UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTOS ACADÊMICOS DE ELETRÔNICA E MECÂNICA CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
BRUNA KELLIN DA SILVA THIAGO KROKER
PROJETO EXECUTIVO DE MÓDULO DE TESTE PARA BOMBAS DE
CONCRETO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA 2015
BRUNA KELLIN DA SILVA THIAGO KROKER
PROJETO EXECUTIVO DE MÓDULO DE TESTE PARA BOMBAS DE
CONCRETO
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado ao Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, dos Deptos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo.
Orientador: Prof. Alfredo Vrubel
CURITIBA 2015
TERMO DE APROVAÇÃO
BRUNA KELLIN DA SILVA THIAGO KROKER
PROJETO EXECUTIVO DE MÓDULO DE TESTE PARA BOMBAS DE
CONCRETO
Este trabalho de conclusão de curso foi apresentado no dia 20 de julho de 2015, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial, outorgado pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Os alunos foram arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
______________________________ Prof. Dr. Milton Luiz Polli
Coordenador de Curso
Departamento Acadêmico de Mecânica
______________________________ Prof. Esp. Sérgio Moribe
Responsável pela Atividade de Trabalho de Conclusão de Curso Departamento Acadêmico de Eletrônica
BANCA EXAMINADORA
_____________________________ __________________________ Prof. Esp. João Mario Fernandes Prof. MSc. Gilmar Lunardon
UTFPR UTFPR
___________________________ Prof. Esp. Alfredo Vrubel
Orientador - UTFPR
AGRADECIMENTOS
Agrademos primeiramente a Deus que nos dá o fôlego de vida, e nos permite ampliar nosso conhecimento a cada dia e fazê-lo útil de alguma forma para a sociedade.
À família, que nos incentiva desde o começo de nossa graduação e nunca deixaram de nos apoiar no que fosse preciso.
Imensamente gratos ao senhor Flavio Werneck, diretor e proprietário da empresa Convicta, e ao senhor Sauro Pepa, engenheiro responsável pelas bombas de concreto, que nos deram todo o respaldo necessário para o desenvolvimento do projeto.
Ao professor orientador Alfredo Vrubel, nosso agradecimento especial por ter primeiramente acreditado no nosso projeto e por dar direcionamentos e opiniões que foram cruciais para o termino do mesmo.
RESUMO
SILVA_Bruna Kellin; KROKER_Thiago. Projeto executivo de módulo de teste para bombas de concreto. 2015. 112 f. Trabalho de Conclusão de Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2015.
O trabalho apresenta o projeto executivo de um módulo de teste para bombas de concreto da empresa Convicta. O módulo permitirá o teste de validação com registro dos dados do funcionamento da bomba antes dela ser montada em definitivo sobre o caminhão do cliente. O projeto é constituído de uma estrutura mecânica para suportar a bateria de bombeio da bomba de concreto, um módulo de força que fornece energia para o funcionamento do equipamento e uma interface para interação de dados com o usuário. Além de fornecer a força motriz para o funcionamento da bomba de concreto, o módulo de teste possui um sistema de leitura de pressão em pontos específicos do sistema hidráulico da bomba de concreto. Essa leitura é demonstrada através de uma Interface Homem Máquina (IHM) que mostra tambémpossíveis causas e solução de irregularidades detectadas no sistema. Os aspectos mecânicos do projeto foram executados com auxílio do software Solidworks e os diagramas hidráulicos com o auxílio de Auto CAD. Um simulador utilizando um Controle Lógico Programável (CLP) programado com software Codesys foi desenvolvido para validar e refinar a funcionalidade do módulo de teste, no contexto do cliente-empresa e usuários. Para a empresa Convicta o projeto do módulo de testes resolve a questão de somente poder testar a bomba de concreto, após sua montagem sobre o caminhão do cliente o que gerava retrabalhos posteriores, além de possibilitar verificação e registro de dados que não eram levantados em testes anteriores. O uso do módulo de teste na empresa Convicta possibilitará redução do tempo de entrega do produto ao cliente, o que aumentará sua competitividade no mercado.
Palavras-chave: Bomba de concreto. Concreto usinado. Hidráulica. Módulo de teste.
ABSTRACT
SILVA_Bruna Kellin; KROKER_Thiago. Executive project test module for concrete pumps. 2015. 112 f. Trabalho de Conclusão de Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2015.
The paper presents the executive project of a module test for concrete pumps of the industry Convincta. The module will allow the validation test record of pump operating data before it is mounted on duty on the customer's truck. The project consists of a mechanical structure to support the module pumping concrete, a power module that supplies power for operation of the equipment and a data interface for user interaction. In addition to providing the driving force for the operation of the concrete pump, the test module has a pressure reading system in specific parts of the hydraulic system of the concrete pump. This reading is demonstrated through a Human Machine Interface (HMI) which also shows possible causes and solution of irregularities in the system. The mechanical aspects of the project were carried out with the aid of the software Solidworks and hydraulic diagrams with the help of the software Auto CAD. A simulator using a Programmable Logic Control (PLC) programmed with CoDeSys software was developed to validate and refine the functionality of the test module in the context of the client company and users. To the company Convincta the test module project solves the issue that the concret pump could only be tested after its assembly on the customer's truck which caused subsequent rework, and enable verification and registration data that were not raised in tests above. The use of the module test in the company Convicta enables reduction of delivery time of the product to the customer, which will increase their market competitiveness.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Várias Misturas a partir do Cimento ... 12
Figura 2 - Central Dosadora de Concreto... 15
Figura 3 – Caminhão Betoneira ou Autobetoneira ... 15
Figura 4 - Modelos de Bombas de Concreto ... 16
Figura 5 - Chassi e Bateria de Bombeio ... 19
Figura 6 - Vista Explodida do Chassi ... 20
Figura 7 - Vista Explodida da Bateria de Bombeio ... 21
Figura 8 - Funcionamento da Bateria de Bombeio ... 22
Figura 9 - Comando unidade hidráulica... 23
Figura 10 – Dispositivo Mecânico Simulando Saída de Concreto ... 24
Figura 11 – Bomba de Concreto 1807 ... 25
Figura 12 – Bomba de Concreto 1814 ... 26
Figura 13 – Fixação da Bomba 1814 no caminhão ... 27
Figura 14 – Fixação da Bomba 1807 no caminhão ... 28
Figura 15 - Base para a Fixação da Bateria de Bombeio ... 29
Figura 16 - Tabela de Dimensões Viga "U" ... 30
Figura 17 - Dimensões Gerais da Base da Bateria de Bombeio ... 31
Figura 18 - Massa e Centro de Massa da Bateria de Bombeio 1814 ... 32
Figura 19 - Geometria Fixa para o Cálculo de Análise de Tensão ... 32
Figura 20 - Pontos de Referência para o Cálculo de Análise de Tensão ... 33
Figura 21 - Distribuição de Massa ... 34
Figura 22 - Resultado da Tensão de von Mises da Base ... 34
Figura 23 – Suporte do Painel ... 35
Figura 24 - Dimensões Gerais do Suporte do Painel ... 35
Figura 25 - Tanque de Óleo do Sistema Hidráulico ... 37
Figura 26 - Tanque de Óleo Diesel ... 38
Figura 27 - Plataforma do Módulo de Força (Item 7.3) ... 39
Figura 28 - Módulo de Força e seus Componentes ... 40
Figura 29 - Montagem da Bateria de Bombeio no Caminhão ... 42
Figura 30 - Montagem Bombas Hidráulicas ... 43
Figura 31 – Diagrama Hidráulico Bomba de Concreto ... 45
