total de içamento

FBx 2438,19 N Força atuante no ponto B em eixo x FCx 2438,19 N Força atuante no ponto C em eixo x FCy=FPc/4 1410,18 N Força atuante no ponto C em eixo y

(50)

Em seguida calculou-se a tensão de flexão da alavanca. A seção utilizada para cálculo de inércia está destacada em cor preta na Figura 40 e seu respectivo valor é 168845,13 mm4 e área de 380,8 mm² (obtidas do software de CAD).

Figura 40 - Geometria da seção da alavanca para cálculo de tensão de flexão

Calculou-se através do somatório de momento o respectivo MB conforme Figura 41. Aplicou-se então a Equação (9), onde M é igual a 721.240 N.mm, C é igual a medida 30,25 mm e I é a inércia de 168845,13 mm4. Logo, o valor da tensão de flexão máxima nesta região é 129,22 MPa.

I M.c

σ_max  (9)

Figura 41 - Análise do momento em B

(51)

Reorganizando Equação (17) para encontrar o Coeficiente de Segurança (CS), dividiu-se a tensão de escoamento do material que é de 380 MPa pela tensão máxima encontrada anteriormente, 129,22 MPa, obteve-se o CS de 2,94.

Este coeficiente de segurança é maior do que o coeficiente de 1,8 necessário para a garra.

cs σ

σ e

adm  (17)

4.3 DIMENSIONAMENTO DO OLHAL DE IÇAMENTO

O olhal de içamento é um componente integrante do Conjunto “T” Superior e o mesmo é soldado na Tampa Superior conforme mostra a Figura 42. Projetou-se com material ASTM A36, onde Tensão de escoamento é de 250 MPa, Resistência a tração de 400 MPa e a Tensão de cisalhamento pelo critério de Tresca (metade da Tensão de escoamento) é de 125 MPa.

Figura 42 - Conjunto “T” Superior

Utilizou-se o princípio de Saint-Venant para determinar a tesão máxima na seção próxima ao furo de içamento. Para tanto, determinou-se a área da seção em corte mostrada na Figura 43, através da Equação (4), sendo a mesma 571,52 mm².

(52)

Figura 43 – Seções do olhal de içamento

Fonte: : O Autor (2017)

Posteriormente, com dados obtidos da Figura 14 utilizando-se de régua, mediu-se e traçou-se linhas na respectiva figura e encontrou-se o fator kt de 2,17 que será multiplicado com a força de içamento FI= 6.069,45 N atuante na seção conforme a Equação (3) e obteve-se tensão máxima de 23,05 MPa.

𝜎_𝑚á𝑥 =𝐾𝑡× 𝐹

𝐴 (3)

cs σ

σ e

adm  (17)

Este coeficiente de segurança é maior do que o coeficiente de 1,8 necessário para a garra. A tensão de esmagamento neste furo, refere-se a área teórica projetada de contado do gancho da talha, e é dada pela Equação (8).

t d

A . (8)

A projeção da região de contato entre o gancho e o furo, onde d é o diâmetro do eixo ou do furo e t a largura da região de contato.

(53)

Utilizou-se a Equação (2), dividiu-se força de içamento FI= 6.069,45 N pela área de projeção do furo que é de 418,88 mm². O valor da tensão de esmagamento resultante foi de 14,49 MPa.

𝜎𝑚𝑒𝑑 = 𝐹

𝐴 (2)

cs σ

σ e

adm  (17)

4.4 SOLDAGEM DO OLHAL DE IÇAMENTO

Para determinar a soldagem do olhal de içamento e da tampa superior conforme Figura 44, considerou-se como a região mais crítica de solda.

Utilizou-se a área de solda dos cordões. Projetou-se com material ASTM A36, onde tensão de escoamento é de 250 MPa, resistência a tração de 400 MPa e a tensão de cisalhamento pelo critério de Tresca (metade da tensão de escoamento) é de 125 MPa. O arame de soldagem utilizado foi o ER70 da Belgo Bekaert Arames. A tensão de escoamento do arame ER70 é de no mínimo 400 MPa e tensão de ruptura de 480 MPa. A tensão de cisalhamento pelo critério de Tresca (metade da tensão de escoamento) é de 200 MPa.

