PROJETO DE UMA GUILHOTINA MECÂNICA EXCÊNTRICA DE ENGATE POR FREIO E EMBREAGEM PARA CORTE DE CABO DE AÇO. Marcos Antônio Gomes da Costa Junior

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1 PROJETO DE UMA GUILHOTINA MECÂNICA EXCÊNTRICA DE ENGATE POR FREIO E EMBREAGEM PARA CORTE DE CABO DE AÇO Marcos Antônio Gomes da Costa Junior Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL SETEMBRO DE 2017

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3 Gomes da Costa Junior, Marcos Antônio Projeto de uma Guilhotina Mecânica Excêntrica de Engate por Embreagem para Corte de Cabo de Aço / Marcos Antônio Gomes da Costa Junior - Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, VIII, 79 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Armando Carlos de Pina Filho Projeto de Graduação UFRJ / Escola Politécnica / Curso de Engenharia Mecânica, Referências bibliográficas: p Cabos de Aço. 2. Mecanismo de Corte. 3. Guilhotina Mecânica. I. Pina Filho, Armando Carlos de. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Engenharia Mecânica. III. Projeto de uma Guilhotina Mecânica Excêntrica de Engate por Freio e Embreagem para Corte de Cabo de Aço. i

4 Dedico este trabalho a minha mãe Marilene Afonso Ferreira e minha avó Maria das Dores Costa. ii

5 AGRADECIMENTOS Primeiramente gostaria de agradecer a minha mãe, Marilene Afonso Ferreira por toda a dedicação, amor e apoio incondicional que me deu em todos os momentos de minha vida. Você sempre esteve do meu lado e é só pelo seu bom trabalho como mãe que pude me tornar quem eu sou e chegar até aqui. Agradeço a minha irmã, Ana Cláudia Ferreira, pelo carinho, a alegria e a confiança que sempre depositou em mim. A minha Avó Maria das Dores, agradeço por ter sido tão presente na minha criação, tenho certeza que seus ensinamentos foram determinantes para que durante toda a vida e que eu seguisse pelo caminho do bem. Por fim, agradeço à UFRJ e ao seu corpo docente pelo enorme esforço e dedicação em nos presentear com um inestimável tesouro, a profissão de engenheiro. Em especial gostaria de agradecer ao professor Armando pela disponibilidade em me orientar nesse trabalho de conclusão, estando sempre presente para me ajudar a desenvolver esta ideia. iii

6 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. PROJETO DE UMA GUILHOTINA MECÂNICA EXCÊNTRICA DE ENGATE POR FREIO E EMBREAGEM PARA CORTE DE CABO DE AÇO Marcos Antônio Gomes da Costa Junior Setembro/2017 Orientador: Armando Carlos de Pina Filho Curso: Engenharia Mecânica Os cabos de aço são elementos mecânicos muito utilizados em transmissão de potência. Apesar de sua vasta utilização, ainda existe uma real necessidade no mercado de um equipamento que realize o seu corte de forma eficiente e segura. Desta forma, este trabalho tem como objetivo desenvolver um equipamento que supra essa necessidade. Primeiramente, foi feita uma análise do elemento a ser cortado, a fim de conhecermos os parâmetros fundamentais e mecanismo de corte. O equipamento a ser projetado é uma guilhotina mecânica que é formada por um motor elétrico que armazena energia mecânica em um volante com transmissão por correias; a energia armazenada pelo volante é transmitida para a lâmina de corte da guilhotina por meio do acionamento de um sistema de embreagem e freio. Para estimar a capacidade máxima de corte do equipamento e dimensionar os componentes mecânicos, limitou-se o diâmetro máximo e classe do cabo mais resistente a ser cortado. Para isso, foi escolhido o cabo de classe 6x19 e diâmetro limite de 1 polegada (26 mm). Após o dimensionamento dos componentes foram gerados o desenho técnico e suas especificações. Palavras-chave: Cabos de Aço, Equipamento de Corte, Acionamento por Freio e Embreagem, Guilhotina Mecânica. iv

7 Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer. DESIGN OF BRAKE AND CLUTCH ACTUATED MECHANICAL GUILHOTINE WIRE ROPE CUTTER Marcos Antônio Gomes da Costa Junior August /2017 Advisor: Armando Carlos de Pina Filho Course: Mechanical Engineering Wire ropes are mechanical components widely used in power transmission. Despite its large application, there is a market demand for a machine that is able to cut wire ropes efficiently and safely. For this reason, this project aims to develop a cutting machine able to supply this demand. At first, a study on the wire ropes is carried out, figuring out the most important cutting parameters and cutting mechanisms. A guillotine shearing machine is designed which is composed by electrical motor, flywheel, pulley and belt, cutting tool, break and clutch. The electrical motor rotates the flywheel storing mechanical energy, this system is transmitted by pulley and belt, the flywheel transmits this energy to the cutting tool actuated by break and clutch. In order to rate the machine cutting application and design all the mechanical components, the 6x19 class wire rope with 1 inch diameter is set as the most resistant and largest diameter cable to be cut. Finally, the graphic documentation of the project is presented, where the technical drawings are supplied. Key words: Wire Rope, Cutting Machine, Break and Clutch Actuation, Mechanical Guillotine Shearing Machine. v

8 Sumário 1. INTRODUÇÃO Motivação Objetivo Escopo CABOS DE AÇO Definição e Aplicações Histórico Processo de Fabricação Características Construtivas Arames Pernas (Toros) Alma Propriedades e Classificações dos Cabos de Aço Passo Diâmetro Resistência Mecânica Área metálica Especificação, Nomenclatura e Simbologia do Cabos de Aço Cabos Pré-formados Lubrificação e Manutenção em Cabos de Aço Lubrificação Métodos de Lubrificação: Manutenção Inspeção e Critério de Substituição MECANISMOS DE CORTE Classes de Solicitações Mecânicas Tensão Normal (Tração e Compressão) Diagrama de Tensão Deformação Tensão de Cisalhamento Relação entre Tensão Normal e Cisalhante Critérios de Falha vi

9 Critério de Von Mises Critério de Tresca Critérios Práticos Corte por Cisalhamento na Conformação Equipamentos de Corte por Cisalhante Tesoura Manual Tesoura Vibratória Manual Tesoura Vibratória Universal Guilhotina Mecânica Guilhotina Hidráulica Guilhotina Pneumáticas CÁLCULO DOS PARÂMETROS FUNDAMENTAIS DE CORTE Folga Ângulo de Afiação Material da Lâmina Força de Corte CARACTERÍSTICAS E ESPECIFICACÕES DOS COMPONENTES DO EQUIPAMENTO Elementos Mecânicos do Sistema Mecanismo Biela-Manivela Análise Cinemática Análise da Posição Análise da Velocidade Cálculos para Biela Volante de Inércia Cálculo do Momento de Inércia do Volante Calculo do Diâmetro Externo do Volante Dimensionamento do Eixo Manivela Sob Torção Torque No Eixo (T): Carregamento Variável Limite de Resistência a Tração (Sut) e Limite de Resistência a Fadiga (Se) Fator de Concentração de Tensão Devida á Torção (Kfs) Conclusão Freios e Embreagem Seleção do Sistema Freio e Embreagem Combinados Motores Elétricos vii

10 Conceitos Básicos Conjugado Energia e Potência Mecânica Velocidade Síncrona ( ns ) Escorregamento (s) Velocidade Nominal (n) Curva Conjugado x Velocidade Tempo de Aceleração Seleção do Motor Correias e Polias Mancais de Rolamento Solicitações em Parafusos Chavetas Guias Lineares MONTAGEM DO CONJUNTO CONCLUSÃO Sugestões para Trabalhos Futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS viii

11 1. INTRODUÇÃO 1.1. Motivação A ideia da criação de um sistema de corte de cabo de aço surgiu de uma real necessidade do mercado, onde a empresa BRASCABO solicitou à Fluxo Consultoria, empresa Júnior de consultoria em Engenharia da UFRJ, o projeto de um equipamento que suprisse essa necessidade. Este projeto foi primeiramente elaborado por CORRÊA[1] e SOARES[2]. Apesar da vasta utilização dos cabos de aço na indústria e processo de fabricação bem definido, os sistemas de cortes de cabos de aço atuais são ainda muito rudimentares, muitas vezes sendo realizados manualmente, tendo-se um elevado tempo de serviço e apresentando muitas vezes risco para o trabalhador. Dentre os sistemas mais utilizados atualmente, pode-se ressaltar o corte por tesouras manuais e/ou alicates, guilhotinas pneumáticas, e alguns outros mecanismos automáticos. Para o corte de pequenos diâmetros é utilizado com mais frequência o corte manual que, como já citado, apresenta um grande risco para a integridade física do trabalhador. Para os cortes de grandes diâmetros, com guilhotinas pneumáticas, leva-se ainda um elevado período tempo na sua execução Objetivo Este trabalho tem como propósito o desenvolvimento de um mecanismo de corte de cabo de aço com precisão, rapidez e eficiente, e também, que vise a segurança do operador. O equipamento a ser projetado possui um sistema de corte por acionamento mecânico visando uma solução alternativa aos projetos anteriores de CORRÊA[1] e SOARES[2] que optaram por um equipamento de corte com acionamento hidráulico Escopo Estudos dos Cabos de Aço: Inicialmente será feito um estudo do elemento mecânico a ser cortado visando conhecer o seu processo de fabricação e suas principais características. 1

