Elementos Flexiveis: Cabos. Elementos de Maquinas - ME446 Prof. Jose Maria Barbosa

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1 Elementos Flexiveis: Cabos Elementos de Maquinas - ME446 Prof. Jose Maria Barbosa

2 História do Cabo de Aço (fonte: SIVA) Idade da Pedra Redes de pesca com Cabos de fibra vegetal; atrás Egípcios fabricavam Cabos para fins ornamentais; à Desenvolvimento dos Cabos de Aço de conformação próxima aos atuais; Primeiro Cabo de Aço com as mesmas características básicas dos atuais; Patenteamento: Arames de Aço de alta resistência;

3 História do Cabo de Aço Surgimento da perna Seale; Surgimento da perna Filler / provável surgimento da perna Warrington; à Pré-formação; Anos 50 Primeiros Cabos de Aço nacionais; Anos 70 Grande desenvolvimento dos Cabos de Aço nacionais.

4 Algumas aplicações

5 Algumas aplicações

6 Cabos de Aço e Seus Componentes

7 Termos e definições (NBR ) Arame: Fio de aço obtido por trefilação. Perna: Conjunto de arames torcidos em forma de hélice, podendo ou não ter um núcleo ou alma constituído por um arame, outro material metálico ou fibra. Cabo de aço: Conjunto de pernas dispostas em forma de hélice, podendo ou não ter uma alma de material metálico ou de fibra. Cabo de aço polido: Cabo de aço constituído por arames de aço sem qualquer revestimento. Cabo de aço galvanizado: Cabo de aço constituído por arames galvanizados. Podem ser galvanizados na bitola final (sem retrefilação posterior) ou em uma bitola intermediária e retrefilados posteriormente.

8 Termos e definições (NBR ) Alma: Núcleo em torno do qual as pernas são dispostas em forma de hélice. A alma poder ser constituída em fibra natural ou artificial, podendo ainda ser formada por uma perna ou um cabo de aço independente. Alma de fibra (AF): Símbolo usado para designar a alma constituída de fibra. O símbolo AF é normalmente empregado para designar alma de fibra natural no Brasil. Alma de fibra artificial (AFA): Símbolo usado para designar a alma constituída de fibra artificial. Alma aço de cabo independente (AACI): Símbolo usado para designar a alma constituída de cabo independente Alma aço (AA): Símbolo usado para designar a alma constituída de uma perna.

9 Termos e definições (NBR ) Construção: Termo genérico usado para indicar o número de pernas, o número de arames de cada perna, a sua disposição e o tipo de alma. Composição dos cabos: Maneira como os arames estão dispostos nas pernas. Cabos compostos com arames de mesmo diâmetro: Designação utilizada para indicar que na composição das pernas os diâmetros são aproximadamente iguais. O processo de fabricação deste cabo envolve normalmente uma ou mais operações de fechamento da perna.. Cabos compostos com arames de diâmetro diferentes: Designação utilizada para indicar que na composição das pernas existem arames com diâmetros diferentes. As composições mais conhecidas são Seale, Filler e Warrington. Cabo pré-formado: Cabo constituído de pernas, nas quais a forma helicoidal é dada antes do fechamento do cabo. Passo do cabo: Comprimento correspondente a uma volta completa de uma perna ao redor da alma.

10 Termos e definições (NBR ) Filler: Na composição das pernas existem arames principais e arames finos, que servem de enchimento para a boa acomodação dos outros arames. Os arames de enchimento não entram no cálculo da carga de ruptura dos cabos, nem estão sujeitos ao atendimento de requisitos que os arames principais devem satisfazer.

11 Termos e definições (NBR ) Seale: Na composição das pernas existem pelo menos duas camadas adjacentes com mesmo número de arames. Todos os arames de uma mesma camada possuem o mesmo diâmetro.

12 Termos e definições (NBR ) Warrington: Na composição das pernas existe pelo menos uma camada constituída de arames de dois diâmetros diferentes e alternados.

