UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA AGRiCOLA
DEPARTAMENTO DE MAQUINAS AGRiCOLAS
DESEMPENHO DE UM TRATOR DE
PEQUENOPORTEQUEEXECUTA
TAREFASS~TANEAS
POR
CARLOSRODRIGUESDOSSANTOSNETO
Campinas- SP
Fevereiro de 2000
PARECER
Este exemplar corresponde a redat;ao final
da Dissertat;ao de Mestrado defendida por
CARLOS RODRIGUES
DOSSANTOS
NETO
e aprovada pela Comissao Julgadora
em 22 de mat;o de 2000.
Campinas, 25 de janeiro 2002.
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Prof. Dr. O;C NIO BRAUNBECK
Presidente da Banca
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA AGRICOLA
DEPARTAMENTO DE MAQUINAS AGRICOLAS
DESEMPENHO DE UM TRATOR DE
PEQUENO PORTE QUE EXECUTA
TAREFAS SIMULTANEAS
POR
CARLOSRODRIGUESDOSSANTOSNETO
ORIENTADOR
Prof. Dr. Oscar A. Braunbeck
Disserta~io apresentada
a
Faculdade de Engenharia Agricola da UNICAMP, em cumprimento parcial para obten~io de titulo de Mestre em Engenharia Agricola.Campinas- SP
Fevereiro de 2000
FICHA CATALOGWICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA AREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP
Sa59d
Santos Neto, Carlos Rodrigues dos
Desempenho de urn trator de pequeno porte que executa tarefas simultaneas I Carlos Rodrigues dos Santos Neto.--Campinas, SP: [s.n.], 2000.
Orientador: Oscar A Braunbeck.
Disserta9ao (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agricola.
1. Maquinas agricolas - Tra9ao. 2. Maquinas agricolas - Custos. 3. Maquinas agricolas - Custo operacional. 4. Analise modal. 5. Ergonomia. 6. Aquisis:ao de dados. I. Braunbeck, Oscar A II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Agricola. III. Titulo.
Este trabalho
e
dedicado aos meus pai Jose Carlos e Julia Edna pelo incentiv< e apoio que sempre me deram.AGRADECIMENTOS
Ao Professor Oscar A. Braunbeck pela dedicayii.o depositada em todos os momentos do andamento deste trabalho, sempre com muita disposivlio e otimismo.
Aos Professores Paulo Magalhlies e Nelson Luis Capelli pela atenvlio a mim dada, procurando sempre auxiliar de forma positiva para urn born andamento deste trabalho.
A todos da Feagri, que direta ou indiretamente contnbuiram nas soluvoes de problemas existentes.
Ao Professor Pablo Siqueira Meirelles da Engenbaria Mecfurica que trabalhou !ado a !ado comigo na execuvlio do ensaio da aruilise modal do trator.
A Direvlio da Faculdade de Engenbaria Industrial, em especial ao Professor Fernando Bressiani, cedendo o prot6tipo da maquina agricola para ensaios na Unicamp.
Aos Professores do Departamento de Macfurica da Faculdade de Engenbaria Industrial, em especial ao Professor Roberto Bortolussi, por todo o auxilio prestado.
A
Adelaide Bispo de Sa Carrere Catia Cilene da Silva, que sempre me orientaram de forma correta e animadora, para que todos os emprestimos fossem conseguidos na Faculdade de Engenbaria Industrial.A todos da Oficina Mecfurica e do laborat6rio de Resistencia de Materiais da Faculdade de Engenbaria Industrial, em especial ao Jose Maria, que nas horas de sufoco sempre se p6s a disposivlio.
Agradevo ao Eng. Genivaldo Akio Kunitaki por perrnitir minha ausencia no emprego nos periodos de aula, possibilitando a execuvlio deste trabalho.
Aos meus grandes amigos do grupo Terra Engenharia, Fabio Leiva Messa, Fabrizzio Akio Koga, Marcio Massami Takimoto, Rogerio Augusto Rocha de Sousa e Ronaldo Lago de Sousa, por termos juntos feito um traballio de grad~ que nos ensinou ern muito o que e traballio em grupo e as dificuldades de exec~ii.o de um projeto, desde os desenhos ate a montagem final do prot6tipo e que possibilitou a mirn fazer este traballio.
SUMAru:O
1. INTRODU<;:AO 2. OBJETIVOS 3. REVISAO BIBLIOGRAFI:CA 3.1 - Opera9oes Agricolas 3.2 - Ergonomia 3.3 - Desempenho de tratores3 .3.1 -Equilibria do trator em regime uniforme
3.3.2- Desempenho do pneu pelo indice de mobilidade 3.3.3- Desempenho do pneu-Arullise dimensional 3.4 -Custos
3.4.1 -Custos fixos
3.4.1.1 - Depreciayao
3.4 .1.1.1 - Metoda da linha reta 3.4.1.1.2- Metoda do saldo descrente 3.4.1.1.3 -Metoda do fundo de depreciavao 3.4.1.2- Juras 3.4.1.3- Alojamentos 3.4.1.4- Segura 3.4.2- Custos operacionais 3.4.2.1 -Combustive! 3.4.2.2- Lubrificantes 01 05 07
09
17 23 2326
27 31 31 32 32 33 3435
35
35
36 36 383.4.2.3- Manutenyao 38
3.4.2.4- Salarios 39
3.5- Mercado 41
4.0- Proposta 51
4.1 - Localizayao e combinayao de implementos 52
4.2- Ergonomia 53
4.3- Transmissao hidrostittica 55
5.0- Material e Metodos 57
5.1- Trator 59
5.2- Arnilise modal 62
5.3 - Pesagem dos eixos dianteiro e traseiro 65
5.2- Metodos 67
5.2.1 - Metodologia da anitlise modal 68
5.2.1.1 - Instrumentayao ( colagem dos acelerometros) 68
5.2.1.2- Procedimento de coleta dos dados 69
5.2.1.3- Ensaio e aquisiyao 70
5.2.2- Modelo para citlculo de desempenho do trator com tres
implementos
5.2.2.1 - Modelo proposto por Gee Clought
5.2.2.2- Equihbrio estittico do trator
71 71 73
5.2.2.3 - Determinayao dos pneus pesos estaticos dos
eixos dianteiro e traseiro 75
5 .2.2.4 - Deteri!lina\:ao dos implementos e seus esforyos 7 5
5.2.2.5-Analise das operay()es simultaneas 76
5.2.3-Analise de custos 81
5.2.3.1 - Operayoes Agricolas 81
5.2.3.2- Dados necessarios para a estimativa de custo 82
6.0- Resultados e discussao 85
6.1 -Analise modal 85
6.2 - Desempenho de trayao 94
6.3 -Analise dos custos 100
7.0-ConclusOes 103
8.0- Referenda Bibliografica 105
LIST A DE FIGURAS
01 - Caracteristica do trabalho rural ap6s a primeira grande guerra 02- Trator agricola da marca Fendt efetuando simultaneamente as opera9oes de preparo comp1ementar do solo e semeadura pnellllllitica, com destaque nas 1inhas de visao do operador
03 - Posi9ao do operador no primitivo arado puxado a cavalo e o tratorista de hoje
04-Urn tratorista ideal deveria ter tres pernas, dois olhos atras da
cabe9a e urn dorso super refor9ado
05 - Distribuiyao dinfunica dos esfor9os sobre urn trator 06 - Rela9ao funcional entre torque, for9a e deslizamento 07 - Eficiencias nlliximas de transmissao de potencia 08- Cn\dito agricola - distnbui9ao do investimento 09 - Localiza9ao dos implementos (frontal, central e traseiro) 10 - Transferencia de peso causada pelo implemento central 11 - Localizayiio dos implementos de controle e indicadores 12- Visibilidade do operador
13 - Atuador de haste dupla da direyiio traseira
14 - Prot6tipo do trator agricola utilizado no experimento 15- Detalhe do shacker e seu posicionamento no ensaio 16- Conjunto de acelerometros
17 Sistema de aquisi9iio para aruilise modal e seus perifericos
1 4 19 20 23 30 37 45 52 53 54 54 55 63 63 64 64
18 - Detalhe da balan~a
19 - Posi~lio dos acelerometros no chassi e nos eixos 20 - Colagem dos acelerometros no trator
21 - sistema de aquisi~ao de dados
22-For~ atuantes sobre o cmljunto trator implemento
23 - Pesagem do eixo traseiro
24
a
31 - Curva de calibra~ao das celulas de carga 32-Pesagem do eixo dianteiro33 - Sistema de aquisi~ao de dados e microcomputador
34 - Configura91io inicial e deformada do chassi no 1 o modo
de vibra~ao. (A) e (B) configllrn9iies extremas da estrutura deformada
35- Configura91io inicial e deformada do chassi no 2° modo de vibra91io. T ra9o fino: configura91io inicial
Tra~o grosso: configura~ao deformada 36-Configura91io inicial e deformada do chassi no 3° modo
de vibra91io (A) e (B) configura9iies extremas da estrutura deformada
37-Configura91io inicial e deformada do chassi no 4° modo de vibra91io (A) e (B) configura9iies extremas da estrutura deformada
38- Configllrn91io inicial e deformada do cbassi no 5° modo de vibra91io (A) e (B) configura9iies extremas da estrutura deformada
39-Configura91io inicial e deformada do cbassi no 6° modo de vibra91io (A) e (B) configura~iies extremas da estrutura deformada
40 - Desempenho do trator multitarefa para tres posi9iies de engate de urn implemento para preparo do solo
41 - Desempenho de tra9llo do trator multitarefu com impleme--ntos. Acoplados simultanearnente nas tres posi9iies de engate ( 1/3 da carga em cada posi¢o ).
