Análise da confiabilidade do módulo de corte de um equipamento pneumático para poda de árvores

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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO

ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS

Curso de Pós Graduação Lato Sensu em Engenharia Industrial

FABIANO DO PRADO

ANÁLISE DA CONFIABILIDADE DO MÓDULO DE CORTE DE UM EQUIPAMENTO PNEUMÁTICO PARA PODA DE ÁRVORES

Panambi/RS 2014

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Monografia do Curso de Pós Graduação Lato Sensu em Engenharia Industrial apresentado como requisito parcial para obtenção de título de Especialista em Engenharia Industrial

Orientador: Antonio Carlos Valdiero

Panambi/RS 2014

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Monografia defendida e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora

Banca examinadora

________________________________________ Prof. Antonio Carlos Valdiero, Doutor - Orientador

________________________________________ Prof. Luiz Antonio Rasia, Doutor

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AGRADECIMENTOS

Agradeço a minha esposa Mariza e a meus filhos Pedro Henrique e Isabela, os quais me deram total apoio para a conclusão desta Pós Graduação e os quais eu privei da minha companhia para me dedicar aos estudos. Agradeço toda compreensão e carinho que me deram durante este tempo.

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RESUMO

Trata-se do estudo e da análise da confiabilidade do módulo de corte de um equipamento pneumático para poda de árvores. Como o tempo das pessoas para a realização de atividades está cada vez mais escasso, torna-se necessário o desenvolvimento, aperfeiçoamento e automatização de determinadas atividades a fim de ser possível maximizar a produtividade e a segurança do trabalho. Neste contexto está sendo desenvolvido um equipamento pneumático para a poda de árvores em linhas de energia elétrica com o apoio financeiro da Companhia Energética de Pernambuco (CELPE) no âmbito do Programa de P&D da ANEEL. Dentro deste desenvolvimento, uma ferramenta da metodologia utilizada neste projeto de pesquisa aplicada é a análise da confiabilidade, que aplicada ao equipamento pneumático de poda permite identificar os modos de falha, os possíveis efeitos destas falhas e a probabilidade de ocorrência. Consequentemente é possível conceber estratégias para melhorias a fim de tornar o mesmo mais robusto, com menos problemas durante a utilização e baixo índice de manutenção. A confiabilidade é fundamentada na teoria da probabilidade, na definição de desempenho funcional satisfatório, no intervalo de tempo e nas condições de operação, com a realização de testes práticos e o cálculo e estimativa dos parâmetros da confiabilidade do dispositivo. Neste contexto, este trabalho apresentará os passos utilizados para a análise da confiabilidade do equipamento pneumático para a poda de árvores.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Porcentagem de resíduos de poda por classe diamétrica. ... 13 Figura 2 – Exemplo de situação comum na atividade de poda manual realizada de forma

inadequada. ... 14 Figura 3 – Principais podadores de galhos disponíveis no mercado: (a) Tramontina, (b)

Husqvarna (tipo motoserra), (c) FELCO (elétrica ou pneumática). ... 14 Figura 4 – Testes gerais em campo do protótipo da solução mecanizada para a poda de

árvores (junho/2013, Recife/PE). ... 15 Figura 5- Curvas de taxa de falha ... 17 Figura 6- Curva de confiabilidade para distribuição exponencial ... 19 Figura 7- Representação da linha do tempo de um equipamento qualquer para definição de

MTBF ... 19 Figura 8 – Desenho esquemático do mecanismo da tesoura utilizada no módulo de corte. .... 21 Figura 9 – Gráfico da força de corte em função do ângulo da faca de corte. ... 22 Figura 10 – Processo de desenvolvimento de produto: etapas da metodologia de Pesquisa

Aplicada e os tipos de Testes do Protótipo da Solução Mecanizada. ... 25 Figura 11 – Bancada de Testes do Protótipo do módulo de poda (corte de galhos) da Solução

Mecanizada. ... 26 Figura 12 – Testes específicos do módulo de corte do protótipo da solução mecanizada para a

poda de árvores. ... 27 Figura 13 – Desenho esquemático dos diferentes módulos funcionais da solução mecanizada e

suas interações, incluindo-se o eletroarborista, as árvores e as linhas energizadas. ... 30 Figura 14 – Vista em perspectiva do equipamento pneumático de poda e seus principais

módulos. ... 32 Figura 15 – Vista lateral do equipamento com a especificação técnica do alcance e a área

hachurada do espaço de trabalho ... 33 Figura 16- Árvore resumida do equipamento de poda ... 34 Figura 17- Perspectiva do módulo de corte com a visualização dos elementos internos ... 35 Figura 18- Vista lateral do módulo de corte rupturado e com destaque para o mecanismo de

corte aberto ... 36 Figura 19- Árvore geral do produto do módulo de corte ... 37 Figura 20- Árvore do produto detalhada do Mecanismo de corte ... 37

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Figura 21- Árvore do produto detalhada do Acionamento de corte ... 38

Figura 22- Caixa de descrição utilizada na árvore do produto ... 38

Figura 23- Módulo de corte 1 fixado na bancada para o teste ... 42

Figura 24- Detalhe da região onde o corte “mascou” ... 43

Figura 25- Detalhe da região quebrada da navalha ... 43

Figura 26- Navalhas com o fio de corte desgastado ... 44

Figura 27- Gráfico dos tempos de cada falha do módulo original ... 44

Figura 28- Diâmetro dos galhos cortados ... 45

Figura 29- Gráfico das pressões de suprimento e em cada câmara durante o teste ... 46

Figura 30- Sinal de comando enviado para a válvula solenoide durante o teste ... 47

Figura 31- Força pneumática do módulo de corte ... 48

Figura 32- Módulo de corte fixado sobre uma mesa para o teste ... 50

Figura 33- Gráfico dos tempos de cada falha do módulo 2 ... 50

Figura 34- Gráficos da pressão do sistema durante os 8 testes ... 51

Figura 35- Gráfico das pressões durante o momento da queda de pressão ... 52

Figura 36- Força pneumática medida nos testes do 2º. Protótipo. ... 54

Figura 37- Protótipo 3 do Módulo de corte 3 ... 55

Figura 38- Detalhe da haste fixadora torcida... 56

Figura 39- Gráfico da força pneumática no protótipo no. 3. ... 57

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Parâmetros de medição da confiabilidade ... 17

Tabela 2 – Força de corte estimada em função dos diferentes diâmetros de galhos e de classes de resistência das madeiras duras. ... 20

Tabela 3 – Força pneumáticas e de atrito e estimadas para o módulo de corte. ... 22

Tabela 4- Definição dos parâmetros de desempenho requerido do equipamento ... 40

Tabela 5- Modos de falha e efeito do módulo de corte ... 41

Tabela 6- Tabela de resultados do módulo 1 ... 48

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LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS

ANEEL – Agência Naconal de Energia Elétricas CELPE – Companhia Energética de Pernambuco

FIDENE - Fundação de Integração, Desenvolvimento e Educação no Noroeste do Estado do Rio Grade do Sul

P&D– Pesquisa e Desenvolvimento

MTBF – Mean Time Between Failure (tempo médio entre falhas) GPDP – Gerenciamento de Projetos e Desenvolvimento de Produtos