13 Termos e definições (NBR ) Torção regular: O torcimento dos arames da camada externa da perna tem sentido oposto ao torcimento das pernas do cabo. O sentido de torção das pernas pode ser tanto da esquerda para a direita (torção regular à direita) como da direita para a esquerda (torção regular à esquerda).

14 Termos e definições (NBR ) Torção Lang: O sentido da torção da camada externa dos arames nas pernas é igual ao do torcimento das pernas no cabo. O sentido de torção das pernas pode ser tanto da esquerda para a direita (torção Lang à direita) como da direita para a esquerda (torção Lang, à esquerda).

15 Cabos de Aço e Seus Componentes Matéria Prima: Arame de Aço Corda de Sisal ou de Polietileno Lubrificante

16 Especificações do Cabo de Aço Tipo de Alma (Fibra ou Aço) Resistência a Tração dos Arames (MPS, PS, IPS, EIPS) Nº de Arames e Composição Diâmetro Nominal e Torção (Regular ou Lang) Acabamento (Polido, Galvanizado, Inox e Revestido ) Construção (Nº de Pernas, Nº de Fios e Composição)

17 Processo de Fabricação

18 Fabricação do Arame - Trefilação Fieira Fio Máquina Ø 5,5 a 12 mm Arame Ø 0,18 a 5,5 mm Deformação a frio por encruamento; Patenteamento (tratamento térmico intermediário); Aumento da resistência a tração; Redução da ductibilidade; Aço: Alto Carbono (SAE 1020 a 1070) Alto Carbono (SAE 1030) para Cabos de elevadores.

19 Fabricação da Perna e do Cabo es m Ara Arame Central Perna Fabricação do Cabo Pernas Arames Fabricação da Perna Alma Cabo de Aço Pernas

20 Tipos de Acabamentos dos Arames POLIDO Não Possuem Acabamento Superficial Usados em Cabos para Escavadeiras, Pontes Rolantes, Guinchos, etc.

21 Tipos de Acabamentos dos Arames GALVANIZADO Os Arames são Revestidos com uma Camada de Zinco Maior Proteção contra Corrosão Usados em Cabos para Marinha, Pesca, Tirantes Estruturais, Plataformas Offshore Etc.

22 Classificação / Construção Classificação 6x7 Classificação 6x19 Pernas de 7 arames ou menos Pernas de 16 à 26 arames 6 x 7 + AF x 19 + AF x 19 + AF Seale x 19 + AF Comum (6 + 6) Classificação 6x37 Pernas de 27 à 49 arames * Fonte: NBR x 41 + AF Warrington-Seale (8 + 8) x 41 + AACI Warrington-Seale (8 + 8) x 25 + AF Filler

23 Composição dos Arames nas Pernas 19 Comum 19 Seale 41 WarringtonSeale 25 Filler

24 Tipos de Alma / Resistência Tipos Tipos de de Alma Alma (Parte (Parte interna interna do do Cabo Cabo de de Aço) Aço) AF AFou ouafa AFA( (Alma Almade defibra) Fibra) AA AAou ouaaci AACI(Alma (Almade deaço) Aço) Maior MaiorFlexibilidade FlexibilidadeeeMenor MenorResistência ResistênciaààTração Tração Menor MenorFlexibilidade FlexibilidadeeeMaior MaiorResistência ResistênciaààTração Tração Acabamento Acabamentodo docabos Cabosde deaço Aço Polidos, Polidos,Galvanizados, Galvanizados,Inoxidáveis InoxidáveiseeRevestidos Revestidos Resistência Resistência dos dos Fios Fios Componentes Componentes DENOMINAÇÃO DENOMINAÇÃOAMERICANA AMERICANA P.S. P.S.(Plow (PlowSteel) Steel) (Aço (Açode dearado) arado) RESISTÊNCIA RESISTÊNCIAÀÀTRAÇÃO TRAÇÃO(kgf/mm²) (kgf/mm²) 160/ /180(1448/1655 (1448/1655MPa) MPa) I.P.S. I.P.S.(Improved (ImprovedPlow PlowSteel) Steel) E.I.P.S. E.I.P.S.(Extra (ExtraImproved ImprovedPlow PlowSteel) Steel) 180/ /200(1655/1930 (1655/1930MPa) MPa) 200/ /220 E.E.I.P.S. E.E.I.P.S.(Extra (ExtraExtra ExtraImproved ImprovedPlow PlowSteel) Steel) min. min