42-Desempenho de tra91io do trator multitarefa com dois implementos localizados nas posi9iies frontal e central, com 50% da carga em cada implemento.
43-Desempenho de tra~ao do trator multitarefu para impleme--ntos nas posi9iies frontal e traseira, com 50% da carga em
cada implemento. 65
69
70 7174
75 76-7778
78
8889
90
9192
93 9596
9798
44 - Desempenho de tra91i.o do trator muhitarefa para impleme--ntos nas posi9oes frontal e traseiro, com 50% da carga em
LIST A DE TABELA
01 Vida econornica de tratores de rodas, Balastreire (1987)
02 - Ca!culo de reparos e manutenc;iio
03 - fndice de mecanizac;iio da agricultura brasileira- 1960/1995 Fonte: Anfavea, IBGE
04 - Mecanizac;iio da agricultura mundial - 1995 Fonte: FAO (ONU), IBGE
05 - Produc;iio de maquinas agricolas automotrizes- 1985/1997
Fonte: Anfaveal Anulir:io Estatistico
06 - Produc;iio de tratores de rodas por empresa- 199411995 Fonte: Anulir:io estatistico (1995 e 1996)
07- Venda de maquinas agricolas por regioes
08 - Caracteristica dos irnplementos utilizados 09 - Combinac;iio de irnplementos
10 - Dados para analise de custos
11 - Consumo de oleo para trator convencional/multitarefa 12 - Re!ac;iio de valores iniciais da maquinas
13 - Custos fixos
14- Constante do custo operacional
15 - V alores em fimc;iio do tipo de operac;iio
35 39 42 43 43 44 46 79 80 82 84 100 100 101 102
NOTA<;AO E SIMBOLOS
SIMBOLOS MINUSCULOS
ba =altura maxima de rodagem, [m];
df = deflexiio do pneu quando carregado, [m];
dh = distilncia horizontal de aplicayiio da forya resultante do implemento, [m];
drfi, drc, drr = distilncia vertical entre o ponto de aplicayiio das fon;:as sobre o implemento e a superficie do solo frontal, centrale traseiro, [m];
dp = difunetro do pneu, [m];
dv = distilncia vert. entre o pto de aplicayiio da forya resultante do implemento, [m];
hb =altura da barra de trayiio, [m]; i = taxa de juros, [%];
lp = largura do pneu, [m];
n = nfunero que representa a idade da
maquina
em anos;p = potencia nominal do motor, [ cv ]; rr = raio de rolamento dos pneus, [m];
s
= valor da sucata, [R$];v= velocidade de deslocamento, [m/s];
x = raziio de deprecia9ao usada no metodo da Iinha reta, o qual varia de 1
a
2; SIMBOLOS MAIUSCULOSCn = coeficiente de mobilidade, [adm];
Crr = coeficiente de resistencia de rolamento, [adm};
CT = coeficiente de tra9ao, [ adm};
Ctmax = coeficiente de tra9ao maxima, [ adm];
CTP = coeficiente de transferencia de peso, [adm];
D = depreciayao, [R$];
DE= distilncia entre eixos, [m];
ET = eficiencia de tra9ao, [ adm ];
Fx = for9a horizontal, [kN];
Fy = forfi:a lateral, [kN];
Fz = for9a vertical, [kN]; IC = indice de cone, [kPa];
K = taxa constante, [adm];
L = vida economica estimada, [anos];
M = indice de mobilidade, [adm];
Nh = nfunero de horas de uso acmnuladas; [h];
P = pre9o de aquisi9ao da rruiquina, [R$];
PD =peso dinilmico em cada eixo, [kN]; PDD =peso dinilmico do eixo dianteiro, [k:N];
PDT= peso dinilmico do eixo traseiro, [kN]; PED =peso estatico do eixo dianteiro, [kN]; PET= peso estatico do eixo traseiro, [kN]; PJ, Pc, P, =peso do implemento,[kN];
P, = fundo de depreciayiio, [R$];
PEX = potencia no eixo, [kW];
R,
= resistencia ao rolamento, [kN]; S = patinagem, [%];T =torque na roda, [N.m];
V =vida economica, [anos];
Vrt , Vrc, , Vr1 = resultante das soma das forces verticals causadas pelo
implemento, [k:N];
Vn =valor ao final do ano,[anos];
X= relayiio entre potencia consumida e potencia estimada na tornada;[ adm], SIMBOLOS GREGOS
RESUMO
Analisando as condicoes do mercado nacional de tratores, verifica-se que o pequeno e medio produtor encontra-se em situa9lio desfavon\vel, ao que se refere a escolha de urna maquina que satisfava suas necessidades, urna vez que os prevos das categorias inferiores sao muito pr6ximos as categorias logo acima, fazendo o produtor optar por urna maquina maior do que suas reais necessidades. Com urn mercado cada vez mais competitivo e a falta de uma maquina que desempenhe as necessidades dos pequenos e medios dos produtores foi desenvolvido pelos formandos de Engenharia Mecfurica Automobilistica da Faculdade de Engenharia Industrial (FEI) como trabalho de formatura, urn prot6tipo de uma m;iquina agricola, tendo como principal caracteristica a possibilidade de utilizavao de ate tres implementos simultanearnente, sendo urn frontal, urn central e urn traseiro_
A partir da possibilidade de utilizas;ao de ate tres implernentos, determinou-se as cargas sobre o eixo de tras;ao em funv1io do implemento utilizado e a sua posiv1io de engate_ Determinou-se tambem as cargas sobre o eixo de travao para os tres implementos utilizados sirnultanearnente e na condiviio de dois irnplernentos combinadas ern todas as posivoes possiveis_ Atraves do modelo matematico descrito por Gee Clought e as cargas sobre os eixo de tras;ao, determinou-se o deslizamento dos pneus da maquina para cada operas;ao executada possibilitando reconhecer qual a melhor posiviio de engate para urn Unico irnplemento e a melhor posivao de engate para utilizavao simultanea de dois ou tres implementos_
0 estudo da ergonomia e da dinfunica do chassi foram feitas atraves de urna analise modal, pois a forma diferenciada do chassi da maquina requer urn conhecimento do comportamento dinfunico estrutural. As freqiiencias de interesse nesta analise estao na faixa de 0
a
l 0 Hz, pois em se tratando de tratores,e
nesta faixa que ocorrem as condicoes mais criticas, tanto com relavao a ergonomia quanto com relavao a dinfunica do chassi_Foram tambem estudadas questoes econ6micas ligadas aos custos fixos e operacionais, comparativamente entre urn trator convencional e o aqui proposto.
A analise de desempenho do trator indicou a posic;:ao frontal como o melhor ponto de ancoragem do implemento, e posivao traseira como condivao mais desfavonivel, ficando entao a ancoragem frontal destinada its operavoes pesadas e a ancoragem traseira utilizada apenas quando se estiver trabalhando com tres ou dois implementos simultanearnente.