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ... 11

1 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO ... 12

1.1INTRODUÇÃO ... 12

1.2CARACTERIZAÇÃODAATIVIDADEDEPODADEÁRVORES ... 12

1.3CONCEITODECONFIABILIDADE ... 15

1.4CÁLCULODEMEDIÇÃODACONFIABILIDADE ... 16

1.5CÁLCULODACAPACIDADEDECORTE ... 20

3 MATERIAL E MÉTODOS ... 24

3.2DESCRIÇÃODABANCADAEXPERIMENTALDETESTES ... 26

3.3PLANEJAMENTODOSTESTES ... 27

4 DESCRIÇÃO DO MÓDULO DE CORTE DO EQUIPAMENTO PNEUMÁTICO DE PODA ... 29

4.2VISÃOGLOBALDOEQUIPAMENTOPNEUMÁTICODEPODA ... 29

4.3ÁRVOREDOPRODUTODOEQUIPAMENTOPNEUMÁTICODEPODA ... 33

4.4MÓDULODECORTE ... 34

5 RESULTADOS ... 40

5.1DEFINIÇÃODODESEMPENHOFUNCIONALSATISFATÓRIOEDASCONDIÇÕESDE OPERAÇÃO ... 40

5.2ANÁLISEDOSMODOSDEFALHAEEFEITODOMÓDULODECORTE ... 40

5.3TESTESDOSPROTÓTIPOSDOMÓDULODECORTE ... 42

5.3.1 Protótipo 1 ... 42

5.3.2. Protótipo 2 ... 48

5.3.3. Protótipo 3 ... 55

5.3.4 Alterações para aumentar a Confiabilidade ... 58

CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS ... 60

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INTRODUÇÃO

Trata-se do estudo e da análise da confiabilidade do módulo de corte de um equipamento pneumático para poda de árvores. O mundo moderno necessita cada vez mais de equipamentos tecnológicos para facilitar as atividades do dia a dia. As pessoas estão com seu tempo cada vez mais escasso devido às inúmeras atividades que necessitam realizar, como por exemplo, trabalho, atividades físicas, viagens, trabalhos domésticos, etc.

Esta necessidade de equipamentos que facilitem a vida e, principalmente, o trabalho, exige que os projetistas se qualifiquem e fiquem atentos as novas tecnologias que são desenvolvidas todos os dias. Outro detalhe muito importante é que estes equipamentos devem ser os mais confiáveis e robustos possíveis e de baixa manutenção, evitando desperdício de tempo e gastos desnecessários.

Com a crescente urbanização das cidades, existe uma queda de braços entre urbanização e arborização, e, com isto, deve-se dar uma atenção especial para o plantio e para a poda das árvores. Na atividade da poda de árvores em redes de energia elétrica energizadas, atualmente os eletro-arboristas utilizam uma taquara com um podão na extremidade que é acionado por meio de uma corda. Desta forma o trabalho é artesanal, demorado e de baixo rendimento, além disso, causa um desconforto físico e não é ergonômico.

Fazendo-se uma pesquisa para soluções já existentes, não foram encontrados equipamentos para tal atividade que utilizem a pneumática como meio de potência.

Visando a automatização do processo de poda, aumento da eficiência e produtividade da atividade, foi desenvolvido um equipamento pneumático por meio de um projeto de P&D financiado pela empresa Celpe (Companhia de Energia de Pernambuco) no âmbito do Programa de P&D da ANEEL (código ANEEL PD-0043-0311/2011) e executado pela Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul- Unijuí.

Neste trabalho é realizada a análise da confiabilidade deste equipamento pneumático utilizando a metodologia de Confiabilidade, técnica esta utilizada em larga escala no desenvolvimento de novos produtos. Esta técnica é utilizada basicamente para aperfeiçoar e tornar um produto/projeto viável dentro dos requerimentos estipulados para tal. Será analisado o módulo de corte do equipamento.

No trabalho será apresentado um referencial bibliográfico onde serão explanadas sobre os conceitos de poda, ferramentas existentes, conceitos de confiabilidade, metodologia de cálculo, apresenta-se uma breve explicação sobre a metodologia de projeto e serão mostradas a metodologia de testes e seus resultados.

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1 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO

1.1 INTRODUÇÃO

Neste capítulo serão apresentados os conceitos de poda, ferramentas existentes, conceitos de confiabilidade, metodologia de cálculo para criar uma base de informações para entendimento do restante das atividades que serão apresentadas nos próximos capítulos.

1.2 CARACTERIZAÇÃO DA ATIVIDADE DE PODA DE ÁRVORES

A poda é uma atividade que visa conferir a uma árvore uma forma adequada durante o seu desenvolvimento (poda de formação); eliminar ramos mortos, danificados ou praguejados (poda de limpeza); remover partes que colocam em risco a segurança das pessoas (poda de emergência); e remover partes da árvore que interferem ou causam danos incontornáveis às edificações ou aos equipamentos urbanos (poda de adequação). Cada tipo de poda é feita de acordo com o seu propósito (GILMAN e LILLY, 2008):

a. A poda de formação é empregada para substituir os mecanismos naturais que inibem as brotações laterais e para conferir à árvore crescimento ereto e à copa altura que lhe permita o livre trânsito de pedestres de veículos;

b. A poda de limpeza é empregada para evitar que a queda de ramos mortos coloque em risco a integridade física das pessoas e do patrimônio público e particular, bem como para impedir o emprego de agrotóxicos no meio urbano e evitar que a permanência de ramos danificados comprometa o desenvolvimento sadio das árvores;

c. A poda de emergência, a mais traumática para a árvore e para a vida urbana, é empregada para remover partes da árvore que colocam em risco a integridade física das pessoas e do patrimônio público e particular;

d. A poda de adequação é empregada para solucionar ou amenizar conflitos entre equipamentos urbanos e a arborização. É motivada pela escolha inadequada da espécie, pela não realização da poda de formação e, principalmente por alterações do uso do solo e do espaço aéreo.

Para ter uma visão da distribuição estatística dos diâmetros dos galhos a serem podados, tomaram-se em consideração os resultados da pesquisa de doutorado de Meira (2010) que tratou da gestão de resíduos da arborização urbana com o acompanhamento da

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poda de dez espécies de maior frequência, tais resíduos foram agrupados conforme a classe diamétrica dos galhos podados. Os resultados de Meira (2010) são mostrados na Figura 1 e indicaram que 69% dos resíduos da poda são compostos por ramos e galhos finos de até 8 cm de diâmetro.

Figura 1 – Porcentagem de resíduos de poda por classe diamétrica.

Fonte: Meira (2010)

Atualmente, no setor elétrico brasileiro, as operações de poda de árvores destinadas a garantir a integridade dos condutores e demais partes energizadas das redes aéreas de distribuição de energia elétrica é realizada de forma manual, utilizando-se de uma diversidade de modelos de facões, serras, tesouras e podões de jardinagem ou manejo agrícola/florestal com acionamento manual, além de motoserras e motopodas acionadas por motores de combustão, ambas ferramentas desprovidas de características ergonômicas, de segurança e de produção, que atendam plenamente as peculiaridades e requisitos demandados pelas concessionárias. A Figura 2 ilustra uma situação comum na atividade de poda manual realizada de forma inadequada.

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Figura 2 – Exemplo de situação comum na atividade de poda manual realizada de forma

inadequada.

Fonte: CELPE.

Os equipamentos manuais, elétricos e pneumáticos disponíveis no mercado não atendem a estes requisitos de desempenho e não são ergonômicos. A Figura 3 ilustra os principais podadores de galhos disponíveis no mercado.

Figura 3 – Principais podadores de galhos disponíveis no mercado: (a) Tramontina, (b) Husqvarna (tipo motoserra), (c) FELCO (elétrica ou pneumática).