Figura 32 - Transdutor de Pressão ... 46
Figura 33 - Lógica de Funcionamento dos Transdutores ... 49
Figura 34 - Interface Homem Maquina (IHM) ... 50
Figura 35 - Tela Inicial IHM ... 51
Figura 36 - Representação das Linhas de Pressão no Sistema Hidráulico ... 52
Figura 37 - Indicação de Montagem S4... 55
Figura 38 - Indicação de Montagem S1, S2 e S3 ... 56
Figura 39 - Indicação de Montagem S5 e S6 ... 56
Figura 40 - Indicação de Montagem S7... 57
Figura 41 - Indicação de Montagem S0 e S7 ... 57
Figura 43 - Indicação de Montagem S0, S3 e S4 ... 58
Figura 44 - Bloco de Transdutores de Pressão ... 59
Figura 45 – Projeto 3D do Simulador ... 60
Figura 46 – Simulador Montado ... 61
SUMÁRIO
1 MERCADO DA CONSTRUÇÃO CIVIL: concreto e equipamentos ... 9
2 CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA ... 10 3 JUSTIFICATIVA... 10 4 OBJETIVOS ... 11 4.1 OBJETIVO GERAL ... 11 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 11 5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 11 6 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 12 6.1 CONCRETO ... 12 6.2 TIPOS DE CONCRETO ... 14 6.2.1 Concreto Convencional ... 14 6.2.2 Concreto Bombeável ... 14 6.3 DOSAGEM DE CONCRETO ... 14 6.4 BOMBA DE CONCRETO... 16 6.5 EMPRESA CONVICTA ... 17
6.6 EQUIPAMENTO BOMBA DE CONCRETO ... 18
6.6.1 História da Bomba de Concreto. ... 18
6.6.2 Composição do Equipamento Bomba de Concreto. ... 19
6.6.3 Funcionamento do Equipamento Bomba de Concreto. ... 21
6.6.4 Manufatura da Bomba de Concreto na Empresa Convicta ... 23
7 DESENVOLVIMENDO DO MÓDULO DE TESTE ... 24
7.1 CONCEPÇÃO ... 24
7.2 PROJETO DA ESTRUTURA MECÂNICA ... 27
7.2.1 Base para Sustentar a Bateria de Bombeio ... 27
7.2.1.1 Análise de Tensões da Estrutura Mecânica ... 31
7.2.2 Suporte para o Painel de Controle ... 35
7.2.3 Tanque de Óleo e de Diesel ... 36
7.3 MÓDULO DE FORÇA E SISTEMA HIDRÁULICO ... 40
7.3.1 Sistema Hidráulico ... 44
7.4 INTERFACE E PROGRAMAÇÃO ... 46
7.4.1 Programação ... 49
7.4.2 Interface ... 50
7.5 ROTEIRO DE REGULAGEM DA BOMBA DE CONCRETO PARA TESTE ... 53
7.6 SIMULADOR ... 59
7.7 ESTIMATIVO DE CUSTO PARA FABRICAÇÃO E MONTAGEM ... 62
8 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 64
APENDICE A – DETALHAMENTO 2D DOS COMPONENTES DA ESTRUTURA MECÂNICA ... 67
ANEXO A - E-MAIL EMPRESA CONVICTA ... 85
ANEXO B – RELÁRIO DA ANÁLISE DE TENSÕES DA BASE DA BATERIA DE BOMBEIO ... 86
ANEXO C – CATÁLOGO BOSCH REXROTH BOMBA DE PISTÕES AXIAIS A10VO... ... 97
ANEXO D – CATÁLOGO BOSCH REXROTH BOMBA DE ENGRENAGEM EXTERNA TIPO F... ... 102
ANEXO E – DATA SHEET TRANSDUTOR DE PRESSÃO XMLP400BD22 ... 105
ANEXO F – CATALOGO IFM CLP CR040 ... 107
ANEXO H – DATA SHEET FONTE MURR ECO-POWER POWER SUPPLY
1 MERCADO DA CONSTRUÇÃO CIVIL: concreto e equipamentos
Segundo um estudo encomendado pela Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP) em 2012, dos produtos mais consumidos no mundo, o concreto fica em segundo lugar atrás somente do consumo de água potável. Em uma matéria feita por Altair Santos sobre o futuro do concreto, o Brasil é um dos dez maiores produtores de cimento do mundo (uma das matérias primas do concreto), sendo o maior da América Latina.
De acordo com a pesquisa sobre o mercado nacional do concreto, realizada em 2012 pela ABCP, o concreto dosado1 teve um aumento de 180% em sete anos (de 2005 a 2012). Em uma entrevista realizada pelo jornalista Altair Santos, o engenheiro civil Hugo Rodrigues Filho, diretor de comunicação da ABCP, afirma que foram mais de uma década para que a Associação com muito empenho conseguisse que todas as metrópoles do Brasil tivessem corredores de piso rígido (concreto) para o transporte público. E mesmo com a crise econômica e política do país, o diretor informa que é otimista em relação à expectativa de construção de mais corredores de concreto em 2015, devido à necessidade de melhoras na mobilidade urbana.
Para acompanhar tal crescimento, se fez necessário o desenvolvimento de tecnologia para que cada vez mais o concreto fosse dosado com maior rapidez e qualidade. Em paralelo com o aumento do consumo de concreto usinado, cresce a exigência das construtoras quanto à qualidade e eficácia da aplicação de concreto, o que faz com que o mercado de produção de máquinas e bombas para manuseio de concreto esteja em alta.
A Convicta Indústria é uma empresa fabricante de máquinas para o setor de construção civil. Fabricante de (i) Auto Betoneira, (ii) Bomba de Concreto e (iii) Central Dosadora de Concreto, atua no ramo de construção civil com soluções completas necessárias para a produção, mistura, transporte e bombeamento de concreto usinado. Com 24 anos de experiência no mercado, fabrica por mês em torno de 40 equipamentos, sendo a betoneira o produto de maior volume de saída.Essa fabricação compõe-se por setores de corte e dobra CNC de chapas, solda, montagem, pintura, qualidade e teste dos equipamentos.
1
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Para a realização dos testes de uma bomba de concreto, é necessário que a mesma seja totalmente montada sobre o caminhão para que se possa simular um bombeamento de concreto, utilizando a força motriz do caminhão. Para que se consiga observar o funcionamento de todos os subconjuntos do equipamento, os operadores que realizam o teste precisam transitar pelo equipamento, o que ocasiona danos na pintura (sujeira, batidas, etc.).
2 CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA
Os testes do equipamento bomba de concreto da empresa Convicta são feitos após o equipamento já montado e acabado, por conta do funcionamento do equipamento depender da força motriz do caminhão transportador. Danos à pintura e qualquer alteração de montagem gera retrabalhos ao setor de acabamento e pintura da empresa, aumentando o custo e tempo da produção do equipamento.
Para a resolução desse problema e também redução do tempo de teste, a equipe autora propõe o projeto de uma bancada de teste que possibilite testar o equipamento ‘bomba de concreto da empresa Convicta’ antes da mesma ser instalada sobre o caminhão transportador do cliente.
Com geração de registros informacionais, o módulo de testes permite que outros funcionários além dos especialistas em teste, encontrem e sanem rapidamente possíveis defeitos de funcionamento, antes da entrega final do equipamento.
3 JUSTIFICATIVA
O trabalho de conclusão de curso usa tecnologias mecânicas e mecatrônicas (controle) no desenvolvimento do projeto da banca de teste, que quando em uso implicará em redução no tempo de teste, redução nos custos de fabricação, melhoria de produtividade e maior segurança em equipamentos de produção da área de construção civil.
O projeto adotou como referência para desenvolvimento do projeto do módulo de teste, o equipamento comercial “Bomba de Concreto” da empresa Convicta, devido à diversificação de sistemas e componentes hidráulicos que compõem as diversas bombas de concreto disponíveis no comércio.
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Desenvolver o projeto executivo de um módulo de testes para bombas de concreto Convicta, que permita apontar possíveis erros de montagem ou falhas de desempenho, antes da instalação do equipamento no caminhão transportador.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1 - Descrever o funcionamento da bomba de concreto Convicta; 2 - Identificar as necessidades do cliente do módulo de testes; 3 - Estruturar a composição do projeto módulo de testes; 4 - Executar projeto mecânico (estrutura), hidráulico e elétrico;
5 - Desenvolver interface com o usuário, compondo simulador de teste; 6 - Validar funcionamento do produto com simulador.