A analise dos modos de vibravao do trator nao possibilita quantificar as oscilac;:oes, mas efetuar comparavoes entre as configuravoes modais. Desta forma pode-se verificar qual
e
o modo mais critico, e se eua freqtiencia esta perto de algurna freqUencia de oscilavao indesejavel. Neste caso, tem-se o 6° modo, como o mais critico, pois agem sobre o chassi os tres fen6menos sirnultaneamente.Os custos analisados comparam o trator multitarefa com o trator convencional, sem levar em consideravao o fato da possibilidade da utilizac;:ao de
ate
tres irnplementos simultaneamente, e a versatilidade que a concepc;:ao estrutural do chassi pode proporcionar em termos de custo de produc;:ao. Tendo os dois tratores prec;:os iniciais muito pr6ximos os custos fixos ficam basicamente os mesmos, e os custos operacionais nao apresentam grandes diferenc;:as para utilizao;:ao com urn Unico implemento.ABSTRACT
Analyzing the conditions of the national market of tractors, it is verified that small and medium farmers meet unfavorable condition for the choice of a machine that satisfies their needs, since the prices of the lower categories are close to the prices of the categories immediately above. It makes farmers to choose larger machines than required for their needs. A more competite market and the lack of adequate tractors for small and medium farmers took a group of students at the FEI University to propouse a new tractor concept. They built a prototype tractor able to carry three implements simultaneous at the rear, front and central position.
The dynamic load at the traction wheels was determined for the three different locations of the implements, as well as for combinations for simultaneous operations. Wheel slippage was determined using equations proposed by Gee-Clougth. The best location for individual implements or for combinations of implements was determined on the basis of wheel slipage.
The study of the ergonomics and the dynamics of the chassis were done through a modal analysis, because the differentiated form of chassis of the machine requests a knowledge of the structural dynamic behavior. The frequencies of interest in this analysis are in the range of 0 to 10 Hz, where the most critical conditions are, because in if being about tractors, it is in this strip that you/they happen the most critical conditions so much with relationship the ergonomics as with relationship the dynamics of the chassis.
Besides the two previous analysis, the fixed and operational costs, were studied comparatively between the conventional and proposed tractors.
The analysis of acting of the tractor indicated about better point of one implement the frontal of the machine, and the behavior of back anchorage as unfavorable condition, keep doing the front anchorage destined to heavy operations and
the back anchorage just used when it will work with three or two implements simultaneous.
The modal analysis of the tractor no make possible knows the quantity oscilation., but make possible compare the vibrational modes, then, we can check who is the critical mode and which frequecy to be this mode. The sixth vibrational mode showed to be the critical, because two dynamics fenomeno act simultaniouly in the chassi.
The analyzed costs related the "multitarefa"with the conventional tractors, without taking in consideration the possibility in use three implements together, and the versatility that the strustural conception of the chassis can provides in terms of productions cost. Both tractors are basically the same one, and the operacional cost doesn · t present great differences when use only one implement.
l.INTRODU<;AO
Por milhares de anos a mecaniza<;ao das opera;;oes agricolas podiam ser realizadas em urn sistema de pequenos aparelhos e fon;:a corporal. Por longos periodos os metodos mecfullcos usados continuaram arcaicos e rudimentares. Ate cerca de urn seculo, a mecaniza<;ao era realizada por simples utensilios tais como: charrua, enxada, enxadao, pa, foice, grade de destorrar, ancinho e a carreta de rodas. 0 mais significativo passo da humanidade no sentido de sua evolu;;ao aconteceu com o aperfei<;oamento de urn mecanismo, sem o qual o nosso mundo seria inconcebivel, e cujos reflexos ainda serao sentidos por varios anos
a
frente do periodo em que vivemos, a maquina a vapor. Isto aconteceu por volta de 1700.Figura 1 - Caracterfstica do trabalho rural apos a primeira grande guerra
A maquina a vapor multiplicou o "poder dos homens". Uma so maquina a vapor, com potencia de 100 cavalos de for.ya podia fazer o trabalho de 3.600 homens, porem a mesma era muito pesada para ser utilizada em estradas bern como em tratores. Era preciso descobrir urna forma de combinar a cilmara de combustao, a caldeira eo cil.i,_':ldro em uma Unica unidade, que fosse !eve e compacta. Estes principios nortearam o trabalho de varios homens por aproximadamente urn secu!o. Por volta de 1880
e
criado o motor de combustaoimema de Nikolaus August Otto. Em I 895 Rodophe Diesel patenteia o motor diesel e em !897 enquanto trabalhava para a Krupp construiu o primeiro motor que funcionou, o que possibilitou desta forma sua utiliza<;ao em carros, caminboes, onibus e tratores de nosso dias.
Com o advento da motoriza<;:ao pode-se efetuar a mecaniz.a<;ao na agricultura, que por sua vez pode aumentar a produtividade e tornar menos "rude" o trabalho agrano
Apesar de o trator existir ha mais de l seculo, so receberam sensivel irnpulso durante a Primeira Grande Guerra e, na verdade so adquiriram personalidade propria no decorrer da Segunda Guerra Mundial, em ambas ocasioes devido ao aumento na demanda de alirnentos e fibras, em periodos de escassez de mao-de-obra.
A evolu<;ao do trator acompanhou as modifica<;oes da tecnologia agricola e das dirnensoes das fazendas. 0 trator agricola progrediu de seu emprego inicial como substituto do cavalo, para uma maquina autopropelida que, alem de conferirem apoio estavel sobre a superficie horizontal fornecer potencia meciinica, para os orgaos ativos de maquinas e irnplementos agricolas. A fun<;oes basicas de urn trator agricola pode-se enquadrar nas seguintes categorias:
•Tracionar e carregar maquinas e irnplementos montados: arados, grades, semeadoras, cultivadores, plantadoras, etc., atraves do engate de tres pontos com levantarnento hidraulico.
• Tracionar maquina e irnplemento de arrasto: arados, grades, adubadoras, carretas, etc., atraves de sua barra de trao;:ao.
•Acionar maquinas estacionanas: trilhadoras, beneficiadoras de cereals, picadoras de forragens, bombas para recalque d' agua, etc., atraves de polia e correia ou atraves da arvore de tomada de potencia.
• T racionar e acionar maquinas: segadoras, puiverizadores, atraves da barra de tra<;ao ou engate de tres pontos com uso sirnultiineo da arvore de tomada de potencia.
Alem das funv5es basicas que o trator deve executar, deve-se notar tambem o aspecto mercado!6gico e re!aciona-lo ao tamanho das propriedades e as necessidades do agricultor.
0 cenario agricola nacional apresenta uma diversidade de tamanhos de propriedades; perto dos grandes centros industriais predominam as pequenas e medias propriedades, como nas regi5es sui e sudeste, atingindo estas duas juntas uma popula<;ao rural de cerca de doze milh5es de habitantes. Nestas regi5es as condi.yoes sao propicias a utilizas;ao de pequenas unidades de potencia, mas os produtores nao mostram preferencia pelos tratores !eves (ate 49 c.v.), pois 0 conjunto dessas maquinas nao alcanc;a 8% das
aquisi<;oes. A tendencia para esse seguimento e de diminuic;ao progressiva de vendas. Explicaoroes para este fenomeno podem ser:
A diferenc;a de pre.yos entre o trator de ate 49 c.v. para a classe imediatamente superior e pequena, compensando 0 maior investimento face as possibilidades de uso que
os tratores maiores permitem;
Incremento na otimiza<;ao das atividades com a utiliza<;ao de implementos de maior capacidade, que requerem maior potencia na barra de tra<;ao.