12 Estudo do Mecanismos de Corte: Será apresentado um estudo do mecanismo de corte dos cabos de aço visando conhecer os esforços e tensões atuantes durante esse processo. Posteriormente, serão calculados os parâmetros fundamentais de corte necessários para o dimensionamento de nosso equipamento. Escolha do Princípio de Funcionamento do Equipamento: Através de uma pesquisa dos principais equipamentos de corte já utilizados pelo mercado, optou-se por um equipamento de corte mecânico de acionamento por embreagem. Componentes do Equipamento: Será analisado cada componente do nosso mecanismo a fim de otimizar cada elemento mecânico, minimizando os custos e aumentando a segurança e eficiência de nosso equipamento. Documentação Gráfica: Será fornecido um anexo com o desenho técnico mecânico da montagem do equipamento e seus elementos. 2

13 2. CABOS DE AÇO 2.1. Definição e Aplicações Cabos de aço são elementos de transmissão flexível, muito utilizados para fins estruturais e transmissão de potências, geralmente ligados a grandes distâncias. Os cabos de aço são compostos, basicamente, por arames de aço enrolados em um feixe helicoidal formando uma corda de aço. Suas principais características são alta resistência a tração associado a elevada flexibilidade. Cabos de aço possuem diversos tipos de aplicação como elevadores de carga ou passageiros, guindastes, gruas, pontes, teleféricos e etc Histórico Com o avanço da mineração, surgiu a necessidade da criação de um elemento mecânico que substituísse as correntes utilizadas nas minas de carvão. Assim, em 1834, o alemão Wilhelm August Julius Albert criou o primeiro cabo de aço semelhante ao que se utiliza atualmente. Os primeiros cabos utilizados não eram muito complexo, eram formados por 3 pernas e cada perna por 4 arames, não possuindo ainda uma alma. Tinham, relativamente, elevados diâmetros e baixa resistência a tração se comparados com cabos atuais, mas já se mostraram bastante eficiente na substituição das correntes para aplicações em longa distância. Com a rápida expansão da utilização dos cabos de aço veio a necessidade da elaboração de um processo eficiente para a manufatura dos cabos. Em 1840, Robet Newall patenteou a primeiro máquina de fabricação de cabo aço, como vista na figura 2.1, ele aumentou o número de pernas utilizadas pelo cabo e trouxe a ideia de enrolar todos os cabos em volta de um cabo central que hoje é chamado de alma. Com o passar dos anos os trançados dos cabos foram se modernizando até chegar as formações Seal, Warrington e Filler utilizadas atualmente. 3

14 Figura 2.1 Primeira Máquina de Fabricação de Cabo de Aço [3]. O primeiro cabo de aço fabricado no Brasil foi desenvolvido pela Companhia Industrial e Mercantil de Artefatos de Ferro CIMAF, empresa que já atuava na fabricação de parafusos. Estes primeiros cabos foram destinados ao uso de tratores, elevadores e uso geral, sendo fabricados por arames da Companhia Belgo-Mineira. Em 1960, foram utilizados cabos nacionais para construção do bondinho do pão de açúcar, uma das mais modernas atrações turística no país até hoje. Com o passar dos anos os cabos brasileiro evoluíram para uma gama de aplicações como visto na figura 2.2. Figura 2.2 Evolução da Produção de Cabos de Aço no Brasil [4] Processo de Fabricação Os cabos de aços são fabricados a partir do fio máquina, que é o produto da lâminação a quente do aço carbono sem liga e elevado teor carbono. O fio máquina antes de trefilado passa por um processo chamado de decapagem, que são sucessivos banhos químicos para limpa-lo e prepara-lo para a trefilação. A trefilação é um processo onde o fio máquina é forçado por uma matriz (seção transversal 4

15 ao fluxo do fio, que na trefilação é chamada de trefila) onde ele é alongado diminuindo o seu diâmetro. No processo de fabricação dos arames de aço, a trefilação é dividas em duas etapa, trefilação fina e trefilação grossa, e ainda, entre as duas etapas é realizado um tratamento térmico chamado de patenteamento, que visa melhorar a qualidade final do cabo. O patenteamento condiciona a estrutura molecular do aço a um estado de órbita mais fino e uniforme. Este tratamento térmico é obtido através da imersão do arame de aço, na saída da trefilação grossa, em um banho de chumbo fundido. Os arames tem sua temperatura elevada até acima da temperatura crítica de 915 C e depois resfriados a 550 C por alguns segundos até serem resfriados a temperatura ambiente. A figura 2.3 apresenta um fluxograma do processo de fabricação do arame de aço. Na trefilação grossa tem-se uma maior redução de diâmetro para que em seguida na trefilação fina possa-se obter o diâmetro e tolerância final desejada para o arame de aço. Figura 2.3 Fluxograma do Processo de Fabricação do Arame de Aço. O arame de aço pode também ser galvanizado, o que consiste na imersão do arame em zinco fundido. O processo de galvanização pode ser realizado após o último processo de trefilação ou no intermédio entre a trefilação fina e a trefilação grossa. Cabos de aço 5

16 galvanizados são recomendados para aplicação em ambientes agressivos ou em contato com água. O arame de aço fabricado em bobinas é transportado para o setor de produção dos cabos de aço, onde as bobinas de arame de aço são recebidas pelas máquinas de encordoamento onde o arame é torcido para a formação da perna. Por um processo semelhantes, porém com maquinas mais robustas, as máquinas de cabo fechado realizam a torção helicoidal das perna formando por fim os cabos como ilustrado no fluxograma da figura 2.4. Durante o encordoamento do arames, eles recebem lubrificação adequada, visando diminuir o atrito interno entre os arames e pernas e prevenir corrosão aumentando assim a vida útil do cabo. A figura 2.5 ilustra a formação das pernas e a formação dos cabos lado a lado. Figura 2.4 Fluxograma do Processo de Fabricação do Cabo de Aço. Figura 2.5 Formação da Perna e do Cabo de Aço [5]. Controle de Qualidade: Durante o processo de fabricação dos cabos são realizados diversos testes, em acordo com normas, visando garantir a qualidade dos cabos e arrecadar dados para o desenvolvimento e melhoria do produto. Em cada lote de bobina são medidos diâmetro, ovalização e camada de zinco nos arames galvanizados, são 6

17 realizados testes metalográficos e dinamométricos para medir ductilidade, alongamento e resistência a tração, garantindo assim a resistência exigida na aplicação dos cabos Características Construtivas Os Cabos de aço, como pode ser visto na figura 2.6, são formado por torções helicoidais dos arames de aço. Essas torções não são feitas de forma aleatória, os arames de aço são torcidos sobre um elemento central, em uma ou mais camadas, dando forma a perna, que são então torcidas, também em um elemento central, denominado alma, dando origem aos cabos de aço. Arames, pernas e almas serão estudados a seguir. Figura 2.6 Composição Básica dos Cabos de Aço [6] Arames Arames são fios de aço estirados por trefilação a frio, conforme descrito no processo de fabricação dos cabos. Estes processos de fabricação dão a ele as características de resistência mecânica necessárias para sua utilização em cabos de aço. Os arames tem como característica alta resistência mecânica, ductilidade, resistência ao desgaste e resistência a corrosão. Seu acabamento superficial pode ser polido, lubrificado, zincado ou galvanizado. Os arames de aço são compostos, basicamente, por 0,3 a 0,8 % de carbono, no máximo 0,3% de silício, 0,4 a 0,8 % de manganês e no máximo 0,04 % de fósforo [5], pode-se utilizar outros materiais como aço inox, bronze fósforos, cobre, latão ou alumínio dependendo da aplicação Pernas (Toros) As pernas são criadas a partir de arames torcidos, em helicoidal, em torno de um elemento central. Estas torções podem ser em diferentes direções como ilustrado na figura

18 Torcedura regular (Diagonal ou Cruzada): Nesse tipo de torção os fios de arames e as pernas são torcidos em sentidos opostos, não possuem tendências a torcer, são mais fáceis de manusear e mais flexíveis. Por essas vantagens, ele é o mais utilizado atualmente. Torcedura Lang (Plana ou Paralela): os arames e pernas são torcidos no mesmo sentido, são menos flexíveis e assim mais difíceis de manusear. Torcedura Alternada: Os arames e pernas são torcidos de forma regular e lang. As pernas podem ser torcidas da esquerda para o direita, como nas figuras 2.7.A e 2.7.C, denominado torção em Z ou pode ser torcida da direita para a esquerda, como nas figuras 2.7.B e 2.7.D, denominado torção em S. Figura 2.7 Tipos de Torçedura [7]. Tipos de Pernas Simples - A figura 2.8 apresenta a seção transversal de um cabo de aço de perna simples. Este tipo de cabo possui todas as pernas de mesmo diâmetro torcidos em torno de um arame central também de mesmo diâmetro. 8

19 Figura 2.8 Perna Simples. [8] Seale Disposição na qual a última camada possui arames de maior diâmetro, trazendo assim, maior resistência à abrasão. Os cabos são compostos em como apresentado na figura 2.9. Figura 2.9 Perna Seale. [8] Warrington Essa disposição caracteriza-se por ter os arames externo de diâmetros diferentes e alternados, como visto na figura 2.10, dessa forma as pernas Warrington possuem boa resistência ao desgaste e à fadiga. Figura 2.10 Perna Warrington.[8] Filler Como apresentado na figura 2.11, este tipo de cabo possui arames bem finos que são dispostos entre duas camadas, aumentando a área de contato, a flexibilidade, a resistência ao amasso e reduz os desgastes entre os arames. 9

