UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROJETO DE ELEVADOR MONTA-CARGAS PARA INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA
RAFAEL EDUARDO SATURNO ALVES
NATAL- RN, 2022
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROJETO DE ELEVADOR MONTA-CARGAS PARA INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA
RAFAEL EDUARDO SATURNO ALVES
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico, orientado pelo Prof. Me. Daniel Ricardo Araújo Amaro
NATAL - RN
2022
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROJETO DE ELEVADOR MONTA-CARGAS PARA INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA
RAFAEL EDUARDO SATURNO ALVES
Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso
Prof. Me. Daniel Ricardo Araújo Amaro ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador
Prof. Me. Dácio Germano Xavier Rebouças ___________________________
Universidade Federal Rural do Semiárido - Avaliador Externo
Prof. Me. Ítalo Sabino Arrais Bezerra ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
NATAL, 28 de mês de 2022.
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Alves, Rafael Eduardo Saturno.
Projeto de elevador monta-cargas para indústria alimentícia / Rafael Eduardo Saturno Alves. - 2022.
46 f.: il.
Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia Mecânica, Natal, RN, 2022.
Orientador: Prof. Me. Daniel Ricardo Araújo Amaro.
1. Engenharia Mecânica - TCC. 2. Elevador - TCC. 3. Monta- cargas - TCC. 4. Cabos - TCC. 5. Cabine - TCC. I. Amaro, Daniel Ricardo Araújo. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU 621
Elaborado por Fernanda de Medeiros Ferreira Aquino - CRB-15/301
Agradecimentos
Gostaria de agradecer primeiramente a Deus, pela saúde e capacidade de discernimento durante a produção deste trabalho. À minha mãe, Edileuza, que nunca mediu esforços para me dar a melhor educação que podia. Ao meu pai, Rosemberg, por sempre mostrar apoio incondicional. A minha esposa, Tatianny, que nunca me deixou desanimar.
Também gostaria de agradecer ao meu professor e orientador, Daniel Ricardo, pelo apoio, e por proporcionar um grande aprendizado durante o curso de máquinas de elevação e transporte. Aos Professores Mestres Ícaro Sabino Arrais Bezerra e Dácio Germano Xavier Rebouças, pelas orientações e conselhos, e por terem aceitado o convite de participar desta banca.
A Universidade Federal do Rio Grande do Norte, pelos anos em que pude ter o privilégio de frequentar sua estrutura de ensino e pesquisa, a Escola de Ciências e Tecnologia, o Centro de Tecnologia, a biblioteca e todas as outras dependências.
A Solidus Jr e o Potiguar Rocket Design, por todo aprendizado prático e as pessoas que tive a oportunidade de conhecer, por me fazerem um profissional melhor.
Alves, Rafael E. S. Projeto de elevador monta-carga para indústria alimentícia.
2022. 49p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2022.
Resumo
Máquinas de elevação são amplamente difundidas no meio industrial como forma de aumentar a produtividade, agilizando as linhas de produção pela grande capacidade de carga em um curto espaço de tempo. O presente trabalho tem como objetivo a melhoria do funcionamento e adequação às normas de um elevador de cargas de uso frequente em uma linha de produção de uma indústria de panificação, tomando como base os parâmetros de projeto de máquinas de elevação e transporte presentes nas normas NBR 14712, NBR 8400 e a literatura disponível.
Inicialmente elencou-se os principais problemas presentes na estrutura, e em seguida buscou-se a solução que melhor se aplicaria a curto prazo, de forma a gerar menos danos a linha de produção, e em seguida a melhor solução a longo prazo para prolongar a vida útil do elevador. Foram propostas melhorias e adequações estruturais para otimização do funcionamento do elevador, que apresenta contínuas falhas, principalmente no que tange o uso dos cabos de aço e polias.
Palavras-chave: Elevador, Monta-cargas, Cabos, Cabine.
Alves, Rafael E. S. Freight elevator project for a food industry. 2022. 49p.
Completion of course work (Graduate in Mechanical Engineering) - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2022.
Abstract
Lifting machines are widely used in the industrial environment as a way to increase productivity, streamlining production lines due to the large load capacity in a short time. The present work aims to improve the functioning and compliance with the standards of a freight elevator of frequent use in a production line of a bakery industry, based on the design parameters of lifting and transport machines present in the NBR 14712, NBR 8400 and available literature. Initially, the main problems present in the structure were listed, and then the solution that would best apply in the short term was sought, in order to generate less damage to the production line, and then the best long-term solution to prolong the elevator life. Improvements and structural adjustments were proposed to optimize the operation of the elevator, which has continuous failures, especially regarding the use of steel cables and pulleys.
Keywords: Elevator, Hoist, Cables, Cabin.
Lista de Figuras
Figura 1 – Elevador de Elisha Graves Otis (1851) ... 14
Figura 2 – Elevador monta-cargas. ... 18
Figura 3 – Principais componentes. ... 19
Figura 4 – Placa de identificação do motor. ... 21
Figura 5 – Contrapeso do elevador. ... 23
Figura 6 – Mecanismo de elevação ... 23
Figura 7 – Dano causado pelo atrito entre o cabo de aço e o suporte da polia ... 27
Figura 8 – Cabo rompido após falha com a roldana e marcas do atrito entre o cabo e a estrutura. ... 28
Figura 9 – Posicionamento do cabo afastado do suporte. ... 29
Figura 10 – Colocação da roldana central. ... 29
Figura 11 – Cabo posicionado de forma correta no mecanismo de elevação. ... 30
Figura 12 – Bandeja de alumínio para 5 pães. ... 30
Figura 13 – Esboço do esqueleto do elevador. ... 31
Figura 14 – Posicionamento das bandejas dentro do volume disponível. ... 32
Figura 15 - Esboço da viga. ... 36
Figura 16 – Esboço da Cabine. ... 38
Figura 17 -Esforço sobre o piso do elevador. ... 38
Figura 18 – Esboço da polia com o cabo. ... 42
Figura 19 – Cabo com modelo de composição Seale. ... 43
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Parâmetros para cálculo da espessura mínima da chapa. ... 26
Tabela 2 – Aços estruturais. ... 33
Tabela 3 – Resumo das dimensões do Monta-cargas... 34
Tabela 4 – Fórmulas para chapa uniforme. ... 34
Tabela 5 – Espessuras para chapa grossa laminada a quente. ... 35
Tabela 6 – Dimensões do perfil cantoneira. ... 37
Tabela 7 – Dimensões perfil I. ... 39
Tabela 8 – Classes de Funcionamento. ... 40
Tabela 9 – Estados de solicitação. ... 40
Tabela 10 – Grupos de mecanismo. ... 41
Tabela 11 – Valores mínimos de Q. ... 42
Tabela 12 – Valores de H1. ... 43
Tabela 13 – Valores de H2. ... 43
Tabela 14 – Resumo das Dimensões. ... 44
Lista de Símbolos
𝑀 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎
𝜎𝑒 𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐹𝑠 𝐹𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑎𝑛ç𝑎 𝜎𝑎𝑑𝑚 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑠í𝑣𝑒𝑙 𝑞 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜
𝑡 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑃 𝑃𝑒𝑠𝑜
𝑅 𝑅𝑒𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑜𝑖𝑜 𝑀𝑚𝑎𝑥 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑊𝑚𝑖𝑛 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜
𝑄 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑜 𝑔𝑟𝑢𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑐𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜 𝑇 𝑇𝑟𝑎çã𝑜
𝜓 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑖𝑛â𝑚𝑖𝑐𝑜 𝑎 𝐴𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜
𝐷 𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑎 𝑑 𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑜 𝑐𝑎𝑏𝑜
Sumário
Agradecimentos ... 1
Resumo ... 3
Abstract ... 4
Lista de Figuras ... 5
Lista de Tabelas ... 6
Lista de Símbolos ... 7
Sumário ... 8
1. Introdução ... 10
1.1. Objetivo geral ... 11
1.2. Objetivos específicos...9
2. Referencial bibliográfico ... 12
2.1. Definição...10
2.2. Breve Histórico...10
2.3. Tipos de Máquinas de Elevação e Transporte...12
2.4. Elevadores...14
2.5. Tipos...15
2.6. Monta-cargas...16
2.7. Principais componentes...17
2.8. Normatização...18
3. Metodologia ... 21
3.1. Materiais...19
3.2. Métodos ... 24
4. Resultados e Discussões ... 27
4.1. Alterações no elevador...25
4.2. Projeto do monta-cargas...28
5. Conclusões ... 45
6. Referências ... 46
1. Introdução
Após um período de estágio em uma indústria alimentícia de pequeno porte em transição para um porte maior, foram observados diversos problemas na linha produtiva, que não era capaz de absorver a demanda por produtos, que só aumentava. Um dos problemas que mais persistiam, era a dificuldade no transporte dos produtos do setor de produção para o setor de embalagem.