Para efetivamente melhorar este quadro, tornando o trator agricola mais versatil, alguns institutos de pesquisa optaram por projetar maquinas com uma nova tendencia, deL'(ando para tras o estilo convencional, como
e
o caso da unidade comercial da marca Fendt, ilustrada na figura 2. A unidade de potencia agricola ou "Field Power Unit" desenvolvida pelas Industrias Militares de Israel, e outras estruturas automotrizes desenvolvidas no National Tillage Laboratory dos EUA e tambem na Inglaterra sob a denomina<;:ao de "Gantries".Estes tratores alem de suas inovay5es tecnol6gicas, apresentam vantagens na visibilidade do operador, distribuic;ao de peso mais adequada minimizando lastro e consequentemente custo de operac;ao, versatilidade no seu emprego por aquisic;:oes de novas tecnol6gicas, possibilidade de definir linhas de trafego visando reduzir a compactayao do solo, possibilidade de combinar operayoes visando reduzir custos e nfuneros de passadas no
terreno, possibilidade de carregar insumos ou produtos colhidos visando
=
a movimenta;;ao de veiculos de transporte sobre o solo agricola, etc ..Figura 2- Trator Agricola da marca Fendt efetuando simultaneamente as opera<yoes de preparo complementar do solo e semeadura pneumatica, com destaque nas linhas de visao do operador
Tendo em vista alguns dos problemas do pequeno e medio produtor agricola no que tange a escolha de uma maquina que satisfa.;:a tecnica e economicamente suas necessidades e contemplando tambem as novas tecno!6gicas descritas acima formulou-se uma proposta de uma maquina agricola diferente do estilo convencional, sempre procurando minimizar
custos de opera<;iio, aquisi<;ao e manuten<;ao do rnaquinario, e maximizando sua versatilidade e utiliza<;ao.
0 conceito multitarefa embutido na proposta nao e novo, porem a mesrna difere dos projetos nao convencionais descritos principalmente no seu menor tamanho, uma vez que pretende atingir produtores medios e pequenos.
A prosposta aqui utilizada foi concebida pelos alunos formandos da Faculdade de Engenharia Industrial (FEI) como projeto de forrnatura no curso de Engenharia Mecilnica enfase Automobilistica.
2.0BJETIVOS
0 presente trabalho tern como objetivo:
• Apresentar uma proposta de urn trator de pequeno porte que executa tarefas simultaneas, com a possibilidade de ut~ao de ate tres implementos conjugados;
• Escrever as equas:oes de equihbrio estatico do trator, com carga;
• Analisar as possiveis combinas:oes de implementos em termos de compatibilidade agronomica das operayoes simultaneas e a mecanica do trator, determinando desta forma farnilias de trabalho viaveis de serem acionadas pela maquina em questao;
• Estimar a viabilidade economica do trator, tanto no que diz respeito a sua produs:ao como no seu custo de operayao.
• Efetuar urn ensaio de aruilise modal do prot6tipo para a obtens:ao de seus modos de frequencia. Com posse destes resultados, verifcam-se as condis:oes estruturais com relas:ao a rigidez e suas funs:oes dinfunicas.
3.REVISAO BIBLIOGAAFICA
0 capitulo Oper~oes Agricolas visa mostrar a compleXIbilidade em se escolher corretamente os implementos para determinada cultura, condi9ao do solo e tipo do solo. A
preocup~iio existente com o custo na utili:zayiio dos implementos bern como na adequa9iio entre o trator e implemento. A questao da compact~iio que prejudica a germinayiio da semente e consequentemente limita o nillnero de passadas do trator sobre a cultura. A escolha devida das opera9oes determinara ou niio o sucesso da cultura, gerando mais ou menos custos para o empreendedor.
No capitulo Ergonomia desenvolve-se urn estudo das condi9oes de sem9o do operador de uma maquina agricola, que esta sujeito a ruidos, poeira, calor, intemperies e monotonia. 0 tratorista deve manter postura estavel apesar de VIbrar e sacolejar o tempo todo. Porem, a condi9ao mais adversa de trabalho e provocada pela necessidade de controlar simultaneamente a direyiio, para frente, eo trabalho que esta sendo executado, na parte traseira, fuzendo com que o operador gaste cerca de 60% de seu tempo olhando para
tras,
podendo prejudicar a saude de sua coluna servical.Neste capitulo 3.3 apresentam-se modelos matematicos para quantificar o desempenho de tratores e
suas
considera9oes. 0 primeiro modelo e descritos por Zoz (1987), e e baseado em testes de desempenho de pneus em pista de concreto realizados em Nebraska, Estados Unidos. 0 segundo modelo e descrito por Gee Clought, onde segundo o autor e necessario apenas tres parfunetros para descrever o eficiencia dos pneus do trator em condi9oes de campo. 0 terceiro modelo e desenvolvido por WISiller e Luth (1973), e foi desenvolvido atraves de aruilise dimensional para simplificar as eq~oes com mwtiplas variaveis.0 quarto capitulo trata-se de uma aniilise de custos, dividida em custos fixos e custos operacionais, mostrando todos os fatores que se deve considerar e os metodos utilizados.
No capitulo Mercado sera desenvolvido urn estudo do comportamento do mercado agricola nacional, seus problemas e suas conquistas desde a instalayao da primeira fabrica ate 1997, onde pode-se fazer uma anitlise e diagnosticar as lacunas existentes e perceber a falta de incentive que existe no setor, principalmente para os medios e pequeno agricultores.
3.1 OPERA<;OES AGRICOLAS
Se uma area vai ser mobilizada pela primeira vez com rruiquinas, deve estar preparada para que o conjunto de trator e implemento possa trabalhar com facilidade, sem obstaculo a seu deslocarnento. Nesta condi~ o agricultor deve providenciar a remol,)iio de arvores, tocos e raizes bern como de outros objetos, como pedras, que possam danificar a maquinaria. Neste capitulo iremos considerar que todo o terreno a ser trabalho esta em condil,)oes de receber as mllquinas que exigirem as operal,)oes que serao descritas.
Segundo Silveira (1943), o preparo peri6dico do solo
e
a fase mais importante da agricultura, pois visa proporcionar condii,)Oes favoniveisa
semeadura, gerrnina.l,)ao, desenvolvimento e produl,)iio das plantas cultivadas. Este preparo pode, em geral, ser dividido em tres categorias bern distintas:Preparo pri.mario do solo, inclui as operal,)oes mais profundas e grosseiras que visam
e!iminar ou enterrar as ervas daninhas e os restos de cultura,
alem
de soltar acamada
superficial do solo. Os implementos utilizados nessa fase sao os arados de aiveca, de discos, subsoladores, grades pesadas e arados rotativos.
Preparo secundario do solo visa o nivelamento do terreno, o destorroamento, a
incorpo~ de herbicidas, a el.im.inal,)iio de ervas daninhas no estado de sementeira, a :fiicil colocal,)ao da semente e a cobertura desta com solo. Todas as operal,)oes de preparo secundllrio do solo, tais como as gradagens, devem ser feitas com o minimo possivel de passadas de mllquinas e implementos, evitando a al,)ao desagregadora das grades e a
compac~ dos pneus do trator e das mllquinas sobre o solo soho. Nesta etapa utiliza-se grades de mola, grades de dentes, grades de discos, enxada rotativa, sulcadores e rol,)adoras.
0 cultivo
e
a operal,)ao realizada ap6s o plantio da cultura. Seu objetivoe
o de eliminar ervas daninhas que concorrem com a cultura implantada, principalmente emtermos de llgua, nutrientes, luz e ar. Essas sao opera~oes rasas, que servem tambem para eliminar crostas superficiais, melhorar a infiltra~ao de agua e a conserva~ao de umidade.
Galeti (1931), diz que em uma propriedade agricola, para se chegar
a
fase decomercializa~o de urn deterrninado produto sao realizadas uma serie de atividades denominadas opera~oes agricolas.
• Preparo inicial ( desbravamento) e peri6dico do solo;
• Semeadura, plantio ou transplante;
• Aplica~o de corretivos e fertilizantes;
• Cultivos;
• Irriga~o;
• Controle de pragas e doen~as;
• Colheita;
• Secagem e beneficiamento;
• Aramzenamento;
0 preparo periodico do solo (preparo anual), pode ser feito com arados, subsoladores, grades e enxadas rotativas. As ara~es e gradagens sao oper~5es caras; por isto, s6 devem ser feitas quando houver necessidade. 0 produtor rural deve considerar que:
1 - 0 solo precisa apresentar -se em boas condi~oes para receber as sementes ( ou mudas), para proporcionar uma boa germina~ao e born desenvolvimento das plantas.
2 - Urn maior nfunero de operavoes, de aravao ou gradagem, encarece a cultura, alem de favorecer a erosao; assim sendo, quanta mais se reduz o nfunero de operayoes, mais barata fica a cultura e menos exposto it erosao fica o solo.
3 Notificar-se das exigencias das culturas, pais existem culturas mais exigentes em preparo de solo, mas existem culturas com exigencias minimas.