5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
A metodologia para desenvolvimento do projeto do módulo de teste adotou requisitos, parâmetros, dados e restrições levantadas junto à empresa Convicta, aliada ao uso de recursos/ softwares tecnológicos usados na área de projetos de equipamentos.
Assim foi feito um levantamento das características comuns entre os modelos de bombas fabricados pela Convicta, para que o módulo de teste atendesse ao maior número de modelos de bomba fabricados pela empresa.
A definição das características dos atuadores do sistema hidráulico, sistema considerado de maior complexidade e importância na bomba de concreto, permitiu definir os demais componentes do sistema hidráulico.
Considerando o viés adotado de projeto para execução, buscou-se junto à fornecedores usuais da empresa Convicta, as especificações dos componentes hidráulicos, elétricos e eletrônicos, para estabelecer o dimensional de tais itens a serem usados no projeto mecânico em 3D.
A estrutura mecânica do equipamento foi projetada com auxilio do software SolidWorks, definida a partir de perfis metálicos disponíveis na Convicta. O diagrama elétrico e hidráulico foram desenhados no software AutoCad.
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Para o desenvolvimento da interface do módulo de teste com o usuário, foi feito um levantamento de dados junto aos operadores de produção da empresa Convicta, através do acompanhamento de rotinas de montagem das bombas de concreto e também por meio de entrevista, página 53.
Foi realizado, a partir do projeto 3D do módulo de teste, o levantamento de todos os componentes necessários para a fabricação do módulo de teste. e posteriormente, feito o orçamento comercial dos componentes para estimativa do custo do módulo de teste, incluindo custos de montagem.
6 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
6.1 CONCRETO
Concreto é o nome que se dá à mistura e posterior endurecimento de uma combinação de (i) água, (ii) cimento, (iii) areia e (iv) pedra brita, todos devidamente dosados. O contato do cimento com água forma inicialmente uma reação química que dá origem à chamada pasta de cimento, que é o que dá a aderência aos outros componentes da mistura.
Figura 1 - Várias Misturas a partir do Cimento Fonte: LOPES, Julio Cesar de Camargo, Portal do Concreto (2014)
A quantidade correta de cada componente na composição do concreto é o que define a sua trabalhabilidade2. A essa proporção dá-se o nome de dosagem ou traço, que varia de acordo com a aplicação e, suas características se alteram quando se acrescentam aditivos, pigmentos ou outros tipos de adicionais. É a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) quem define as quantidades corretas de adicionais de acordo com a aplicação do concreto.
Quadro 1 - Tabela de Traços e Aplicações do Concreto Fonte: COSTA, Andrade, Tabela de Traços (2014)
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Facilidade com o que o concreto é manipulado.
T A B E L A P R Á T IC A D E T R A Ç O S D E C O N C R E T O P A R A U S O E M O B R A S F U N D O 3 5 X 4 5 N U M E R O D E P A D IO L A S C O N S U M O D E . .. ( m a te ri a l ) .. . P O R M 3 D E C O N C R E T O A L T U R A D A P A D IO L A P O R S A C O D E C IM E N T O F A T OR ES R E N D IM E N T O EM P R EGO OU U T ILI Z A Ç Ã O R E S IS T Ê N C IA P R O V Á V E L N A C O M P R E S S Ã O (K g /cm 2 ) T R A Ç O E M V O L U M E C IM EN T O (Kg) A R EI A SEC A (l) A R EI A U M ID A (l) B R IT A 1 (l) B R IT A 2 (l) Á GU A (l) A R E IA (c m ) B R IT A (1 E 2 ) (c m ) A R E IA B R IT A 1 B R IT A 2 á g u a / c im l/K g c im /á g u a K g /l á g u a /c im l/s c P OR SA C O C IM EN T O lit ro s /s c T R A Ç O S E M M A S S A C O R R E S P O N D E N T E S 400 1 : 1 : 2 514 363 465 363 363 226 2 8 ,7 2 2 ,4 1 1 1 0 ,4 4 2 ,2 7 2 2 ,0 9 7 ,2 1 : 1 ,0 8 : 1 ,5 6 350 1 : 1 1 /2 : 3 387 409 524 405 405 189 2 1 ,5 3 3 ,6 2 1 1 0 ,4 9 2 ,0 4 2 4 ,5 1 2 9 ,2 1 : 1 ,6 3 : 2 ,9 4 298 1 : 2 : 2 1 /2 374 528 676 330 330 206 2 8 ,7 2 8 ,1 2 1 1 0 ,5 5 1 ,8 2 2 7 ,5 1 3 3 ,2 1 : 2 ,1 7 : 2 ,4 4 254 1 : 2 : 3 344 486 622 364 364 210 2 8 ,7 3 3 ,6 2 1 1 0 ,6 1 1 ,8 4 5 0 ,5 1 4 5 ,5 1 : 2 ,1 7 : 2 ,9 4 228 1 : 2 1 /2 : 3 319 562 719 337 337 207 2 5 ,9 3 3 ,6 3 1 1 0 ,6 5 1 ,5 4 3 2 ,5 1 5 7 ,9 1 : 2 ,7 1 : 2 ,7 4 210 1 : 2 : 4 297 420 538 420 420 202 2 8 ,7 2 2 ,4 2 2 2 0 ,6 8 1 ,4 7 3 4 ,0 1 6 8 ,3 1 : 2 ,1 7 : 3 ,5 2 195 1 : 2 1 /2 : 3 1 /2 293 517 662 362 362 208 2 3 ,9 1 9 ,6 3 2 2 0 ,7 1 1 ,4 1 3 5 ,5 1 7 0 ,6 1 : 2 ,7 1 : 3 ,4 2 185 1 : 2 1 /2 : 4 276 487 625 350 350 204 2 3 ,9 2 2 ,4 3 2 2 0 ,7 3 1 ,3 7 3 5 ,5 1 8 1 ,2 1 : 2 ,7 1 : 3 ,5 2 C in ta s d e a m a rr a ç ã o , pequenas laj es 157 1 : 2 1 /2 : 5 246 435 557 435 435 195 2 3 ,9 2 8 ,0 3 2 2 0 ,7 9 1 ,2 7 3 3 ,5 2 0 3 ,3 1 : 2 ,7 1 : 4 ,5 9 124 1 : 3 : 5 229 486 622 405 405 202 2 8 ,7 2 8 ,0 3 2 2 0 ,8 8 1 ,1 4 4 4 ,0 2 1 8 ,1 1 : 3 ,2 5 : 4 ,8 8 100 1 : 3 : 6 208 441 564 441 441 198 2 8 ,7 3 3 ,6 3 2 2 0 ,9 5 1 ,0 5 4 7 ,5 2 4 0 ,8 1 : 3 ,2 5 : 5 ,8 7 50 1 : 4 : 8 161 456 584 456 456 194 2 8 ,7 2 9 ,9 4 3 3 1 ,2 0 0 ,8 3 5 0 ,0 3 1 2 ,5 1 : 4 ,3 4 : 7 ,8 3 O b ra s d e re s p o n s a b ili d a d e C o lu n a s B a ld ra m e s e V ig a s m é d ia s E s tr u t. D e c o n c r. A rm a d o L e ito s e C a m a d a s P re p a ra to ri a s
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O quadro de traços é uma das maneiras para se fazer as misturas do concreto de acordo com a sua aplicação. Para cada aplicação existe um modelo de traço, que representados na coluna traço em volume, corresponde por convenção à quantidade de sacos de cimento, por volume de areia, por volume de brita. A quantidade de água será determinada por uma das colunas relacionadas em fatores.
6.2 TIPOS DE CONCRETO
6.2.1 Concreto Convencional
Trata-se do concreto mais comum utilizado no cotidiano da construção civil. Não possui uma característica especial podendo ser usado em quase todos os tipos de estruturas, atentando-se para o adensamento.
É transportado com carrinho de mão e gruas, não podendo ser bombeado por possuir uma consistência mais seca.
6.2.2 Concreto Bombeável
O seu traço é próprio para o bombeio através das chamadas bombas de concreto. Esse concreto é mais fluido, o que permite seu bombeamento através de tubulação que pode variar de 3 a 5.1/2 polegadas de diâmetro.