O prédio foi construído inicialmente como uma casa pequena em apenas um lote. Conforme as coisas foram aumentando, os donos da empresa foram comprando lotes vizinhos e no período em que se deu o estágio, todo o prédio da fábrica já se estendia por sete lotes, dentro de um condomínio de casas. Isso gerou também problemas externos, pois a rede de energia e o calçamento da rua não comportavam o que a fábrica havia se tornado,
Internamente, o prédio foi sendo construído conforme a necessidade e com a expansão, foi construído um primeiro andar, onde a produção ficou concentrada no térreo, e o setor de embalagem ficou no primeiro andar. A conexão entre esses dois setores, se dava através de um elevador, no qual eram transportados os produtos em armários, de um setor para o outro, e era a única forma ágil de transportar os produtos.
Durante os 10 meses de estágio, um dos maiores gargalos vistos foi justamente o elevador, construído sem um projeto de engenharia, e através de um conhecido do dono. Foi observado que frequentemente haviam paradas para manutenção, todas paradas de manutenção corretiva e o principal motivo era o rompimento de cabos de aço, principalmente os cabos do contrapeso do elevador, portanto, para manter a produção contínua, era necessário um projeto correto de máquina de elevação.
No presente trabalho, foram apresentadas possíveis causas para o problema de rompimento dos cabos, e também soluções a curto e longo prazo, através dos conhecimentos de máquinas de elevação e transporte e as normas regulamentares que cerceiam a construção de elevadores de carga e elevadores monta-cargas, para assim, mitigar as falhas críticas que circundam todo o projeto da máquina. As contribuições para a fábrica, foram a melhoria da confiabilidade e a diminuição das
paradas para manutenção corretiva, que acabavam tendo uma duração bastante elevada.
Levando em consideração as restrições impostas pela norma, o elevador utilizado não poderia funcionar. A estrutura da cabine em madeira e a falta de um sistema de polias torna a máquina impropria para a movimentação de cargas. A solução proposta, foi a substituição do elevador por um monta-cargas, pois a mudança para uma cabine metálica, exigiria um motor com mais potência e uma estrutura de polias para a movimentação do carro.
Devido às características do uso, como a baixa carga, a frequência de uso, e a não necessidade de uma pessoa dentro do elevador para o transporte da carga, foi sugerido a substituição do elevador por um monta-cargas, que têm funcionamento mais simples e apresenta menos exigências de segurança e um custo de manutenção mais baixo.
1.1. Objetivo geral
Mitigar as falhas contínuas presentes no elevador usado na empresa, projetar um elevador monta-cargas de acordo com as normas vigente, e com isso melhorar a confiabilidade e diminuir custos e paradas de manutenção, proporcionando uma melhor continuidade na linha de produção.
1.2. Objetivos específicos
• Adequar projeto as normas NBR 8400 e NBR 14712
• Dimensionar corretamente da cabine, das vigas e das colunas do carro;
• Dimensionar corretamente dos cabos;
• Dimensionar corretamente as roldanas;
• Selecionar melhor os materiais;
• Fazer o esboço estrutural em CAD.
2. Referencial bibliográfico
2.1. Definição
Máquinas de elevação e transporte são essenciais para que uma indústria alcance o máximo de eficiência produtiva. Para Rudenko (1976), os inúmeros projetos de máquinas de elevação e transporte são o resultado de uma grande variedade de espécies e propriedades de cargas a serem movidas e da abundância de operações de transporte, sem a qual a produção moderna seria impossível.
Segundo Asokan (2017), a função de um elevador depende, principalmente, do propósito para o qual ele é construído. Podem ter uso em residências, hospitais, estações de lançamento de ônibus espaciais, etc., atendendo as mais diversas necessidades e requisitos.
Em geral, o funcionamento destas máquinas envolve grandes riscos, principalmente devido à elevada massa que esses equipamentos podem carregar. O dimensionamento incorreto, pode acarretar em sérias consequências para os usuários e quem trabalha próximo. Devido a esse e outros fatores, que projeto de uma máquina de elevação só deve ser feito por um profissional com conhecimentos de resistência dos materiais e elementos de máquinas.
Uma escolha adequada dos aparelhos requer não só o conhecimento especial do projeto e das características operacionais do mecanismo, mas também a completa compreensão da organização de produção na empresa (RUDENKO, 1976).
2.2. Breve histórico
A ideia de uma máquina capaz de transportar verticalmente pessoas e cargas não é de hoje. O arquiteto romano Vitrúvio, descreveu em seus livros um elevador criado pelo matemático grego Arquimedes, operado por cordas de içamento presas a um tambor, movido por força humana em 236 antes de Cristo (Laura Schumm, 2014).
Já no século XVIII, o rei Luís XV mandou que fizessem o que ele chamou de
“Flying Chair” ou cadeira voadora. Uma espécie de pequeno armário que era suspenso através de uma corda, com várias polias e contrapesos que levavam o monarca até os aposentos de suas amantes, no próprio castelo de Versailles.
Segundo Laura Schumm (2014), no século XIX, já eram comercializados elevadores movidos a vapor ou água, mas as cordas usadas para içamento não eram confiáveis, o que desencorajava o transporte de pessoas. Apenas em 1851, o inventor americano Elisha Graves Otis (1811 – 1861) criou o primeiro elevador, mostrado na Figura 2, que poderia de fato, transportar cargas verticais com segurança, se deslocava entre dois trilhos e apresentava um sistema de segurança em caso de falha do cabo.