4 - 0 tipo de solo; solos argilosos com pouca materia orgilnica, pouco trabalhados, alem de exigirem preparo mais "rude" tambem pedem preparo mais intenso; jli, os solos arenosos, com born nivel de materia orgilnica, trabalhados, sao normalmente "soltos" e, par isso, menos exigentes em preparo.
5 - A milquina; sua escolha correta define sua lucratividade em gerayiio de menos custos nas operavoes e melhor qualidade de seu produto para comercializavao.
Nao existe a possibilidade da recomendayiio de urn esquema ou urna forma geral de preparo do solo que posa ser utilizado em todas as situay(}es, existem sim urna receita geral de preparo que deve ser analisado em cada situayiio.
Urn outro metoda para apresentar as operavoes agricolas e proposto por Gadanha e Molin (1991), onde adota-se uma serie de operavoes sucessivas de acordo com as necessidades exigidas pelo terreno a ser cultivado. 0 ponto de partida e o preparo do solo, passando par todas as outras operavoes que visam criar condiy(}es para que o mesmo receba a implantayiio das culturas, as operavoes responsaveis pela eliminavao das plantas daninhas, controle de pragas e doenvas ate chegar finalmente it operavao de colheita.
Preparo peri6dico e urn conjunto de operay(}es agricolas de mobilizayiio do solo, realizadas antes da implantayiio da cultura comercial, com o objetivo de tamar o solo capaz de receber 6rgaos de propagayiio de plantas cultivadas, oferecendo a eles as melhores condiyoes para o seu desenvolvimento e assegurar o aproveitamento maximo de seu potencial genetico.
0 preparo peri6dico do solo e executado empregando-se maquinas e implementos destinados:
• Ao corte e inversao do solo;
• A
desagregayiio e revolvimento do solo; • Descompacta91io e destorramento do solo.As maquinas e implementos que realizam o corte e inversao do solo sao denominados arados. A funyiio dos arados
e
promover uma invers1io de carnadas de solo cortando faixas denominadas leivas que s1io elevadas e invertidas em ayiio conjunta ocasionando o efeito de esboroamento, dessa forma os materials da superficie passam para a parte de baixo da Ieiva.• Arado de aivecas;
• Arado de discos;
• Grades aradoras.
Maquinas e implementos para desagrega91io e revolvimento do solo sao utilizadas para completar o trabalho dos arados ou ainda substitui-los. Completam o trabalho dos arados destruindo torroes e eliminando bolsoes de ar nas leivas, que podem causar falhas na germinayiio ou brota9ao. Substituem os arados quando, por si s6 executam a operayiio de forma semelhante, sob condi9oes especificas, s1io eles:
• Enxada rotativa;
• Grade de discos;
• Escarificador;
• Subsolador.
A instalayiio das culturas
e
uma opera9iio de fundamental importancia para o sucesso da lavoura. Tal opera91io pode envolver a colocayiio de sementes ou 6rgaos de propagayao vegetativa de plantas no solo a uma determinada profundidade, distribui9iio dedistribuem sementes, seja cobrindo-as ou nao, sao chamadas de semeadoras. As maquinas
que dosam e distribuem 6rgaos de propagayiio vegetativa, sejam esses colmos, ramos,
tuberculos ou outros, sao chamadas de plantadoras.
As operas;oes para implantas;ao de culturas sao executadas empregando-se maquinas
e implementos destinados a:
• Tratamento e inoculayiio de sementes;
• Semeadura convencional;
• Abertura e fechamento do solo;
• Plantio;
• Transplante.
Semeadura e uma operas;ao para implanta9ao de culturas que utilizam sementes
como 6rgaos de propagas;ao. Pode ser realizada por diversos metodos, cada qual com uma
maquina diferenciada.
As maquinas utilizadas para semeadura sao:
• Semeadora a lans;o;
• Semeadora de precisao;
• Semeadora de fluxo continuo.
A opera9ao de plantio consiste em se colocar no solo partes vegetativas da cultura a ser implantada, tais como tuberculos, colmos, bulbos e outros. As maquinas que dosam e
colocam no solo 6rgaos de propagayiio vegetativa de plantas sao chamadas de plantadoras e
se apresentarem unidade adubadora sao denominadas de maquinas plantadoras-adubadoras.
As maquinas mais utilizadas nessa operas;ao sao:
• Plantadora de mandioca;
• Plantadora de cana.
Uma agricultura moderna exige o uso de fertilizantes e corretivos em quantidades adequadas, de forma a conservar a fertilidade do solo, permitindo manter ou elevar a produtividade das culturas. Quando se explora urn solo, ano ap6s ano, e se exporta boa parte de seus nutrientes pela produvao, sua fertilidade diminui, bern como a produtividade agricola. A Uni.ca maneira de se evitar esse problema
e
por meio de uma fertilizayao racional, furnecendo as plantas os elementos que elas necessitam.As maquinas mais utilizados para o manuseio e aplicayiio de fertilizantes e corretivos sao:
• Maquinas para aplicavao de fertilizantes orgiinicos;
• Maquinas para aplicavao de fertilizantes e corretivos s61idos;
• Maquinas para transporte e aplicayiio de fertilizantes e corretivos a granel;
• Maquinas para aplicavao de fertilizantes liquidos;
• Maquinas para misturar e triturar fertilizantes s6lidos.
As operavoes de cultivo sao executadas entre a semeadura, plantio ou transplante e a colheita, com a finalidade de manter a area e padroes culturais dentro das condiy()es adequadas ao desenvolvimento das plantas.
Os implementos para o cultivo sao conhecidos como cultivadores propriamente dito, e se caracterizam por seus 6rgiios ativos nao apresentarem nenhum movimento relativo. Basicamente constituem-se de hastes rigidas ou flexiveis, com ou sem ponteiras, montados em urn chassi. As maquinas para cultivo caracterizam-se por seus 6rgaos ativos apresentarem movimento rotative, que pode ser tanto num plano paralelo ou perpendicular a superficie do solo.
As maquinas e implementos agricolas utilizados para o cultivo sao:
• Cultivador de hastes;
• Cultivador de discos;
• Enxada rotativa;
• Cultivador motorizado.
Segundo Gadanha e Molin (1991) as lavouras sao freqiientemente sujeitas a a.yao de doen.yas, pragas, cujo controle envolve opera.y5es de alto significado economico por reduzirem as perdas, melhorarem a qualidade dos produtos e garantirem retorno do investimento realizado pelo produtor.
No controle desses agentes de penia, OS metodos adotados sao: 0 metodo de aplica,.ao de produtos quimicos e de produtos s6lidos.
A aplica,.ao de produtos quimicos apresentam bons resultados a curto prazo, desde que adequadamente utilizados. Dependendo do tipo de agente a ser controlado, esses produtos sao classificados em fimgicidas, inseticidas, acaricidas e outros. Esses defensives agricolas sao adquiridos na forma concentrada e sao aplicados em pequenos volumes por unidade de superficie.
Os produtos s6lidos, diluidos em veiculos s6lidos, sao aplicados na forma de p6 ou granulados. Ja os s6lidos soluveis e os liquidos, diluidos em veiculos liquidos, sao aplicados em gotas. 0 jato de gotas sera lan.yado a partir da energia que gerou as gotas ou transportado por corrente de ar.
A aplica.yao de defensives agricolas e executada empregando-se maquinas destinadas a:
• Aplica.yao de defensivo agricolas granulados;
• Aplica~o de defensivos agricolas no solo;
• Pulveriza~o de defensivos agricolas.
A colheita
e
a opera~o agricola que finaliza o ciclo de opera~oes de campo, num sistema de produ~o. Trata-se de uma opera¢o critica, pois quando mal conduzida, pode resultar em significativo prejuizo, por causa das perdas ou redu~ao da qualidade do produto colhido.As plantas cultivadas apresentam particularidades extremamente especificas por ocasiao da colheita, necessitando assim de maquinas normalmente diferenciadas para cada cultura, salvo em alguns casos, em que a mesma maquina pode ser utilizada na colheita de duas ou mais culturas, com alguns ajustes.
As maquinas e implementos utilizados para a colheita de produtos sao:
• Maquinas para colheita de forragem para fena~o;
• Maquinas para colheita de forragem para ensilagem;
• Mitquinas para colheita de cereais;
• Mitquinas para colheita de cafe;
• Mitquinas para colheita de cana-de-a~ucar;
• Mitquinas e implementos para arrancamento de produtos agricolas.
