TCC - Trabalho de ...lusão de Curso [1] - puc-rj - m?quina de fadiga - 1, Teses (TCC) de Engenharia Mecânica
Docsity.Brasil
Docsity.Brasil

TCC - Trabalho de ...lusão de Curso [1] - puc-rj - m?quina de fadiga - 1, Teses (TCC) de Engenharia Mecânica

11 páginas
2Números de download
611Número de visitas
Descrição
Trabalho de Conclusão de Curso [1]
20 pontos
Pontos de download necessários para baixar
este documento
Baixar o documento
Pré-visualização3 páginas / 11
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 11 páginas
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 11 páginas
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 11 páginas
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 11 páginas
Foi feito um estudo das funções de forma para um elemento de viga e obtidas as matrizes

Departamento de Engenharia Mecânica

MÁQUINA DE TESTES DE FADIGA MECÂNICA

POR FLEXÃO ROTATIVA

Aluno: Rodrigo de Moura Nogueira

Orientador: Marco Antonio Meggiolaro

Introdução

Os produtos com função estrutural devem manter-se íntegros durante toda a sua vida

útil, isto é, devem suportar os carregamentos de teste e de trabalho, operando confiável,

previsível e repetitivamente. Para atingir estes objetivos, na prática da Engenharia é

indispensável efetuar periodicamente Avaliações de Integridade Estrutural (AIE) e Previsões

de Vida Residual (PVR).

A maioria das falhas mecânicas súbitas que ocorrem na prática é causada por fadiga,

uma falha mecânica caracterizada pela geração e/ou propagação de uma trinca, ocasionada

primariamente pela aplicação repetida de carregamentos variáveis sobre a peça. A geração e a

propagação da trinca são fenômenos progressivos e altamente localizados, que não provocam

sintomas globais evidentes na estrutura, e que por isto podem gerar consequências

catastróficas sem aviso prévio. Para se obterem resultados experimentais confiáveis no projeto

que mensura a fadiga, é fundamental a utilização de máquinas de ensaios mecânicos. Como o

custo de máquinas de ensaios comerciais é muito elevado, é de interesse projetar e construir

sistemas similares com orçamento reduzido, para uso acadêmico e em pesquisa. Em

particular, testes de flexão rotativa são essenciais para prever o comportamento dos materiais

sob essas cargas repetidas durante longo tempo.

Teoria de operação:

Baseada no princípio de um eixo giratório, essa teoria utiliza um corpo de prova que

funciona como uma viga simples sofrendo carregamento simétrico em dois pontos. Quando

girado metade da revolução, as tensões nas fibras originalmente abaixo da linha neutra são

revertidas de tração para compressão e vice-versa. Ao completar a revolução, as tensões são

novamente revertidas para que, durante uma revolução, o corpo de prova passe por um ciclo

completo de esforço fletor (tração e compressão).

Figura 1: Esquema de funcionamento da máquina de R.R. Moore de flexão rotativa.

Departamento de Engenharia Mecânica

Após grande número de revoluções, informado por um contador, a amostra sofre ruptura

em função da fadiga, sendo possível traçar uma curva de limite de fadiga em tensão de flexão

rotativa em função do número de ciclos, denominada curva S-N. Os aços possuem um limite

de tensão fletora abaixo do qual o número de ciclos antes da ruptura é indefinido, é muito

grande, como ocorre abaixo de 300 MPa para o aço 1045. Para os alumínios não vemos tal

comportamento linear, temos a curva característica abaixo:

Objetivos

O objetivo deste trabalho foi projetar, construir e controlar uma máquina de flexão

rotativa para ensaios de alto ciclo, incluindo concepção, projeto em ferramenta de CAD, e

construção. A máquina é capaz de exercer forças de flexão em um corpo de prova girando em

alta rotação, até 20.000 rpm, para testar o comportamento dos materiais submetidos a cargas

prolongadas de flexão rotativa. O propósito principal é poder fazer tais testes com um custo

menor que o das máquinas existentes no mercado, como por exemplo a Instron®, que custa

em torno de $15.000 e, além disso, incorporando aperfeiçoamentos técnicos importantes.