20 Figura 2.11 Perna Filler [8] Warrington Seale É formado pela combinação dos dois tipos, possuindo assim suas principais características, como, alta resistência à abrasão e fadiga e boa flexibilidade. A figura 2.12 ilustra a seção transversal de um cabo de perna Warrington Seale. Figura 2.12 Perna Warrington Seale [8] Alma A alma e o elemento central do cabo de aço onde as pernas serão torcidas, pode ser composta de fibra ou de aço. A figura 2.13 apresenta a seção transversal de cabos de diferentes tipos de alma. Alma de Fibra: A alma de fibra (AF) pode ser de fibra natural, geralmente de sisal ou de fibra artificial (AFA), geralmente, polietileno. As almas de fibras dão mais flexibilidade aos cabos. Alma de Aço: A alma de aço pode ser formado por mais uma perna (AA) ou por um cabo independente (AACI). A alma de aço, fornece uma maior resistência ao amassamento e maior resistência a tração. A alma do tipo AACI é preferida quando se exige maior flexibilidade do cabo. 10

21 Figura 2.13 Tipos de Alma [8] Propriedades e Classificações dos Cabos de Aço Passo O passo de um cabo de aço, apresentado na figura 2.14, é definido como sendo a distância, medida na direção do eixo do cabo, em que a perna faça uma volta completa em torno do eixo do cabo. Figura Passo do Cabo de Aço[8] Diâmetro Deve-se diferir diâmetro nominal do diâmetro real. O diâmetro nominal é aquele desejado no projeto, já diâmetro real é aquele que é medido no cabo. O diâmetro real do cabo deve ser medido de acordo com a norma ABNT NBR ISO 2408 como representado na figura Deve-se escolher duas posições do cabo, com distância mínima de 1 m entre elas, sendo realizadas duas medidas em cada uma dessas posições, somando-se assim 4 medidas; deve-se evitar medidas próximo as extremidades do cabo. A média dessas quatro medidas será o diâmetro real. A tolerância dessas medidas deve estar de acordo com a tabela

22 Tabela 2.1 Tolerância para os Diâmetros dos Cabos de Aço [8]. Figura 2.15 Medição Correta do Diâmetro do Cabo de Aço [8] Resistência Mecânica Os cabos podem ser classificados segundo o aço utilizado na fabricação dos arames. Sendo separado em categorias de resistência como demostrado na tabela abaixo. A classificação da resistência dos cabos pela norma NBR ISSO 2408 e ilustrada na tabela 2.2. Tabela 2.2 Categoria de Resistência Mecânica dos Cabos de Aço[7]. Categoria Sigla (Denominação Americana) Iron I 600 Traction Iron TI Mild Plow Steel MPS Plow Steeel PS Improved Plow Steel IPS Extra Improved Plow Steel EIPS Faixa de resistência dos arames [MPa] 12

23 Área metálica A área metálica é dada pelo somatório das áreas das seções transversais dos arames que constituem o cabo, excluindo-se os arames de preenchimento (filler). O cálculo da área metálica Am [mm²] pode ser feita através da equação (1) abaixo, onde: F Fator de multiplicação de área, obtido na tabela 2.3 Am Área metálica [mm²] D Diâmetro do cabo de aço Am = FxD 2 (1) Tabela 2.3 Fator de Multiplicação de Área. [8] 2.6. Especificação, Nomenclatura e Simbologia do Cabos de Aço Nos catálogos de fabricantes e na literatura, os cabos de aço são representados por 3 números seguido de uma ou duas letras, onde o primeiro número representa o diâmetro nominal do cabo (D), o segundo o número de pernas e o terceiro o número de arames por perna seguido da nomenclatura dada pela tabela 2.4 que indica o tipo de perna e alma que são utilizados na formação do cabo. Sendo assim, um cabo denominado 19x6x19 AA (Seale), possui 19 mm de diâmetro, 6 pernas, 19 arames por perna e alma de aço. D x n de Pernas x n de Arames / Perna + Tipo de Perna ou Alma 13

24 Tabela Abreviações de tipos de pernas e almas[7]. Sigla S W F SW AF AA AACI Descrição Seale Warrington Fillet Seale Warrington Alma de Fibra Alma de Aço Alma de Aço cabo Independente 2.7. Cabos Pré-formados A pré-formação é uma característica fundamental no corte de aço pois cabos que não são pré-formados tendem a se desdobrar e danificar a estrutura do cabo. Cabos pré-formados são cabos de aço que recebem em sua fabricação um processo adicional onde as pernas e arames são torcidos de forma helicoidal adicionando um mínimo de tensão interna fazendo com que os cabos não tendam a se desenrolar quando estes têm suas extremidades expostas, como ilustrado na figura Figura Cabos Pré-Formado[8]. 14

25 2.8. Lubrificação e Manutenção em Cabos de Aço Lubrificação A lubrificação dos cabos de aços é fundamental para aumentar sua vida útil diminuindo o seu desgaste por atrito e protegendo-o contra corrosão. Os cabos já são lubrificados durante a sua fabricação, porém essa lubrificação só é adequada durante seu armazenamento e assim que o cabo entra em operação é necessário a sua relubrificação. Cabos sem lubrificação adequada podem sofrer oxidação, reduzindo sua área metálica e comprometendo assim sua resistência mecânica. Cabos mal lubrificados podem também ficar sujeito ao desgaste por atrito. Um bom lubrificante deve ser quimicamente neutro, possuir boa aderência, possuir uma viscosidade adequada para que ele seja capaz de penetrar entre as pernas e os arames, ser estável em operação e oferecer proteção contra corrosão. Na tabela 2.5 pode-se ver alguns exemplos de lubrificantes recomendado para dadas aplicações. Tabela 2.5 Lubrificação Recomendadas para Aplicações de Cabos de Aço [8] Métodos de Lubrificação: Pincel ou Recipiente: O Pincel é o método mais fácil e barato, todavia é o que apresenta maior desperdício. O lubrificante é aplicado no contato entre a polia e o cabo, como ilustrado na figura 2.17, com um lento deslocamento para uma melhor distribuição. 15

26 Figura Limpeza com mecha absorvente e lubrificação por gotejamento. [7] Por imersão: Este método é utilizados em cabos que são utilizados horizontalmente. O cabo é submergido em lubrificante com o auxílio de polias, o lubrificante é aquecido para obter a viscosidade desejada. Conta Gota: Esta lubrificação é recomendada para cabos de difícil acesso e os que não podem ter sua aplicação interrompida. Um lubrificante, com temperatura controlada, é aplicado por um contador de gotas nos pontos de aplicação da polia. Lubrificador Mecânico: Também recomendado para cabos horizontais, este processo ocorre pelo auxílio de um carrinho que lubrifica o cabo gotejando lubrificante pelo seu caminho horizontal Manutenção Além da lubrificação, já abordada na secção 2.8.2, muitos outros fatores devem ser considerados na manutenção de cabos de aço como: um dimensionamento adequado da relação tambor/polia e diâmetro dos cabos, meio ambiente em que os cabos estarão expostos, ângulo de desvio entre tambor e cabo, manuseio e inspeções adequadas. Relação Entre o Diâmetros do Tambor/ Polia e do Diâmetro dos Cabos: A fim de garantir um bom desempenho na utilização dos cabos de aço existe uma faixa de valor mínimo recomendado, por normas, para relação entre o diâmetro do tambor ou polia com o diâmetro dos cabos (D/d), como mostrado na tabela

27 Tabela 2.6 Diâmetro Indicado para Polias e Tambores por Tipo de Equipamento [8]. Os cabos e polias devem estar devidamente ajustados, com canaletas adequadas para o diâmetro de cabos a ser utilizado. Cabos muito grandes, em relação às canaletas, podem gerar esmagamento lateral (pinçamento), como na figura 2.18 (b), já cabos muito pequenos podem causar achatamento dos cabos, como na figura 2.18 (c), diminuindo a vida útil tanto do cabo quanto das polias. A tabela 2.7 ilustra valores recomendados para as folgas máximas e mínimas que devem ser adicionados ao valor do diâmetro nominal do cabo para obtenção do diâmetro do canal da polia. Figura 2.18 Ajuste do Cabo de Aço à Polia [7]. 17

28 Tabela 2.7 Valores Recomendados para Folga Máxima e Mínima. [8] Manuseio: Quando um cabo de aço é manuseado deve-se ter certos cuidados, deve ser estritamente evitada a formação de laço. Se um laço é feito e tensionado, o cabo pode ser estrangulado formando-se um nó e danificando o cabo. Ainda que se desfaça o nó, o cabo terá sua resistência comprometida tendo que ser retirado de serviço. Para se evitar a ocorrência de laços, os cabos de aço devem ser manuseado de maneira apropriado tal que os cabos não tendam a torcer em volta de si, como mostrados na figura Figura 2.19 Correto Manuseio dos Cabos de Aço. [8] Inspeção e Critério de Substituição Para garantir a vida útil e segurança durante a operação do cabo de aço é essencial que sejam feitas inspeções a fim de avaliar seu desgaste e qualidade. A primeira inspeção deve ser a inspeção de recebimento onde o comprador garante que o cabo seja recebido com a qualidade especificada pelo fabricante. Após o cabo em uso, com as cargas e movimentos aplicados, é recomendado que sejam feitas inspeções periodicamente com intuito de avaliar possíveis desgastes e verificar a possível necessidade de retirar-se o cabo de serviço. A tabela 2.8 apresenta frequência para alguns tipos de inspeção. 18