Figura 1 – The Flying Chair.
Fonte: Acervo Madame de Pompadour
2.3. Tipos de máquinas de elevação e transporte
Segundo Rudenko (1976), as operações de manuseio de carga em todas as empresas dependem das facilidades de transporte interno e externo. Na parte interna, é fundamental a utilização de máquinas de elevação e transporte para tornar os processos da linha de produção mais ágeis.
Em seu livro, Máquinas de Elevação e Transporte, Rudenko (1976), classifica essas máquinas em:
● Equipamento de elevação
● Equipamento de transporte
● Equipamento de superfície e elevado
Equipamentos de elevação são equipamentos responsáveis por mover cargas em lotes, como elevadores e guindastes. Equipamentos de transporte são responsáveis por mover cargas continuamente, não necessariamente com elevação, como esteiras, por exemplo. Equipamentos de superfície e elevado manuseiam a carga em lotes, e podem não ter capacidade de elevação, como empilhadeiras.
Os elevadores podem ser classificados também em elevadores com casa de máquinas e elevadores sem casa de máquinas. A casa de máquinas pode estar
Figura 2 – Elevador de Elisha Graves Otis (1851)
Fonte: Blog Otis Elevadores
situada em cima da caixa do elevador, em cima ao lado, ou em baixo ao lado (Nuno Ângelo, 2016).
Para Rudenko (1976), existem seis fatores técnicos considerados principais na hora da escolha de uma máquina de elevação, o primeiro deles, e que serve de base para os outros, é sobre aespécie e propriedades de carga a serem manuseadas.
É dito que para carga unitária, devemos considerar sua forma, peso, fragilidade, temperatura, superfície de apoio ou se pode ser suspensa. Quando se trata de cargas a granel, devemos atentar para a dimensão do espaço, se a carga tem tendência a amassar, o peso específico e quantidade de fragmentos, propriedades químicas, entre outros. Tais características das cargas podem reduzir a faixa de máquinas que podem ser utilizadas em cada caso, pois como é dito pelo autor: “[...] os diferentes aparelhos não são adaptados, igualmente, para as várias propriedades das cargas.”
Outro fator de grande importância, segundo o autor, para a escolha da melhor máquina de elevação para a função requerida é a capacidade horária requerida por unidade, que trata da capacidade que a máquina tem de mover cargas por hora de trabalho. Alguns equipamentos, como os transportadores de ação contínua (Esteiras e correias transportadoras), possuem capacidade horária ilimitada, já que não necessitam de paradas para fazer a movimentação da carga. Já elevadores possuem carga limitada, pois em seu funcionamento, dependem de paradas para carregamento e descarregamento.
O terceiro fator é a direção e a distância do percurso. As cargas podem ter que ser deslocadas na direção horizontal, vertical, ou em qualquer outro ângulo.
Movimentos horizontais podem ser solucionados com esteiras, ou pontes rolantes, por exemplo. Verticais podem ser resolvidos com elevadores ou guindastes. Movimentos diagonais à linha do horizonte podem ser feitos com esteiras de elevação ou descida, ou até mesmo guindastes.
Rudenko (1976), ainda cita o método que será usado para empilhar as cargas como determinante, pois algumas máquinas necessitam de dispositivos auxiliares ou força manual. Podemos citar como exemplo, as empilhadeiras, que necessitam muitas vezes de um pallet para auxiliar no empilhamento. Cita também condições específicas do local, como relevo, tipo de edifício, poeira, umidade, podemos citar também a temperatura local e a presença de vapor ou gases.
O último fator que o autor cita, que é considerado muito importante, são as características dos processos de produção relacionados com a movimentação de cargas. Por exemplo, em uma fundição, apenas esteiras e guindastes específicos podem ser usados, para que haja segurança no transporte de materiais que muitas vezes estão a altas temperaturas.
Mais um fator que não é citado por Rudenko, mas é interessante mencionar, é o custo despendido, pois equipamentos deste tipo têm valores elevados para aquisição, e muitos deles necessitam de profissionais capacitados para operá-los. O custo de um elevador predial pode variar de R$90 mil até R$200 mil, segundo a empresa Confort elevadores.
2.4. Elevadores
O elevador pode ser considerado “um conjunto de mecanismos interligados e articulados entre si, com a finalidade de transportar em segurança pessoas e/ou cargas numa trajetória vertical (Nuno Ângelo, 2016). Já Rudenko (1976), define elevadores como: “[...] Grupo de máquinas de ação periódica destinadas a levantar cargas, com guias.”
Os elevadores podem ser classificados quanto ao tipo de acionamento em acionamento eletromecânico ou acionamento eletro-hidráulico. O mais comum é o eletromecânico, que é equipado com um motor e um redutor. Esse acionamento é geralmente auxiliado por um contrapeso que diminui a força necessária para o motor
Figura 3 – Elevadores de passageiros.
Fonte: Blog Otis Elevadores.
elevar a cabine. No motor eletro-hidráulico, uma bomba aciona um cilindro hidráulico que eleva a cabine ou plataforma; A descida é feita por gravidade (Emmanuel Petejo, 2018).
2.5. Tipos
Asokan (2017), classifica os elevadores em 3 tipos, com base em seu acionamento. São eles o elevador hidráulico, o elevador de tambor e o elevador de polia de tração (Figura 4).
No elevador hidráulico, uma bomba aciona o fluido hidráulico de um embolo para fazer a subida do elevador. A descida é feita por gravidade, com o esvaziamento gradativo do embolo. Um bom exemplo deste mecanismo são as plataformas de elevação de veículos, muito presentes em oficinas. Segundo Asokan (2017), a principal vantagem deste tipo de elevador, é o seu baixo custo para aquisição. Em contrapartida, é necessário que se faça uma cova profunda para o êmbolo e a distância de deslocamento vertical do elevador é limitada. É indicado para altas cargas e curtas distâncias.
Já no elevador de tambor, o acionamento se dá com um sistema de motor elétrico e redutor ligados a um tambor enrolando com um cabo de elevação, na ampla maioria das aplicações é um cabo de aço, preso ao carro do elevador, fazendo a elevação vertical. Neste tipo de elevador, é muito comum o uso de contrapesos, para auxiliar o motor. À medida que o cabo se enrola no tambor, é feita a elevação. A
a) b) c)
Fonte: a) Simen Elevadores. b) Autor. c) Spel Elevadores.
Figura 4 – a) Elevador hidráulico. b) Elevador de tambor. c) Polia de tração.
descida é a partir do desenrolar do cabo no tambor. A principal desvantagem é a necessidade de grandes forças para realizar o içamento. É indicado para cargas baixas e grandes percursos.
O elevador de polias de tração tem um mecanismo semelhante ao elevador de tambor. O cabo de elevação preso ao cabo é tracionado por um moto-redutor. No entanto, o cabo não é conectado diretamente ao carro do elevador. O acionamento se dá por meio de uma polia de tração por onde passa o cabo de elevação que liga o carro do elevador a um contrapeso, que tem como função, equilibrar a carga do elevador. A principal vantagem é a economia de energia, pois é necessário menos esforço para a movimentação da carga.