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No caso do equipamento da poda, o mesmo foi desenvolvido para ser utilizado, principalmente, na poda de adequação devido aos conflitos estabelecidos pela instalação de redes aéreas de eletricidade e escolha errada da espécie de árvore plantada. Para esta utilização, o equipamento necessita ser confiável para suportar o trabalho com o menor índice de manutenção e maior eficiência possível. Na Figura 4 se pode ver os testes em campo do equipamento de poda.

Figura 4 – Testes gerais em campo do protótipo da solução mecanizada para a poda de árvores (junho/2013, Recife/PE).

Fonte: Valdiero (2012)

1.3 CONCEITO DE CONFIABILIDADE

A confiabilidade é um dos principais atributos de sistemas técnicos complexos e competitivos, com grande quantidade de componentes, tais como, carros, aviões, instrumentos de medição, etc. Pode ser definida como a probabilidade de um sistema ou produto desempenhar sua função de maneira satisfatória, dentro de um intervalo de tempo e operando conforme certas condições (BLANCHARD e FABRYCKI, 1997). Esta definição está fundamentada em quatro aspectos principais:

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a- Probabilidade: está relacionado a uma fração ou percentual especificando o número de vezes que o sistema opera. Pode ser esperado que falhas ocorram em diferentes pontos de tempo.

b- Desempenho satisfatório: indica que se deve estabelecer um critério que descreve o que é satisfatório no produto.

c- Tempo: representa a medida durante a qual o sistema deve operar segundo os critérios especificados. Este período deve ser conhecido para avaliar a probabilidade do desempenho da função do equipamento.

d- Condições de operação: devem ser definidas/relatadas as condições de operação do equipamento como, temperatura, vibração, umidade, choques, localização geográfica.

Como medidas de confiabilidade destacam-se a função de distribuição da confiabilidade ao longo do tempo, taxa média de falhas e o tempo médio entre falhas. Para se conseguir a otimização da confiabilidade de um projeto, recomenda-se adotar os seguintes princípios de projeto:

a- Simplificar o projeto ao máximo sem prejudicar o desempenho da função; b- Melhorar a confiabilidade individual dos componentes;

c- Adotar, quando possível, componentes padronizados com confiabilidade comprovada;

d- Projetar o produto com redundâncias, o que faz o produto continuar em funcionamento caso um componente primário falhar;

e- Reduzir a taxa de utilização de componentes críticos;

f- Adotar ações para reduzir os efeitos negativos ao meio ambiente no qual o produto irá operar.

1.4 CÁLCULO DE MEDIÇÃO DA CONFIABILIDADE

Todo e qualquer sistema ou produto, no seu ciclo de vida segue o comportamento conforme a “curva da banheira”. No início (1) de seu uso a taxa de falha é mais elevada resultado de variações de componentes e erros de montagem, processo de manufatura ou todos os citados. Depois de um tempo em que o sistema está operando, ele entra na região de taxa de falha constante (2) onde a probabilidade de falhas é menor, até atingir uma determinada idade, período este em que a taxa de falha aumenta novamente (3). Na Figura 5 podem ser vistas as curvas de taxa de falha típicas baseadas em taxas de falha dependentes do tempo .

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Figura 5- Curvas de taxa de falha

Fonte: BLANCHARD e FABRYCKI (1997)

Para ser possível fazer a análise do comportamento do equipamento pneumático de poda é preciso definir os parâmetros de medição de confiabilidade. Estes parâmetros devem ser verificados por um determinado período sendo possível mensurar a confiabilidade com maior precisão. No caso do equipamento pneumático desenvolvido os parâmetros de medição da confiabilidade são mostrados na Tabela 1.

Tabela 1- Parâmetros de medição da confiabilidade

PARÂMETRO VALOR COMENTÁRIO

Quantidade de cortes antes da falha

1645 1 corte a cada 7 segundos durante 4 horas, eficiência 80%

Quantidade de ciclos abre-fecha

72406 3291/dia x 22 dias

Confiabilidade 70% num intervalo de 4 horas

Pressão do sistema 7 bar

Diâmetro dos galhos Máximo 20 mm

A avaliação da confiabilidade de qualquer produto ou sistema está baseada na definição da concepção e em medidas. O resultado destas medições é calculado através da “Função de Sobrevivência”.

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Esta função é determinada da probabilidade que um sistema terá sucesso por um período de tempo:

( ) ( ) (1)

onde:

R(t) é o valor da confiabilidade (adimensional, assume valores entre 0 e 1 ou 0% e 100%), F(t) é a função Probabilidade de falha no tempo.

Esta medição, em um intervalo de tempo, deve ser calculada através da função:

( ) ∫ ( ) (2)

onde:

( ) é a função de densidade

A taxa de falha de um produto ou sistema é a taxa em que falhas podem ocorrer em um especificado intervalo de tempo e, pode ser calculada através da equação 3, seguindo a curva de confiabilidade para distribuição exponencial mostrada na Figura 6.

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Assim, fazendo-se a resolução da equação 1, chega-se a equação 4 como sendo a equação para calcular a confiabilidade de um produto.

( ) ⁄ ₍₄₎

onde:

λ= taxa instantânea de falha M= MTBF

t= tempo

Diante destas considerações pode-se mostrar a curva de confiabilidade para a distribuição exponencial de acordo com a Figura 6.

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Figura 6- Curva de confiabilidade para distribuição exponencial

Fonte: BLANCHARD e FABRYCKI (1997)

MTBF é uma designação para Mean Time Between Failures, e é uma medida comumente utilizada para estimar a confiabilidade. Ela pode ser expressa em número de horas ou percentual de falhas/1000 horas. Deve ser considerado reparar o dispositivo e coloca-lo em condições normais de uso.

O tempo médio entre falhas (MTBF) é o tempo médio esperado entre as falhas de um item. Esquematicamente o MTBF pode ser descrito conforme ilustra a Figura 7:

Figura 7- Representação da linha do tempo de um equipamento qualquer para definição de

MTBF

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onde:

é o tempo em que a falha ocorreu

é o tempo em que a manutenção é efetuada tm1/tm2 é o tempo efetivo de manutenção

Deste modo o cálculo do MTBF pode ser dado por: Tempo entre o início e o 1° defeito (Δd1)= 6h

Tempo entre a 1° e a 2° defeito (Δd2)= 32h – 6,5h = 25,5h Tempo entre a 2° a 3° defeito (Δd3)= 48h – 33h = 15h

Para calcular o MTBF de qualquer sistema utiliza-se a Equação 5.

MTBF= (Δd1 + Δd2 + Δd3)/n° defeitos (5)

MTBF= (6 + 25,5 + 15) /3 = 46,5/3

MTBF= 15,5h

1.5 CÁLCULO DA CAPACIDADE DE CORTE

O cálculo da força de corte (esforço de cisalhamento nas lâminas do módulo de corte), estimada para a poda de galhos, resulta nos valores apresentados na Tabela 2 em função de diferentes classes de resistência da madeira e para os diferentes diâmetros considerados para as seções transversais de corte.

Tabela 2 – Força de corte estimada em função dos diferentes diâmetros de galhos e de

classes de resistência das madeiras duras.

Diâmetro do galho

Força de corte estimada Fcorte(N) em função da classe de resistência para valores característicos

adotados para a tensão média de resistência ao cisalhamento

(cm) C 20 C 30 C 40 C 60 1 314 393 471 628 1,5 707 884 1060 1410 2 1260 1570 1880 2510 2,5 1960 2450 2950 3930 3 2830 3530 4240 5650 3,5 3850 4810 5770 7700

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21

5 7850 9820 11800 15700

8 20100 25100 30200 40200

10 31400 39300 47100 62800

Estes valores serão utilizados como base para o cálculo e a análise dos componentes do módulo de corte. Note que a força de corte é diretamente proporcional ao quadrado do diâmetro da seção de corte, resultando num aumento consideravelmente grande da força de corte a medida que o diâmetro cresce. Estes dados teóricos relativos aos valores estimados para a força de corte serão validados experimentalmente em laboratório na Etapa de Testes e modificações do protótipo.

