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MÁQUINAS DE ELEVAÇÃO E
TRANSPORTES
PROFESSOR: LUÍS DO ROSÁRIO COSTA
SÃO LUÍS – 2012
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO MARANHÃO
DEPARTAMENTO DE ENSINO SUPERIOR - DESU
DEPARTAMENTO DE MECÂNICA E MATERIAIS - DMM
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Tipologia: Exercícios
2023
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MÁQUINAS DE ELEVAÇÃO E
TRANSPORTES
PROFESSOR: LUÍS DO ROSÁRIO COSTA
SÃO LUÍS – 2012
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO MARANHÃO DEPARTAMENTO DE ENSINO SUPERIOR - DESU DEPARTAMENTO DE MECÂNICA E MATERIAIS - DMM
INDICE
1. INTRODUÇÃO – BASES PRINCIPAIS DO ESTUDO
1.1. Normas Técnicas e Critérios de Cálculo 1.2. Projeto de Máquinas – Desenho Técnico 1.3. Seleção e Especificação de Componentes 1.4. Classificação das Principais Máquinas de Elevação e Transporte
2. VEÍCULOS DE TRANSPORTE 2.1. Determinação da Potência de Translação 2.1.1. Cálculo da Resistência ao Movimento 2.1.2. Seleção da Motorização e Freio 2.1.3. Exemplo de Cálculo 2.2. Dimensionamento da Estrutura 2.2.1. Definição da Geometria do Veículo 2.2.2. Estimativa do Peso. Condições de Carregamento. Tensões Admissíveis 2.2.3. Exemplo de Cálculo 2.3. Projeto do Sistema de Acionamento 2.3.1. Definição do Arranjo do Sistema de Acionamento 2.3.2. Cálculo da Redução 2.3.3. Cálculo dos Elementos da Transmissão.
2.3.4. Exemplo de Cálculo.
3. MÁQUINAS DE ELEVAÇÃO 3.1. Meios de Elevação 3.1.1. Elementos de Máquina para Transmissão por Cabos de Aço. 3.1.2. Dispositivos destinados ao Manuseio de Carga. 3.1.3. Guinchos. 3.1.4. Determinação da Potência do Motor do Sistema de Levantamento. 3.1.5. Seleção e Dimensionamento dos Componentes Mecâncios da Elevação. 3.1.6. Exemplo de Cálculo. 3.2. Mecanismos de Translação 3.2.1. Potência do Motor de Translação. 3.2.2. Arranjo do Mecanismo de Translação. 3.2.3. Dimensionamento de Rodas e Trilhos.
PREFÁCIO
A disciplina de Máquinas de Elevação e Transportes esta presente no programa de graduação das escolas de Engenharia Mecânica, ainda hoje esta disciplina faz parte da maioria destes cursos. A necessidade de movimentação de cargas nos diversos ambientes de mineração, industrial, portuário e de comércio aumenta proporcionalmente ao crescimento econômico exigindo equipamentos específicos que necessitam uma grande aplicação dos conhecimentos de engenharia. Os equipamentos de movimentação de carga existentes nas empresas modernas apresentam uma grande diversidade de formas construtivas devido à variedade de suas aplicações. Esta condição torna praticamente impossível a abordagem de todos os tipos de equipamentos dentro das aulas disponíveis para o curso. Os temas de estudo selecionados têm como objetivo a aplicação dos conceitos de engenharia mecânica na construção dos equipamentos que estão mais presentes nas empresas modernas. Os conceitos utilizados nestes equipamentos poderão auxiliar no estudo de outras aplicações mais específicas. A crescente necessidade de aumento de produtividade das empresas vem exigindo a implementação de processos automatizados que incorporam alta tecnologia no projeto dos equipamentos. As máquinas de movimentação de carga representam um dos tipos de equipamentos que sofreram a maior necessidade de modernização. Esta fora do escopo deste curso o estudo dos sistemas de acionamentos elétricos e equipamentos eletrônicos de controle e automação das máquinas de elevação e transporte. A disciplina de Máquinas de Elevação e Transporte do IFMA-MA será desenvolvida através do estudo de três equipamentos de movimentação de carga. Neste estudo serão utilizados os métodos de dimensionamento e projeto de componentes apresentados nas disciplinas básicas do curso de engenharia, associados à utilização das normas e critérios de cálculos especificados pelas principais normas de máquinas de elevação e transportes. Durante o desenvolvimento dos exemplos poderá ser observada a necessidade do domínio dos principais conceitos de resistência dos materiais, desenho técnico, elementos de máquinas, vibrações mecânicas, tecnologia de soldagem e de outras disciplinas para obter os melhores resultados na especificação, projeto e construção dos equipamentos de manuseio de cargas.