2.6. Monta-cargas
Segundo José Neto e Otacílio Pires (2018), o uso de monta-cargas (Figura 5) data do início do século XIX. Possuem custos de projeto e manutenção menores do que os elevadores de carga, principalmente devido a utilizarem baixos coeficientes de segurança.
O monta-cargas é um elevador de dimensões menores, com uso exclusivo para transporte de cargas sem passageiros. É muito comum o seu uso em hospitais, hotéis e aeroportos para transporte de pequenas cargas entre os andares.
Fonte: Catálogo Zenit Elevadores (2022).
Figura 5 – Elevador monta-cargas.
2.7. Principais componentes
Os componentes de elevadores e monta-cargas são basicamente os mesmos, com poucas diferenças, conforme mostrado na Figura 6. Começando das estruturas superiores para as inferiores, temos inicialmente a casa de máquinas.
2.7.1. Casa de máquinas
A casa de maquinas é onde ficam abrigados a máquina de tração do elevador, bem como o quadro elétrico. Também é o local que se posiciona toda estrutura de içamento, no caso de elevadores que possuam casa de máquinas. Outro componente importante presente é o limitador de velocidade, que é um dispositivo mecânico responsável pelo acionamento do freio de segurança quando a velocidade do carro ultrapassar o limite seguro estabelecido.
2.7.2. Cabine, carro e caixa
Abaixo da casa de máquinas, temos a cabine, que junto a armação e a plataforma de sustentação formam o carro do elevador, responsável por carregar a
Figura 6 – Principais componentes.
Fonte: Catálogo Zenit Elevadores (2022).
carga útil do elevador. O espaço no qual o elevador se desloca é conhecido como caixa.
2.7.3. Freio de Segurança
O freio de segurança é um dispositivo mecânico fixado à armação do carro, responsável por parar o carro, a partir do acionamento do limitador de velocidade.
2.7.4. Poço
Abaixo das estruturas descritas anteriormente, temos o poço, que é o espaço no fundo da caixa, onde se encontram alguns dispositivos de segurança para o casso de quedas, como amortecedores e dispositivos para parar o motor.
2.7.5. Contrapeso
O contrapeso, é o equipamento responsável por equilibrar a massa total da cabine e possibilita um melhor atrito entre os cabos e a polia de tração. A massa do contrapeso é calculada somando a massa da cabine suspensa, mais um valor entre 40% e 50% da carga nominal da cabine (Nuno Ângelo, 2016). A ausência de um contrapeso é permitida nos casos em que a carga nominal do monta-carga seja menor que 200 kgf.
2.7.6. Cabos de aço
Os cabos de aço são o principal equipamento de segurança dos elevadores.
São compostos por um conjunto de arames entrelaçados em volta de um cabo interior, conhecido como alma, que pode ser constituído de uma fibra, como cânhamo, ou de aço. Os cabos possuem diversas configurações de construções para as mais diversas aplicações.
2.8. Normatização
Como base para a adequação do elevador e o projeto do monta-cargas, foram utilizadas as normas NBR-8400 de 1984, que trata do cálculo de equipamentos para levantamento e movimentação de cargas, como os cabos e polias. A norma traz também classificações de acordo com o tempo de uso e as cargas aos quais o equipamento estará sendo solicitado durante o funcionamento. E a norma NBR-14712
de 2013, que trata dos requisitos de segurança para a construção e instalação de elevadores de carga e monta-cargas.
3. Metodologia
3.1. Materiais 3.1.1. Cabine
A estrutura da cabine e do carro é feita em ferro e madeira, o que não é indicado para o transporte próximo ao forno, já que é um material altamente inflamável. Outro fator que torna a madeira inapropriada é a dificuldade na limpeza, já que a água prejudica a madeira, comprometendo a esterilização do elevador.
Outro detalhe que causa bastante problema, é a presença de uma botoeira dentro, que entra em contato direto com os armários nos quais os produtos são transportados. O piso da cabine é constituído de uma chapa de metalon, sobre uma chapa de madeira compensada. Além de não se incombustível, está em processo de flambagem.
3.1.2. Motor
O elevador é erguido por um motor de indução trifásico IEC80 da fabricante Hércules com uma caixa de redução. O motor tem uma potência de 2 Hp, rotação de saída de 3380 RPM e rendimento de 83,5%, com ligação em 380V.
Fonte: Autor.
Figura 7 – Placa de identificação do motor.
3.1.3. Cabo de Aço
O cabo utilizado é um galvanizado, de 1/2 polegada, sua construção é 6x19 com alma de fibra. Além das falhas constantes por rompimento de cabos, no período observado o elevador também apresentou uma falha crítica de desprendimento do contrapeso após o rompimento de um dos cabos de aço do contrapeso. A falha causou danos não só na máquina de elevação, mas também na própria estrutura do contrapeso, nos parafusos de fixação da peça, devido à queda.
3.1.4. Polias e Roldanas
O elevador não possui polias, o içamento é realizado por roldanas. Para o contrapeso são quatro roldanas, que possuem 22,6 mm de largura e 100 mm de diâmetro. Já para o içamento da cabine é utilizada apenas uma roldana de 150 mm que faz a inversão de sentido do cabo que vem do tambor e fixa-se na parte superior da caixa, onde o elevador se desloca.
Figura 8 – Roldana do Elevador.
Fonte: Autor.
3.1.5. Contrapeso
O contrapeso (Figura 9) é constituído de três chapas de concreto pré- moldado, subdimensionado para o peso da cabine. Uma das falhas claras de projeto, foi o mal dimensionamento dos cabos e das polias. O cabo utilizado para o contrapeso, que apresentou a grande maioria das falhas, era um cabo de ½’’, com uma polia que visivelmente era indicada para um cabo de bitola menor. Que devido a pouca carga do contrapeso, acabava não tensionando da forma correta, o que ocasionava um contato entro o cabo e a estrutura de ferro da polia.
3.1.6. Mecanismo de elevação
Seguindo a classificação de Asokan (2017), o elevador em questão pode ser caracterizado como um elevador de tambor. A elevação se dá por uma roldana que
Figura 10 – Mecanismo de elevação
Fonte: NBR-8400
Figura 9 – Contrapeso do elevador.
Fonte: Autor.
movimenta a cabine entre a extremidade fixa do cabo e o tambor, conectado a caixa de redução, que por sua vez é acoplada ao motor, esboçada na Figura 10 abaixo.
3.1.7. Software Utilizado
Para a modelagem do monta-cargas, foi utilizado o software SolidWorks, que é um software de CAD desenvolvido pela Dassault Systems, amplamente empregado em projetos mecânicos e simulações estruturais. O software foi escolhido devido a licença estudantil disponível.
3.2. Métodos
3.2.1. Classificação de acordo com a NBR 8400
A norma classifica os mecanismos quanto a classe de funcionamento e o estado de solicitação. A classe de funcionamento é tabelada de acordo com o tempo médio diário de funcionamento. Já o estado de solicitação, diz respeito a intensidade das cargas que serão transportadas, e o quão próximo da carga máxima as solicitações estão.