As vantagens de se bombear o concreto é agilidade na aplicação, otimização de tempo, lançamentos de concreto em alturas até aproximadamente 100m (variável conforme fabricante do equipamento), menor desperdício de concreto, entre outras.
Esse concreto é conhecido como dosado ou usinado.
6.3 DOSAGEM DE CONCRETO
O concreto é dosado em centrais dosadoras, que são encontradas no mercado em diversas formas e capacidades. É responsável por fazer corretamente a mistura entre os componentes que formam o concreto de acordo com as normas da ABNT.
Figura 2 - Central Dosadora de Concreto Fonte: Convicta (2014)
O transporte e a entrega do concreto dosado são feitos por meio de caminhões betoneira, que tem a finalidade de manter o concreto em movimento para que não endureça, até sua aplicação.
Figura 3 – Caminhão Betoneira ou Autobetoneira Fonte: Convicta (2014)
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6.4 BOMBA DE CONCRETO
Como o próprio nome sugere, é o equipamento responsável pelo bombeamento do concreto por um princípio de acionamento de dois cilindros que funcionam alternadamente.
Podem ser encontradas tanto montadas sobre um chassi de caminhão (estacionárias ou lanças), como modelos rebocáveis.
Figura 4 - Modelos de Bombas de Concreto Fonte: Convicta (2014) Bomba Estacionária Bomba Lança Bomba Rebocável
A empresa Convicta, localizada na cidade de São José dos Pinhais, produz equipamentos para construção civil, tais como betoneiras, centrais dosadoras de concreto e as bombas relacionadas na Figura 4.
Através da parceria acertada com essa empresa, foi possível o levantamento de dados necessários para a execução do projeto. No Anexo A, apresenta-se o e-mail, do diretor Flávio Werneck, sobre concordância com a parceria.
6.5 EMPRESA CONVICTA
A Convicta Indústria está no mercado há 24 anos apresentando soluções para o setor de construção civil no que diz respeito a transporte, bombeamento e produção de concreto.
Com o passar do tempo tiveram de aperfeiçoar tanto sua produção, como seu setor comercial e de compras, para que os produtos fossem acessíveis ao consumidor e competitivos no mercado.
O grande destaque da Convicta, ante seus concorrentes, é o fato de seus produtos serem otimizados às necessidades do cliente. Além dos produtos de linha que são oferecidos a pronta entrega, também assume a responsabilidade de desenvolvimento de projetos novos junto aos clientes, para melhor atendê-los. Motivo que levou a empresa construir dentro de sua planta os setores necessários para a fabricação dos seus produtos envolvendo operações de corte e dobra, solda, montagem e pintura. Assim a terceirização de serviços ficou restrita somente a usinagens e dobras complexas, o que faz que a empresa consiga logisticamente administrar melhor a montagem de seus equipamentos e oferecer prazos de entrega satisfatórios.
Dentre os produtos oferecidos pela Convicta, o que possui o maior prazo de entrega são as bombas de concreto. Elas são compostas por componentes hidráulicos complexos e específicos de alguns fornecedores, o que dificulta sua aquisição e também leva a empresa ter que optar se possui um volume em estoque de itens de custo elevado sem movimentação, mas resultando em um prazo de entrega menor, ou um prazo de entrega mais longo, porém tendo um estoque mais enxuto. Outro fator que influencia não somente no prazo de entrega, mas também é o maior causador do atraso da entrega desses equipamentos, são as falhas na
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hidráulica que são identificadas somente nos testes finais das bombas, quando já estão montadas e devidamente acabadas sobre o caminhão transportador.
Esse Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) oferece à Convicta um produto denominado módulo de teste para o módulo de bombeio de bombas de concreto, que permite o teste das bombas antes das mesmas serem montadas permanentemente no caminhão transportador. Isso resulta em cumprimento do prazo de entrega com maior precisão, pois os reparos e retrabalhos que se fizerem necessários, após o teste no módulo de teste, ocorrerão antes da montagem final do equipamento no caminhão transportador, sendo a pintura a última operação da montagem, antes da entrega do equipamento ao cliente.
6.6 EQUIPAMENTO BOMBA DE CONCRETO
6.6.1 História da Bomba de Concreto.
A bomba de concreto é responsável por projetar o concreto usinado para locais de difícil acesso e/ou que demandem mais agilidade no processo como o preenchimento de lajes, colunas ou moldagem de peças de concreto. O conceito da bomba de concreto iniciou-se com Carl Ethan Akeley, com o intuito de encher moldes de animais para a taxidermia, a arte de reconstruir características físicas de animais, principalmente em extinção, para coleção e exposição. Em 1907, o artista desenvolveu uma máquina rudimentar, apelidada por ele de “plastergun”, a máquina forçava gesso seco por meio de um tubo com ar comprimido. No bico era injetada água por outra tubulação, o que criava a projeção de gesso para as suas esculturas.
Akeley, em 1910 vendeu os direitos da máquina “plastergun” para a companhia Parsons Manufacturing, que mudou o nome para Cemente Gun Company e em 1912 o termo “Gunite” passou a ser utilizado para a projeção de argamassa.
Foi somente a partir de 1950 que o concreto projetado passou a ser utilizado no Brasil. O funcionamento vem sofrendo alterações para melhorias. Inicialmente eram utilizados dois conceitos, um com bombas de rotor e outro com bombas de pistões. A diferença entre os dois era a produção, enquanto que os equipamentos com bombas de rotor trabalhavam com o limite máximo de 10m³/h, os com bombas de pistões alcançavam até 15m³/h.
Desde então, as bombas de concreto vem sendo aprimoradas utilizando-se do conceito de funcionamento com bombas de pistões. As bombas de concreto Convicta têm capacidades que variam de 36m³/h à 110m³/h, atingindo uma distância vertical máxima de 180m e horizontal de 600m.
6.6.2 Composição do Equipamento Bomba de Concreto.
O equipamento bomba de concreto é formado por dois conjuntos principais, o chassi e a bateria de bombeio, figura 5.
Figura 5 - Chassi e Bateria de Bombeio Fonte: Adaptação Desenho Convicta (2014)
No chassi, são identificados os subconjuntos mostrados na figura 6:
(1.3) Tanque de óleo; (1.4) Tanque de água; (1.5) Base soldada; (1.6) Tomada de força; (1.7) Bomba hidráulica; (1.8) Unidade hidráulica; (1.9) Controle eletrônico; BATERIA DE BOMBEIO CHASSI
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Figura 6 - Vista Explodida do Chassi Fonte: Adaptação Convicta (2014)
A bateria de bombeio é o coração do equipamento. É nessa parte que está o know how do produto.
É composta resumidamente, conforme Figura 7:
(2.1) Dois cilindros hidráulicos principais;
(2.2) Caixa de água;
(2.3) Dois cilindros de transporte de concreto;
(2.4) Caçamba;
(2.5) Cilindros acionadores (plungers);
(2.6) “Tubo S”;
(2.7) “Manchetas”;
Figura 7 - Vista Explodida da Bateria de Bombeio Fonte: Adaptação Convicta (2014)
6.6.3 Funcionamento do Equipamento Bomba de Concreto.
A bomba de concreto funciona com dois cilindros principais que trabalham alternadamente. As “manchetas” fixadas nas pontas da haste dos cilindros são as responsáveis pelo enchimento de um dos tubos de transporte do concreto, enquanto um dos cilindros se enche com o concreto vindo da caçamba (entrada de concreto), o outro se esvazia empurrando o concreto que estava no tubo de transporte para a saída de concreto.
A caçamba é o local de despejo do concreto vindo normalmente de uma autobetoneira, por conta da sua alta produtividade. O que direciona o concreto até a saída da caçamba é o Tubo “S”, que é alternado entre as posições de alinhamento dos dois cilindros através dos cilindros de acionamento, conhecidos como cilindros “plungers”.