A partir das estimativas dos valores da força de corte necessários para a poda de galhos, pode-se calcular as forças nos diversos elementos mecânicos dos dispositivos e analisar as medidas e ângulos mais adequados, assim como realizar o cálculo da força de acionamento pneumática, Fp , do módulo de corte de acordo com a Tabela 3. A Figura 8 ilustra o desenho esquemático do mecanismo da tesoura com a representação dos principais parâmetros geométricos que caracterizam as relações de transmissão dos movimentos e das forças atuantes.

Figura 8 – Desenho esquemático do mecanismo da tesoura utilizada no módulo de corte.

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Tabela 3 – Força pneumáticas e de atrito e estimadas para o módulo de corte.

Fp

Força pneumática de acionamento da haste resultante da diferença de pressões do ar nas câmaras e das áreas das

seções transversais do cilindro

1000 N Estimada experimentalmente

por medições

Fatr

Força de atrito contrária ao movimento de acionamento da haste do atuador pneumático

600 N Estimada experimentalmente

por medições

A Figura 9 mostra o gráfico do comportamento da força de corte e da força de acionamento da faca (produzida a partir de uma dada força pneumática máxima definida) em função do ângulo da faca de corte.

Figura 9 – Gráfico da força de corte em função do ângulo da faca de corte.

Utilizando-se de dados geométricos e experimentais de um pré-protótipo (ou seja do modelo icônico tridimensional do módulo de corte da solução mecanizada e portátil para a atividade de poda nas linhas de transmissão de energia elétrica), foi possível apresentar resultados de análise da força de corte em função dos parâmetros. Algumas características e aspectos da análise deste modelo podem ser discutidos com o objetivo de maximizar a capacidade da força de corte do protótipo com perspectivas para melhoria do desempenho, as quais vale a pena destacar: (a) a importância da escolha adequada da faixa de variação do

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 0 200 400 600 800 1000 1200 alfa2 (graus) fo rç a ( N ) Força de Corte

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ângulo 2_{verificada pelos cálculos e análises resultantes; (b) a necessidade de uma solução}

de compromisso entre a folga interna entre o êmbolo e o cilindro e os vazamentos internos, permitindo o adequado amortecimento do sistema sem uma perda significativa de potência pneumática; (c) a necessidade de uma solução de compromisso para o projeto das vedações entre o cilindro e a haste do atuador pneumático, permitindo a diminuição de vazamentos externos de ar comprimido e ao mesmo tempo a redução da força de atrito; e (d) a definição adequada do diâmetro das câmaras do cilindro e sua pressão de carga de forma a se obter as forças de corte necessárias para a realização da poda.

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3 MATERIAL E MÉTODOS

3.1 INTRODUÇÃO

Esta monografia faz parte das atividades do projeto de P&D na fase de Pesquisa Aplicada, onde se utiliza de metodologias de Gerenciamento de Projetos e Desenvolvimento de Produtos (GPDP), conforme proposto nas melhores literaturas científicas da área (PROJECT MANAGEMENT INSTITUTE, 2009; SYAN e MENON, 1994; BACK et. al, 2008; BLANCHARD e FABRYCKY, 1990; BRALLA, 1999; VALDIERO, 1997; CSILLAG, 1991; PAHL e BEITZ, 1988). A metodologia adotada para execução do projeto compõe-se da definição da estratégia competitiva (foco, produto e campo) com alinhamento e sinergia do parceiro apoiador, Companhia Energética de Pernambuco (Celpe) no âmbito do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico do Setor de Energia Elétrica regulado pela Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL, da sistematização das etapas de desenvolvimento científico-tecnológico, do uso de infraestrutura laboratorial (equipamentos, softwares e instrumentação) num espaço físico adequado (foi criado um novo laboratório de pesquisa, chamado de NIMeP_Núcleo de Inovação e Mecanização da Poda) e de recursos humanos qualificados (pesquisadores doutores, mestres e especialistas, além de auxiliares) em uma instalação predial adequada e segura na UNIJUÍ Câmpus Panambi (Câmpus Temático Metal Mecânico), mantida pela Fundação de Integração, Desenvolvimento e Educação no Noroeste do Estado do Rio Grade do Sul – FIDENE.

A Figura 10 apresenta uma ilustração das principais etapas desta metodologia de projeto de P&D, com enfoque na etapa de Testes e modificações do Protótipo da Solução

Mecanizada. Uma visão sistemática do planejamento de testes de produtos industriais é

apresentada por BACK e LEAL (1991), com a discussão dos diversos tipos de testes aplicados ao longo de todas as fases do ciclo de vida do produto, sendo que cada fase exige um tipo de teste apropriado. Nas primeiras etapas de pesquisa e desenvolvimento de um produto ou equipamento, os testes envolvem modelos analíticos, simulação, análise, modelos icônicos e analógicos, e são um modo econômico e rápido de se avaliar e prever problemas futuros. Quando já se tem um protótipo similar ao produto, mas não totalmente qualificado, pode-se fazer demonstrações formais e verificações das características de funcionamento. Outros testes podem ser feitos em fases mais avançadas do desenvolvimento do produto, com os objetivos de validação do produto, obtenção de informações para melhoramentos e até a coleta de dados sobre reciclagem.

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Figura 10 – Processo de desenvolvimento de produto: etapas da metodologia de

Pesquisa Aplicada e os tipos de Testes do Protótipo da Solução Mecanizada.

Conforme ilustrado na Figura 10, os testes podem ser classificados em diferentes tipos de acordo com a etapa do processo de desenvolvimento do Projeto de P&D. O teste tipo I ocorre durante as três primeiras Etapas (Análise das Necessidades, Projeto Conceitual e Projeto Preliminar) e são usados modelos analíticos e computacionais, os quais permitem otimizar e prever as faixas de desempenho adequado sem custos de alteração dos protótipos. O teste tipo II, também usado nas três primeiras Etapas, compreende os modelos icônicos (com a função principal de avaliação da aparência e ergonomia) e os analógicos (com a função de prever e avaliar o funcionamento). Os testes do tipo I e II foram utilizados nos subprodutos relacionados às Etapas 1, 2 e 3 do Projeto de P&D.

O teste tipo III é utilizado na fase final do projeto detalhado e na fase de fabricação do protótipo dos módulos, onde é possível realizar testes experimentais e demonstrações formais num protótipo similar ao equipamento de poda, mas não totalmente qualificado neste ponto do desenvolvimento. Um planejamento de testes tipo III do protótipo pode constituir-se numa série de testes individuais que visam avaliar os seguintes aspectos principais: o desempenho das funções para as quais foi projetado; os impactos do meio ambiente, onde são medidos os efeitos causados por agentes como temperatura, vibrações e choques, umidade, fluidos, ventos, substancias abrasivas, entre outros efeitos; e a confiabilidade, onde podem ser

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medidos o tempo médio entre falhas, tempo médio entre manutenções, vida de componentes críticos, degradações e modos de falhas.