1. INTRODUÇÃO – BASES PRINCIPAIS DO ESTUDO
1.1 - Normas Técnicas e Critérios de Cálculo
Para garantir o desempenho dos equipamentos de transporte e elevação o seu dimensionamento, projeto e fabricação devem seguir normas e critérios de cálculo que estabeleçam as condições necessárias, com base inclusive na experiência de equipamentos existentes. Atualmente existem diversas entidades que já desenvolveram normas, manuais e critérios aplicados às máquinas de elevação e transporte. Uma das primeiras etapas no desenvolvimento ou especificação de um equipamento para estas aplicações consiste nesta definição. A escolha da norma ou critério pode influenciar em todas as características do equipamento, principalmente no que diz respeito à segurança, custos do investimento, desempenho e custos de manutenção. Durante o desenvolvimento do curso serão apresentadas as principais literaturas disponíveis para cada assunto em estudo.
1.2 - Projeto de Máquinas – Desenho Técnico
A definição da geometria do equipamento consiste em outra etapa fundamental para garantir que sejam alcançados os objetivos requeridos. Inicialmente devem ser identificadas todas as especificações básicas para cada tipo de equipamento. Considerando os requisitos de dimensionamento o equipamento deve ser projetado de tal forma a atender todas as condições referentes äs suas especificações com dimensões compatíveis ao local de instalação. Além disso, devem ser atendidos outros requisitos como: segurança, custos de fabricação, meio ambiente, ergonomia, facilidades e custo de manutenção. Nesta etapa a criatividade dos responsáveis pelo desenvolvimento da máquina é o fator fundamental, sendo necessário o conhecimento do desenho técnico e das técnicas de projeto de máquinas Atualmente a utilização do computador tornou-se uma importante ferramenta para o desenvolvimento destas máquinas, facilitando a análise de interferências inclusive em três dimensões.
II. Meios de Elevação
A) Talhas
- Polias
- Talhas helicoidais
- Talhas de engrenagem frontal
- Talhas elétricas
- Carros de ponte para talhas B) Guinchos
- Guinchos de cremalheira
- Macaco de rosca
- Macaco hidráulico
- Guinchos manuais
- Guincho móvel manual
- Guinchos acionados por motor elétrico C) Guindastes
- Guindastes de ponte (pontes rolantes)
- Guindastes móveis de paredes
- Guindastes de cavaletes (pórticos e semi-pórticos)
- Pontes de embarque
- Guindaste de cabo
III. Transportadores Contínuos
A) Correias Transportadoras. B) Transportadores Articulados: Esteira Articulada, Transportador de Canecas, Transportador Circular, Transportador Raspador e Transportador de Correntes. C) Hélices Transportadoras. D) Transportadores Oscilantes. E) Mesas de Rolos F) Instalações Pneumáticas e Hidráulicas de Transporte.
2. VEÍCULOS DE TRANSPORTE
O acionamento dos veículos de transporte pode ser manual ou motorizado. A superfície de translação pode ser feita com ou sem trilhos. Os veículos manuais são utilizados para pequenas distâncias de deslocamento, normalmente em trajetos de até 50 m. A capacidade de carga normalmente não ultrapassa uma tonelada. Os veículos manuais são utilzados para transporte em horários e percursos irregulares, apresentando grande flexibilidade de uso. O projeto e construção destes veículos é relativamente simples, sendo os principais tipos normalizados pela DIN (ver detalhes no Dubbel, Manual do Engenheiro Mecânico). Os veículos motorizados apresentam uma vasta aplicação no ambiente industrial. O acionamento pode ser: gasolina, diesel, elétrico/bateria, elétrico/rede, ar comprimido e gás. As características construtivas apresentam grande diversidade em função da aplicação e capacidade requerida. Os principais tipos de veículos são: carros de transferência, tratores e empilhadeiras. A utilização destes veículos pode incluir o uso de dispositivos especiais para a acomodação da carga, como por exemplo: paletes, contêineres ou caixas. A seguir serão apresentadas as principais considerações para o projeto de um veículo, sendo apresentado o exemplo de cálculo para este veículo motorizado sobre trilhos conforme os tópicos apresentados.