Metodologia

O desenvolvimento deste trabalho foi dividido nas seguintes etapas:

1. Revisão bibliográfica da teoria de testes S-N de fadiga e das principais máquinas de teste S-N existentes, de modo a determinar as características que poderiam ser

melhoradas ou simplificadas em relação aos equipamentos atuais.

2. Projeto dos componentes e peças mecânicas do sistema. 3. Especificação da eletrônica de potência e de controle da máquina. 4. Testes 5. Planejamento de melhorias futuras.

Figura 2: Curvas S-N de dois materiais distindos, aço 1045 e alumínio 2014-T6

Departamento de Engenharia Mecânica

1. Projeto da máquina

Figura 5: Projeto completo no programa de CAD DS SolidWorks.

O SolidWorks® foi uma ferramenta essencial para o planejamento da disposição dos

componentes mecânicos, assim como para o projeto e geração dos desenhos de fabricação das

peças as serem usinadas. Foi utilizado também para realizar simulações de esforços em

componentes críticos, como o corpo de prova e a barra de tração.

A máquina é completamente modular e desmontável. Há um perfil U de alumínio 6063

que suporta os blocos rolamentados e o eixo principal, com o motor brushless acoplado, e

outro perfil idêntico ao lado para o motor de tração e eletrônicas de controle.

Departamento de Engenharia Mecânica

2. Motores, eletrônica de potência e de controle

Figura 10: Motor Scorpion HK-4035-530kv Figura 11: BESC HET 100A-HV

3.1 Motor da rotação principal

O motor Scorpion HK-4035-530kv é capaz de girar o conjunto em velocidade angular

estável entre 250 e 20.000 rpm, sendo necessários 25A a 42V DC (>1KW) de alimentação

para tal. O controle de velocidade do motor é feito através de um BESC (Brushless Electronic

Speed Control), que transforma a corrente contínua de uma fonte DC em 3 tensões senoidais

defasadas de 120º, que alimentam o motor brushless. Inicialmente um testador de servo foi

utilizado para mandar o sinal de controle para o BESC, um sinal PWM de período 20ms e

largura de pulso (Duty Cycle) variável de 1 a 2ms. Quando o pulso é de 1ms, o motor está

parado. Aumentando-se essa largura, o motor parte e começa a acelerar até a velocidade

máxima de mais de 20.000 rpm, quando o pulso chega a 2ms. Essa regulagem era feita

manualmente através do potenciômetro do testador de servo, mas pode ser feita

automaticamente por um microcontrolador, como foi feito posteriormente.

Figuras 12 e 13: Sinal de controle PWM sentido único, gerado pelo testador de servo.

Departamento de Engenharia Mecânica

3.2 Motor de tração

Para o controle do motor de tração foi utilizado outro tipo de ESC, já que o motor é

brushed, possui escovas, portanto funciona com corrente contínua. O motor Integy Matrix Pro

Lathe 55T é controlado por um IFI Victor 884 speed controller, que aguenta 60A contínuos e

24V, valores muito acima dos que são utilizados, por segurança.

O controlador Victor é reversível, podendo girar o motor para os dois lados,

aumentando ou diminuindo o esforço aplicado sobre o corpo de prova. Outro testador de

servo, idêntico ao que controla a rotação principal, foi utilizado para o controle da força, mas

os valores do PWM são diferentes para este Speed Controller. Quando ele recebe 1.5ms, o

motor fica parado. Acima de 1.5 até 2.0ms o motor gira para frente, aumentando a força

aplicada até o máximo, quando entra em stall, condição que não é necessária pois gera

deformação plástica no corpo de prova. Abaixo de 1.5 até 1.0ms o motor gira no sentido

contrário, diminuindo a força até soltar o cabo de aço de tração.