A escolha do conjunto trator/implemento conta com uma grande gama de
informa~oes para que se obtenha os resultados esperados, que sempre estao ligados na minimiza¢o de custos operacionais com a maior produtividade por
area
cultivada. Portanto, deve-se de forma geral fazer urn estudo agron6mico das condi0es do solo a ser cultivado para a melhor escolha das opera~oes, e a partir dai a escolha do trator, formando o conjunto adequado trator, implemento e solo.3.2 ERGONOMIA
Segundo !tiro Lida (1990) o termo Ergonomia foi criado e utilizado pela primeira vez pelo ingles Murre!, que passa a ser utilizado oficialmente em 1949, quando da ~ao
da primeira sociedade da ergonomia, a Ergnomic Research Society, que congregava psic6logos, fisiologistas e engenheiros ingleses, interessados nos problemas da adaptayiio do trabalho ao homem.
A Ergonomia nasceu de necessidades praticas: ela se apoia em dados sistematicos, utilizando metodos cientificos, tendo em vista de que o material, o modo, o forrnato de que sao feitos; os martelos sao escolhidos em :fi.myao das caracteristicas da materia trabalhada (madeira, pedra, ferro, etc.) e do efeito procurado (precisiio, forya, etc.), dependendo tambem das caracteristicas dos homens que os manejam (dimensiio da mao, potencia muscular utilizada, controle da massa que movimenta, etc.).
As primeiras medidas e observayoes sistematicas foram feitas por engenheiros e organizadores do trabalho, seja por pesquisadores, S<lia por medicos.
Os engenheiros e organizadores do trabalho o fazem nurna perspectiva do aperfeiyoamento do rendimento do homem no trabalho.Os pesquisadores, fisicos e fisiologistas interessam-se pelo homem em atividade para compreender seu desempenho, visando urn melhor aproveitamento de suas aptidoes, minimi.zando o efeito de suas limitay()es. Os medicos situam-se em urna corrente higienista de proteyiio da saUde dos operarios.
A concepyiio de
maquinas
complexas e sua utilizayao em situayoes extremas exigem que se considere sempre mais o modo de atuayiio do homem. Este problema manifestou-se de forma brutal durante a Ultima guerra mundial, quando se encontraram graves dificuldades na utilizayiio de material belico complexo. Mas atualmente, pode-se encontrar ainda numerosos exemplos.0 desenvolvimento dos me10s tecnicos de produvao se faz acompanhar de urn aumento da complex:ibilidade das maquinas, mas tambem de seu custo. Submetidos a condiyao de trabalho que poem em risco sua saude, a urn ritmo acelerado de produvao, it
fragmentayiio das tarefas, it agressao do meio ambiente (ruido, poeira, vibrayoes), a alteraviies peri6dicas dos horitrios de trabalho, etc., os trabalhadores nao toleram a diferenva entre os esforvos ex:igidos por uma industrializavao sempre mais aperfeivoada e as rarissimas ayiies realizadas para mudar as condiviies de trabalho, salvo quando se trata de aumentar a produyiio.
0 homem vive e trabalha num ambiente que poderiamos caracterizar por meio de medidas fisicas: meio termico, meio sonoro, meio luminoso e meio vibrat6rio. Ele s6 pode conservar a integridade de seu organismo quando esses meios nao ultrapassam certos limites. A Ergonomia, em sua perspectiva de higiene industrial, aplicou-se na determinavao dos niveis perigosos.
No meio termico ex:istem intimeros postos de trabalho submetidos a limitayiies termicas importantes como o caso do trabalho em areas extemas, em zonas climaticas frias ou quentes, em locais nao climatizados ou climatizados em funyiio de ex:igencias tecnicas. No meio luminoso o sistema visual e urn instrumento particularmente importante na procura de informaviies a respeito do trabalho: e urn meio privilegiado de reconhecimento do espayo no qual o homem se desloca; controla de modo imediato e permanente os atos do operador e seus efeitos sobre a tarefa e o meio ambiente.
As fontes de vibravao de baixa freqtiencia sao numerosas e nao cessam de aumentar. Seus efeitos sobre o organismo sao ainda pouco conhecidos, pois geralmente nao sao imediatos. No entanto, dados estatisticos de diferentes paises revelam uma importante frequencia de perturbaviies vertebrais e digestivas entre os motoristas de maquinas de estaleiros, de guindastes, de helic6pteros. Os sintomas decorrentes da execuyiio do trabalho sao importantes: os movimentos ativos sao perturbados e a acuidade visual diminui.
As freqiiencias dominantes nos mecanismos de transporte situam-se entre 2 e 5 Hz (2-4Hz e 8-10Hz para caminhoes, 2-4Hz para tratores agricolas, 2-3Hz para as maquinas de estaleiro).
E
nessa faixa que se encontram as freqiiencias de ressonancia das diferentes massas corporals, quando se considera urn corpo como urn sistema de massas em suspensiio: para o operador sentado, a freqiiencia de ressonancia da t6rax e de 4-5Hz, ada cabeya de 4-6 Hz e a do estomago de 4-5 Hz (LA VILLE, 1977).Braunbeck e Wilkinson (1979), identificaram freqiiencias naturals na faixa de 30 a SO Hz para a regiao lombar da coluna vertebral, onde a rigidez dos discos intervertebrals
e
malor e as massas das vertebras menores que em outras regioes do t6rax hurnano.Segundo Itiro Lida (1990), o trabalho com tratores e bastante arduo, porque o tratorista esta sujeito a ruidos, poeiras, calor, intemperies e monotonia.
0
tratorista deve manter postura estavel apesar de vibrar e sacolejar o tempo todo. Porem, a condi~o mals adversa de trabalho e provocada pela necessidade de controlar simultaneamente a direyao, para frente, e o trabalho que esta sendo executado, na parte traseira. No arado primitivo, puxado por cavalo ou boi, a situayao provavelmente era mals c6moda, pois toda a sua atenyao concentrava-se para frente, no sentido do movimento (Figura 3).~
ARADOFigura 3 - Posi~o do operador no primitivo arado puxado a cavalo e o tratorista de Hoje. Fonte: Itiro Lida (1990)
Os tratores exigem mals controles do que urn carro.
0
posicionamento desses controles deve ser feitos de acordo com os dados antropometricos e as caracteristicas biomecilnicas do tronco e dos membros.Conforme o tipo de tarefa em execuyiio (arar a terra, gradear, aspergir agrot6xicos), o tratorista gasta 40 a 60% do seu tempo olhando para tnis, que chegam a ate 15 ou 20 rotaryiies por minuto (que corresponde a 3 ou 4 segundos por rotayiio). Devido
a
necessidade de fazer essas constantes rotaryiies com a cabeya, o tratorista, muitas vezes, mantem o tronco torcido, em situayiio de continua tensiio dos musculos lombares. Isso, naturalmente provoca fadiga e dores musculares.A coluna vertebral do tratorista sofre o impacto das vibraryiies e das toryoes que ele faz freqiientemente para olhar para tras, verificando o funcionamento dos implementos tracionados pelo trator. Em conseqiiencia disso, os tratoristas incluem-se no grupo que apresenta grande incidencia de doenyas degenerativas da coluna. Essas exigencias Ievaram Pheasant e Harrir (1982) a propor uma figura caricatural do tratorista ideal (figura 4), tendo uma coluna de ferro, tres pes e olhos adicionais na parte posterior da cabeya para retrovisiio.
Figura 4 - Urn tratorista ideal deveria ter tres pemas, dois olhos atras da cabeya e urn dorso super reforyado. Fonte: Itiro Lida (1990)
Diversos estudos tern sido realizados para melhorar o trabalho do tratorista. Eles recaem geralmente em uma das quatro categorias:
• Aumento do conforto pelo melhor arranjo dos controles, posicionando-os dentro da area normal de alcance das maos e dos pes.
• Redesenho dos assentos, de modo a absorver as vibray(jes e facilitar as rotac;;oes do tronco (20 a 30 graus para a direita) e da cabec;;a, na ocasiao de olhar para tras.
• Instalac;;ao de uma cabina para proteger o tratorista contra o esmagamento, no caos de urn capotamento e, ao mesmo tempo, resguarda-lo do sol, chuva, poeira e vento.