22
A unidade hidráulica é a responsável pelo movimento do equipamento bomba de concreto. A partir da tomada de força é impulsionado o óleo hidráulico ao bloco que assim distribui aos cilindros, acionando e recuando os mesmos quando necessário. Com válvulas solenoides, o controle do equipamento é feito eletronicamente a partir de um painel ou por um telecomando constituído de acionamentos eletrônicos. MANCHETA CILINDROS PRINCIPAIS TUBOS DE TRANSPORTE SAÍDA DE CONCRETO ENTRADA DE CONCRETO CAÇAMBA TUBO “S” PLUNGERS
Figura 8 - Funcionamento da Bateria de Bombeio Fonte: Adaptação Convicta (2015)
6.6.4 Manufatura da Bomba de Concreto na Empresa Convicta
A fabricação do equipamento bomba de concreto dentro da empresa Convicta inicia-se no projeto. Todo o projeto é desenvolvido com auxílio do software SolidWorks. Com o detalhamento e descrição do equipamento, o setor de Planejamento e Controle da Produção (PCP) elabora o fluxo de fabricação das partes necessárias para a montagem do equipamento. Antes de serem enviadas para o setor de montagem, as peças tanto de fabricação externa como interna, são enviados ao setor de pintura para um tratamento de fundo, para evitar corrosão.
Os funcionários utilizam os detalhamentos dos desenhos e os diagramas hidráulicos para a sequência de montagem do equipamento. Após a fixação de todos os componentes mecânicos e hidráulicos, o equipamento é montado sobre o chassi do caminhão do cliente, onde então é fixada a tomada de força e a bomba hidráulica. O setor de elétrica monta todos os conectores e componentes elétricos ao painel de comando já devidamente instalado.
Após a montagem total da Bomba de Concreto no caminhão, são realizados os testes com o equipamento funcionando na íntegra. Com a caçamba, conjunto 2.4 da figura 7, abastecida com água, é fixado um dispositivo mecânico, responsável pela simulação do concreto contra pressionando a saída de água da caçamba.
PAINEL DE COMANDO TELECOMANDO
Figura 9 - Comando unidade hidráulica Fonte: adaptação Convicta (2015)
24
Figura 10 – Dispositivo Mecânico Simulando Saída de Concreto Fonte: Autoria Própria
Após eventuais retrabalhos e aprovação nos testes, o equipamento é enviado ao setor de acabamento onde é pintado conforme especificação do cliente.
7 DESENVOLVIMENDO DO MÓDULO DE TESTE
7.1 CONCEPÇÃO
A concepção geral da estrutura mecânica do módulo de teste partiu da estrutura do chassi do equipamento bomba de concreto fabricado pela Convicta. A força motriz foi baseada na força motriz de caminhão, uma vez que o módulo de teste atuará em substituição do mesmo.
As características das bombas de concreto da empresa Convicta, tais como diâmetro de tubulação e altura máxima de bombeio, são pré-estabelecidos por sua equipe de engenharia e setor comercial, que analisam a necessidade do mercado e viabilizam as necessidades dos clientes, buscando fornecer equipamentos com qualidade e custo acessível ao consumidor.
O módulo de teste atenderá, por solicitação do demandante do projeto, aferições e conferências em dois modelos de bomba de concreto Convicta: modelos 1807 e 1814 apresentados nas figuras 11 e 12 e que são as bombas mais comercializadas pela empresa.
Faz-se necessário o detalhamento de algumas características de ambos os modelos para justificar a escolha de componentes do módulo de teste, uma vez que os módulos de bombeio das bombas não sofrerão alterações.
Figura 11 – Bomba de Concreto 1807 Fonte: Adaptação Convicta (2015).
Bomba de Concreto 1807:
Diâmetro da camisa de transporte: Ø180mm
Curso do cilindro: 700mm
Altura máxima de bombeio: 50m
Tubulação de concreto: Ø3”
18 07
Diâmetro da camisa de transporte
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Figura 12 – Bomba de Concreto 1814 Fonte: Adaptação Convicta (2015)
Bombas de Concreto 1814:
Diâmetro da camisa de transporte: Ø180mm
Curso do cilindro: 1400mm
Altura máxima de bombeio: 80m
Tubulação de concreto: Ø3”
18 14
Diâmetro da camisa de transporte
7.2 PROJETO DA ESTRUTURA MECÂNICA
A estrutura mecânica do módulo de teste é composta pelos itens: (i) base para sustentar a bateria de bombeio, (ii) suporte para o painel de controle, (iii) tanque de óleo para fazer a alimentação hidráulica do sistema e, (iv) tanque de diesel pra alimentação do motor.
No desenvolvimento do projeto da estrutura mecânica trabalhou-se com o arranjo dos itens da sua composição auxiliado pelo software SolidWorks.
7.2.1 Base para Sustentar a Bateria de Bombeio
Considerando que o módulo de teste será utilizado para os modelos de bomba Convicta 1807 e 1814, as dimensões físicas de ambas foram consideradas para uma fácil utilização do módulo para ambos os modelos, sem necessidade de se fazer adaptações na estrutura. Para isso observou-se que os modelos das bombas possuem dimensões totais diferentes e encaixes de fixação nos seus respectivos chassis também diferentes, conforme mostrado nas figuras, 13 e 14. Os círculos vermelhos indicam as posições de fixação das bombas no chassi.
Figura 13 – Fixação da Bomba 1814 no caminhão Fonte: Adaptação Convicta (2015)
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Figura 14 – Fixação da Bomba 1807 no caminhão Fonte: Adaptação Convicta (2015)
Para a fixação das bombas de concreto no módulo de teste, foi utilizado o mesmo esquema de fixação das bombas nos chassi. Com essa decisão, deu-se o inicio do projeto mecânico da base de sustentação da bateria de bombeio do equipamento bomba de concreto. A figura 15 mostra as fixações estabelecidas para os dois modelos de bomba.
Figura 15 - Base para a Fixação da Bateria de Bombeio Fonte: Autoria Própria
O perfil selecionado para a base foi a viga “U”, que é o mesmo perfil utilizado no chassi do equipamento bomba de concreto fabricado pela Convicta. O formato prismático, ou seja, “vigas retas com seção uniforme” (BEER; RUSSEL, 2008, p.707) proporciona maior resistência à flexão e cisalhamento, uma vez que a estrutura deve suportar todo o peso de uma bomba de concreto, sendo a massa da menor (modelo 1807) aproximadamente 950Kg, conforme dados de catálogo da Convicta.
A principio a decisão da dimensão da viga foi a de usar a mesma utilizada no chassi do equipamento bomba de concreto, por possuir basicamente a mesma função (a de suportar a bateria de bombeio da bomba de concreto) e por ser um item já em estoque na empresa Convicta. A análise de tensões realizada, conforme mostrados no item 8.2.1, confirmaram a decisão.
A viga utilizada no projeto da estrutura é a de 6” com aba de 48,77mm, demais especificações são apresentadas na figura 16.
Fixação 2 - bomba 1814 Fixação 2 - bomba 1807 Fixação 1 - bomba 1814 Fixação 1 -bomba 1807
30
Figura 16 - Tabela de Dimensões Viga "U" Fonte: Braganfer, (2015)
O dimensional geral da base para a bateria de bombeio são apresentados na figura 17. O detalhamento completo em 2D está no apêndice A.
Figura 17 - Dimensões Gerais da Base da Bateria de Bombeio Fonte: Autoria Própria
Para análise de tensões da base foi utilizado o software Autodesk Inventor. Para cálculos de tensões foi considerada a massa da bateria de bombeio da bomba 1814 por se tratar da bomba de maior porte.
7.2.1.1 Análise de Tensões da Estrutura Mecânica
Para fazer a distribuição das cargas, levou-se em consideração a massa e o centro de massa da bomba fornecido pelo software SolidWorks, conforme figura 18.
Mancais fixados com parafusos sextavados M16
CORTE
A-A32
Figura 18 - Massa e Centro de Massa da Bateria de Bombeio 1814 Fonte: Autoria Própria
Considerando que a base de fixação da bateria de bombeio será fixada ao chão com massa de cimento (chumbar), foram definidas as duas vigas “U” das extremidades como geometrias fixas, indicadas pelas faces azuis na figura 19.