29 Existem algumas normas de critérios para inspeções como NBR 13542, IRAM 3923, ISSO 4903, DIN 15020, ANSI A.1.2 e ANSI B.30 [7]. TIPO DE INSPEÇÃO Tabela Tipos de inspeções para Cabos de Aço [7]. RESPONSÁVEL OBSERVAR PRINCIPALMENTE REGISTRO ESCRITO Frequente Operador Anomalias localizadas Não Periódica Especializada Inspetor qualificado Empresa especializada Anomalias localizadas e deterioração geral Ensaio não destrutivo Sim Sim Ao inspecionar um cabo de aço, existem diversos fatores que indicam sua perda de qualidade em serviço, como esmagamento, grande diminuição em diâmetro, rupturas de arames, corrosões, entre outras. Sendo assim, a partir destes fatores pode-se determinar critérios pra retirada dos cabos de serviço. Alguns critérios de retirada de serviço são: quantidade de arame quebrados, diâmetro mínimo para o cabo, deformações, etc. A determinação da substituição de um cabo de aço é uma tarefa difícil, porém, existem algumas normas para recomendação de retirada de serviço como NBR ISO 4309, ASME B.30.2 NBR 13543, etc [7]. 19

30 3. MECANISMOS DE CORTE Este projeto visa desenvolver um equipamento que corte cabos de aço através de esforço cisalhante. Como na maioria dos cabos de aço em serviço os esforços aplicados são predominantemente esforços de tração, os catálogos de fabricante apresentam apenas dados relacionados ao limite de resistência à tração que são obtidos através de ensaios feitos durante o processo de fabricação dos cabos. Para relacionar esforço de tração com esforço cisalhante é de fundamental importância estudar o comportamento dos materiais submetidos a esses diferentes tipos de solicitações mecânica. Deve-se também analisar o cálculo da tensão de ruptura através de diferentes critérios de fratura. Para conhecermos os parâmetros fundamentais no processo de corte por cisalhamento será feito uma analogia com o uso deste mecanismo no processo de fabricação de chapas de aço Classes de Solicitações Mecânicas Quando um sistema de forças atuam sobre um corpo o efeito produzido é diferente, segundo a direção, sentido e plano de aplicação da força. Esses esforços podem ser axiais, atuando na direção do eixo do corpo ou transversais se atuarem na direção perpendicular ao eixo do corpo. Os diferentes tipos de tensões atuante no corpo dependem da classe de solicitação que nele atua. As tensões do tipo tração, compressão e flexão ocorrem na direção normal ao plano de aplicação da força e por isso são chamadas de tensões normais. As tensões devido ao esforço cortante e devido ao esforço de torção atuam na direção tangencial ao plano de aplicação da força e assim são chamadas de tensões de cisalhamento. A flexão, ilustrado na figura 3.1, é uma solicitação transversal em que o corpo se deforma tendendo a modificar o seu eixo longitudinal. Já a torção, indicado na figura 3.2, é uma solicitação onde o corpo tende a girar as seções de um corpo, uma em relação à outra. Figura Viga Submetida a Flexão. [9] Figura Eixo Submetido a Torção. [9] 20

31 Tensão Normal (Tração e Compressão) A tensão (σ) atuante em um corpo submetido a uma carga axial P na seção transversal de área A pode ser calculada através da expressão: σ = P. Por convenção é A considerada positiva a carga que tende a alongar o corpo (tração) e negativa a carga que tende a comprimir o corpo (compressão) Diagrama de Tensão Deformação O ensaio de tração é um dos testes mais utilizados para conhecer-se o comportamento dos materiais submetido aos diversos tipos de esforços mecânico. Neste ensaio, uma amostra do material, chamada corpo de prova, é submetido a uma carga de tração que aumentada gradativamente até a ruptura do material. A figura 3.3 ilustra um corpo de prova padrão. Durante o ensaio são medidas a área de seção transversal do corpo (A) e a distância entre dois pontos (L o ) do corpo de prova, à medida que a carga aplicada no corpo de prova aumenta, pode ser observado o aumento da distância entre os pontos marcados (L). A partir das grandezas medida e da lei de Hooke, pode-se obter o diagrama tensão deformação do material ensaiado. Lei de Hooke, Figura 3.3 Corpo de Prova Submetido ao Ensaio de Tração. [9] σ = Eε (2) σ = F A (3) ε = L f L o L o (4) onde: Lo Comprimento inicial do corpo; Lf Comprimento final do corpo; 21

32 ε - Deformação do corpo [%]; E - Modulo de Elasticidade; Analisando o digrama tração x deformação pode-se separar os materiais em duas categorias, materiais frágeis e materiais dúcteis. Os materiais frágeis são aqueles que, no diagrama tensão x deformação, chegam ao ponto de fratura apresentando pequena deformação plástica, como ilustrado na figura 3.4. Podemos citar como exemplos de materiais frágeis o vidro e o ferro fundido. Figura Diagrama Tensão Deformação para Materiais Frágeis. [9] Já os materiais dúcteis apresentam grande deformação plástica antes de se romper, como na figura 3.5, exemplos desse tipo de material são o alumínio e o aço de baixo carbono; os cabos de aço também são exemplo de material dúctil. Figura 3.5 Diagrama Tensão Deformação Para Materiais Dúcteis. [9] 22

33 As propriedades de resistência mecânica obtidas através da figura 3.5 são: σ p - Tensão de proporcionalidade: representa o valor máximo da tensão no qual o material obedece à lei de Hookie, sendo assim, até este valor, a tensão é diretamente proporcional à deformação; σ e Tensão de escoamento: a partir deste ponto aumentam as deformações sem que se altere praticamente o valor da tensão. σ R Tensão limite de resistência: corresponde à máxima tensão obtida no ensaio de tração, também conhecida como tensão de resistência a tração; σ r Tensão de ruptura: corresponde à tensão na qual ocorre a ruptura do corpo de prova, também denominada tensão limite de ruptura. ε e Deformação elástica: trecho da curva compreendido entre a origem e o limite de proporcionalidade. ε p Deformação plástica: trecho compreendido entre o limite de proporcionalidade e o ponto correspondente à ruptura do material Tensão de Cisalhamento Um corpo é submetido ao esforço de cisalhamento quando sofre a ação de carregamentos paralelos em sentidos que atuam na direção transversal ao seu eixo do corpo. A tensão de cisalhamento (τ) é obtida através da razão entre a força cisalhante (F c ) e a área de cisalhamento (A), também denomina área de corte, conforme ilustrado na figura 3.6, i.e., τ = F c A (5) Figura 3.6 Corpo Submetido ao Esforço Cisalhante. [9] 23

34 Relação entre Tensão Normal e Cisalhante Conforme já mencionado, a maioria dos dados disponíveis em catálogos de cabos de aço são obtidos através da realização de ensaios de tração. Como neste projeto sugerese a realização do corte do cabo de aço por esforço de cisalhamento, se faz necessário o conhecimento de critérios que relacionem as tensões normais obtidas nos ensaios de tração às tensões de cisalhamento. Os esforços sofrido por um material submetido a tensões pode ser representado em diferentes direções. Para o caso de estado de tensão uniaxial, que é o caso do ensaio de tração dos cabos de aço, pode-se relacionar pelo círculo de Mohr a direção de cisalhamento máximo como sendo a 45 da direção em que o corpo é tensionado e igual a τ máx = σ 1, como ilustrado na figura Figura 3.7 Círculo de Mohr - Relação entre Tensão Cisalhante e Tensão Normal. [10] 3.2. Critérios de Falha Infelizmente, não existe uma teoria universal para a falha dos materiais, porém ao longo dos anos diversas teorias de falha tem sido formuladas e testadas e sendo amplamente utilizadas no projeto de elementos mecânicos. Critério de Von Mises e critério de Tresca são exemplos de teorias utilizadas para o projeto de equipamentos. Utilizou-se esses critérios para calcular a força necessária para romper (cortar) os cabos de aço através do esforço cisalhante e relaciona-la com o limite de resistência a tração obtido no catálogo Critério de Von Mises Este critério sugere um modelo que se aplica aos materiais cujo limite de plastificação é isotrópico e independe da componente média de tensão e para o corte por cisalhamento, deve-se analisar o modelo de von Mises para cisalhamento puro. Este ensaio é feito através da torção de um tubo, onde se produz uma tensão de cisalhamento e esta é aumentada até atingir o limite de plastificação. 24