Figuras 14 e 15: Sinal de PWM gerado pelo testador de servo, enviado para o controlador de velocidade IFI

Victor 884, reversível.

Figura 16: Máquina completa, com toda a eletrônica de potência e de controle.

O testador de servo da esquerda regula a força aplicada; o da direita, a rotação principal, como descrito

anteriormente. Podemos ver os dois speed controllers, DC e Brushless, e o BEC (Battery Elimination Circuit),

um regulador chaveado de 8-40V para 5V DC que alimentam os servo-testers e a parte de sinal dos

controladores.

Departamento de Engenharia Mecânica

3. Teste e comparação

Foram realizados testes para determinar as correntes máximas requeridas pelos motores

nas condições mais extremas possíveis, como a quebra de um corpo de prova de 3/8” na

velocidade máxima (20.000rpm) e força máxima (50Kgf).

Corpos de prova de aço 1045 do tamanho padrão (haste de 3/8” e seção de área

reduzida de 1/4”) foram levados a falha por fadiga com a máquina girando em alta rotação em

pouco tempo, cerca de três minutos, o equivalente a cerca de 60.000 ciclos, um número

relativamente baixo, devido ao esforço alto aplicado.

Figura 17: Corpo de prova de aço 1045 de 1/4” após 3 minutos rodando a 20.000 rpm com momento fletor

considerável aplicado sobre ele. Como a seção de menor área estava muito longa nessa amostra, a ruptura não foi

no centro, foi perto de um dos filetes laterais, onde houve concentração das tensões aplicadas.

Características Máquina SN PUC-RIO Instron R.R. Moore

Capacidade de momento fletor (Kg.m) 0 – 6.5 0.25-2.3

Incrementos de capacidade (Kg.m) 0.0001 0.00254

Velocidade de rotação (rpm) 250 - 20.000 500- 10.000

Força mínima efetiva (Kgf ) 0.5 5

Peso da máquina (Kg) 10.5 41

Dimensões totais (mm)

600 × 203 × 91

990 × 330 × 510

Alimentação de energia 12 – 48V DC 100A

100 – 120 V

50/60 Hz

Departamento de Engenharia Mecânica

5.3 Integração do controle de velocidade, número de giros e força aplicada em uma interface

gerada por um microcontrolador como o ATmega328 em uma plataforma open-source

Arduino UNO de desenvolvimento de protótipos.

Figura 18: ARDUINO UNO, Plataforma de desenvolvimento de projetos eletrônicos open-source

A plataforma Arduino, que custa em torno de $30, baseada nos microcontroladores

AVR da ATmel, oferece uma larga gama de funções prontas e e facilidade de programação

em sua linguagem, muito próxima a C++.

Com processador de 16MHz, 14 pinos de entrada/saída digitais, 6 pinos de entrada

analógica e uma conexão USB, o Arduino UNO foi utilizado para esse projeto, permitindo

que seja feita uma interação entre as eletrônicas de potência, como por exemplo um controle

de força do motor de tração baseado na leitura da célula de carga, ou seja, com realimentação

de informação, um controle em malha fechada.

Foi escrito um código de exemplo na liguagem do Arduino para gerar o sinal PWM de

controle das eletrônicas de potência, recebendo como entrada o valor de um potenciômetro

ligado entre o ground e 5V, e a saída variável ligada no pino de entrada analógica A3.

Segue o código abaixo:

// ARDUINO SERVO-TESTER (PWM GENERATOR)

// Analog read:

// 0V -> 0

// 5V -> 1023

#define ulong unsigned long

#define POTMIN 0.0

#define POTMAX 1023.0

Departamento de Engenharia Mecânica

// Declaração de Variáveis:

int PinOUT = 13;

int analogPin = 3;

int ValPot = 256;

int Ton = 1.5;

int Toff = 18.5;

// Funções:

ulong interval(ulong st, ulong fin) {

ulong dur;

if (st<=fin) dur=fin-st;

else dur=(0xffffffff-st)+fin;

return dur;