Figura 19 - Geometria Fixa para o Cálculo de Análise de Tensão Fonte: Autoria Própria
Os valores em X e Y do centro de gravidade foram calculados devido a origem dos planos do desenho da bateria de bombeio não ser a mesma origem dos planos do desenho da estrutura de fixação. Tomou-se então como referência o mancal de fixação 1 (figura 15), criando assim um ponto de referencia 1, que trata das medidas dos planos de origem até o mancal de fixação, e então o ponto de referencia 2, que trata das medidas do centro de massa até o mancal.
Figura 20 - Pontos de Referência para o Cálculo de Análise de Tensão Fonte: Autoria Própria
A massa da bateria de bombeio da bomba foi distribuída, conforme mostrado na imagem 21, nos quatro pontos de fixação na base, levando em consideração as medidas a partir dos pontos zero em X e Y da base até o ponto de referência 2 (medidas circuladas em vermelho na figura 20).
Ponto de referência 1 Ponto de
referência 2
Ponto zero para X e Y da estrutura
34
Figura 21 - Distribuição de Massa Fonte: Autoria Própria
O resultado da simulação de tensão mostrou que a estrutura suporta sem rompimentos a bateria de bombeio, pelo critério de falha de von Mises apresentado na figura 22.
Figura 22 - Resultado da Tensão de von Mises da Base Fonte: Autoria Própria
7.2.2 Suporte para o Painel de Controle
Conforme itens de composição da estrutura mecânica do módulo relacionados no início do título 7.2, na própria base do módulo foi projetado o suporte para o painel de controle, por ser um item da estrutura que não irá suportar peso nem qualquer tipo de esforço, optou-se por uma estrutura simples tipo caixa, conforme figura 23. As dimensões gerais observam-se no desenho 24. O detalhamento completo em 2D está no apêndice A.
Figura 23 – Suporte do Painel Fonte: Autoria Própria
Figura 24 - Dimensões Gerais do Suporte do Painel Fonte: Autoria Própria
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7.2.3 Tanque de Óleo e de Diesel
Para a alimentação do sistema hidráulico da bomba de concreto, foi projetado um tanque de óleo com capacidade calculada baseando-se em uma bomba com vazão de 85 l/min (detalhamento da bomba no anexo C).
“O volume de fluído 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 o ciclo”. (FIALHO, 2003, p.105). Sendo assim é possível calcular o volume mínimo de óleo para o tanque pela equação 1:
V 3 * QB (1)
Onde:
V = Volume mínimo de óleo em litros;
QB = Vazão da bomba em litros por minuto.
Sendo assim o volume mínimo de óleo do tanque para a alimentação do sistema hidráulico deve ser:
V 3 * 85 V 255 l/min
Considerando que o sistema hidráulico da bomba atua de forma instável, e que o mesmo tanque fará tanto a sucção de óleo como também receberá o retorno do óleo, optou-se por utilizar um fator de segurança de 1,5 prevenindo assim vazamento pelo respiro3, e aquecimento do óleo. Co esse fator, o tanque foi projetado para capacidade de 400 litros de volume geométrico.
Na figura 25 é mostrado a representação em 2 e 3D com dimensões gerais, o detalhamento completo é apresentado no apêndice A.
3
Figura 25 - Tanque de Óleo do Sistema Hidráulico Fonte: Autoria Própria
O modelo de bomba rebocável da Convicta (figura 4) possui um tanque de óleo para o sistema hidráulico, e um tanque de óleo diesel para alimentação do motor. As dimensões e a geometria do tanque de óleo diesel do módulo de teste foram projetadas baseando-se no tanque da bomba rebocável Convicta, conforme mostra a imagem 26.
38
Figura 26 - Tanque de Óleo Diesel Fonte: Autoria Própria
A montagem dos tanques do módulo de teste foi projetada de forma semelhante à da bomba rebocável, ou seja, um tanque montado sobre o outro. Para evitar batidas e corrosões devido a umidade, os tanques foram elevados do solo sendo colocados sobre uma plataforma. Esta é composta de duas vigas “U” no sentido longitudinal, e três vigas soldadas no sentido transversal. Esta mesma plataforma possui furos para a fixação do motor e também duas chapas de espessura ¼ de polegada para fixação do bloco manifold4 e do suporte dos transdutores de pressão, e duas cantoneiras de abas iguais para fixação do radiador, como mostrado no desenhos 27 e 28.
4
Figura 27 - Plataforma do Módulo de Força (Item 7.3) Fonte: Autoria Própria
40
Figura 28 - Módulo de Força e seus Componentes Fonte: Autoria Própria
7.3 MÓDULO DE FORÇA E SISTEMA HIDRÁULICO
O módulo de força da bomba de concreto é constituído por uma bomba hidráulica de pistão, responsável pela movimentação dos cilindros principais e plungers, e uma bomba de engrenagem, acoplada na bomba hidráulica de pistão, que movimenta o agitador e faz o resfriamento do óleo pelo trocador de calor (radiador), figura 29.
A bomba de concreto modelo Convicta utiliza a saída da caixa de câmbio dos caminhões como força motriz para a bomba hidráulica de pistão. Com o acoplamento de uma tomada de força e um cardan fixado na bomba hidráulica, transmite-se a rotação necessária para o funcionamento da mesma.
A Convicta utiliza em suas bombas de concreto 1814 a bomba hidráulica A10VO 85 do fabricante Bosch Rexroth.
A bomba de engrenagem utilizada para fazer o movimento do agitador é do mesmo fornecedor modelo AZPF-11-011-LRR20K (11cm³) catalogo anexo D. A figura 29 retirada do catalogo da bomba de concreto modelo 1814 Convicta, ilustra no detalhe “A” a tomada de força (círculo nº 3), o cardan (círculo nº 6) e a bomba de engrenagem acoplada na bomba de pistões A10VO 85.
A figura 30, retirada do mesmo catalogo mostra em detalhe o acoplamento das duas bombas (circulos 1 e 3).
42
Figura 29 - Montagem da Bateria de Bombeio no Caminhão Fonte: adaptação Convicta (2015)
Figura 30 - Montagem Bombas Hidráulicas Fonte: Adaptação Convicta (2015)
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As bombas hidráulicas utilizadas nos testes são as mesmas que serão posteriormente enviadas com a bomba de concreto para o cliente.
A força motriz que substituíra a força utilizada do caminhão é um motor diesel 130CV do fabricante Perkins, modelo 1104C-44TA. Trata-se de um motor já utilizado pela Convicta nas bombas rebocáveis.
7.3.1 Sistema Hidráulico
Uma vez que o objetivo do módulo é realizar testes na bateria de bombeio das bombas de concreto antes de sua montagem final sobre o caminhão transportador, avaliou-se junto à engenharia do grupo Convicta através do acompanhamento de montagens, histórico de falhas e análise do sistema hidráulico, o parâmetro a ser medido que demonstra o total e pleno funcionamento da bateria de bombeio da bomba de concreto. Definiu-se que o parâmetro a ser controlado e aferido é a pressão em diversas linhas de pressão do sistema hidráulico da bateria de bombeio. O levantamento de dados para que fossem definidas as linhas de pressão do sistema a serem aferidas, foi feito em conjunto com o engenheiro responsável pelas bombas de concreto da empresa Convicta e também com operadores responsáveis pela montagem das bombas.
As perguntas norteadoras foram:
1. Quais são os itens do sistema hidráulico suscetíveis a falhas?
2. Qual o nível de conhecimento técnico em hidráulica dos operadores que realizam os testes finais?
3. Qual a melhor maneira de visualização para o monitoramento em tempo real do teste?
A figura 31 representa o sistema hidráulico que é utilizado em todas as bombas de concreto, adaptado com os transdutores de pressão5 (itens em vermelho) que fazem a leitura da pressão nas linhas do sistema que foram levantadas conforme resposta da pergunta numero um.
5
Figura 31 – Diagrama Hidráulico Bomba de Concreto Fonte: Autoria Própria
46
Os transdutores de pressão utilizados no projeto são da marca Telemecanique modelo XMLPBD400BD22, figura 32 e catalogo anexo E.