3.2 DESCRIÇÃO DA BANCADA EXPERIMENTAL DE TESTES

Para a realização dos testes do módulo de corte, montou-se uma bancada experimental com os equipamentos necessários para a coleta dos dados. Na bancada foram montados os sensores de pressão Festo, responsáveis pela medição das pressões de suprimento (ps.), pressão nas câmaras A e B do cilindro (pa e pb) Um sistema de aquisição de sinais e controle (dSpace) também está ligado à bancada, além de uma válvula solenoide responsável pelo direcionamento do ar para cada câmara do cilindro de corte. Na estrada da bancada de testes foi instalada uma Unidade de preparação do ar para garantir que não haja impurezas no ar que poderá contaminar o sistema e prejudicar seu desempenho.

A Figura 11 mostra as fotografias da bancada e da instrumentação utilizada para os testes do módulo de poda.

Figura 11 – Bancada de Testes do Protótipo do módulo de poda (corte de galhos) da Solução

Mecanizada.

(27)

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Após os testes de funcionamento do protótipo, foram realizados testes específicos do módulo de corte em ciclos de funcionamento para análise das navalhas e demais componentes críticos (hastes de acionamento, barras do mecanismo, vedações dinâmicas, etc.), conforme ilustra a Figura 12.

Figura 12 – Testes específicos do módulo de corte do protótipo da solução mecanizada para a

poda de árvores.

3.3 PLANEJAMENTO DOS TESTES

Neste capítulo será apresentado o planejamento dos testes com o módulo de corte, o objetivo, procedimento e as condições em que foram realizados os testes.

O objetivo dos testes é coletar o maior número de valores das variáveis a serem controladas, afim de se obter o valor da confiabilidade do módulo de corte.

O procedimento adotado nos testes foi, ligar o módulo de aquisição de sinais e a pressão de rede do sistema. Foi desenvolvida uma programação sequencial para a realização do corte, e a alimentação dos galhos é manual.

A programação sequencial de corte do cilindro considerada é: em 0s o módulo está aberto, em 3s continua aberto, em 3s o módulo corta, em 5s o módulo continua fechado, em 5s o módulo abre, em 7s o módulo continua fechado. Isto é, de 0 a 3s o módulo está aberto,

(28)

28

após 3s o módulo corta e fica fechado por 2s, após isto ele abre e permanece aberto mais 2s, totalizando um ciclo de 7s.

As variáveis medidas nos testes são:  Sinal de comando (U);

 Pressão na câmara a (pa);  Pressão na câmara b (pb) ;  Pressão de suprimento (ps);  Força de corte (fp).

Os testes foram realizados durante vários dias, alguns dias deixou-se o módulo de corte cortando durante 1 hora, outros dias foram 2 horas. Também se realizaram testes de cortes em campo, simulando a condição real de trabalho. Não se realizaram testes cortando 4 horas sem parada ou simulando um dia de trabalho.

(29)

29

4 DESCRIÇÃO DO MÓDULO DE CORTE DO EQUIPAMENTO PNEUMÁTICO DE PODA

4.1 INTRODUÇÃO

Neste capítulo será apresentada uma visão geral do equipamento de poda para o leitor ter uma noção do que se trata. Após esta primeira visão, será apresentado detalhadamente o módulo de corte do módulo de corte do equipamento pneumático de poda para que se possa entender o funcionamento, os modos de falha e efeito e fazer as conclusões finais após a realização dos testes.

4.2 VISÃO GLOBAL DO EQUIPAMENTO PNEUMÁTICO DE PODA

O dispositivo para a poda de árvores é um equipamento de conceito inovador que foi desenvolvido visando à melhoria do trabalho da poda de árvores que estão entre as redes de alta tensão. O dispositivo é leve, de fácil manuseio e constituído por vários módulos:

a- Módulo de corte. b- Módulo de posicionamento. c- Módulo de Geo-gerenciamento. d- Módulo de potência. e- Módulo estrutural. f- Módulo de segurança.

Será analisada a confiabilidade do módulo de corte do equipamento pneumático de poda.

A Figura 13 mostra um esquema dos diferentes módulos e as interações entre eles, o eletroarborista, as árvores, os galhos cortados e as linhas aéreas energizadas.

Vale a pena traçar alguns comentários sobre os módulos mais comuns. O módulo estrutural é responsável pela sustentação estrutural para os outros módulos e permitir uma interface adequada com o eletroarborista. O módulo de potência tem a finalidade de proporcionar a energia adequada para os módulos que possuem acionamento com força/torque necessários. O módulo de comando controla as tarefas executadas pelo equipamento e serve de interface com o operador.

A modularidade é de grande importância no processo de desenvolvimento de um produto, constituindo-se numa estratégia para construir produtos complexos a partir de pequenos subsistemas que podem ser desenvolvidos individualmente, mas que funcionam como um conjunto integrado. A modularidade é caracterizada pela sua arquitetura (que

(30)

30

especifica os módulos do sistema e suas funções), por interfaces (que descrevem em detalhes a interação entre os módulos, sua conexão e comunicação) e por padrões de verificação (para medição do desempenho).

Figura 13 – Desenho esquemático dos diferentes módulos funcionais da solução mecanizada

e suas interações, incluindo-se o eletroarborista, as árvores e as linhas energizadas.

A modularidade permite que se tenha uma gama variada de soluções para mecanização da poda, com respostas rápidas às mudanças de desejo e necessidades do cliente/arborista. Com estrutura modular de produto, tem-se maior liberdade para projetar cada um dos módulos, sem dependência direta das etapas de projeto. Devido a esta independência, aumenta-se a intensidade de inovações no projeto, pois se pode criar e testar diferentes soluções dentro de seus próprios módulos, devendo respeitar somente os padrões e as interfaces normatizadas do sistema. Outro reflexo imediato é o alcance mais rápido de soluções melhoradas, pois os problemas são resolvidos de forma pontual e com maior facilidade.

(31)

31

O equipamento pneumático para poda de árvores (patente de pedido de invenção no INPI no dia 31/7/2013 sob o protocolo de registro BR1020130194700) compreende sete módulos funcionais (de posicionamento e localização da ferramenta, de corte, de geogerenciamento, de comando, estrutural, de potência e de segurança), e é formado a partir de uma arquitetura versátil e por interfaces padronizadas que permitem a interação entre os módulos, sua conexão e comunicação, caracterizado por um perfil principal tubular metálico, preferencialmente de alumínio revestido com material polimérico isolante, que permite o apoio no chão em um suporte regulável a fixação num colete do operador enquanto portátil, mas que também pode ser disposto e facilmente adaptado numa estrutura móvel ou fixa, de um veículo ou base, eliminando nesta ultima forma todo o esforço físico do operador.

A Figura 14 mostra uma vista em perspectiva do equipamento e seus principais módulos. O “equipamento pneumático para poda de árvores” é compreendido por um módulo de posicionamento e orientação (1), confeccionado preferencialmente em peças de nylon e tubos de alumínio revestidos de polímero com isolamento elétrico na superfície externa (7), formando um corpo tubular na versão haste fixa, ou na forma de um cilindro pneumático diferencial de dupla ação na versão haste telescópica, onde a haste móvel (8) pode ser protegida com uma sanfona isolante (5), e em cuja extremidade é acoplada o módulo de corte (2) por meio de uma interface por flange padrão ISO, que permite maior versatilidade na montagem de outras ferramentas para trabalho próximo às linhas de transmissão de energia elétrica de acordo com a necessidade da tarefa de poda ou manutenção, sendo manuseados e operados pelo trabalhador por meio do módulo de comando e geogerenciamento (3), ambos conectados ao módulo de potência (4) por meio de mangueiras e cabos inseridos numa mangueira corrugada de proteção (6).