}

void wait(ulong t) {

ulong elapsedMicr=0,

stMicr=micros(),

currMicr;

while (elapsedMicr<t) {

currMicr=micros();

elapsedMicr=interval(stMicr,currMicr);

}

}

void setup () {

// initialize the digital pin as an output:

pinMode(PinOUT, OUTPUT);

Serial.begin(9600);

}

void loop () {

ValPot = analogRead(analogPin); // le a tensao do pot

if (ValPot > POTMAX) ValPot = POTMAX;

else if (ValPot < POTMIN) ValPot = POTMIN;

Serial.println(ValPot);

Ton = 1000*((ValPot-POTMIN)/(POTMAX-POTMIN)+1.0);

Toff = 20000.0 - Ton;

digitalWrite(PinOUT, HIGH); // sets the LED on

wait(Ton);

digitalWrite(PinOUT, LOW); // sets the LED off

wait(Toff);

}

O código utiliza a interface serial/USB para imprimir na tela do computador em tempo

real o valor do potenciômetro, de forma a mostrar se a leitura está correta. Foi testado com um

servo comum de aeromodelismo e com um BESC e funcionou nos dois casos da mesma

Departamento de Engenharia Mecânica

forma que o testador de servo. A vantagem desse código é que a função delay não é utilizada,

permitindo que outros códigos, como por exemplo a leitura do sensor IR (conta-giros) e o

controle da tração com a leitura da célula de carga não sejam afetados por ele, já que não há

interrupções no programa.

4. Trabalhos futuros

4.1 Instalação do sensor de força na barra de tração. Esse sensor será composto por um strain

gauge e uma eletrônica que fará a leitura do mesmo. O strain gauge é um sensor que se baseia

na mudança da resistência elétrica de um condutor colado na peça cuja deformação se deseja

medir. Essa resistência é então medida pela eletrônica, aplicando-se uma tensão de entrada (5-

12V) e medindo-se a saída (milivolts). A partir disso, conhecendo-se as características do

strain-gauge, é possível medir a deformação da peça em análise em tempo real e, com essa

deformação, calcula-se facilmente a força aplicada na peça, geradora do momento fletor,

formando assim a célula de carga.

4.2 Implementação de um conta-giros (numero de ciclos) que são necessários até a ruptura do

corpo de prova. Esta medição é feita por um sensor de infra-vermelho que emite o raio na

direção do eixo da máquina, que possui uma faixa reflexiva e outra escura, criando um pulso

na saída do sensor a cada volta do eixo. A eletrônica deve reconhecer o pulso de tensão mais

alta e contar uma revolução na descida do pulso (transição negativa), mostrando esse número

em um painel de LED com um mínimo de 8 casas, já que 10 8 ciclos de fadiga é um número

plausível para tais testes. No momento em que houver a ruptura, um sensor de fim de curso

(switch) instalado no local em que o bloco de alumínio bate quando há a quebra da amostra,

irá fechar um circuito da placa de controle, levando ao desligamento dos dois motores e

parada da contagem. Pode ser utilizada uma bateria para alimentar esse circuito por

segurança, para que não haja perda de dados no caso de queda de energia.

4.3 Existem plataformas complementares ao Arduino chamadas de Arduino Shields com

painéis de LED ou numéricos, mini-protoboards e vários outros tipos, podendo assim termos

uma leitura em tempo real dos valores de velocidade angular, força ou momento fletor

aplicado, numero de ciclos completos e outras grandezas de interesse. Uma interface com

botões pode ser utilizada para aumentar ou diminuir a velocidade e o esforço, ou então utiliza-

se a conexão USB para a programação de um esforço variável para testes específicos.

Custo total da máquina em $ dólares americanos:

Motor Brushless Scorpion HK 4035-530kv $209.99

Motor Integy Matrix Pro Lathe 55T $21.99

BESC HET 100A HV $119,00

IFI VEX Pro Victor 884 $89.99

Turnigy Servo Tester $12.00

Redução Planetária Banebots P60 256:1 $67.05 Componentes mecânicos (acopladores, eixos, rolamentos, etc.)