Figura 44- Soldagem do olhal de içamento

Através do perímetro de soldagem (contorno) necessário 139 mm e da medida da garganta t= 4mm, calculou-se a área de soldagem considerando o fator de correção de 0,6 conforme a

(54)

Equação (20) obtendo-se 333,696 mm². A seguir utilizou-se a Equação (2) encontrar a tensão na área de solda aplicando a força de içamento FI= 6.069,45 N e o resultado obtido foi de 18,19 MPa.

𝐴 (2)

Reorganizando Equação (17) para encontrar o Coeficiente de Segurança (CS), dividiu-se a tensão de escoamento do arame que é de 400 MPa pela tensão máxima encontrada anteriormente, 18,19 MPa, obteve-se o CS de 21,99.

cs σ

σ e

adm  (17)

Após reorganizar a Equação (17) e utilizando-se da tensão de cisalhamento do arame (200 MPa), dividindo pela tensão encontrada de 18,19 MPa, obteve-se o CS de 11.

Notou-se que pela carga aplicada, os fatores de segurança obtidos nestas análises foram elevados em relação ao mínimo estimado para o projeto (1,8).

4.5 CARREGAMENTO AXIAL DA COLUNA

Analisou-se também a tensão do carregamento axial na Coluna mostrada na Figura 45. Projetou-se com tubo quadrado de 60x4,75 mm, com costura e de material SAE 1008-1020, onde a tensão de escoamento é de 269 MPa, resistência a tração de 317 MPa e a tensão de cisalhamento pelo critério de Tresca (metade da tensão de escoamento) é de 134,5 MPa.

Figura 45 - Coluna

(55)

Utilizou-se a Equação (2), dividiu-se força de içamento FI= 6.069,45 N pela área da seção do tubo que é de 991,65 mm². O valor da tensão resultante foi de 6,12 MPa.

𝐴 (2)

cs σ

σ e

adm  (17)

4.6 SOLDAGEM DO TUBO NA COLUNA

Para determinar a soldagem do braço na coluna no Conjunto “T” Superior, como mostra a Figura 46. Projetou-se com tubo quadrado de 60x4,75 mm, com costura e de material SAE 1008-1020, onde a Tensão de escoamento é de 269 MPa, Resistência a tração de 317 MPa e a Tensão de cisalhamento pelo critério de Tresca (metade da Tensão de escoamento) é de 134,5 MPa.

Figura 46 - Soldagem do braço na coluna

(56)

Em um primeiro momento, analisou-se a tensão de cisalhamento pelo inércia e momento estático do tubo.

Através de programa CAD, obteve-se área da seção do tubo quadrado de 60x4,75 mm, 991,65 mm² e sua respectiva inércia de 488.911,19 mm4

Para a determinação da tensão de cisalhamento na região de soldagem, utilizou-se a metade da força para içamento necessária que é FI= 6.069,45 N. Conforme comentou-se anteriormente, a garra é composta de dois Conjuntos de braços (um direito e outro esquerdo), sendo assim força que será utilizada é a V= 3.034,72 N.

Esta tensão de cisalhamento é calculada pela Equação (6), onde I= 488.911, 19 mm4 é a inércia da área aplicada, V= 3.034,72 N a força aplicada, t a largura da peça (espessura da parede do tubo multiplicado por 2) conforme mostra a Figura 47 calculada pelas Equações do Anexo B e o momento estático representado por Q.

𝜏𝑥𝑦 = 𝑉𝑄

𝐼𝑡 (6)

Figura 47 - Seção para determinar momento estático

Para obter-se o momento estático Q, utiliza-se a Equação (7), onde A’ é a área da seção transversal do ponto de onde se quer obter a tensão até a superfície externa da peça e y é a distância entre o centróide da seção da peça ao centróide da área A’. Calculou-se então Q= 10.541,73 mm³.

y A

(57)

Com todos os dados obtidos, aplicou-se a Equação (6) e a tensão de cisalhamento encontrada é de 6,89 MPa.

𝜏_𝑥𝑦 =𝑉𝑄

𝐼𝑡 (6)

Reorganizando Equação (17) para encontrar o Coeficiente de Segurança (CS), dividiu-se a tensão de cisalhamento do tubo que é de 134,5 MPa pela tensão máxima encontrada anteriormente, 6,89 MPa, obteve-se o CS de 19,53.

cs σ

σ e

adm  (17)

Em um segundo momento, analisou-se a tensão de cisalhamento pela inércia e momento estático do cordão de solda.