(1) Aplicação: Carro de Transferência para Panela de Aço Líquido
(2) Capacidade de Carga
Carga Máxima de 200 Toneladas Peso do Aço Líquido de 130 Toneladas Peso da Panela de 70 Toneladas (3) Peso do Carro Aproximadamente 60 Toneladas (4) Velocidade de Translação 40 m/min (5) Alimentação Corrente Alternada, 440 Volts, 60 Hz Tabela 1: Especificações do Veículo
a) Potência do Motor para Velocidade Constante e Trecho Horizontal (Ph): Deve ser calculado na expressão a seguir:
(W)
P Fr^ V
h
^
Onde: Fr = Ft x R (Ft corresponde ao peso total sobre as rodas de apoio) – (Newtons)
V = Velocidade de Translação do Veículo – (metros/segundo)
η = Rendimento da Transmissão Mecânica – (admensional)
b) Potência do Motor para Velocidade Constante com Inclinação (Pi): Neste caso devem ser consideradas as forças conforme um plano inclinado. A expressão para o cálculo é obtida a seguir:
(W) η
F Sen(α) V η
P Fr Cos(α)^ V t i
^ ^
Onde: α = Inclinação da pista, (normalmente deve ser considerado valor mínimo de 5%)
c ) Potência do Motor para a Aceleração do Veículo em Trecho Horizontal: Durante a partida do veículo é necessário vencer as forças de inércia do sistema para alcançar a velocidade de translação.
Nesta fase do funcionamento é necessário acelerar as massas em translação e rotação.
O cálculo da potência de aceleração pode ser efetuado da seguinte maneira:
- Massas em Translação: Neste caso aplica-se os conceitos básicos da mecânica, obtendo-se a expressão, considerando ta o tempo de aceleração em segundos e g a aceleração da gravidade em metros/segundos^2 :
(W)
g t η
P F V
a
t^2 at
^
- Massas em Rotação: A aceleração das massas em rotação do motor de acionamento, das engrenagens, acoplamentos, etc. requer, no raio da roda motriz uma força perimetral:
F (^) r^1 Θ İ ȦȦ Θ İ ȦȦ .......... Θ İ ȦȦ r^1 Θred İTr Θred ra 2 (Newtons) Tr n n n Tr 2 2 2 Tr ar (^111) ^
^ ^ ^
2 Tr n n
2 Tr 2 2
2 Tr red 1 1 Ȧ ............ Θ Ȧ Ȧ Θ Ȧ Ȧ Θ Θ Ȧ ^
^ ^ ^
^ ^ ^
^ ^
Onde: Far = Resistência a Aceleração das Massas de Rotação – (Newtons) Θ = Momento de Inércia do Componente Rotativo – (kgxm^2 ) ε = Aceleração Angular – (1/s^2 ) ω = Velocidade Angular – (1/s) Θred = Momento de Inércia Reduzido para o Eixo da Roda Motriz - (kgxm^2 ) εTr = Aceleração Angular da Roda Motriz – (1/s^2 ) ωTr = Velocidade Angular da Roda Motriz - (1/s) r = Raio da Roda Motriz – (m) a = Aceleração – (m/s^2 )
O valor da Potência de Aceleração das Massas de Rotação será: (W) η
P Tar ȦTr ar
^
Onde: Tar = Torque de Aceleração das Massas Rotativas
O valor do Torque de Aceleração é definido por:
T ar Far r (N m)
Considerando o tempo de aceleração ta em segundos e substituiindo o valor da velocidade angular, temos:
a
Tr t e a V r
Ȧ V
(W)
r t η
P Θ V
(^2) a
red^2 ar
^
Solução:
Temos que: Peso Total: Ft = 2600000 (N)
Velocidade de Translação: 0,667 (m/s)
a) Cálculo da potência para velocidade constante em superfície plana.