3.2.2. Materiais para a estrutura
O item 4.7.1.1 da NBR-14712 determina que a caixa, e os elementos de armação do carro e da plataforma sejam feitos em material metálico, mais especificamente o aço, que pode ser laminado, forjado, formado ou fundido segundo os seguintes requisitos:
a) Aço laminado e formado: ASTM A36 ou ASTM A283 Grau D;
b) Aço Forjado: ASTM A668 Classe B;
c) Aço fundido: ASTM A27 Grau 60/30.
Também é posto que o ferro fundido não pode ser usado em partes da máquina onde ocorram esforços de tensão, tração, torção ou flexão.
3.2.3. Dimensões para os elevadores de carga e monta-cargas
Quanto ao dimensionamento da cabine, o item 4.7.3 da NBR-14712 explicita apenas que os elevadores de carga devem ter um mínimo de 2 metros de altura livre.
A carga máxima varia de acordo com a classe do elevador, que pode ser classe A, classe B ou classe C, conforme o item 4.3.
A norma NBR 14712 de 2013, faz a diferenciação entre elevador de cargas e monta-cargas. Segundo a norma, o elevador de carga pode transportar além da carga, um ascensorista e uma pessoa para carga e descarga. Já o monta-cargas tem a capacidade de carga limitada a 300 kg, e só pode ser usado para transportar exclusivamente cargas.
A norma também define outros parâmetros necessários para o projeto e funcionamento de monta-cargas. O coeficiente de segurança pode variar de 2 até 5 dependendo das solicitações as quais o equipamento estará submetido e não se pode, em hipótese alguma, transportar pessoas. A dimensão máxima da cabine é 1,0 m x 1,0 m x 1,2 m.
3.2.4. Cálculos dos Elementos Mecânicos 3.2.4.1. Cabos de aço
No cálculo dos cabos de aço, a norma NBR-8400 determina que o diâmetro mínimo seja calculado através da fórmula abaixo:
𝑑𝑐 = 𝑄√𝑇 (1)
Onde,
𝑇 → 𝐸𝑠𝑓𝑜𝑟ç𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑒𝑚 𝑑𝑎𝑁
𝑄 → 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑎 𝑐𝑙𝑎𝑠𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎çã𝑜 𝑑𝑜 𝑚𝑒𝑐𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜
O esforço máximo de tração é calculado a partir das cargas as quais o cabo está sendo solicitado. O coeficiente Q é tabelado de acordo com o grupo do mecanismo, avaliado cruzando os dados referentes ao estado de solicitação e a classe de funcionamento. Após o cálculo do diâmetro mínimo, foi escolhido o diâmetro que mais se aproximava no catálogo de cabos da CIMAF.
3.2.4.2. Cálculo das polias
A norma NBR-8400 determina que o diâmetro das polias seja escolhido a partir do diâmetro mínimo de enrolamento do cabo, calculado com a equação 2 abaixo:
𝐷𝑒 ≥ 𝐻1 𝑥 𝐻2 𝑥 𝑑𝑐 (2)
Onde H1 e H2 são coeficientes tabelados pela norma, escolhidos de acordo com a configuração do mecanismo.
No entanto, a norma NBR-14712, item 5.2.4 determina apenas que as polias tenham no mínimo 30 vezes o diâmetro do cabo.
3.2.4.3. Tensão Admissível
Para garantir a segurança, é necessário que se limite a carga aplicada a um valor menor do que a carga máxima suportada pelos elementos da máquina (Hibbeler, 2019). Essa relação é calculada com base na escolha do fator de segurança do projeto, através da seguinte equação:
𝐹𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑆𝑒𝑔𝑢𝑟𝑎𝑛ç𝑎 (𝐹𝑆) = 𝜎𝑟𝑢𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎
𝜎𝑎𝑑𝑚 (3)
3.2.4.4. Espessura Mínima da Chapa
Determinar a espessura mínima da chapa é a forma mais segura de se projetar o piso da máquina de elevação. Assumindo que a chapa seja plana, uniforme de material isotrópico, Young e Budynas (2001) determinam as seguintes fórmulas para cálculo da espessura mínima:
Tabela 1 – Parâmetros para cálculo da espessura mínima da chapa.
Fonte: Roarks Formulas for Stress and Stain. Young and Budynas (2001).
4. Resultados e Discussões
4.1. Alterações no Elevador
Para o elevador em operação na fábrica, as alterações foram propostas através de noções de engenharia e observações do funcionamento da máquina.
Como não era possível medir a massa da cabine, não seria possível fazer os cálculos dimensionais da forma correta.
Ao observar a movimentação dos cabos de aço, imediatamente foi possível observar que o cabo tinha o diâmetro maior do que o indicado para as polias, pois o cabo entrava em contato com o suporte da polia, conforme mostrado na Figura 11 abaixo. Isso causava danos não só ao cabo, mas também ao próprio suporte. Então a primeira alteração, foi com relação ao diâmetro do cabo.
Fonte: Autor.
Figura 11 – Dano causado pelo atrito entre o cabo de aço e o suporte da polia
Essa alteração melhorou o desempenho do sistema de elevação, pois o cabo passou a não entrar em contato com o suporte, no entanto, o cabo ainda não parecia corretamente tensionado, já que ainda criava um pequeno arco entre as polias. O contrapeso não tinha carga para exercer a tensão suficiente para manter o cabo completamente em contato com a roldana, mesmo com o cabo de diâmetro menor.
Essa falha ocasionou a saída do cabo da roldana, que acabou preso entre a própria roldana e o suporte. Conforme a Figura 12 abaixo, onde está circulado a marca do atrito entre o cabo e a estrutura.
Para elucidar tal problema, a solução encontrada a curto prazo, foi a adição de uma roldana central (Figura 14), entre as duas roldanas de movimentação do contrapeso. A alteração surtiu o efeito esperado, e não houve mais rompimento de cabos de aço devido o atrito do cabo com alguma superfície. O cabo de aço de 1/2’’
foi substituído por um cabo de 3/8’’, que é o imediatamente abaixo, de acordo com o catálogo da CIMAF. Na abaixo, é possível ver o como a máquina de içamento ficou após as alterações. Por fim, o cabo ficou devidamente tensionado, como é possível ver na Figura 15 abaixo. Até o momento de finalização deste trabalho, o elevador não apresentou mais falhas.
Figura 12 – Cabo rompido após falha com a roldana e marcas do atrito entre o cabo e a estrutura.
Fonte: Autor.
Fonte: Autor.
Fonte: Autor.
Figura 14 – Colocação da roldana central.
Figura 13 – Posicionamento do cabo afastado do suporte.
4.2. Projeto do Monta-cargas
Para iniciar o dimensionamento do elevador, mediu-se as dimensões das bandejas (Figura 16) utilizadas para transporte dos pães, e através do software de CAD, encontrou-se a melhor forma de organizar as caixas dentro do volume disponível no elevador. O material é alumínio 1060 e as dimensões externas das bandejas são 620 mm x 360 mm x 30 mm, e é possível empilhar várias utilizando suportes. Em cada bandeja é possível transportar até 5 pães. Elas são utilizadas durante o transporte dos
Fonte: Autor.