Figura 32 - Transdutor de Pressão Fonte: Schneider, (2015)
Os transdutores enviam um sinal elétrico referente à leitura de pressão nas linhas de pressão, conforme mostra a figura 31, para com um Comando Lógico Programável (CLP). Neste caso foi utilizado o CLP CR0403 (catálogo Anexo F) e para a interface optou-se pelo IHM CR1084 (catalogo anexo G).
Tanto os transdutores como o CLP e IHM são componentes já utilizados nas bombas de concreto da Convicta. Por serem itens já homologados pela empresa através de testes realizados, foram os escolhidos para comporem o módulo de teste.
7.4 INTERFACE E PROGRAMAÇÃO
O programa foi desenvolvido em linguagem de programação “texto estruturado” no software CODESYS. A visualização na interface é feita através de textos e imagens explicativas. Dessa forma um operador com mínimo de conhecimento técnico em hidráulica, pode operar o módulo de testes e realizar os testes e regulagens necessárias na bateria de bombeio do equipamento bomba de concreto, solução encontrada com base nas respostas das perguntas norteadoras dois e três.
No caso de erro no funcionamento, abre-se uma janela mostrando o possível problema e as possíveis soluções. Com o equipamento funcionando normalmente, a tela mostrará a animação da bateria de concreto em 3D ou a animação do diagrama hidráulico em funcionamento.
Foi realizada uma entrevista com 3 operadores que trabalham na montagem das bombas de concreto e com o engenheiro responsável pelo processo. Uma vez que a Convicta não possui um histórico de falhas na montagem final das bombas de concreto, baseado na experiência dos entrevistados, foi montado o quadro 2 que é o resultado da análise e adaptação das respostas das seguintes perguntas:
1. Quais são os problemas que mais frequentemente ocorrem na montagem final da bateria de concreto?
2. Relacionando com cada problema, quais seriam as possíveis causas? 3. Para cada causa, qual seria a possível solução.
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Quadro 2 - Problemas x Causas e Soluções Fonte: Autoria Própria
PROBLEMA
1 Elemento lógico (item 8a ou 8b) com
defeito 1
Acionar manualmente a válvula TN6 (item 6a), se assim funcionar, o defeito é
no elemento lógico. Verificar sujeira no corpo do elemento lógico, se não houver sujeira, providenciar a substituição.
2 Válvula de retenção (item 5a) com defeito 1 Substituição da válvula
3 Válvula TN16 (item 7a) com defeito 1 Abrir a válvula para verificar se o êmbolo esta travado por sujeira. Se estiver
danificado providenciar a substituição
1 Elemento lógico (item 8a ou 8b) com
defeito 1
Acionar manualmente a válvula TN6 (item 6b), se assim funcionar, o defeito é no elemento lógico. Verificar sujeira no corpo do elemento lógico, se não,
providenciar a substituição
2 Válvula reguladora de fluxo (item 4) com
defeito 1 Substituição da válvula
3 Válvula TN16 (item 7b) com defeito 1 Abrir a válvula para verificar se o êmbolo esta travado por sujeira. Se estiver
danificado providenciar a substituição
1 Grade do misturador aberta Fechar a grade do misturador
1 Verificar se o posicionamento da válvula elétrica (item 25) está próximo
suficiente do came (ref 3D) para ser acionada mecanicamente
2Verificar se o posicionamento do came (ref 3D) no eixo da grade do misturador
está correto para acionar o botão mecânico da válvula elétrica
3 Substituição da válvula elétrica fim de curso
1
Se apertar manualmente a válvula TN6 (item 6c) e o equipamento iniciar,
constata-se o defeito na válvula TN6 (item 6c). Abrir a válvula TN6 (item 6c) e verificar sujeiras, se não constatado, substituí-la.
2
Se apertar a válvula e o equipamento não funcionar, verificar o elemento lógico (item 1) e a válvula de alívio (item 3). Verificar sujeiras, se não houver,
substituir uma delas e testar para constatar qual dos itens está com defeito
1 Grade do misturador aberta 1 Fechar a grade do misturador
1 Verificar se o posicionamento da válvula está próximo suficiente do came (ref
3D) para ser acionada mecanicamente
2Verificar se o posicionamento do came (ref 3D) no eixo da grade do misturador
está correto para acionar o botão mecânico da válvula TN6 (item 10)
3 Bloco de comando (item 24) sem pressão 3
Plugar um manômetro no tomador de pressão do comando (item 18b) e verificar se tem pressão. Caso não tenha, verificar o motor hidráulico do
agitador
Tubo S lento 1
A válvula agulha de regulagem de fluxo (item 4) pode estar muito aberta, distribuindo mal o fluxo do óleo entre os
cilindros principais e de acionamento do tubo S
1 Fechar o registro (item 4) até que o acionamento do tubo S esteja a velocidade
desejada
Falta de sincronia entre os cilindros
principais
1 Vazamento interno nos cilindros por danos
aos reparos 1 Substituir os reparos dos cilindros
POSSIVEL CAUSA
Tubo S não troca
Tubo S troca mas não reverte o ciclo
do cilindro principal
Válvula TN6 de segurança (item 10) não aciona mecanicamente 2
O agitador não funciona
SOLUÇÃO
2 Válvula elétrica fim de curso (item 25) de
segurança não aciona mecanicamente.
Conjunto elemento lógico (itens 1, 3 e 6c) com defeito
O equipamento não inicia o ciclo
7.4.1 Programação
Utilizando-se uma sequência binária para representar os sinais emitidos pelos transdutores de pressão, desenvolveu-se a lógica de programação para o monitoramento do funcionamento da bateria de bombeio. O transdutor S0 indica que o bloco manifold possui pressão hidráulica, logo, a bomba hidráulica está em perfeito funcionamento juntamente com o bloco hidráulico responsável pela distribuição de pressão para o sistema. Os transdutores S1 e S2 monitoram a pressão hidráulica nos cilindros principais, uma vez que eles trabalham alternadamente, quando há pressão em um, o outro necessariamente deve estar sem pressão. O mesmo acontece com os transdutores S5 e S6, que monitoram os cilindros plungers, responsáveis pela troca do tubo ‘S’. A troca do tubo ‘S’ se dá a um sinal (linhas de pilotagem) emitido pelo final do curso do cilindro acionador onde se posicionam os transdutores S3 e S4. O que leva a outra definição, os dois sensores (S3 e S4) nunca devem atuar ao mesmo tempo e sempre que atuarem devem apenas pulsar um nível alto, já que são acionados apenas quando o cilindro principal se encontra em um dos finais de curso. Um transdutor esta posicionado após a alavanca que aciona o agitador. Esse sensor é o único que esta conectado com a bomba de engrenagem de 11cm³. Com a alavanca acionada, o sensor detectará pressão no sistema que será inconstante porque dependerá da resistência que o agitador estará enfrentando dentro da caçamba de acordo com a densidade do concreto. Mas que será sempre diferente de zero, por isso, se acionado a alavanca e o sensor não registrar nenhum sinal, existe um problema.
Figura 33 - Lógica de Funcionamento dos Transdutores Fonte: Autoria Própria
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
CICLO 1 (CURSO) 1 1 0 0 0 1 0 X
CICLO 2 (TROCA) 1 1 0 1(P) 0 1 0 X
CICLO 3 (CURSO) 1 0 1 0 0 0 1 X
50
7.4.2 Interface
A interface homem máquina (IHM) possui uma tela de 7” com nove botões pulsantes e um pulsante com rolagem.
O software desenvolvido para o monitoramento possui uma interação com o usuário simples e intuitiva. A tela inicial mostra o bombeio em tempo real e pode ser alternada com a animação do sistema hidráulico. O sistema hidráulico mostrado indica em linhas vermelhas linhas de pressão, linhas azuis linhas de retorno e amarelas linhas de pilotagem como mostra a imagem 37.
Abaixo da imagem do sistema hidráulico contém uma barra de monitoramento que mostra as pressões captadas em tempo real dos transdutores de pressão ligados ao sistema hidráulico. Logo ao lado e mais a direita é registrado a velocidade de bombeio em ciclos por minuto, que corresponde à quantidade de vezes que o cilindro completa um curso em um minuto. E na posição a direita a rotação do motor. Nas laterais existe a ilustração referente a cada botão da IHM.