Através de programa CAD, obteve-se a área do cordão de solda de 1.078,38 mm² e sua respectiva inércia de 897.830,73 mm4

Para a determinação da tensão de cisalhamento na região de soldagem, utilizou-se a força V= 3.034,72 N.

Esta tensão de cisalhamento é calculada pela Equação (6), onde I= 897.830,73 mm4 é a inércia da área aplicada, V= 3.034,72 N a força aplicada, t =4 a largura do cordão de solda (multiplicado por 2) conforme mostra a Figura 48, calculada pelas Equações do Anexo B e o momento estático representado por Q.

Figura 48 - Seção para determinar momento estático do cordão

(58)

Para obter-se o momento estático Q, utiliza-se a Equação (7), onde A’ é a área da seção transversal do ponto de onde se quer obter a tensão até a superfície externa da peça e y é a distância entre o centróide da seção da peça ao centróide da área A’. Para facilitar, criou-se seções de áreas e suas respectivas distâncias até os centróides de cada seção. Calculou-se então Q= 12.424 mm³.

y A

Q '. (7)

Com todas os dados obtidos, aplicou-se a Equação (6) e a tensão de cisalhamento encontrada é de 5,25 MPa.

𝜏𝑥𝑦 = 𝑉𝑄

𝐼𝑡 (6)

Reorganizando Equação (17) para encontrar o Coeficiente de Segurança (CS), dividiu-se a tensão de cisalhamento do arame de solda que é de 200 MPa pela tensão máxima encontrada anteriormente, 5,25 MPa, obteve-se o CS de 38,10.

cs σ

σ e

adm  (17)

4.7 DIMENSIONAMENTO DO EIXO DA GARRA

Utilizou-se como material para o eixo da garra o aço SAE 1045, tendo tensão de escoamento 370 MPa e resistência a tração de 650 MPa. Pelo critério de Tresca, a tensão de cisalhamento é 185 MPa.

Para dimensionamento do eixo da garra, utilizou-se composição das forças concorrentes FCx e FCy, formando a força resultante FCR= 2.816,62N, conforme mostra Figura 49.

Calculou-se a tensão de cisalhamento média através da Equação (5), onde A= 307,90 mm² é a área da seção de transversal do eixo e F é a força aplicada, sendo considerada FCR= 2.816,62 N, resultando a tensão de cisalhamento em 9,15 MPa.

𝐴 (5)

Reorganizando Equação (17) para encontrar o Coeficiente de Segurança (CS), dividiu-se a tensão de cisalhamento pela tensão máxima encontrada anteriormente, 9,15 MPa, obteve-se o CS de 18,28.

(59)

cs σ

σ e

adm  (17)

Figura 49 - Força resultante FRC

4.8 DIMENSIONAMENTO DO PINO DA GARRA

Utilizou-se como material para o Pino da Garra o aço SAE 1045, tendo tensão de escoamento 370 MPa e resistência a tração de 650 MPa. Pelo critério de Tresca, a tensão de cisalhamento é 185 MPa.

Calculou-se a tensão de cisalhamento média através da Equação (5), onde A= 307,90 mm² é a área da seção de transversal do eixo e F é a força aplicada, sendo considerada FBx= 2.438,19 N, resultando a tensão de cisalhamento em 7,92 MPa.

𝐴 (5)

Reorganizando Equação (17) para encontrar o Coeficiente de Segurança (CS), dividiu-se a tensão de cisalhamento pela tensão máxima encontrada anteriormente, 7,92 MPa, obteve-se o CS de 23,36.

(60)

5 RESULTADO DO DIMENSIONAMENTO

Para melhor apresentar os resultados obtidos deste dimensionamento, criou-se a Tabela 13 indicando os resultados obtidos.

Tabela 13 – Resultados do dimensionamento

O maior Coeficiente de Segurança calculado foi de 43,95.

O menor Coeficiente de Segurança calculado foi de 2,94, sendo este, portanto considerado para a garra mecânica.