Entretanto, parece que todas essas propostas sao paliativas, uma vez que ha urn problema basico ainda nao solucionado, que e o trabalho realizado na parte de tras, contra o sentido de movimento do trator.
Esse problema, portanto, merece ser melhor pesquisado, para que soluy(jes mais adequadas aliviando a carga e o sofrimento do tratorista sejam encontradas.
A proposta de uma maquina agricola que utilize o implemento central como principal utilizac;;iio esta tambem ligada ao fato ergon6mico, pais nao basta apenas o argumento de se obter melhores condiy(jes diniimicas e estruturais sem que se de melhores condic;;oes de trabalho para o operador. A melhor condic;;ao operacional visando o bern estar no posto de trabalho faz com que se tenha melhor produtividade sem que acarrete danos fisicos ao trabalhador, formando assim urn conjunto armonioso de trabalho.
Esta questao sera estudada no decorrer deste trabalho, com a execuc;;iio de uma analise modal no trator, que tern o objetivo nao s6 das respostas de modos de frequencia para analise estrutural, mas tambem as respostas de frequencia sabre o posto do trabalhador, identificando se estas frequencias estao nas regioes prejudiciais ao corpo humane, uma vez que estas maquinas oscilam em baixas frequencias.
3.3 DESEMPENHO DE TRATORES
Muitos trabalhos foram realizados nesta area tentando desenvolver modelos matematicos para a avalia.;;iio e melhoramentos do desempenho de tratores de rodas em solos agricolas dentre eles :
3.3.1 Equilibrio do trator em regime uniforme
Urn dos primeiros trabalhos desenvolvidos nesta area foi realizado por Zoz (1987), baseado em testes de desempenho de pneus em pista de concreto realizados em Nebraska, Estados Unidos. A potencia no eixo do trator niio depende da superficie de trabalho e sim do tipo de solo. 0 pneu
e
o primeiro dispositive para transformar potencia no eixo em potencia na barra de tra.;;iio, sendo dependente da carga aplicada sobre o mesmo. Devido a esta carga, existe urna deformayiio tanto do solo como do pneu, o que acarreta em uma diminuiyiio de velocidade ou deslizamento do rodado.1-
dh Fxe
p dvI
PI rr 1 II.
POT v PTDE
Figura 5 - Distribui.;;iio dinamica dos esfor9os sobre urn trator, com trayiio nas rodas traseiras. Fonte: ZOZ (1987)
A determinayiio do desempenho do trator tern como primeiro pariimetro a ser calculado o coeficiente de transferencia de peso determinado pela rela~ao entre a for~a
produzida na barra de trayiio e a carga dinamica atuante sobre o eixo motriz. Deve-se entender por dinamico a distribui~ao de peso sobre o trator considerando o efeito do implemento trabalhando em condi~oes de regime uniforme e nao como efeito devido as
acelera~es atuantes sobre o equipamento. Este cillculo e feito atraves do equihbrio de momentos e for~ atuantes nas dir~es vertical e longitudinal, representadas na figura 5.
(1)
A expressao entre chaves e conhecida como Coeficiente de Transferencia de Peso (CTP), para o eixo traseiro.
(2)
Este coeficiente quando multiplicado pela for~ de trayiio
(Fx),
determina a quantidade de peso que sera somada ao eixo motriz. Observa-se que uma parte dessa transferencia de peso total, representada porFx
tg(B)
e relativa ao implemento, a outra parte do peso transferido das rodas dianteiras do trator.Quando o iingulo da for~a for igual a zero, teremos o coeficiente de transferencia (CTP) dada pela equayiio que segue:
CTP=Fx(:)
(3)Para o caso de implementos de arrasto, o valor de dv na equa~ao anterior deve ser substituido pela altura da barra de trayiio hb. Desde que a taxa dinamica ou coeficiente de trayiio e definido como a for~ na barra de trayiio dividido pelo peso dinamico no eixo, pode-se reescrever a equa~ao do coeficiente de trayiio como:
CTP= Fx
PET+Fx~!!!_+[l+
dh]tg(e)}
lDE DE
Para implementos de arrasto tem-se:
I CT= PET hb
+
-Fx DE (4) (5)0 coeficiente de tra~iio e uma fun~iio preliminar da redu~ao de velocidade. Sua magnitude depende da superficie de contato e de outros parametros como pressiio dos pneus, dimensiio dos pneus e carga sobre os mesmos (pressiio de contato).
Muitos trabalbos comparam valores de coeficiente de tra9iio para vitrios tipos de solos e pneus, porem, como o coeficiente de tra9iio e urn parametro relativo somente ao pneu, niio e possivel inferir sobre a potencia requerida no eixo. Se a for~ do implemento
e
conbecida, e possivel determinar a patinagem para 0 caso em que tanto 0 angulo de aplica9iio da for~(e)
como o coeficiente de transferencia de peso (CTP) forem conbecidos. Desta forma, ha a necessidade de determinar a potencia de entrada paraavali~o do desempenbo do trator.
Os testes de desempenbo dos pneus incluem a determina~iio de sua eficiencia de tra9iio. Esta e determinada como uma taxa entre a potencia de saida (barra de tra9iio) e a potencia de entrada (potencia no eixo ). A eficiencia do pneu e uma combina9iio de vitrias variaveis agindo na interface solo-pneu. A eficiencia do pneu e dada por:
ET= PBT
PEX (7)
Parte da potencia de entrada niio e transformada em potencia de saida devido a patinagem. Perdas devido tambem a resistencia ao rolamento contribuem para a ineficiencia dos pneus.
Com o conhecimento do desempenho do pneu em urn certo tipo de solo, obtido com
0 equacionamento anterior, e possivel determinar 0 desempenho do trator para cada tipo de
solo.
3.3.2-Desempenho do Pneu pelo lndice de Mobilidade
Urn outre modele foi desenvolvido por GeeClough. Segundo o autor, somente tres parametres sao necessiuios para descrever totalmente a eficiencia de tra~ao de urn pneu em
condi~oes de campo. Os parametres de desempenho denominados coeficiente de tra~o CT e eficiencia de tra~ao ET foram obtidos a partir da mobilidade, utilizando os tres parametres. 0 primeiro parametro e 0 coeficiente de tra~o maximo, 0 segundo e uma constante (k) e o terceiro e a resistencia ao rolamento (RR). 0 coeficiente de tra~o em
fun~o da patinagem pode ser descrito atraves da seguinte equa~ao:
CT=CTmax(l-e-•s)
0 niunero de mobilidade (M) e definido como:
M= !Clpdp
w
1IJ
PD
~/;;;
l+ lp 2dpA eficiencia de tra~o em fun~o da patinagem pode ser descrita atraves de :
ET
CT(l-S)
CT+Crr
As seguintes equa~oes podem ser utilizadas para descrever o comportamento de (Ctmax), (k), (Crr), como fun~ao da mobilidade (M).
(8)
(9)
CTmax
=
0.796-0·92 M kCTmax = 4.838+ 0.061M Crr=
0.049+ 0·287 M (11) (12) (13)onde os valores de (dj), sao determinados estaticamente sobre uma superficie rigida. 3.3.3 - Desempenho do pneu - An:ilise Dimensional
Urn dos modelo utilizados para determinar o desempenho de tra<yao de veiculos de rodas foi desenvolvido por Wismer e Luth (1973). Este modelo foi desenvolvido atraves de analise dimensional para simplificar as equa.yoes com multiplas variaveis. Foram utilizadas nove variaveis de interesse ; indice de cone, largura do pneu, raio de rolamento, carga sobre o eixo, resistencia ao rolamento, forya de tra.yao, torque e patinagem. Urn conjunto de relayoes admensionais foram definidas como:
(14)
Para que as equayoes tenham validade, devem estar de acordo com urn modelo fisico, como proposto na figura (6).