Figura 15 – Cabo posicionado de forma correta no mecanismo de elevação.
Figura 16 – Bandeja de alumínio para 5 pães.
Fonte: Catálogo Olist 2022.
pães em todos os setores da fábrica, desde a saída do forno, na produção, até o setor de estoque e expedição, passando pelo setor de embalagem.
No projeto do monta-cargas, temos a intensão de transportar a máxima quantidade de bandejas possível, e para isso, foi utilizado o dimensionamento máximo que se adequou dentro dos limites impostos pela norma NBR 14712, 1000 mm de largura, 750 mm de profundidade e 1200 mm de altura. O esboço inicial (Figura 17Figura 17) consiste em uma base com quatro vigas unidas em formato quadrado, mais quatro vigas para coluna e quatro vigas para o teto, todas obedecendo as limitações dimensionais impostas pela norma.
Tendo as dimensões das bandejas em mãos e da cabine de acordo com o que está definido pela norma, foram feitos testes para a melhor configuração de posicionamento dentro do volume disponível, a Figura 18 mostra o posicionamento que melhor se adaptou as necessidades e limitações do projeto.
Fonte: Autor.
Figura 17 – Esboço do esqueleto do elevador.
Na configuração escolhida, é possível transportar até 14 bandejas, totalizando 70 pães por viagem. A partir dos dados obtidos, procurou-se determinar a carga total que será elevada. Cada pão possui por volta de 0,400 kg de massa, e cada placa tem em média 0,85 kg.
Quantidade máxima de bandejas transportadas = 14 bandejas.
Quantidade máxima de pães por bandeja = 5 pães.
𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑃ã𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝐵𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎 (𝑀𝑝) = 5 𝑥 0,400 𝑘𝑔
(6)
𝑀𝑝 = 2,0 𝑘𝑔 (7)
Então a massa total de pães é:
𝑀𝑡𝑝= 2,0 𝑘𝑔 𝑥 14 = 28 𝑘𝑔 (8)
Portanto, temos que a massa a ser içada pelo monta-cargas é de:
𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙(𝑀𝑇) = 𝑀𝑏+ 𝑀𝑡𝑝 = 39,900 𝑘𝑔 ≈ 40 𝑘𝑔 (9) 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 (𝑀𝑏) = 14 𝑥 0,850 𝑘𝑔
(4)
𝑀𝑏 = 11,900 𝑘𝑔 (5)
Figura 18 – Posicionamento das bandejas dentro do volume disponível.
Fonte: Autor.
Após o cálculo da massa a ser içada pelo monta-cargas, partiu-se para o projeto da cabina, tendo como objetivo, a maior resistência com a menor massa possível, mantendo os custos razoáveis. A norma NBR 14712 restringe apenas que os materiais da casa de máquinas e da caixa sejam incombustíveis, para a cabine há restrições apenas no que tange a resistência dos materiais. Sabendo disso, foi determinado que o esqueleto da estrutura seria em aço com o fechamento em placas de madeira, para garantir a menor massa da cabine, já que o limite permitido na norma é de 300 kg.
O catálogo de vigas de aço estrutural da Gerdau® traz três possibilidades para o material de acordo com a ASTM (American Society for Testing and Materials). O aço ASTM A36, de uso mais comum, o ASTM A572, que possui maior resistência mecânica e menor peso e o ASTM A588, que além de ser mais leve, e possuir maior resistência mecânica, tem também maior resistência a corrosão.
Devido as baixas solicitações e a ausência de condições extremas, o aço escolhido foi o ASTM A36, que também é mais barato em relação aos outros dois apresentados. As propriedades do material estão descritas na Tabela 2 abaixo, retirada do catálogo da empresa, além disso, seu uso está dentro da norma.
Tabela 2 – Aços estruturais.
Fonte: Catálogo de barras e perfis. Gerdau (2022).
Então, para o material escolhido, temos que o limite de escoamento é de 250 MPa e devido ao alongamento de um corpo de prova de 50mm ser maior que 14%, a norma determina que o coeficiente de segurança seja de 2. Assim, podemos determinar a tensão admissível nas vigas, calculada abaixo:
𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝜎𝑒) = 250 𝑀𝑃𝑎 (10) 𝐹𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑆𝑒𝑔𝑢𝑟𝑎𝑛ç𝑎 (𝐹𝑠) = 2 (11) 𝜎𝑎𝑑𝑚 = 𝜎𝑒
𝐹𝑠 =250 𝑀𝑃𝑎
2 = 125 𝑀𝑃𝑎 (12)
A tabela abaixo resume os dados dimensionais obtidos através de cálculo e da norma.
Tabela 3 – Resumo das dimensões do Monta-cargas.
Largura 1000
mm Profundidade 750 mm
Altura 1200
mm Carga útil 40 kg Limite de Escoamento 250 Mpa
Fator de Segurança
(Fs) 2
Tensão Admissível 125 MPa Fonte: Autor.
Antes de definir as especificações dimensionais das vigas estruturais, é necessário saber a massa do piso da cabina. Para isso, podemos calcular a espessura mínima da chapa, através da seguinte tabela:
Fonte: Roarks Formulas for Stress and Stain. Young and Budynas (2001).
Tabela 4 – Fórmulas para chapa uniforme.
A fórmula utilizada está presente na linha 1a, onde 𝜎 representa a tensão admissível, 𝛽 é encontrado cruzando os dados de largura e comprimento da chapa na tabela, 𝑡 é a espessura e o 𝑞 é a pressão, calculada a partir do peso que o carregamento exerce sobre a chapa.
Como queremos encontrar a espessura, isolamos o 𝑡 na equação e substituímos as dimensões na fórmula sendo,
𝑞 = 15,688𝑘𝑁
𝑚2 (13)
𝜎𝑚𝑎𝑥= 125 𝑀𝑃𝑎 (14)
Temos que,
𝑡 = 0,006 𝑚 𝑜𝑢 6,0 𝑚𝑚 (15)
Pelo catálogo de chapas grossas da ArcelorMittal (Tabela 5), vemos que a chapa que mais se aproxima da dimensão calculada é a de espessura 6,3 mm. Devido a área do piso ser de 0,75 m², pela tabela, a massa do piso é de 37,10 kg.
Tabela 5 – Espessuras para chapa grossa laminada a quente.
Fonte: Catálogo de Chapas – Produtos laminados a quente. Fonte: ArcelorMittal.