(32)

32

Figura 14 – Vista em perspectiva do equipamento pneumático de poda e seus principais

módulos.

(33)

33

A Figura 15 mostra uma vista lateral do equipamento com a especificação técnica do alcance e a área hachurada do espaço de trabalho, onde o módulo de posicionamento e orientação (1) permite o alcance dos galhos pelo módulo de corte (2).

Figura 15 – Vista lateral do equipamento com a especificação técnica do alcance e a área

hachurada do espaço de trabalho

4.3 ÁRVORE DO PRODUTO DO EQUIPAMENTO PNEUMÁTICO DE PODA

A árvore do produto nada mais é que um esquema tipo Fluxograma informando os módulos que constituem o equipamento. Nesta seção será apresentada a árvore do produto completo, do módulo analisado. Na Figura 16 pode-se ver a árvore resumida do equipamento pneumático de poda.

(34)

34

Figura 16- Árvore resumida do equipamento de poda

4.4 MÓDULO DE CORTE

Será apresentado detalhadamente neste capítulo o módulo de corte do equipamento pneumático de poda. A Erro! Fonte de referência não encontrada. mostra uma vista em perspectiva do módulo de corte com a visualização dos elementos internos.

(35)

35

Figura 17- Perspectiva do módulo de corte com a visualização dos elementos internos

O módulo de corte (2) pode ser configurado com uma variedade de tipos de ferramentas de acordo com o objetivo e método de poda a ser realizado, sendo uma destas ferramentas mostrada na Figura 7 na forma construtiva de pequena massa e projetada para poda rápida de manutenção de galhos de diâmetros menores, mas podendo ser redimensionada de acordo com a aplicação desejada. Na forma apresentada, o módulo de corte (2) é composto de um par de navalhas (25) de aço montados nas tesouras (24) injetadas preferencialmente em nylon com fibra de vidro, articuladas em torno do pino roscado (32)

(36)

36

aparafusado na barra (19) chata e curvada de alumínio estrutural, o qual mantém o flange inferior (16) e o flange superior (17), ambos em nylon, presos por meio de parafusos em aço inoxidável (20) no tubo redondo (31) em alumínio, no interior do qual é montado o embolo (18) em nylon, este é unido à haste redonda de acionamento (21), injetada em nylon com fibra de vidro, que transmite a força pneumática por meio de dois pares de barras (22) ligadas às tesouras (24) por meio de pinos aparafusados (23).

A Figura 18 mostra uma vista lateral do módulo de corte rupturado e com destaque para o mecanismo de corte aberto.

Figura 18- Vista lateral do módulo de corte rupturado e com destaque para o mecanismo de

corte aberto

Na Figura 19 se pode ver a árvore geral do produto do módulo de corte, o qual é composto por dois subconjuntos, mecanismo de corte e acionamento de corte.

(37)

37

Figura 19- Árvore geral do produto do módulo de corte

Já a Figura 20 mostra a arvore do produto detalhada do Mecanismo de corte e na Figura 21 árvore do produto detalhada do Acionamento de corte.

Figura 20- Árvore do produto detalhada do Mecanismo de corte

(38)

38

Figura 21- Árvore do produto detalhada do Acionamento de corte

Para entender o que são as letras e números dentro de cada caixa da árvore do produto, na Figura 22 abaixo se encontra uma explicação que ajudará no entendimento.

Figura 22- Caixa de descrição utilizada na árvore do produto

Fonte: Próprio autor

01 02 03 04 05 06

(39)

39

1- Descrição do item

2- Codificação dos desenhos

C O O 6 A P L P

Identifica o módulo Diferencia desenhos de um mesmo conjunto Identifica o conjunto Informações sobre operações de fabricação Identifica o material Informações sobre a forma inicial da peça

3- Custos do item 4- Imagem do item 5- Peso do item

(40)

40

5 RESULTADOS

5.1 DEFINIÇÃO DO DESEMPENHO FUNCIONAL SATISFATÓRIO E DAS CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO

Desempenho funcional satisfatório significa atender aos parâmetros de projetos que foram definidos como necessário para o atendimento da operação à que se foi desenvolvido um equipamento.

Para o módulo de corte do equipamento pneumático de poda, os parâmetros definidos como necessários de serem atendidos estão apresentados na Tabela 4 abaixo:

Tabela 4- Definição dos parâmetros de desempenho requerido do equipamento

PARÂMETRO REQUERIDO VALOR COMENTÁRIO

Quantidade de cortes antes da falha

1645 1 corte a cada 7 segundos durante 4 horas, eficiência 80%

Quantidade de ciclos abre-fecha

72406 3291/dia x 22 dias

Confiabilidade (%) 70% num intervalo de 4 horas

Pressão do sistema 7 bar

Diâmetro dos galhos Máximo 20 mm

5.2 ANÁLISE DOS MODOS DE FALHA E EFEITO DO MÓDULO DE CORTE

Para todo o dispositivo projetado deve ser realizado o levantamento dos modos de falha e efeitos para que sejam tomadas ações a fim de reduzir ou eliminar os modos de falha. Isto faz com que a confiabilidade do projeto aumente e que a vida útil do equipamento também.

Existe uma situação frequente no processo de poda de árvores que é quando o equipamento “masca” o galho e não corta, sendo necessário repetir a operação na mesma região para realizar o corte. No caso do equipamento desenvolvido esta questão não é considerada uma falha, pois faz parte do processo. Se a operação for repetida até 3 vezes e o galho não cortou, passa a ser considerado uma falha. Isto acontece por vários motivos, como

(41)

41

diferença na dureza dos galhos, diferença entre galho seco e galho verde, tipo de árvore. Se esta situação acontecer em função de falta de fio de corte, flambagem da haste ou algo semelhante será relacionado como falha em função dos eventos citados.

Estamos considerando como falhas somente os eventos relacionados à falhas nas peças do módulo de corte.

Como está sendo estudado o módulo de corte do equipamento pneumático, realizou-se o levantamento para este módulo específico e, podem ser vistos na Tabela 5.

Tabela 5- Modos de falha e efeito do módulo de corte

MODO DE FALHA EFEITO

- Falha/desgaste nas vedações

Perda de pressão e força de corte, entrada de sujeira no sistema;

- Desgaste do fio de corte das lâminas

Não corta; perda de produtividade; troca das lâminas;

- Quebra da navalha de corte Não corta; perda de produtividade; troca das lâminas; - Quebra dos parafusos de

fixação

Perda de eficiência do corte; quebra do módulo

- Flambagem das barras de fixação

Não corta, esmaga o galho;

- Flambagem da haste principal

Não corta

- Corte da mangueira de suprimento de ar

Falta de pressão; redução da força de corte; risco de acidente

- Flange ISO errado Não monta no módulo de posicionamento - Corte da rede energizada Risco de choque elétrico

- Deslocamento dos anéis o’ring

Entrada de sujeira contaminando o sistema

- Tubo do cilindro deformado Não monta o equipamento, vazamento de ar e perda de pressão

- Rosca das conexões com folga

Risco de acidente, vazamento de ar e perda de pressão

- Corte do fio de energia elétrica

Risco de choque elétrico, risco de morte

(42)

42

5.3 TESTES DOS PROTÓTIPOS DO MÓDULO DE CORTE

Os capítulos anteriores abordaram os conceitos de confiabilidade que são de extrema importância para o desenvolvimento das análises de qualquer projeto, abordou-se também o projeto do dispositivo de poda descrevendo suas partes e funções. Por fim abordaram-se os modos de falha e efeito para cada parte do dispositivo, todas estas informações são

importantes para a realização dos testes e análise da confiabilidade do dispositivo.