35 O modelo de von Mises propõe comparar a tensão de cisalhamento com a tensão de escoamento obtida do ensaio de tração. Dessa comparação, conclui-se que se um material pode ser representado mediante o modelo de plastificação de Mises, então nos ensaios de tração e torção se encontram os limites de plastificação da equação (6): τ = 3 3 σ r (6) Critério de Tresca Este critério também é aplicado a materiais cujo limite de plastificação é isotrópico e independente da componente média de tensão. Da mesma maneira que o critério de von Mises, é proposta a comparação entre os ensaios de tração e torção, porém conclui-se que se um material pode ser representado mediante o modelo de plastificação de Tresca, então nos ensaios de tração e torção se encontram limites de plastificação que podem ser representado pela equação (7). τ = 0,5σ r (7) Critérios Práticos Diante da dificuldade de relacionar tensão normal e tensão cisalhante, BENTO[9] sugere a utilização de critérios práticos para determinação desses valores. Para o corte cisalhante que será utilizado por nosso equipamento foram relacionados as tensões segunda a tabela 3.1. Tabela 3.1 Critérios Práticos para Aço e Ferro Fundido. [9] Material Ruptura Escoamento Aço até 0,3 C e Alumínio τr = 0,6σr τe = 0,6σe Aço 0,3 0,7 C τr = 0,75σr τe = 0,75σe Aço > 0,7 τr = σr τe = σe FoFo Cinzento τr = (1-1,6)σr - FoFo Maleável τr = (0,75-1,75)σr - Como apresentado na secção 2.3, os cabos de aço são fabricados a partir de arames de 0,3 à 0,8 % C, sendo assim, pela tabela apresentada acima pode-se utilizar a seguinte relação: τ r = 0,75σ r (8) 25

36 3.3. Corte por Cisalhamento na Conformação Para melhor compreendermos o corte em metais, pode-se usar como analogia o corte de chapas de aço utilizados no processo de conformação. O processo de corte de chapas de aço na conformação é feito através do cisalhamento entre duas arestas de corte. O corte por cisalhamento pode ser divido, basicamente, em 4 etapas: punção, deformação plástica, penetração e fratura. Quando a lâmina atinge a chapa na etapa de punção começa a ocorrer deformação plástica na superfície da chapa. A lâmina continua a se mover causando maior escoamento na chapa na região de penetração do corte, em seguida o material atinge o seu limite de deformação surgindo trincas nas duas arestas de corte. Assumindo que tem-se uma folga adequada entre as lâminas de corte, as trincas se encontrarão causando assim a separação dos materiais. Após o corte, pode-se identificar 4 regiões diferentes sendo formada: zona de deformação, zona de penetração, zona de fratura e rebarba Equipamentos de Corte por Cisalhante. Para escolher o melhor princípio de funcionamento para o equipamento a ser projetado serão ilustrados nesta seção os principais dispositivos de corte por cisalhamento Tesoura Manual Ferramenta manual que executa os mesmos movimentos de uma tesoura de costura. Muito utilizadas em caldeirarias e serralherias, na execução de corte em chapas finas e de pequenas dimensões (1,2mm de espessura). Executa corte retilíneo com acabamento uniforme, com tempo e custo de operação reduzidos. Não deve ser utilizada em corte de barras e tubos Tesoura Vibratória Manual Ferramenta similar a tesoura manual, porém com acionamento elétrico ou pneumático, sendo assim exige menor esforço do operador. Utilizada para corte de chapas de mesma classe das cortadas por tesoura manual. 26

37 Tesoura Vibratória Universal Máquina tipo pescoço de cisne para cortes em chapas finas de espessura até 3mm. Tem princípio de funcionamento semelhante à tesoura de uso doméstico, com movimentos alternativos automáticos de vai e vem da faca superior Guilhotina Mecânica Executa corte sobre um traçado com auxílio de um limitador mecânico (stop) incorporado a máquina. A guilhotina mecânica é constituída por um motor, volante, coroa sem fim acionada pelo volante e uma embreagem que liga a coroa sem fim ao eixo além de um pedal de acionamento. No corte de chapas de aço, elas são geralmente usadas para corte de espessuras inferiores a 13mm e comprimento de 3000mm. Figura 3.8 Esboço Guilhotina Mecânica. [11] Guilhotina Hidráulica Apresentam geralmente um curso maior, são acionadas por meio de um sistema cilindro pistão hidráulico que usa geralmente um óleo como fluido de trabalho no cilindro. O movimento do pistão aciona a faca de corte superior até atingir o material a ser cortado. No corte de chapas de aço são geralmente usadas para corte de espessuras até 25 mm e comprimento de 4000 mm Guilhotina Pneumáticas Princípio similar às guilhotinas de acionamento hidráulico porém utiliza-se ar comprimido como fluido de trabalho no cilindro. No corte de chapas de aço são geralmente usadas para corte de chapas fina de até 1,2 mm de espessura. 27

38 4. CÁLCULO DOS PARÂMETROS FUNDAMENTAIS DE CORTE Os equipamentos de corte têm como característica principal a sua capacidade máxima de corte. Para especificar essa capacidade será escolhido o cabo de maior resistência mecânica a ser cortado por nosso equipamento e a partir desse, serão dimensionados os componentes do equipamento. Determinação da classe e do Diâmetro Limite do Cabo: Para estimar a capacidade máxima de corte do equipamento a ser projetado, serão escolhidos o diâmetro e a classe do cabo mais resistente a ser cortado. Com isso, pode-se garantir que qualquer cabo com resistência mecânica e diâmetro inferior a esse será cortado adequadamente. A classe de cabos 6x19 é uma das mais utilizadas no mercado e, além disso, uma das que apresentam maior carga de ruptura, sendo assim se o equipamento for capaz de corta essa classe de cabo, será também capaz de cortar as outras. Quanto a categoria de resistência mecânica será escolhido o cabo EIPS que possui resistência máxima. Para o diâmetro limite, será escolhido a bitola de 1 polegada (26mm) pois esse valor abrange a maioria das aplicações de cabos usuais no mercado. Por fim, o cabo escolhido será o 26x6x19 AACI Seale EIPS, que possui densidade linear de 2,476 kg/m e carga de ruptura 47tf (461kN) [7]. Cálculo da área Metálica: Através da equação (1), obtendo-se o valor de F=0,416 através da tabela 2.3 e sabendo que para cabos de 6 pernas e alma de aço devese acrescentar 15% a área, tem-se: A m = 1,15 0,416 (26 mm) 2 A m = 323,4 mm 2 Para o cálculo do limite de ruptura σr, será utilizado a equação (9), sabendo que a força de ruptura Fr = 461 kn. σ r = F r A m (9) σ r = 4.1. Folga 461 kn 323,4 mm σ r = 1425 MPa Folga é a distância horizontal entre a lamina de corte e o ponto morto, é importante que essa folga seja adequada pois, no caso de folgas muito pequena as linhas de fratura 28

39 se sobressaem exigindo assim uma maior força de corte, como na figura 4.1 (a). Já para o caso de folga muito grande o metal pode ser empurrado e comprimido para dentro da folga, como visto na figura 4.1 (b), Figura 4. 1 (a) Folga Muito curta em Punção.[12] Figura 4. 2 (b) Folga Excessiva em Punção.[12] Recomenda-se para o cálculo das folgas: c = A c d (10) onde c é a folga, d é o diâmetro do cabo, e A c uma constante do material, dada pela tabela 4.2: Tabela 4. 2 Constante Ac Recomendada. [12] Material Ac Ligas de alumínio 1100S e 5052S 0,045 Ligas de alumínio 2024ST e 6061 ST A 0,060 Aço laminado a frio e aço inox macios 0,075 Para o nosso caso, onde os cabos são fabricados de aço por trefilação a frio, temos que A c = Para um diâmetro de 26 mm, do cabo escolhido, tem-se: c = 0, mm c = 1,95mm 29

40 4.2. Ângulo de Afiação Outro parâmetro fundamental que deve ser considerado no corte é o ângulo de afiação da lâmina que influencia diretamente na força de corte e também na resistência da lâmina. Recomenda-se valores de ângulo maiores para materiais mais duros para maior reforço da lamina. A tabela 4.3 apresenta diversos valores para o ângulo de afiação. Para materiais mais duros recomenda-se ângulos entre 25 e 30. Tabela 4.3 Ângulo de Afiação Recomendados. [13] 4.3. Material da Lâmina Para o material da lâmina, foi escolhido o aço AISI/SAE M2 pois é o que mais se adequa a nossa aplicação segundo catálogo do fabricante favovit [14] Força de Corte Para o cálculo da força utilizou-se a equação (9), sendo assim primeiramente foi calculado τ r através dos diferentes critérios de falha e a partir desses calculou-se a F c. Tabela 4. 4 Cálculos para Força de Corte. Critérios Von Mises Tresca Práticos [9] Tensão de Cisalhamento Força de Corte τ r = 3 3 0,577σ r τ r = 822MPa τ r = 0,5σ r τ r = 713Mpa τ r = 0,75σ r τ r = 1069 F c = 266kN F c = 231kN F c = 345kN 30

41 Diante da dificuldade de estabelecer um critério único para o cálculo da força de corte através das tensões de ruptura,, foi utilizado aquele que apresentou resultado mais conservador que foi o critério prático onde obteve-se Fc= 345kN. 31