25 Resistência à Abrasão x Flexibilidade Construção 6x7 6 x 19 Seale 6 x 19 Comum 6 x 25 Filler 6 x 36 Warrington - Seale 6 x 37 Comum 6 x 41 Warrington - Seale min. max. Flexibilidade Resistência à Abrasão max. min.

26 Torção dos Cabos REGULAR DIREITA REGULAR ESQUERDA LANG DIREITA LANG ESQUERDA

27 Torção dos Cabos Torção LANG: O Fios são enrolados nas pernas no mesmo sentido que as pernas são enroladas na alma. Tem maior resistência à fadiga e desgaste superficial. Torção REGULAR: O Fios são enrolados nas pernas no sentido contrário que as pernas são enroladas na alma. Tem maior resistência ao desenrolamento e maior facilidade de manuseio.

28 Pré-formação Cabo sem Pré-formação Cabo com Pré-formação

29 Passo Passo 6x7 = no Máximo 8 x Ø do Cabo 6x19 e 6x37 = no Máximo 7,25 x Ø do Cabo *Fonte: NBR 6327

30 Construção 2 Operações ou mais 1 Operação Maior Flexibilidade Maior Resistência a Compressão Lateral Maior Resistência a Fadiga Maior Uniformidade na Distribuição da Carga entre os Arames Desgaste Interno Ocasionado pelo Atrito no Cruzamento dos Arames Menor Resistência a Fadiga

31 Tipo de Serviço x Fator de Segurança Cabos guia estático 3-4 Esteios 4-5 Guinchos 5 Máquinas de terraplenagem 5 Serviços gerais de levantamento de carga 5-6 Laços (Lingas) 5-6 Planos inclinados (montados sobre trilhos) 6 Pontes rolantes 6-8 Guindastes - Torres de perfuração (tipo petróleo) 6-8 Talhas elétricas e pneumáticas 7 Pontes rolantes de fornos siderúrgicos 8 Elevadores de baixa velocidade 16 a 100m/min 7-8 Elevadores de alta velocidade 101 a 470m/min 9-11

32 Cordoalhas 7 Fios 19 Fios 37 Fios

33 Inspeção dos Cabos de Aço Determinação do trecho crítico; Medida do diâmetro; Verificação do número de fios partidos; Verificação de desgaste por abrasão nos arames externos; Verificação de corrosão; Verificação de deformações ou amassamentos ao longo do cabo.

34 Pontos Críticos para Inspeção

35 Número Máximo Admissível de Arames Rompidos num Cabo em Serviço TORÇÃO TORÇÃOEE COMPRIMENTO COMPRIMENTO DE DEINSPEÇÃO INSPEÇÃO Lang Lang COMPOSIÇÃO COMPOSIÇÃODO DOCABO CABO 18x7 6x19 18x7 6x19 Não 6x19W 6x41F Não 6x19W 6x41F 6x7 6x7 Rotativo Rotativo 6x19S 6x19S 6x25F 6x25F 6x41WS 6x41WS 6x37 6x37 6x43F 6x43F 11Passo Passoou ou6xø 6xØ Lang Lang Passos Passosou ou30xø 30xØ Regular Regular Passo Passoou ou6xø 6xØ Regular Regular Passos Passosou ou30xø 30xØ