O peso da chapa estará apoiado nas quatro vigas que formam a base do monta-cargas, no entanto, a maior parte da chapa estará apoiada sobre as vigas de 1000 mm, então, para o cálculo da espessura recomendável para a viga devemos considerar a carga útil acrescida de ¼ do peso da chapa. A espessura mínima recomendável se dará a partir do cálculo do momento fletor máximo na viga, que pela carga estar distribuída de forma simétrica, sabe-se que o momento fletor máximo se encontrará no centro da viga, simplificando os cálculos, conforme o mostrado abaixo:
Onde:
𝑃 = (40 𝑘𝑔 + (0,25 ∗ 37,10 𝑘𝑔) ∗ 9,805 𝑚/𝑠² (16)
𝑃 = 483,14 𝑁 (17)
Multiplicando pelo fator de segurança, temos que:
𝑃𝑓𝑠 = 𝑃 𝑥 𝐹𝑠 = 483,14𝑁 𝑥 2 (18)
𝑃𝑓𝑠= 966,28 𝑁 (19)
Devido a simetria da carga, podemos afirmar que os esforços presentes nos apoios serão:
𝑅1 = 𝑅2 =𝑃
2 = 483,14 𝑁 (20)
E o momento fletor máximo é:
𝑀𝑚𝑎𝑥 = 483,14 𝑁 ∗ 0,5𝑚 = 241,57 𝑁. 𝑚 (21) Fonte: Autor.
Figura 19 - Esboço da viga.
O perfil de viga que mais se enquadra no projeto é a cantoneira. No catálogo da Gerdau podemos escolher as dimensões mais adequadas através do momento de inércia ou momento fletor mínimo. Como já temos o Momento fletor máximo e a tensão admissível, o cálculo do momento fletor mínimo poderá ser feito pela fórmula 22:
𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐹𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟 𝑀í𝑛𝑖𝑚𝑜(𝑊𝑚𝑖𝑛) =𝑀𝑚𝑎𝑥
𝜎𝑎𝑑𝑚 (22)
O valor encontrado foi de 1,93 cm³, que nos leva aos valores de b = 38,100 mm e t = 6,35 mm, de acordo com a tabela.
Após obter as dimensões das vigas e piso, foi feito em software de CAD um esboço (Figura 20) mais preciso do que seria a cabine do monta-cargas, com piso de 6,3 mm de espessura e as cantoneiras com 38,100 mm de largura, todo em aço ASTM A36.
Fonte: Catálogo de barras e perfis. Gerdau (2022).
Tabela 6 – Dimensões do perfil cantoneira.
A gaiola foi feita no mesmo material da cabine do elevador, devido as características já mencionadas anteriormente. Para cálculo dos esforços foi considerado a massa do elevador acrescida da carga a ser transportada. Segundo o CAD, a massa total da cabine é de aproximadamente 243,0 kg, a carga transportada é de 40,0 kg, totalizando 283,0 kg de massa.
A carga se distribui uniformemente na superfície do piso, como mostrado na Figura 21 abaixo. A viga usada na gaiola pode ser representada de forma bidimensional e a carga substituída por uma força pontual equivalente posicionada no centro de massa da viga, que será posicionada paralela a largura da cabine, no centro abaixo do piso.
Figura 20 – Esboço da Cabine.
Fonte: Autor.
Fonte: Autor.
Figura 21 -Esforço sobre o piso do elevador.
O peso exercido pela cabine sobre a viga pode ser calculado da seguinte forma, com fator de segurança igual a 2, obedecendo ao item 5.2 da NBR 14712:
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑎 𝐶𝑎𝑏𝑖𝑛𝑒 (𝑃𝑐) = 283,0 𝑘𝑔 𝑥 9,805𝑚
𝑠2 𝑥 2 (23)
𝑃𝑐 = 2 774,815 𝑁 (24)
As Reações serão:
𝑅1 = 𝑅2 =𝑃𝑐
2 = 1387,40 𝑁 (25)
O momento máximo:
𝑀𝑚á𝑥 = 1387,40 𝑁 𝑥 0,5 𝑚 = 693,704 𝑁. 𝑚 (26)
O momento mínimo no eixo y:
𝑊𝑚í𝑛 =693,704
125 = 5,550 𝑐𝑚³ (27)
Devido a estabilidade estrutural, o perfil escolhido foi o I. Pelo catálogo da Gerdau e os dados calculados acima, as dimensões recomendadas para a viga são d
= 76,20 mm, tw = 4,32 mm, bf = 59,18 mm, tf = 6,60 mm.
Tabela 7 – Dimensões perfil I.
Fonte: Catálogo de barras e perfis. Gerdau (2022).
Para o cálculo dos cabos de elevação pelo método presente na norma NBR-8400, primeiramente, deve-se classificar o tipo de mecanismo presente no elevador com relação a classe de funcionamento e o estado de solicitação dos mecanismos. Para definir a classe de funcionamento, é necessário que se estime o tempo médio de funcionamento do monta-cargas.
Sendo a velocidade do monta-cargas 0,2 m/s, e o deslocamento de cerca de 3 m, podemos calcular que o tempo necessário para se fazer uma viagem é de 15 segundos. Com a produção diária da fábrica, serão necessárias aproximadamente 144 viagens por dia, portanto, cerca de 36 minutos de funcionamento.
Sendo assim, a classe de funcionamento do elevador, de acordo com a Tabela 8 presente na norma, é V0,5. A carga transportada pelo monta-cargas é relativamente leve, no entanto, o carro sempre estará suspenso. Sendo assim, o estado de solicitações que mais se adequa ao projeto é o 2, conforme a Tabela 9 abaixo.
Fonte: NBR-8400 (1984).
Tabela 8 – Classes de Funcionamento.
Tabela 9 – Estados de solicitação.
Fonte: NBR-8400 (1984).
Sabendo a classe de funcionamento e o estado de solicitação dos mecanismos, foi determinado, através de outra tabela presente na norma, o grupo de mecanismo no qual se enquadra o projeto do monta-cargas. Através do cruzamento dos dados, vemos na Tabela 10 abaixo que o projeto se enquadra no grupo 1Bm.
Segundo a mesma norma, o diâmetro mínimo que o cabo de aço deve ter para sustentar toda a estrutura da cabine do elevador é:
𝑑𝑐 = 𝑄√𝑇 (28)
A norma pede que o cálculo do esforço máximo de tração seja feito levando em conta as oscilações provenientes do levantamento brusco da carga, na hora da partida do motor elétrico. Essas solicitações são consideradas através de um coeficiente dinâmico (𝜓) de acordo com o tipo do mecanismo. De acordo com a velocidade de içamento, a norma define 1,15 como coeficiente, então:
𝑇 = 𝑚 . 𝑎 . 𝜓 (29)
𝑇 = 283,0 𝑘𝑔 . 9,81𝑚
𝑠2 . 1,15
(30)
𝑇 = 3 192,665 𝑑𝑎𝑁 (31)
𝑇
2 = 1 596,330 𝑑𝑎𝑁/𝑐𝑎𝑏𝑜 (32)
A tensão é dividida por dois, devido a configuração do cabo com a polia, como mostra a Figura 22 abaixo.
Fonte: NBR-8400 (1984).
Tabela 10 – Grupos de mecanismo.
O valor do coeficiente Q é retirado da Tabela 11 abaixo, também presente na norma NBR-8400.
Tendo os valores de Q e T em mãos, calculou-se o valor do diâmetro mínimo (𝑑𝑐) do cabo igual a 10,59 mm. O catálogo da CIMAF sugere os cabos da classe 8x19 Seale para tração em elevadores. Devido o diâmetro encontrado não ser comercial, escolhe-se o imediatamente acima, no caso 𝑑𝑐 = 11 𝑚𝑚. De acordo com o catálogo, a massa aproximada do cabo é de 0,445 kg/m. O comprimento do cabo a ser utilizado em todo sistema é aproximadamente 8 metros. Portanto, teremos uma massa de cabo de aço de 3,6 kg.