42 5. CARACTERÍSTICAS E ESPECIFICACÕES DOS COMPONENTES DO EQUIPAMENTO O equipamento a ser projetado tem o princípio de funcionamento de uma guilhotina mecânica excêntrica de engate por freio e embreagem. Neste equipamento, um motor elétrico transmite movimento a um volante mecânico através de um sistema de correias. O volante tem como função armazenar energia cinética. Após o volante atingir uma energia cinética suficiente para o corte do cabo, ele aciona a lâmina para a realização do corte, sendo este acionamento realizado por embreagem. Após o corte do cabo, por motivo de segurança, um sistema de freio é ativado para parar o equipamento e evitar um possível acidente com o operador. A figura 5.1 ilustra um equipamento com esse princípio de funcionamento Elementos Mecânicos do Sistema - Eixo Biela-Manivela - Sistema de Freio e Embreagem - Volante Mecânico - Sistemas de Correias e Polias - Motor - Eixos, Guias, Acoplamentos e Rolamentos - Mesa e Lamina de Corte - Estrutura da Máquina - Sistema de Grades de Proteção Figura Ilustração de um Sistema de PMEFE (Prensa Mecânica de Engate por Freio e Embreagem). [15] 32

43 5.2. Mecanismo Biela-Manivela O sistema biela-manivela é um mecanismo de transmissão de movimento rotativo para movimento linear e vice-versa. Ele é um dos mais utilizados na engenharia mecânica devido a sua simplicidade e versatilidade. Esse mecanismo é o ponto de partida para os sistemas que utilizam o movimento de rotação de um eixo ou de uma árvore para obter movimentos lineares alternativos. Esse mecanismo é constituído pela manivela, a biela, o cursor e o bloco, apresentados na figura 5.2. Utilizou-se esse mecanismo para converter o movimento rotativo do volante de inércia em movimento alternativo da lâmina de corte. Figura Mecanismo Biela-Manivela: (1) Bloco (2)Manivela (3)Biela (4) Cursor [16] Análise Cinemática O projeto do mecanismo de um equipamento dinâmico visa conhecer o comportamento do movimento desta máquina de acordo com o seu dimensionamento. Será feito uma análise cinemática do sistema biela-manivela com o objetivo de relacionar a velocidade de corte desejada pelo sistema aos parâmetros dimensionais do nosso equipamento. A figura 5.3 representa o movimento realizado pelo mecanismo biela-manivela, onde R é o raio do eixo de rotação da manivela, L é o comprimento da biela, e θ é o ângulo entre a direção da biela e a direção do eixo horizontal. Figura Modelo do Sistema Biela-Manivela.[16] A distância, d, entre o ponto morto inferior e a posição do cursor pode ser calculada através da equação (11). d = R(1 cos θ) + R2 2L sen2 θ [16] (11) 33

44 Análise da Posição A figura 5.4 apresenta o gráfico da equação (12) [16] que representa a posição x da lâmina em relação ao centro do eixo de rotação da manivela, em função do tempo, onde ω representa a velocidade angular da biela e t o tempo. x(t) = R cos(ωt)+ L 2 R 2 sen 2 (ωt) (12) Figura Gráfico da função posição x do cursor em relação ao tempo.[16] Análise da Velocidade Derivando a posição x com relação ao tempo, obtém-se a equação (13) [16] que representa a velocidade da lâmina (v) em função do tempo. v(t) = dx Rcos(ωt) = Rωsen(ωt) (1 + ) (13) dt L 2 R 2 sen 2 (ωt) A figura 5.5 apresenta o gráfico da velocidade em função do tempo para o mecanismo. Figura Gráfico da velocidade v do cursor em função do tempo.[16] 34

45 Cálculos para Biela Quando o sistema biela-manivela completar um ciclo, a lâmina de corte terá percorrido o curso c = 2R. Para um curso desejado de 16 cm (c = 16 cm), tem-se que raio do eixo manivela é R = 8cm. Seria interessante que o cabo de aço fosse cortado na posição em a lâmina apresente velocidade máxima. Analisando o gráfico da velocidade da lâmina na figura 5.5, observa-se que essa posição ocorre quando θ π 3 velocidade será a velocidade de corte realizada pelo equipamento. e esta FERRARESI[17] apresenta diversos parâmetros recomendados para usinagem de diferentes tipos de materiais. Um valor entre 100m/min e 200m/min, para a velocidade de corte, é recomendado no corte de aço carbono, material utilizado na fabricação dos cabos. Adotando-se uma velocidade de corte V c = 120 m/min e utilizando a equação (14), pode-se obter a rotação f volante [rpm] para essa velocidade de corte desejada. Estimandose um curso de 16 cm, sendo assim R = 8 cm e biela de comprimento L = 25 cm, para a posição de velocidade máxima onde θ π, tem-se que: 3 ω = v (14) Rcos(θ) (Rsen(θ)(1+ L 2 R 2 sen 2 )) (θ) ω = 120 m/min 8sen( π 3 )(1+ 8cos( π 3 ) sen 2 ( π ) cm 3 ( ) ) ω = 24,6 rad/s 100cm 1m 1min 60s f volante = 240 rpm 5.3. Volante de Inércia Volante é um dispositivo mecânico que tem como função armazenar energia cinética. No equipamento projetado, o volante é acelerado, por um motor elétrico, até que se atinja uma energia cinética suficiente para a realização do corte. Para projetar um volante, primeiramente, deve-se estimar a rotação de trabalho do volante, a energia requerida pelo sistema e o coeficiente de flutuação do volante. A 35

46 rotação de trabalho do volante é aquela requerida para uma velocidade de corte adequada, que foi calculada na secção A energia requerida pelo sistema E k, será igual ao trabalho realizado pelo corte do cabo de aço onde, F c é a força de corte e D o diâmetro do cabo, admitindo-se uma força constante durante o corte, tem-se: E k = F C D (15) E k = 345kN 26 mm E k = 9 kj O coeficiente de flutuação de velocidade (C f ) é dado pela equação (16) [18], onde ω mín e ω max são as velocidades angulares mínima e máxima do volante, respectivamente. Ele indica a variação relativa da rotação do volante. A tabela 5.1 indica valores recomendados para coeficiente de flutuação adequados para cada tipo de aplicação. Para equipamentos de corte por cisalhamento usa-se a aplicação 7 onde C f = 0,15. onde: C f = (ω max ω min ) ω méd [18] (16) C f coeficiente de flutuação ω mín e ω max - velocidade angular mínima e máxima do volante, respectivamente. Tabela Coeficientes de Flutuação Recomendados por Aplicação.[18] N Tipo de Máquina (Classe de Serviço) Coeficiente de Flutuação (C f ) 1 Máquinas Trituradoras 0,2 2 Máquinas Elétricas 0,003 3 Motores Com Transmissão por Correia 0,03 4 Martelo Mecânico 0,2 5 Bombas 0,3 até 0,05 6 Máquinas da Indústria Têxtil 0,025 7 Máquina de Punção, Cisalhamento e Prensas 0,1 até 0,15 8 Máquinas de Mineração 0,025 36

47 Cálculo do Momento de Inércia do Volante Conhecendo a energia cinética armazenada pelo volante, o coeficiente de flutuação e a velocidade angular média, pode-se calcular, através da equação (17), o momento de inércia (I s ) desejado para o volante. Conhecendo o momento de inércia, utilizando a equação (18), pode-se então dimensionar o volante. I s = I s = E k C f ω méd 2 [19] (17) 9kJ 0,15(24,6rad/s) 2 I s = 100 kgm Calculo do Diâmetro Externo do Volante Para dimensionar o diâmetro externo (d ext ) do volante, foi estimado uma largura (l) de 200mm, diâmetro interno (d int ) de 200mm e o material do volante é o ferro fundido que possui densidade (γ) de 7500 kg/m. Sendo assim tem-se que: I = γπl(d ext 4 d 4 int ) 32 [19] (18) 4 d ext = 4 d int + 32I γπt d ext = 4 (0,2m) Kgm2 7500Kg m 2 π 0,2m d ext = 900 mm 5.4. Dimensionamento do Eixo Manivela Sob Torção O eixo manivela estará submetido ao esforço de torção T, devido a força corte na lâmina em cada ciclo de corte realizado pelo equipamento. Pode-se calcular através do critério de Goodman [19], o valor do diâmetro mínimo do eixo manivela que resista a este carregamento para uma vida infinita. d = ( 16n { 3(K fst a ) + 3(K fst m ) π S e S u }) 1 3 (19) onde: 37

48 n Coeficiente de segurança S e Limite de resistência à fadiga S u Limite de resistência à tração T a Amplitude da torção T m Torção média K fs Fator de concentração de tensão devida à torção Torque No Eixo (T): Para calcular o diâmetro do eixo, primeiramente, deve-se conhecer o torque nele aplicado. Para isso, o catalogo WICHITA[20] sugere que se calcule o torque através da equação (22), onde y é a projeção da linha da biela na direção horizontal que passa pelo centro do eixo e α é o ângulo entre a biela e a vertical. Figura Vista frontal do sistema biela-manivela. [20] a. Ângulo Entre Biela e a Vertical (α): O ângulo α é calculado pela equação (20), através das leis dos cossenos. α = cos 1 ( L2 +c 2 R 2 ) (20) 2Lc α = cos 1 ( ) α = 16 38

49 onde: c Distância entre o Centro do Eixo e a Lâmina Inferior. b. Projeção da linha da biela na direção horizontal que passa pelo centro do eixo (y). y = c tan(α) (21) y = 280 mm tan(16) y = 80 mm c. Torque no Eixo T = F c y (22) T = 345KN 8cm T = 27,6 knm Carregamento Variável O eixo manivela está sujeito a um carregamento de torção variável, oscilando de T mín = 0 a um valor máximo, T máx = 27,6 KNm, calculado na equação (22). Conhecendo o torque mínimo e máximo pode-se calcular o valor do torque médio (T m ) e da amplitude do torque (T a ). Figura 5. 7 Gráfico de tensão variável de 0 a T máx [19] T mín = 0 e T máx = 27,6 KNm T m = 13,8 knm e T a = 13,8 knm 39