Dimensionamento Calculado Valor Unidade CS

Dimensionamento da alavanca Tensão de flexão máxima no furo da alavanca 129,22 MPa 2,94

Tensão máxima no furo do olhal 23,05 MPa 10,85

Tensão de esmagamento no furo 14,49 MPa 17,25

Tensão na área de solda (usando tensão escoamento) 18,19 MPa 21,99

Tensão na área de solda (usando tensão cisalhamento) 18,19 MPa 11,00

Carregamento axial da coluna Tensão média 6,12 MPa 43,95

Tensão de cisalhamento (inércia e momento estático do tubo) 6,89 MPa 19,53

Tensão de cisalhamento (inércia e momento estático do cordão) 5,25 MPa 38,10

Dimensionamento eixo da garra Tensão de cisalhamento 9,15 MPa 20,22

Dimensionamento pino da garra Tensão de cisalhamento 7,92 MPa 23,36

2,94 1,8 Menor CS

CS mínimo

Resultado: 1,63 maior que o CS mínimo para o equipamento

Dimensionamento do olhal de içamento

Soldagem do olhal de içamento e tampa

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6 CONCLUSÃO

Com a realização deste projeto de uma garra mecânica para içamento, constatou-se o quanto é importante aplicar os conhecimentos adquiridos durante a graduação. Evidenciou-se a importância de realizar uma análise de necessidades coerente e que o produto resultante deve atender as normas vigentes, bem como o bem-estar do usuário final.

Deve-se estar atento as normas reguladoras para segurança do trabalho, bem como as diretrizes para o bom dimensionamento de um equipamento.

Todo o projeto deve ser eficiente e atender à necessidade que o originou com máximo desempenho e com custo construtivo adequado. Destacou-se a importância de procurar observar a Morfologia do Processo de Projetos, prestando atenção nas experiências dos colaboradores que vivenciam as situações diárias que originam as demandas.

Uma das experiências positivas que se obteve com interações com os demais colaboradores é que as mesmas propiciam decisões assertivas para encontrar a melhor solução do problema.

Uma das dificuldades que se destacou é na fase do projeto conceitual, onde é importante “desprender-se” de uma ideia já formada e partir para uma nova concepção.

Para realizar o dimensionamento da garra mecânica para içamento, realizou-se de maneira clara e objetiva uma breve revisão bibliográfica de resistência dos materiais, bem como utilizou-se a norma NBR 8400, adequada para este equipamento. Obutilizou-servou-utilizou-se que existem muitos itens e possibilidades já previstas na referida norma para diversas configurações e situações de aplicabilidade da garra.

Durante o dimensionamento analítico do projeto, percebeu-se que de maneira geral o equipamento teve um ótimo coeficiente de segurança, motivado pela forma construtiva e principalmente pelas bitolas dos materiais empregados no projeto.

A fabricação do equipamento ocorreu conforme o previsto, mas durante a fase de testes foram necessárias alterações pontuais no projeto para melhor atender no quesito funcionalidade. Deixa-se como sugestão para trabalhos futuros, o dimensionamento de uma garra similar, observando um coeficiente de segurança mais coerente ao sugerido pela NR 8400, com o emprego de materiais de espessura e seções menores.

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GIL, Antônio Carlos. Métodos e técnicas de pesquisa social. 6. ed. São Paulo: Atlas, 2008. IIDA, Itiro. Ergonomia: projeto e produção. 2. ed. São Paulo: Edgard Blucher, 2005. LOGISMARKET. Braço biarticulado com garra pneumática (Metalfrez).

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LOPES, Alceu de Oliveira. Gestão da produção / Alceu de Oliveira Lopes, Dieter Siedenberg, Fernanda Pasqualini. – Ijuí : Ed. Unijuí, 2010. 100 p. (Coleção educação a distância. Série livro-texto).

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NORTON, Robert L. Projeto de Máquinas. 4° edição, Porto Alegre: Bookmann, 2013. SAUR EQUIPAMENTOS S.A. Garra Giratória para Bobinas – MD. Disponível em: <http://www.saur.com.br/>. Acesso em 05/04/2017.

SAUR EQUIPAMENTOS S.A. Garra Mecânica para Blocos de Concreto. Disponível em: <http://www.saur.com.br/>. Acesso em 05/04/2017.

SHIGLEY, Joseph E.; MISCHKE, Charles R. Standard Handbook of Machine Design. 2° edição, EUA: McGraw-Hill, 1996.

WACHOWICZ, Marta Cristina. Segurança, Saúde & Ergonomia. Curitiba: Ed. Ibpex,

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BELGO BEKAERT ARAMES<http://www.belgobekaert.com.br/produtos/documents/folder-solda.pdf>Acesso em 05/09/2017.