$100

Alumínio e aço (perfis e barras) $100

Usinagem $600

Total $1321

Departamento de Engenharia Mecânica

Conclusões

A máquina atende aos requisitos do projeto, já que consegue provocar fadiga em

corpos de prova de variados materiais sem que seus motores realizem esforços excessivos, e

seus componentes suportam as vibrações. Devido a essa flexibilidade de materiais de teste, a

máquina pode simular desgastes a longo prazo em eixos de diversos equipamentos,

submetidos a variados carregamentos, com ampla aplicação em análise de fadiga mecânica

para prevenção de propagação de trincas.

Possui indiscutível vantagem de preço ($1321,00) em relação à máquina padrão do

mercado, a R.R.Moore da INSTRON®, no mínimo cinco vezes mais cara.

O Arduino mostrou-se, em testes realizados com o sensor QRD1114, ineficiente para a

medição da rotação, já que o código precisaria ser extremamente otimizado para conseguir

medir rotações acima de 3.000rpm (máximo alcançado confiavelmente), já que sua frequência

de processamento é baixa, apenas 16MHz. O ideal seria usar um ATmega ou outro

microcontrolador com clock mais alto. Para medir 20.000rpm, são necessárias 333 iterações

do código por segundo, bem acima do valor alcançado com o arduino nos testes.

Em trabalhos futuros podem ser desenvolvidos os sistemas descritos acima, como o

controle de esforço de flexão com realimentação a partir da leitura da célula de carga,

interface simplificada para programação de um esforço variado aplicado automaticamente no

corpo de prova, contador de ciclos com painel de LEDs, entre outros.

Referências bibliográficas:

1 - MEGGIOLARO, Marco Antonio e CASTRO, Jaime T. P. Fadiga - Técnicas e Práticas

de Dimensionamento Estrutural sob Cargas Reais de Serviço: Volume II - Propagação

de Trincas, Efeitos Térmicos e Estocásticos, v.2, p. 1-280, set. 2009.

2 - MEGGIOLARO, Marco Antonio, RioBotz Combat Robot Tutorial, v2.0, agosto de

2009.

3 - SEDRA / SMITH, Adel Sedra / Kenneth Smith. Microeletrônica – 5 ª Edição 2007.

Editora: Prentice Hall - Br.

4 – Durán, Jorge A. R., Notas de Aula de Projeto em Fadiga.

http://www.professores.uff.br/duran/disciplinas/Notas%20de%20aula%20de%20projeto%20e

m%20Fadiga.pdf

5 – Arduino Language Reference.

http://arduino.cc/en/Reference/HomePage

6 - INSTRON® website:

http://www.instron.com.br/wa/product/RR-Moore-Rotating-Beam-Fatigue-Testing-

System.aspx

Departamento de Engenharia Mecânica

Agradecimentos:

Gostaríamos de expressar nosso reconhecimento aos que participaram do esforço

requerido para a realização desse trabalho, seja através do provimento de recusos financeiros

necessários, seja pelo inestimável aconselhamento técnico ou pela ajuda na confecção de

peças essenciais e software.

O Laboratório de Fadiga da PUC-Rio forneceu os materiais e mão-de-obra necessários

para a usinagem das peças que não puderam ser fabricadas na PUC-Rio.

O Laboratório de Robótica foi utilizado para o projeto, montagem e elaboração das

peças da máquina, assim como para seus testes.

Foram nossos colaboradores:

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

Prof. Marco Antonio Meggiolaro

Prof. Jaime Tupiassú Pinho de Castro

Prof. Mauro Schwanke da Silva

Técnico Edson do ITUC

Guilherme Mourão

Guilherme Rodrigues

Luiza Silva

Gabriel Cordeiro

Até o momento nenhum comentário
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 11 páginas