57807 (W) 0 , 75
P^26000000 ,^0250 ,^667
h
^
b) Cálculo da potência para aceleração.
46268 (W)
P 1 , 2 2600000 2
a ^
Considerando que o valor de Ph é superior ao valor de Pa, a potência mínima requerida para o motor de translação deve ser de 57,81 (KW). No caso específico deste equipamento outras condições da aplicação também são consideradas para o dimensionamento do motor. Este carro foi dimensionado para rebocar um outro veículo motorizado para situação de emergência. Neste caso a potência real do motor especificado foi de 75 (KW). No cálculo do valor de Ph foi adotado um elevado valor para a resistência ao movimento (R), correspondente a 0,025. Este valor refere-se às condições do local da aplicação que pode ter sujeira sobre o trilhos, aumento a resistência ao movimento. O valor adotado corresponde ao maior valor da tabela. Para a especificação do tipo de motor também deve ser considerado o equipamento elétrico utilizado para o controle da velocidade. Atualmente existem diversas alternativas para este controle, para maiores esclarecimentos deste assunto devem ser consultadas as especificaçoes sobre o acionamento das máquinas elétricas.
2.2. Dimensionamento da Estrutura: 2.2.1. Definição da Geometria do Veículo: A construção de um veículo para determinada aplicação pode seguir diversas geometrias diferentes. A definição das dimensões da estrutura deve observar as seguintes condições básicas:
**_- Garantir a acomodação da carga;
- Permitir a colocação e retirada da carga no veículo com os recursos_** **_disponíveis;
- Não interferir com a instalação existente;
- Permitir a instalação do conjunto de acionamento;
- Facilitar o acesso para a manutenção._**
Além dos fatores descritos acima, as características da geometria pode influenciar nos esforços estruturais, principalmente no que se refere a concentração de tensões. A escolha de uma geometria adequada também pode permitir a redução do peso da estrutura. A figura 1 mostra duas formas construtivas para um veículo usado em uma mesma aplicação. A figura 1.a mostra um tipo de construção onde o conjunto de acionamento esta aciplado a apenas dois conjuntos de rodas. Na figura 1.b o veículo pode ter até 4 conjuntos de motorizações independentes acoplados diretamente aos conjuntos de rodas. Esta condição garante uma maior confiabilidade ao veículo 1.b, porém o custo do investimento é muito superior.
Figura 1.a: Carro com 1 Motorização e 2 Conjuntos de Rodas Motrizes
carregamento podem ser determinadas com base em normas para a construção deste tipo de equipamento, para este caso recomenda-se o uso da NBR 8400. A construção de um veículo de transporte envolve o uso de materiais e métodos de fabricação que devem garantir a resistência da estrutura às diversas solicitações de carregamento. Para a grande maioria das aplicações já existem os materias e métodos normalizados que garantem o desempenho da máquina. Através de ensaios mecânicos, incluindo testes de fadiga, são definidos os limites de resistência à ruptura, escoamento e fadiga dos materiais. Aplicando as condições de carregamento na estrutura do equipamento, são calculadas as tensões de trabalho. Com base nas propriedades dos materiais e considerando os fatores de segurança da aplicação e as concentrações de tensões, são definidas as tensões admissíveis para o projeto. A Norma NBR 8400 apresenta critérios para a definição da tensão admissível para diversos materiais utilizados na construção de equipamentos para a movimentação de cargas. No dimensionamento da estrutura do equipamento devem ser considerados os diferentes critérios de dimensionamento que envolvem: a ruptura, o desgaste ou a fadiga do equipamento. Em função do critério adotado deve ser comparada a tensão de trabalho calculada com a respectiva tensão admissível referente ao material. Por exemplo, a estrutura dimensionada pelo critério de fadiga deve levar em consideração a carga que representa o ciclo médio de trabalho do equipamento. Porém, a mesma estrutura deverá suportar as condições extremas de solicitação, que são representadas pelas cargas máximas. Pelo critério da fadiga a tensão calculada é comparada com a tensão admissível à fadiga, pelo critério de ruptura a tensão máxima calculada é comparada com a tensão admissível à ruptura.