Figura 22 – Esboço da polia com o cabo.
Fonte: Autor.
Tabela 11 – Valores mínimos de Q.
Fonte: NBR-8400 (1984).
O cálculo das polias foi feito de forma simples de acordo com a norma, baseado em valores retirados de duas tabelas e o diâmetro mínimo calculado anteriormente. A fórmula de cálculo para o diâmetro mínimo das polias está descrita abaixo e os coeficientes estão nas tabelas seguintes. O coeficiente H1 é escolhido com base no grupo do mecanismo. O H2 depende do número de polias no circuito e as inversões no sentido do enrolamento. Segundo a norma, para a configuração escolhida, 𝑊𝑡 ≤ 5.
Portanto, temos que H1= 16 e H2 = 1. Sendo assim:
Fonte: Catálogo Cimaf (2014).
Figura 23 – Cabo com modelo de composição Seale.
Fonte: NBR-8400 (1984).
Tabela 12 – Valores de H1.
Tabela 13 – Valores de H2.
Fonte: NBR-8400 (1984).
𝐷𝑒= 𝐻1 𝑥 𝐻2 𝑥 𝑑𝑐 (33)
𝐷𝑒 = 16 𝑥 1 𝑥 11 = 176 𝑚𝑚 (34)
De acordo com a NBR-14712, o diâmetro mínimo da polia deve ser no mínimo 30 vezes o do cabo, sendo assim:
𝐷𝑚𝑖𝑛= 30 𝑥 11 𝑚𝑚 = 330 𝑚𝑚 (35)
As dimensões do projeto estão resumidas na tabela abaixo:
Tabela 14 – Resumo das Dimensões.
Largura 1000 mm
Profundidade 750 mm
Altura 1200 mm
Espessura das
Chapas 6,3 mm
Material Aço ASTM A36 Limite de
Escoamento 250 Mpa Fator de
Segurança (Fs) 2 Tensão
Admissível 125 MPa Carga útil 40 kg Carga Total do
Carro 243 kg
Velocidade 0,2 m/s Diâmetro do
Cabo 11,0 mm
Tipo de
Construção 8x19 Seale Diâmetro da
polia 330 mm
Fonte: Autor.
5. Conclusões
A partir das alterações propostas, o elevador não apresentou mais falhas por quebra de cabo de aço até a data de apresentação deste trabalho, no entanto, há um conjunto de outros problemas presentes na estrutura que evidenciam a importância de um engenheiro na construção deste tipo de máquina.
A curto prazo, as alterações permitiram que o elevador funcionasse sem problemas, mas a mudança é extremamente necessária, principalmente quando levamos em consideração a segurança e a confiabilidade. A longo prazo, um monta- cargas seria o mais indicado para a fábrica.
Além de se adequar as normas, o monta-cargas é feito todo em aço, como pede a norma, diminuindo os riscos de um possível acidente, já que o elevador se encontra próximo ao forno, e a madeira é combustível.
O monta-cargas projetado se enquadrou perfeitamente nas normas vigentes, mesmo com a diminuição na quantidade de pães carregados por viagem, ainda garante mais agilidade e confiabilidade no processo, devido ao correto dimensionamento dos componentes. No elevador é possível carregar até 200 pães por viagem, e no monta-cargas são apenas 70. Poderão ser mantidos o motor e o tambor, já que se enquadram nas tolerâncias da norma.
Apesar do sucesso nas alterações, a falta de um projeto trouxe vários outros problemas além do rompimento de cabos. Há problemas estruturais no piso, que não suporta a massa transportada no elevador, e estão em processo de flambagem. O material utilizado nas guias também não suporta a massa da cabine e estão desalinhadas. As chapas de madeira utilizadas nas paredes da cabine não estão de acordo com o ambiente quente e úmido do setor de produção para o setor de embalagem dos pães, pois esse material absorve muita umidade e acaba inchando.
6. Referências
RUDENKO, N. Máquinas de Elevação e Transporte. 1. Ed. Rio de Janeiro:
Livros técnicos e Científicos Editora S. A., 1976. 425p.
HIBBELER, R. C. Resistência dos Materiais. 5. Ed. São Paulo: Pierce Prentice Hall, 2004. 690p.
YOUNG, W. C.; BUDYNAS, R. G. Roark’s Formulas for Stress and Strain.
7. Ed. United States of America: McGraw-Hill, 1989. 852p.
ABNT NBR 8400 – Cálculo de equipamentos para levantamento e movimentação de cargas – ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas.
ABNT/CB-004 Comitê Brasileiro de Mecânica 1984.
ABNT NBR 14712:2013 – Elevadores elétricos e hidráulicos – Elevadores de carga, monta-cargas e elevadores de maca – Requisitos de segurança para construção e instalação – ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas.
ABNT/CB-04 Máquinas e Equipamentos Mecânicos 2013.
GERDAU. Catálogo Barras e Perfis. Disponível em:
<https://gsn.gerdau.com/download/file/319?download=319>. Acesso em: 5 jun. 2022.
GERDAU. Catálogo de Barras e Perfis – Tabela de Bolso. Disponível em:
<https://gsn.gerdau.com/download/file/320?download=320>. Acesso em: 5 jun. 2022.
CIMAF. Manual Técnico de Cabos (2014). Disponível em:
<https://api.aecweb.com.br/cls/catalogos/aricabos/catalogocimaf2014completo.pdf>.
Acesso em: 8 abr. 2022.
SCHUMM, L. Who Invented the Elevator? Disponível em:
<https://www.history.com/news/who-invented-the-
elevator#:~:text=According%20to%20the%20writings%20of,manpower%20applied%
20to%20a%20capstan.>. Acesso em: 17 mai. 2022.
SCHMIDT, L. B. The Flying Chair. Disponível em: <
http://thisisversaillesmadame.blogspot.com/2013/04/the-flying-chair.html>. Acesso em: 28 jul. 2022.
ÂNGELO, Nuno Tiago Proença. Projecto e Concepção de um Sistema Elevador Monta-cargas Industrial. Lisboa, PT: 2016. 210 f. Dissertação (Mestrado) – Universidade Nova de Lisboa. Faculdade de Ciências e Tecnologia. Engenharia Eletrotécnica.
ASOKAN, R. Redução do Tempo de Inatividade no Elevador. Porto, PT:
2017. 165 f. Dissertação (Mestrado) – Instituto Superior de Engenharia do Porto.
Politécnico do Porto. Engenharia Mecânica.
PETEJO, E. M. Verificação Numérica e Experimental de Estrutura Autoportante para Elevadores do Tipo Homelift. Porto, PT: 2018. 113 f.
Dissertação (Mestrado) – Instituto Superior de Engenharia do Porto. Politécnico do Porto. Engenharia Mecânica.
NETO, J. A. M. Dimensionamento de um Sistema de Elevação de um Elevador Monta-cargas para uso Comercial. Campina Grande, PB: 2018. 12 f. III CONAPESC.