Neste capítulo aborda-se o procedimento dos testes realizados, bem como os resultados obtidos nos mesmos.

5.3.1 Protótipo 1

A alimentação dos galhos é feita manualmente, foram testados galhos com diâmetros entre 9 e 20 mm, simulando a situação real de trabalho que o equipamento irá enfrentar. A Figura 23 mostra o protótipo 1 fixado na bancada de teste.

Figura 23- Módulo de corte 1 fixado na bancada para o teste

O módulo de corte 1 foi testado na condição original de projeto, sem alterações a fim de verificarmos o desempenho do primeiro projeto. Apresentou um desempenho

insatisfatório, com um índice de falhas no corte dos galhos muito alto. Neste módulo

cortaram-se galhos verdes e galhos secos, nos galhos verdes as falhas foram que as navalhas “mascavam” e não cortavam (repetindo a operação 3 vezes) como se pode ver na Figura 24, devido as navalhas estarem desgastaram ou quebradas, como se pode ver nas Figura 25 e

(43)

43

Figura 26. Os sinais de desgaste apareceram depois de 650 cortes realizados. Já nos galhos secos muito duros, o equipamento não teve força suficiente para realizar o corte e a haste flambou deixando uma folga grande entre as navalhas e impedindo o corte e em função do diâmetro da haste ser pequeno.

Figura 24- Detalhe da região onde o corte “mascou”

Figura 25- Detalhe da região quebrada da navalha

(44)

44

Figura 26- Navalhas com o fio de corte desgastado

A Figura 27 mostra os tempos em que o módulo não efetuou o corte, o tempo total de corte foi de 10800 segundos ou 3 horas de teste e o desempenho insatisfatório do protótipo.

Figura 27- Gráfico dos tempos de cada falha do módulo original

Com base nos resultados acima e utilizando-se a equação 3, chegamos a uma taxa de falha do equipamento de 6,67. Agora, utilizando o valor da taxa de falha, o tempo de teste e a

200 310 600 1200 1800 2700 2830 2990 3230 3600 4260 4500 5400 5850 5880 6300 6420 6560 6920 10352 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

TEMPO DE OCORRÊNCIA DAS FALHAS EM

SEGUNDOS

Tempo das falhas Tempo total

Número de falhas Te mpo d as fa lh as ( s)

(45)

45

equação 4 calcula-se a confiabilidade do equipamento. Neste teste a confiabilidade do protótipo 1 é de 2x10-9, isto é, praticamente 0.

O teste simulou a situação real do corte de galhos, onde os parâmetros utilizados no teste foram:

- tempo de teste: 3 horas - 8 cortes/minuto

- diâmetros dos galhos cortados: de 10 a 20 mm, conforme mostra a Figura 28. - Pressão do sistema: 7 Bar

- Navalhas: em aço 1045 temperado e revenidas

A Figura 28 mostra a identificação do diâmetro do galho que foi cortado durante o teste.

Figura 28- Diâmetro dos galhos cortados

Na Figura 29 verifica-se que a pressão e suprimento está sempre em 7 bar, atendendo ao parâmetros de desempenho requerido. Pode-se ver ainda a estabilidade das pressões de suprimento (ps), na câmara a do cilindro (pa) e na câmara b do cilindro. Em todo o tempo as pressões ficaram entre 6,9 e 7 bar, que é a pressão do sistema de ar comprimido, evidenciando-se que os vazamentos são muito pequenos ou inexistentes e não interferiram no resultado do teste.

(46)

46

Figura 29- Gráfico das pressões de suprimento e em cada câmara durante o teste

Fonte: Próprio autor Onde:

Pressão de suprimento (ps) está em vermelho, a pressão na câmara a (pa) está em azul e a pressão na câmara b (pb) está em preto.

Na Figura 30 pode-se ver o sinal de comando do sistema durante o teste, o sinal de comando programado para o equipamento foi de 10 V para realizar o corte e -10 V para abrir as navalhas. O sinal de comando não sofreu alterações, manteve-se sempre entre -10 e 10 V mostrando que o sistema eletrônico é confiável. Este resultado mostra que a caixa eletrônica (onde se encontra a válvula solenoide) estava em perfeitas condições

20 40 60 80 100 120 140 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7 tempo t(s) p re s s ã o ( b a r) Gráfico da força ps pa pb

(47)

47

Figura 30- Sinal de comando enviado para a válvula solenoide durante o teste

Na Figura 31 pode-se ver a força pneumática do módulo de corte, força esta que ficou estável durante o período dos testes. A força pneumática (fp) do módulo de corte ficou perto dos 2800 N, ou 280 kg, esta força pneumática não é a força de corte, pois não se considera o aumento da força gerado pelo sistema de barras desenvolvido. Isto mostra que os vazamentos são muito pequenos ou inexistentes e não interferiram no resultado do teste

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 tempo t(s) s in a l (V ) doSinal de comando u

(48)

48

Figura 31- Força pneumática do módulo de corte

. Fonte: Próprio autor

Resumindo:

Tabela 6- Tabela de resultados do módulo 1

Parâmetro Objetivo Alcançado Resultado

Número de cortes antes da falha

1645 27 X

Ciclos abre-fecha 3291/dia 1440 em 3h 

Confiabilidade 70% Praticamente 0 X

Diâmetro dos galhos Máximo 20 mm Máx 18 mm X

Pressão do sistema 7 bar 7 bar 

Força Pneumática 2800 N 2800 N 

Resultado REPROVADO

5.3.2. Protótipo 2

Para realizar o teste do protótipo 2, usou-se a mesma forma de fixação do protótipo 1 (conforme se ver na Figura 32), utilizando-se o mesmo equipamento pra medição das variáveis e os mesmos parâmetros utilizados no teste 1:

0 5 10 15 20 25 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 x 104 tempo t(s) fo rç a f p (N ) Gráfico da força

(49)

49

- tempo de teste: 5,55 horas - 8 cortes/minuto

- diâmetros dos galhos cortados: de 10 a 20 mm - Pressão do sistema: 7 Bar

- Navalhas: em aço SAE 1070

A diferença entre o protótipo 1 e o protótipo2 é que o diâmetro da haste principal que foi aumentada de 24 mm para 31 mm e as facas de corte as quais alterou-se o material de SAE 1045 temperado para SAE 1070 sem tratamento térmico. Isso permite que a faca de corte seja mais maleável e menos quebradiça aumentando a vida útil do fio de corte.

(50)

50

Figura 32- Módulo de corte fixado sobre uma mesa para o teste

A Figura 33 mostra os tempos em que o módulo não efetuou o corte, o tempo total de corte foi de 20000 segundos ou 5,5 horas de teste.

Figura 33- Gráfico dos tempos de cada falha do módulo 2

0 0

0

6912

1 2

TEMPO DE OCORRÊNCIA DAS FALHAS EM

SEGUNDOS

Falhas Tempo Número de falhas Número de falhas Te mpo d as fa lh as ( s)

(51)

51

Com base nos resultados acima e utilizando-se a equação 3, chegamos a uma taxa de falha do equipamento de 0,25 em 4 horas. Agora, utilizando o valor da taxa de falha, o tempo de teste e a equação 4 calcula-se a confiabilidade do equipamento. Neste teste a confiabilidade do protótipo 2 é de 36,78% em 4 horas de testes .