50 Limite de Resistência a Tração (S ut ) e Limite de Resistência a Fadiga (S e ). O limite de resistência a tração para o aço 1020, trabalhado a frio, escolhido para o eixo é S ut = 420 Mpa [19], e o limite de resistência a fadiga S e = 700 Mpa, para S ut < 1400 Mpa [19] Fator de Concentração de Tensão Devida á Torção (K fs ) O eixo manivela apresenta uma concentração de tensão devido a variação de diâmetro entre o eixo e o braço da manivela. Assumindo que a razão entre estes diâmetros seja D = 2 e razão entre raio de adoçamento e diâmetro do eixo r = 0,1, obtém-se através d d da figura 5.8, K fs = 1,4. Figura 5. 8 Gráfico para o fator de concentração de tensão Kfs em eixo sob torção. [19] Conclusão Por fim, conhecendo-se todas as variáveis, e estimando-se um fator de segurança de n = 2. Calculou-se o valor do diâmetro recomendado para o eixo manivela, d = ( 16n { 3(K fst a ) + 3(K fst m ) π S e S u }) 1 3 (23) d = ( 16 2 { 3(1,4 13,8KNm) π 700MPa + ( 3(1,4 13,8KNm) 420MPa )}) 1 3 d = 90 mm 40

51 5.5. Freios e Embreagem Embreagens e freios tem como principal função a transmissão de potência através de acoplamento por atrito. A figura 5.9 é uma representação dinâmica simplificada do funcionamento de freios e embreagens. Duas massas com inércias I 1 e I 2 que movem-se com velocidades angulares ω 1 e ω 2, uma delas podendo ser igual a 0, como no caso dos freios, devem ser levadas a mesma velocidade por meio do acoplamento da embreagem ou do freio. Ocorre o deslizamento uma vez que os dois elemento estão rodando com velocidades angulares diferentes. A energia do sistema é dissipada na forma de calor gerando assim aumento de temperatura. Ao analisar-se um freio uma embreagem deve-se levar em consideração a força de acionamento, torque na transmissão, perda de energia cinética e o aumento de temperatura do sistema. Dentre os diversos tipos de embreagem e freios pode-se citar como exemplo: aro com sapata interna expansível, aro com sapata externa contraível, banda, cone e a disco. Figura 5. 9 Ilustração de um Sistema de Acoplamento por Freio ou Embreagem. [19] A embreagem e o freio são elementos fundamentais na cinemática do equipamento. Em equipamentos semelhantes a aplicação deste projeto como prensas e guilhotinas excêntricas, é usual a utilização de freio e embreagem combinada. A preferência de sua utilização se dá por ser uma unidade compacta, de fácil instalação e por ter uma pneumática ou hidráulica simples (apenas uma válvula de segurança). A figura 5.10 ilustra uma embreagem combinada; estas são geralmente fixadas ao eixo excêntrico por meio de chavetas. As molas pressionam o atuador contra a pista de frenagem, comprimindo as lonas de freio, mantendo o conjunto freado (como um 41

52 requisito de segurança quando não acionado). Ao injetar-se ar ou fluido o atuador se move vencendo a força da mola em direção à pista de embreagem, comprimindo as lonas de embreagem. As lonas são geralmente montadas em suporte bipartido facilitando sua montagem. No caso de acionamento pneumático, o ar da câmara é injetado por furo no eixo que tem em sua ponta uma união rotativa. A refrigeração é feita por ar. Nas carcaças externas existem aletas para facilitar a troca térmica. Figura Embreagem Nm, corte ilustrativo (Projeto UC 1000).[22] Seleção do Sistema Freio e Embreagem Combinados. A conexão entre o volante de inércia e o eixo manivela será realizado através do sistema de freio embreagem combinados e por acionamento pneumático. O sistema será escolhido através do manual do fabricante Wichita Clutch [20] que é uma empresa mundialmente conceituada no segmento de componentes de transmissão de potência. a. Fator De Aplicação (FDA): Através da tabela 5.2 do catálogo do fabricante para nossa aplicação de corte por cisalhamento, trabalho leve, tem-se que FDA=1,5. 42

53 Tabela Tabela de Fator de Aplicação (FDA). (Adaptada de [20]) Campo de Aplicação Produção e Conformação de Metais Fator B Fator C Fator D Trabalho Normal Trabalho Pesado Trabalho Muito Pesado 1,5 3,5 5,5 b. Determinação do Torque Aplicado na Embreagem: Para o torque de seleção calculado pela equação (24), escolheu-se, através da tabela 5.1, a embreagem modelo CCB 830, 25% spring compliment e torque máximo T máx = 44,3 knm. T eixo = 27,6 knm T seleção = T eixo FDA (24) T seleção = 27,6 knm 1,5 T seleção = 41,7 knm c. Momento de Inércia no Eixo Manivela: Após o dimensionamento do eixo manivela, foi feito uma modelagem computacional deste componente através do programa Solidworks. Além de ser utilizado para modelar os componentes e simular os esforços, é possível utilizar o Solidworks para determinar o momento de inércia através da ferramenta propriedades de massa [21]. Através deste recurso pode-se determinar o momento de inércia do eixo, I=0,13 kg/m. d. Verificação do Torque Aplicado no Freio: Conhecendo o momento de inércia do eixo, I=0,13 kg/m², e a rotação do eixo, ω = 240 rpm = 24,5 rad/s, que foi calculado na seção 5.2.4, pode-se calcular o torque necessário para frear o sistema que é T frenagem = 6,37 KN, sendo menor que a capacidade de torque T capcidade = 8,4 KNm dada pela tabela 5.3, concluindo-se assim que o torque de frenagem é suficiente. Tempo de Parada: t = 2 β ω (rpm) t = rpm [20] (25) 43

54 t = 0,5 s Torque de Frenagem: T frenagem = I eixo ω t T frenagem = (0,13Kg m 2 T frenagem = 6,37 Nm 24,5rad ) s 0,5s e. Verificação da Energia: A tabela 5.3 apresenta para a embreagem CCB 830 a energia cinética máxima, E máx = 42 kj, que pode ser dissipada pelo freio ou pela embreagem sem ocorrer superaquecimento do sistema, sendo ela menor que a energia que deve ser dissipada no volante, E k = 9 kj, calculado na equação (15). Tabela Tabela de Embreagens CBB[20]. 44

55 5.6. Motores Elétricos Motor elétrico é a máquina destinada a transformar energia elétrica em energia mecânica. O motor de indução é o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilização de energia elétrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando - com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. Os tipos mais comuns de motores elétricos são: a. Motores de Corrente Contínua São motores de custo mais elevado e, além disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em contínua. Podem funcionar com velocidade ajustável entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão. Por isso, seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o elevado custo de instalação. b. Motores de Corrente Alternada São os mais utilizados, porque a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada. Os principais tipos são: Motor Síncrono: Funciona com velocidade fixa; utilizado somente para grandes potências (devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade invariável. Motor de Indução: Funciona normalmente com uma velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo, é o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de máquinas acionadas, encontradas na prática. Atualmente é possível controlarmos a velocidade dos motores de indução com o auxílio de inversores de frequência Conceitos Básicos São apresentados a seguir os conceitos de algumas grandezas básicas, cuja compreensão é necessária para melhor especificar motores elétricos. 45

56 Conjugado O conjugado (também chamado torque, momento ou binário) é a medida do esforço necessário para girar um eixo. Para levantar um peso por um processo semelhante ao usado em poços - ver figura 1.1 a força (F) que é preciso aplicar à manivela depende do comprimento (E) da manivela. Quanto maior for a manivela, menor será a força necessária. Figura Ilustração do Conjugado em um Eixo. [23] Energia e Potência Mecânica Potência é a grandeza que determina a quantidade de energia concedida por uma fonte por unidade de tempo. No caso de um motor elétrico a potência pode ser medida através da equação (26), onde, T representa o torque (conjugado) do motor e n é a rotação nominal do eixo do motor [23], Pot mec (w) = T x n(rpm) x 2π 60. (26) Velocidade Síncrona ( n s ) A velocidade síncrona do motor é definida pela velocidade de rotação do campo de indução magnética, a qual depende do número de pólos (2p) do motor e da frequência (f) da rede, em hertz. Os enrolamentos podem ser construídos com um ou mais pares de pólos, que se distribuem alternadamente (um norte e um sul ) ao longo da periferia do núcleo magnético. O campo girante percorre um par de pólos (p) a cada ciclo. Assim, como o enrolamento tem pólos ou p pares de pólos, a velocidade do campo será: n s = 60f p (27) 46

57 Escorregamento (s) É a diferença percentual entre a velocidade nominal e a velocidade síncrona do motor. Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade síncrona, ou seja, diferente da velocidade do campo girante, o enrolamento do rotor corta as linhas de força magnética do campo e, pelas leis do eletromagnetismo, circularão nele correntes induzidas. s(%) = n s n n s x100 (28) Velocidade Nominal (n) É a velocidade (rpm) do motor funcionando à potência nominal, sob tensão e frequência nominais. Depende do escorregamento e da velocidade síncrona Curva Conjugado x Velocidade O motor de indução tem conjugado igual a zero à velocidade síncrona. À medida que a carga vai aumentando, a rotação do motor vai caindo gradativamente, até um ponto em que o conjugado atinge o valor máximo que o motor é capaz de desenvolver em rotação normal. Se o conjugado da carga aumentar mais, a rotação do motor cai bruscamente, podendo chegar a travar o rotor. Representando num gráfico a variação do conjugado com a velocidade para um motor normal, vamos obter uma curva com aspecto representado na figura 5.12: 47