Botões pulsantes Botões pulsantes Botão pulsante com rolagem Figura 34 - Interface Homem Maquina (IHM)
Figura 35 - Tela Inicial IHM Fonte: Autoria Própria Botões IHM Botões IHM Barra de monitoramento Velocidade do bombeio Rotação do motor
52
Figura 36 - Representação das Linhas de Pressão no Sistema Hidráulico Fonte: Autoria Própria
Todas as imagens da interface mostram cada botão da IHM. A programação e a interface foram feitas para demonstrar uma simulação de um. Abaixo se mostra o funcionamento de cada botão. Os botões posicionados no lado direito da IHM já estão programados para um teste real, sendo os botões do lado esquerdo apresentando funções que servem somente para a simulação.
Troca a visualização de bombeio para diagrama hidráulico;
Mostra o passo a passo da regulagem do equipamento;
Botão de informação. Mostra quais são os transdutores e onde estão posicionados;
Botão ajuda. Mostra os possíveis problemas, causas e soluções.
Simula um bombeio em pleno funcionamento;
Simula erros;
Zera o bombeio.
7.5 ROTEIRO DE REGULAGEM DA BOMBA DE CONCRETO PARA TESTE
Com a bateria de bombeio da bomba de concreto montada no módulo de testes, a mesma passa por uma regulagem conforme os passos que se seguem. O diagrama hidráulico a ser seguido para a regulagem é o apresentado na figura 31.
A regulagem necessária para o equipamento é feita em três pontos sequenciais. O primeiro é o conjunto de pressão no bloco manifold, (item 3) à 270bar. Em seguida a regulagem da válvula limitadora da bomba hidráulica, item 200, à 245bar e por fim, no comando do misturador, item 24, à 14bar.
54
Para se regular os três pontos mencionados acima é necessário gerar pressão no sistema. Para isso é preciso travar o ciclo para que o óleo do sistema seja descarregado para o tanque através das válvulas limitadoras que servem para proteção do sistema. Abaixo é apresentada a descrição dos passos.
1. Ligar o sistema em baixa rotação regulada pelo giro do motor e deixar trabalhar por pelo menos três ciclos para a eliminação de ar do sistema;
2. Desligar o motor e apertar os parafusos de regulagem ao máximo da válvula de alívio (item 3), da limitadora da bomba (item 200) e do comando do misturador (item 24) para liberar ao máximo a pressão de descarga de óleo;
3. Acionar manualmente a válvula TN6 (item 6a) e travar o acionamento. Isso fará com que o sistema trave no ponto de troca dos cilindros plunger, gerando pressão ao sistema;
4. Funcionar o equipamento ao giro do motor médio de 2200rpm (regulagem normal do giro do motor para o funcionamento da bomba de concreto);
5. Com o equipamento funcionando, abrir o parafuso de regulagem da válvula limitadora (item 3) até que o manômetro (item 22) indique 270bar. Então travar o parafuso de regulagem e soltar o acionamento da válvula TN6 (item 6a);
Observação: Ao funcionar o equipamento o manômetro deve estar indicando aproximadamente 320bar;
6. Deixar o equipamento funcionar por pelo menos 4 ciclos e travar novamente a válvula TN6 (item 6a);
7. Soltar o parafuso de regulagem da válvula limitadora da bomba hidráulica (item 200) até que o manômetro (item 22) indique 245bar. Então travar o parafuso de regulagem e soltar o acionamento da válvula TN6 (item 6a);
Observação: Nesse estágio da regulagem, o manômetro deve indicar inicialmente 270bar;
8. Deixar o equipamento funcionar por pelo menos 4 ciclos. Desligar o sistema e travar mecanicamente o tubo S;
9. Plugar um manômetro à tomada de pressão (item 18b), ligar o equipamento novamente e apertar o parafuso de regulagem da válvula limitadora do bloco de comando do misturador (item 24) até que o manômetro plugado indique 140bar.
Para que o teste se inicie, após todos os componentes (bateria de bombeio, bloco manifold e bombas hidráulicas) estarem devidamente fixados no módulo de testes, as linhas de pressão devem ser ligadas aos transdutores com mangueiras hidráulicas conforme sistema hidráulico figura 21. As figuras 38 a 44 mostram uma representação em 3D dos locais onde devem ser conectadas as mangueiras do bloco dos transdutores (figura 45) no equipamento.
Figura 37 - Indicação de Montagem S4 Fonte: Autoria Própria
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Figura 38 - Indicação de Montagem S1, S2 e S3 Fonte: Autoria Própria
Figura 39 - Indicação de Montagem S5 e S6 Fonte: Autoria Própria
Figura 40 - Indicação de Montagem S7 Fonte: Autoria Própria
Figura 41 - Indicação de Montagem S0 e S7 Fonte: Autoria Própria
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Figura 42 - Indicação de Montagem S1, S2, S5, S6 Fonte: Autoria Própria
Figura 43 - Indicação de Montagem S0, S3 e S4 Fonte: Autoria Própria
Figura 44 - Bloco de Transdutores de Pressão Fonte: Autoria Própria
Os transdutores de S0 à S7 serão responsáveis por monitorar as seguintes linhas de pressão:
S0 – Pressão no bloco manifold; S1 – Cilindro principal acionador; S2 – Cilindro principal acionado; S3 – Elemento lógico de troca 1; S4 – Elemento lógico de troca 2; S5 – Cilindro plunger 1;
S6 – Cilindro plunger 2; S7 – Agitador;
7.6 SIMULADOR
Foi desenvolvido um simulador para validar o funcionamento do programa e da interface do projeto, que posteriormente, com adequações ao programa, será inteiramente utilizado para o módulo de teste. A central de monitoramento (o CLP) deve receber as informações dos transdutores de pressão ligados ao sistema hidráulico da bateria de bombeio (como mencionado no capítulo 7.3.1). A diferença do programa desenvolvido para simulação é que foi criada uma lógica simulando os
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sinais da bateria de bombeio em quatro diferentes situações em paralelo ao programa de monitoramento. Uma com o funcionamento correto de bombeio/retorno e outras três situações com problemas em diferentes transdutores.
O simulador é composto pelo CLP e IHM (citados no capítulo 7.3.1) e por uma fonte 24V (catalogo anexo H) para alimentação dos mesmos. Essa fonte é utilizada em automação de centrais de concreto se adequa para a aplicação do simulador ór se tratar de uma fonte chaveada que transforma de 110V a 220V para ate 24V.
Os itens foram montados sobre uma base fabricada em chapas de aço 1020 com 1,9mm de espessura , projetadas de forma que o simulador seja leve e de fácil manuseio. A figura 45 mostra o projeto em 3D do simulador. O detalhamento 2D se encontra no Apêndice A.
Figura 45 – Projeto 3D do Simulador Fonte: Autoria Própria
Figura 46 – Simulador Montado Fonte: Autoria Própria
Cada botão do simulador foi identificado conforme sua função na simulação. Funções estas especificadas conforme numeração da imagem 47.
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Figura 47 – Botões do Simulador Fonte: Autoria Própria
1. Simulação da partida do bombeio;
2. Seleciona quando bombear ou retornar o concreto;
3. Controla a velocidade de bombeio/retorno de 0 a 24 batidas por minuto, cada “batida” corresponde a um curso do cilindro
4. Liga e desliga o giro do agitador.
Ao iniciar-se um bombeamento com a o botão 1 e em seguida o botão 2 do simulador, a IHM mostra ao usuário um bombeamento em pleno funcionamento (imagens mostradas na IHM estão no capítulo 7.4.2), mostrando hipoteticamente a leitura dos transdutores para um estado normal de funcionamento.
A simulação de um erro é feita pelo pressionamento de um dos botões da lateral esquerda da IHM.
7.7 ESTIMATIVO DE CUSTO PARA FABRICAÇÃO E MONTAGEM
A tabela abaixo apresenta o orçamento dos materiais para a fabricação do módulo de teste.