O teste simulou a situação real do corte de galhos, onde os parâmetros utilizados no teste foram:

- tempo de teste: 5,55 horas - 8 cortes/minuto

- diâmetros dos galhos cortados: de 10 a 20 mm. - Pressão do sistema: 7 Bar

- Navalhas: em aço 1070 não temperado

Na Figura 34 abaixo, se pode verificar que a pressão e suprimento está sempre em 7 bar, atendendo ao parâmetros de desempenho requerido. Pode-se ver ainda a estabilidade das pressões de suprimento (ps), na câmara a do cilindro (pa) e na câmara b do cilindro. Em todo o tempo as pressões ficaram entre 6,9 e 7 bar, que é a pressão do sistema de ar comprimido, evidenciando-se que os vazamentos são muito pequenos ou inexistentes e não interferiram no resultado do teste.

(52)

52

Na Figura 35 se pode ver o momento em que teve uma queda na pressão do sistema durante a realização dos testes.

Figura 35- Gráfico das pressões durante o momento da queda de pressão

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7 7.1 tempo t(s) p re s s ã o ( b a r) Gráfico da força psf paf pbf

(53)

53

Analisando os gráficos acima, note-se que a pressão do sistema de manteve estável (com exceção de um determinado período durante o qual houve uma queda na rede do laboratório). Isso mostra que não existem vazamentos que prejudiquem o desempenho do dispositivo.

Na Figura 36 pode-se ver a força pneumática do protótipo 2, força esta que ficou estável durante o período dos testes. A força pneumática (fp) do módulo de corte ficou perto dos 2800 N, ou 280 kg, esta força pneumática não é a força de corte, pois não se considera o aumento da força gerado peço sistema de barras desenvolvido. Isto mostra que os vazamentos são muito pequenos ou inexistentes e não interferiram no resultado do teste

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 tempo t(s) p re s s ã o ( b a r) Gráfico da força psf paf pbf

(54)

54

Figura 36- Força pneumática medida nos testes do 2º. Protótipo.

Da mesma forma, pode-se ver nos gráficos acima que a força pneumática também se manteve estável, com exceção do gráfico 6 devido a queda da pressão no laboratório.

Outro fenômeno que aconteceu foi o aquecimento da cilindro de corte, aquecimento este gerado pelo atrito excessivo entre o êmbolo e a camisa do cilindro. Isto faz com que a força necessária para o deslocamento seja maior e assim se perde força para o corte.

A Tabela 7 mostra o resumo dos resultados dos testes realizados com o protótipo 2. Tabela 7- Resultados dos testes do protótipo 2

Parâmetro Objetivo Alcançado Resultado

Número de cortes antes da falha

1645 921 X

Ciclos abre-fecha 3291/dia 2666 em 5h 

Confiabilidade em 4hs 70% 36,78% X

Diâmetro dos galhos Máximo 20 mm Máx 18 mm X

Pressão do sistema 7 bar 7 bar 

0 20 40 60 80 100 120 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 tempo t(s) fo rç a F p (N ) Gráfico da força

(55)

55

Força Pneumática 2900 N 2800 N 

Resultado REPROVADO

5.3.3. Protótipo 3

A fim de analisar possíveis falhas do processo de fabricação e de montagem dos componentes, foi fabricado o protótipo 3 que foi testado sem cortar nenhum galho. Somente foram realizados os testes do funcionamento mecânico (abre e fecha) onde foram analisados vazamentos, ajustes inadequados entre os componentes e falhas de montagem que possam ocasionar a colisão entre as facas de corte. Na Figura 37 se pode ver o protótipo 3.

Figura 37- Protótipo 3 do Módulo de corte 3

Durante o teste, pode-se observar um vazamento na parte inferior do módulo, o que provocou a perda de pressão e a redução na força pneumática. Também se verificou uma leve torsão da haste em decorrência das hastes fixadoras estarem torcidas e a montagem, consequentemente, não ficou a mais adequada. Na Figura 38 pode-se ver o detalhe da haste fixadora torcida.

(56)

56

Figura 38- Detalhe da haste fixadora torcida

Na Figura 39 pode-se ver a força pneumática do protótipo 3, força esta que ficou estável durante o período dos testes. A força pneumática (fp) do módulo de corte ficou perto dos 2500 N, ou 250 kg, esta força pneumática f. Isto mostra que existem vazamentos, e foi evidenciado do vazamento na parte inferior do cilindro.

(57)

57

Figura 39- Gráfico da força pneumática no protótipo no. 3.

Na Figura 40 abaixo, se pode verificar que a pressão e suprimento está sempre entre 7 e 7,5 bar, atendendo ao parâmetros de desempenho requerido. Pode-se ver ainda a estabilidade das pressões de suprimento (ps em vermelho), na câmara a do cilindro (pa em

azul) se pode ver a perda de pressão, pressão esta que está em 6,5 bar. Já na câmara b do cilindro (pb em preto) é possível verificar a pressão reduzida no valor inferior a 6 bar. Isto evidencia o vazamento existente no cilindro.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 tempo t(s) fo rç a F (N ) Gráfico da força

(58)

58

Figura 40- Gráfico das pressões no protótipo no. 3.

5.3.4 Alterações para aumentar a Confiabilidade

Analisando-se os resultados dos testes dos dois módulos de corte, e possível verificar uma considerável melhoria do Módulo de corte 2 em relação ao Módulo de corte1.

Verificando também a falha que ocorreu no módulo de corte 2 (a porca de fixação das barras se soltaram), e verificando que em alguns cortes o galho foi “mascado”, melhorias são possíveis de serem realizadas para se alcançar os objetivos definidos. Estas melhorias que podem ser analisadas são:

 aumentar o comprimento do parafuso de fixação das barras, afim de ter maior área para aperto das porcas de torque;

 aumentar o diâmetro do cilindro, aumentando também a força do corte e eliminando o modo de falha de “mascar” o galho;

 fazer um tratamento superficial na região do fio de corte das navalhas melhorando assim o corte;

 melhorar as definições de ajuste entre os componentes do cilindro afim de reduzir o atrito e, consequentemente, o calor e melhorar a eficiência do corte;  fazer um estudo mais detalhado sobre as vedações utilizadas no módulo de

corte. 10 20 30 40 50 60 5 5.5 6 6.5 7 tempo t(s) p re s s ã o ( b a r)

(59)

59

Estes pontos acima podem ser realizados/alterados, porém necessitam de testes práticos para comprovar a total eficiência das alterações.

(60)

60

CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS

O presente trabalho buscou analisar a confiabilidade de três protótipos do módulo de corte de um novo dispositivo para poda de árvores, dispositivo este que é inovador devido a ter como meio de potência de acionamento o uso de ar comprimido (pneumática) e diminuir o esforço do trabalhador da poda de arvores, além de incorporar módulos de geogerenciamento da poda.

Para realização das medições, foi utilizado o método de corte em bancada, simulando a situação prática nas ruas e colhendo dados para comprovar a sua eficiência. Mediante os resultados, constatou-se que os dois dispositivos não atenderam as especificações definidas como satisfatória para seu uso devido a vários fatores que podem ser melhorados. Mesmo assim, o dispositivo funcionou corretamente e pode ser utilizado em campo, existirá somente um percentual de manutenção maior do que o previsto.

Como continuidade do presente trabalho sugere-se:

- Fazer mais testes em campo para ter-se um número maior de dados e para verificar algum novo ponto de falha que possa ocorrer;

- Fazer as alterações conforme sugeridas;

- Fazer um novo protótipo, fazendo um acompanhamento da usinagem e montagem deste módulo;

- Fazer os testes com tempo de duração mais longo; - Projetar redundância nas vedações.

Os resultados dos testes realizados nos protótipos dos módulos de corte serão publicados no Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola- CONBEA 2014.

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