2.2.3. Exemplo de Cálculo:
Calcular a tensão máxima atuante na viga principal do carro de transferência de panela de aço, representado na figura 1.a, considerando as especificações descritas na Tabela 1. A viga principal coresponde à parte do veículo que distribui o peso do carro e da carga sobre as rodas de apoio. Esta parte da estrutura deve ser dimensionada para suportar as cargas estáticas e dinâmicas do equipamento e garantir a durabilidade prevista em função do ciclo de trabalho e das condições ambientes. De uma maneira geral o dimensionamento da estrutura principal deve considerar os seguintes passos:
(1) Determinar os pontos de aplicação da carga; (2) Calcular as reações de apoio; (3) Calcular o momento máximo; (4) Determinar as propriedades da secção de momento máximo; (5) Calcular os níveis de tensões nos pontos críticos da secção; (6) Comparar com a tensão admissível do material.
(1) Determinar os pontos de aplicação das cargas: Com base na figura 1.a são definidas as cargas aplicadas à estrutura, conforme figura 2.
Figura 2: Condições de Carregamento para o Veículo
Na figura 2 temos:
W 1 = Peso da Carga, 200 Toneladas W 2 = Peso da Estrutura, 37 Toneladas W 3 = Peso da Estrutura de Proteção, 8,5 Toneladas W 4 = Peso do Acionamento, 5,2 Toneladas
(2) Cálculo das reações de apoio: Considerando a viga principal bi-apoiada no centro dos conjuntos de roda do veículo, temos: ∑F = 0 ∑MdireitaA = ∑MesquerdaA
(4) Determinar as propriedades da secção de momento máximo: Para o cálculo da tensão máxima deve ser calculado o módulo de resistência à flexão. A figura 3 apresenta as dimensões da secção crítica A. A seguir é apresentado o cálculo do módulo de resistência à flexão da viga (ZA). Neste caso a viga é simétrica em relação ao eixo horizontal, portanto o módulo de resistência superior e inferior são iguais. A seccão da viga foi subdividida em componentes (a, b, c, d, e), sendo calculado primeiramente os momentos de inércia individuais e posteriormente o módulo de resistência à flexão combinado.
a
b c^ d
e
Figura 3: Secção da Viga Principal na Região Crítica
I (^) a (^) 12 1190 252 25 1190 457 ,^52 (^1) 6228410417
I (^) b (^) 121 19 (^89031116200917)
I (^) c (^) 121 22 8903 1292443167
I (^) d (^) 121 22 (^89031292443167)
I (^) e (^) 121 1190 252 25 1190 457 , 52 6228410417
I 16157908090 Tabela 3: Cálculo do Momento de Inércia da Secção Crítica
Com o valor de I calcula-se o valor de ZA. (H 940 mm) (H/ 2 )
Z I A Substituindo os valores tem-se:
ZA = 34378528 (mm^3 )
(5) Calculo da tensão na secção crítica: Com o valor do momento e do módulo de resistência à flexão é calculada a tensão de flexão máxima na secção crítica. Deve ser observado que o valor do momento deve ser dividido entre as duas vigas principais, conforme equação abaixo:
4 , 45 (kgf /mm )
2 x 34378528
2 Z
ı M^2
A
A A
A tensão de trabalho deve levar em consideração alguns fatores relacionados às condições da aplicação. Estes fatores são estabelecidos em normas. No caso deste carro é utilizada a NBR 8400/1984 item 5. Serão considerados o coeficiente dinâmico Ψ e o coeficiente de majoração da carga Mx nos seus valores máximos:
Ψ = 1,60 (considera o impacto de colocação da carga) Mx = 1,
ı tA ıA ȥ Mx 4 , 45 1 , 6 1 , 45 10 , 324 (kgf/mm^2 )
Portanto, a tensão na secção crítica a ser considerada é: ıtA = 10,324 (kgf/mm^2 )
(6) Tensão admissível do material: A definição da tensão admissível está diretamente relacionada com o critério de dimensionamento do equipamento. Este critério é estabelecido entre o cliente e fornecedor e deve seguir alguma norma de construção aplicada ao tipo de equipamento. Neste caso o material de construção da estrutura é o ASTM A36, cujas propriedades são: ıescoamento = 250 Mpa = 25,5 (kgf/mm^2 ) ıruptura = 400 Mpa = 40,8 (kgf/mm^2 )