Como mostrado na figura (6), uma roda direcional nao possui potencia pois o torque no eixo e zero. A for.ya de arrasto ou resistencia ao rolamento de urn pneu direcional depende de sua carga, forma e pressiio de insulflagem, bern como, da tensiio no solo. Para solos nao compactados e trabalhando com pressiio nominal (20% de deformayiio), a forya de arrasto e dada por:
RR
=
1.2 + 0.04 PD Cn Cn= !Clpdp PD (15) (16)Para solos altamente compactados, o valor de (Cn) e muito alto e a forva pode igualada a 4% da carga sobre aroda. Esta resistencia ao rolamento e atribuida a deformayiio do pneu. Esta relayao
e
va.Iida para pneus com rela¢o largura sobre diametro da ordem de 0,3. Desvios neste valor podem causar mudanvas na funviio para ca.Iculo desta for9a.Uma relaviio funcional entre forya, torque e patinagem para uma roda de tra9iio e tambem apresentada na figura (6). As curvas apresentadas representam a tensiio no solo, forma do pneu e carga. Quando a tensiio no solo aumenta, as curvas movem-se para cima e a esquerda e quando a tensiio diminui, movem-se para baixo e para a direita. Estas variavoes no desempenho das rodas de tra9iio com a tensiio do solo e a patinagem foram incorporadas na tra9iio liquida, incluindo a carga no pneu e seu formato.
Fx =0.75(1-e-03c.s )-
(~+004)
PD Cn (17)
A restriciio de lp
=
0.3, impoe uma relaciio de df=
0.2. Esta restriyao e associadadp ba
r
a relayao de -'-
=
0.475. Isto reduz a relaciio da forca a uma relaciio dependente e duas dpindependentes de taxas admensionais como Fx , JC lp dp e S, resultando na equaciio (17).
PD PD
Na equayao (17), a forca e equacionada como sendo o impulso bruto menos a resistencia ao rolamento onde, a resistencia ao rolamento
e
considerada igual a forya de arrasto.0
torque na roda pode ser assumido como o impulso bruto atuando com algum braco de aplicaciio. Portanto, a demanda de torque de uma roda de tracao e definida por_I:._= 0.75 ( 1-e-o,c.s )
0 valor de (1)
e
definido como o torque na roda. As equa<;:oes (17) e (18), envo1vem patinagem.(
v \
S=
1--;;:-J
(19)As caracteristicas de for<;:a, torque e patinagem de uma roda de tra~o definem, tanto a eficiencia de tra<;:ao, como o desempenho de tra<;:lio. A rela<;:lio forr;a
e
urn termopeso
aceitavel para definir niveis de desempenho. Sirnilarmente, o termo eficiencia de tra~o tern sido adotado para definir a eficiencia de uma roda;
ET = potencia-de-saida potencia-de -entrada e pode ser expressa como:
ET= Fx v Trot ET Fx PD T r,PD
(1-
s)
(20) (21) (22) (23)IPO ~ Oiceclocal
fRc
~7
Forc;:o, ex PD TensOes no soicTcmonho do pneu - cargo
5='1-V Vo
~\
Rode outopropelido ~RJ
'
Figura 6 - Rela9ao funcional entre torque, for9a e patinagern. Fonte: Serpa (1997). 0 desernpenho do pneu sobre o solo agricola e necessitrio para se inferir sobre o desernpenho do trator rnultitarefa proposto. 0 referido desernpenho expresso ern terrnos de eficiencia de tra9ao e o coeficiente de tra9ao, ambos ern fun9ao da patinagern, pode ser abordados atraves de equacionamentos rnais ou rnenos detalhados, dependendo da condi9iio particular a ser analisada.
Para analisar o desernpenho do trator ern urna condi9ao rnuito especifica de solo, sera necessario utilizar aniilise de plasticidade corn recursos nurnericos de elementos finitos, segundo apresentado por Yong (1976). No presente estudo, pretende-se estirnar o desernpenho do trator para condi96es representativas de campo, para o qual considera-se adequado utilizar as equa96es ernpiricas desenvolvidas no National Institute of Agricultural Engineering (NIAE) da Inglaterra. As referidas equa96es correspondern a dados levantados de rnais de 150 condi96es de campo, e sao descritos por Gee Clough (1980). Segundo o autor o desernpenho do pneu pode ser expresso ern terrnos de sua rnobilidade M, a qual surge ern firn9iio do indice de cone IC, da largura dos pneus lp, do difunetro do pneu dp, da carga dinfunica atuante sobre o rnesrno PD e da flexibilidade do pneu dflba, que adota valor de 0,2 para pneus agricolas flexiveis capazes de gerar largas areas de contato.
3.4CUSTOS
Segundo Barger (1963), o principal fator isolado no custo horiui.o de trabalho de urn trator
e
o tempo de utilizayao. Obviamente, urn grande fator de ut:ilizayiio e desejavel, porem o uso extensive redundara em menor qualidade da operayao se o trator nao for suficientemente versiltil para poder desempenhar as diversas tarefas de urna fazenda. Deve-se buscar urn equihbrio entre esDeve-ses dois principais condicionantes, ou Deve-seja, o uso extensive e a adaptabilidade da milquinaas
funy<ies.Uma outra analise sobre custos e descrita por Balastreire (1990). 0 gerenciamento de sistemas mecanizados agricolas e uma tarefa complexa, e nao se pode, sob pena de tornar urn empreendimento agricola inviavel, esquecer que a finalidade de uma empresa, por menor que ~a, e gerar lucros. Na medida que aumentam-se o nfunero de maquinas necessilrias para executar urn espectro de tarefas, maior sera a dificuldade para o seu gerenciamento, atingindo assim urn fator de utilizayiio grande.
Galeti (1981), descreve o conhecimento do custo do trabalho realizado pelos implementos e maquinas como de grande importancia, nao s6 para se comparar os preyos dos vilrios tipos de trabalho ou dos vilrios tipos de milquinas e implementos, mas tambem para compor os custos das culturas.
Os custos do uso de rnilquinas agricolas, nas diversas publicay<ies, sao normalmente divididos em dois componentes principais: custos fixos e custos operacionais.
3.4.1 - Custos fu.os.
Custos fixos sao aqueles que devem ser debitados, independentemente da maquina ser ou nao utilizada, dai o fato de serem tambem charnados de custos de propriedade. Entre os custos fixos silo incluidos: depreciayao, juros, alojamento e seguros.
3.4.1.1 - Deprecia~li.o
Depreciaylio se refere
a
desvalorizaylio da maquina em funylio do tempo, seja ela utilizada ou niio. Se uma maquina e pouco utilizada durante o ano, sua depreciayiio ocorrera principalmente devido a obsolescencia, enquanto, que se a mesma for utilizada intensamente a depreciayiio se dara devido ao desgaste.A depreciayiio de uma maquina niio e conhecida com certeza ate sua venda, pois apenas nesta ocasiiio se tera certeza do seu valor real. Por esse motivo, a depreciayiio normalmente e estimada atraves de diversos metodos, dentre eles OS principais siio:
• linha reta - onde a reduylio e linear durante a vida economica da maquina;
• saldo decrescente - reduyiio atraves de uma porcentagem constante sobre o valor residual;
• soma dos digitos - uma reduyiio atraves da frayao dos anos de vida economica remanescente ap6s o primeiro ano, dividido pela soma dos digitos dos anos de vida economica;
• depreciayao dedutivel - e a diferenya entre os valores remanescente no comeyo e no final do ano.
A melhor estimativa da depreciayao seria o valor corrente de mercado da maquina em considerayao. No Brasil o mercado de maquinas agricolas usadas niio e ainda suficientemente organizado para fomecer estimativas peri6dicas dos valores praticados.
0 metodo da linha reta e o mais simples de ser utilizado, resultando em uma depreciayiio anual constante da maquina, durante sua vida uti!. Os demais metodos sao indicados para estimar o valor de mercado de maquinas usadas.
3.4.1.1.1 - Metodo da linha reta
s
D=P--V
onde D = depreciayao
p = preyo de aquisi<;:ao da maquina
V = vida economica em anos s = valor de sucata
(24)
Neste metodo, o valor de sucata geralmente e arbitrado em 10% do valor do pre<;:o inicial da maquina.
3.4.1.1.2- Metodo do saldo descrente
Atraves deste metodo a quantidade de deprecia<;:ao da maquina
e
diferente para carla ano esperado de vida da mesma. Em cada ano uma razao constante e aplicada ao valor residual da maquina, no inicio de cada ano. 0 valor residual obtido nunca e menor que o valor de sucata da maquina considerada.Segundo Hunt (1970) a depreciayao se da:
D=V. -V.+1 (25)
(26)
(27)
onde D = depreciayao para o ano n+ 1
P = pre<;:o de aquisi<;:ao
n = nfunero que representa a idade da maquina em anos, no come<;:o do ano considerado