36 Arames Rompidos

37 Formação de Nós

38 Métodos para Lubrificação em Serviço

39 Relação do tipo de Cabo e diâmetro da Polia ou Tambor Tipo Tipo de de Cabo Cabo Diâmetros Diâmetros Recomendados Recomendados Diâmetros Diâmetros Mínimos Mínimos 6x7 6x7 72xØ 72xØ do do Cabo Cabo 42xØ 42xØ do do Cabo Cabo 6x19 6x19 SEALE SEALE 51xØ 51xØ do do Cabo Cabo 34xØ 34xØ do do Cabo Cabo 6x19 6x19 COMUM COMUM 39xØ 39xØ do do Cabo Cabo 26xØ 26xØ do do Cabo Cabo 6x25 6x25 FILLER FILLER 39xØ 39xØ do do Cabo Cabo 26xØ 26xØ do do Cabo Cabo 6x41 6x41 WW- -SS 31xØ 31xØ do do Cabo Cabo 20xØ 20xØ do do Cabo Cabo

40 Dimensionamento/Seleção de Cabos dw: Diametro do fio; D: Diametro Polia; Er: Modulo de Young do Cabo. D/dw = 400; Tabela => Diâmetros mínimos sugeridos; D/dw = ; Elevadores e guinchos de minas;

41 Dimensionamento/Seleção de Cabos

42 Dimensionamento/Seleção de Cabos

43 Dimensionamento/Seleção de Cabos

44 Dimensionamento/Seleção de Cabos Dois mecanismos de falha Falha estática; Fadiga superficial; O dimensionamento é baseado em forças de tração admissíveis;

45 Dimensionamento/Seleção de Cabos Tensão de flexão no Cabos EI M= ρ σi M= ; c dw c= 2 Ec σ= ρ ; D ρ= 2 Er d w σ= D

46 Dimensionamento/Seleção de Cabos Carga Equivalente de Flexão E r d w Am F b=σ Am = D Fb : Força de flexão equivalente no cabo; Am : Área de metal do cabo; Esta força deve ser adicionada à força de tração!

47 Percentagem de perda de resistência devido a D/d Dados obtidos de dados de testes padrão para as classes de cabos 6x19 e 6x17 Deve ser aplicada à resistência última do cabo.

48 Dimensionamento/Seleção de Cabos Falha estática Cargas estáticas Peso morto; Cargas devido a partidas e paradas; Cargas de choque Atrito em polias e tambores;

49 Dimensionamento/Seleção de Cabos Definição dos Fatores de Segurança para Cargas Estáticas Fu ns= Ft F u F b ns= Ft F u: Carga última; Ft : Carga de trabalho atuante;

50 Dimensionamento/Seleção de Cabos

51 Fatores de segurança mínimos para cabos

52 Fatores de segurança mínimos para cabos

53 Dados de cabos

54 Dados de cabos

55 Dados de cabos

56 Pressão admissível máxima de cabos sobre as polias

57 Propriedades úteis de cabos

58 Vida x Razão de pressão na polia Podemos ver deste gráfico que uma vida longa pode ser obtida com razões da ordem de 0,001

59 Pressão do Cabo na Polia 2F Podemos estimar a pressão de contato como p=. dd p Usando =0,001, Su 2000 F obtemos S u=. dd Su é a resistência última à tração do fio, o que não é muito disponível...

60 Pressão do Cabo na Polia Generalizando, a força de tração para uma vida específica é ( p/ S u ) S u D d Ff= 2

61 Forças dinâmica nos cabos (fadiga) Como um exemplo, para um içador, W a F t= +w l 1+ m g ( )( ) ( p / S u) S u d D Ff= 2 W : carga estática m: número de cabos w : peso por comprimento do cabo, l : comprimento suspenso da corda a : aceleração máxima F f Fb nf= Ft

62 Resumo: forças em cabos W a F t= +w l 1+ m g ( )( ) ( p/ S u ) S u D d Ff= 2 IPS : 240<S u <280 kpsi PS: 210<S u <240 kpsi MPS : 180<S u <210 kpsi E r d w Am F b =σ Am = D F u F b ns= Ft F f Fb nf= Ft IPS:1655<S u <1930 MPa PS: 1448< S u <1665 MPa MPS : 1241<S u <1448 MPa

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