58 Tempo de Aceleração Figura Gráfico do Conjugado do Motor(Nm) x Rotação(rpm). [23] Para verificar se o motor consegue acionar a carga, ou para dimensionar uma instalação, equipamento de partida ou sistema de proteção, é necessário saber o tempo de aceleração (desde o instante em que o equipamento é acionado até ser atingida a rotação nominal). O tempo de aceleração pode ser determinado de maneira aproximada pelo conjugado médio de aceleração. onde: t a = 2π rps J t C a = 2π rps J t C mmed C rmed (29) t a Tempo de aceleração J t Momento de inércia total em kgm² C a Conjugado médio de aceleração C mmed Conjugado médio de aceleração do motor C rmed Conjugado médio de aceleração da carga referido ao eixo. O conjugado médio de aceleração é obtido a partir da diferença entre o conjugado do motor e o conjugado da carga. Seu valor deveria ser calculado para cada intervalo de rotação (a soma dos intervalos forneceria o tempo total de aceleração). Porém, na prática, é suficiente que se calcule graficamente o conjugado médio, isto é, a diferença entre a 48

59 média do conjugado do motor e a média do conjugado da carga. Essa média pode ser obtida, graficamente, bastando que se observe que a soma das áreas A1 e A2 seja igual a área A3 e que à área B1 seja igual à área B2. Figura Determinação gráfica do conjugado médio de aceleração. [23] Seleção do Motor Para escolha do motor deve-se estimar o tempo de aceleração do volante, a potência do motor tem influência direta no tempo de aceleração. Estimou-se um tempo de aceleração de 7s, e escolheu-se um motor de 8 polos, rotação nominal n motor = 880 rpm. a. Momento de inércia do volante referente ao eixo do motor (J ce ): O momento de inércia do volante (I v ) pode ser convertido para o referencial do eixo do motor através da equação (30) [23], J ce = I v ( N v N m ) 2 (30) J ce = 100 ( )2 J ce = 10,6 Kgm 2 b. Estimativa do conjugado médio de aceleração (C a ): Pode-se obter o conjugado médio de aceleração C a, isolando-o na equação (29). C a = 2 π rps J t t a C a = 2 π 880rpm 60seg/min 10,6Kgm2 7s C a = 139,47Nm 49

60 c. Torque médio no volante (T v ): O torque médio do volante pode ser calculado através da equação (31). Pode-se estimar a aceleração angular média do volante (α v ) como sendo a razão entre variação da velocidade angular (Δω v ), que varia de zero a velocidade angular nominal no volante ω v = 24rad/s, pelo tempo de aceleração (t a ). T v = I v α v (31) α v = Δω v t a T v = I v Δω v t a I v = 100 Kgm 2 T v = 100Kgm2 ( 24,6rad 0) s 7s T v = 351Nm d. Torque médio no volante referente ao eixo do motor (C rmed ): O torque médio no volante (T v ) pode ser convertido para o referencial do eixo do motor através da equação (32). C rmed = T v ( N v N m ) 2 (32) 240 rpm C rmed = 351Nm ( 880 rpm )2 C rmed = 26,1Nm e. Estimativa do Conjugado médio no motor (C mmed ): Como já citado, o conjugado médio de aceleração (C a ) representa a diferença entre os conjugados médios do motor e do volante em relação ao eixo do motor. Sendo assim, podemos obter C mmed isolando-o na equação. C a = C mmed C rmed C mmed = C a + C rmed C mmed = 139,4Nm + 26,1 Nm C mmed = 165,5 Nm f. Estimativa da Potência média requerida no motor (P m ): Conhecendo os valores do conjugado médio do motor e da rotação nominal do motor, pode-se estimar a potência média do motor (P m ) através da equação (26). ω m = rpm 2 ω m = 440 rpm Pot mec (w) = C mmed x n(rpm) x 2π 60 P m = 165,5Nm 2 π 440 rpm 60 P m = 7.6Kw 50

61 g. Escolha do Motor Foi selecionado um motor elétrico WEG, fabricante bem conceituada no mercado, modelo W22 IR2 com potência nominal 7,5 KW, 8 polos, 60Hz e 880rpm. Na figura 5.14 pode-se observar as características do equipamento e a figura 5.15 apresenta as curvas de rendimento, fator de potência e corrente do motor. Figura Características do Motor.[23] Figura Curvas de Desempenho do Motor x rpm(%).[23] h. Tempo de aceleração (t a ): Conjugado Médio de Aceleração do Motor: Da Figura 5.16 obtem-se: Cn = 82Nm, Cmméd= 1,8*Cn, Crméd=30,3. 51

62 Figura Curvas do Conjugado e da Corrente do Motor. [23] t a = t a = t a = 7s 2 π rps J t C mmed C rmed 2 π 880rpm 60seg/min 10,6Kgm2 (165,5 26,1)Nm 5.7. Correias e Polias As correias são elementos mecânicos flexíveis que tem como principais características a transmissão de potência em altas velocidade, sendo ideais para a transmissão de movimento entre o motor elétrico e o volante do equipamento a ser projetado. a. Determinação da Potência de Projeto (Pot P ). Da tabela 5.4 obtém-se o fator de segurança FS=1,4 para aplicação deste projeto, onde a carga de partida é 190% da carga nominal e foi considerado o funcionamento contínuo entre 16 e 24 horas por dia. Pot P = P mot FS [7] (33) Pot P = 10HP 1,4 Pot P = 14HP 52

63 onde: Pot mot Potência nominal do motor FS Fator de serviço Pot P Potencia de projeto Tabela 5. 4 Fator de Serviço em Correias. [7] b. Determinação do Perfil da Correia Na figura 5.17, entrando com a potência de projeto no eixo horizontal e o RPM do motor no eixo vertical, tem-se que a correia recomendada para nosso projeto deverá ter o perfil 3V e diâmetro recomendado, pela tabela 5.5, para a polia menor sendo 68mm < d d < 304mm. 53

64 Figura Perfil de Correia Recomendado. [7] Tabela Tabela de Dimensões da Correia. [7] c. Calculo da Razão de Transmissão (R t ): A razão de transmissão é a razão entre as velocidades angulares de cada polia, no caso deste equipamento de corte ela corresponde a razão entre a velocidade angular do motor e a velocidade angular do volante. R t = ω motor ω volante (34) R t = 880rpm 240rpm R t = 3,67 54

65 d. Calculo dos Diâmetros das Polias. Diâmetro nominal da polia maior: O volante de inércia é usado como a polia de maior diâmetro neste projeto. Sendo assim o diâmetro nominal da polia maior é D d = 900mm. O diâmetro nominal da correia menor (d d ), acoplada ao motor, pode ser calculado através da relação de transmissão obtida na equação (35). Também verificou-se que o valor de d d está dentro do recomendado pela tabela 5.5. d d = D d R t (35) d d = 900mm 3,67 d d = 245mm e. Cálculo da Velocidade Periférica (V): A velocidade periférica da correia não deve ultrapassar o valor de 6000 ppm (polegadas/min), através da equação (36) verificou-se que essa condição é satisfeita. V = 0,262 x d d (polegadas)x rpm [7] (36) V = 0,262x9,6 x880 rpm V = 2213 ppm. f. Determinação do Valor do Comprimento da Correia (L d ): Estimou-se um valor razoável para a distância entre os centros dos eixos da correia e do volante como sendo, C=700mm. E através da equação (37) foi calculado o comprimento da correia (L d ) para que se obtenha está distância entre os eixos. L d = 2C + 1,57(D d + d d ) + (D d d D ) 2 [25] (37) L d = ,57( ) + ( ) L d = 3200 mm 4C Da tabela 5.6 a correia com comprimento mais próximo de 3200 mm é a correia modelo 3V1250 que possui comprimento L d =3175 mm. Como o comprimento da correia 55

66 não é exatamente igual ao comprimento calculado pela equação (37), através da equação (38) pode-se calcular o valor da distância real entre os eixos (C 1 ). C 1 = C (L d(calculado) L d (Recomendado)) 2 [7] (38) C 1 = 700 ( ) 2 C 1 = 687,5 mm Tabela Dados para o Perfil de Correia 3V. [24] g. Determinação da Potência Classificada e Número de Correias. Determinação do Fator de Correção do Arco de Contato (F ac ): Da tabela 5.7, tem-se, para Ac=123 calculado abaixo, o valor correspondente de F ac = 0,83. A c = 180 (D d d d ) x 60 (em graus) [7] (39) C A c = 180 ( ) x 60 A 687,5 c =

67 Tabela 5. 7 Fator de Correção do Arco.[25] Determinação do Fator de Correção do Comprimento: Para a correia 3V1250, através da tabela 5.8, obtém-se, F Ld = 1,13. 57

68 Tabela Valores para Fator de Correção de Comprimento para Polias 3V, 5V e 8V. [25] 58

69 Potencia Básica por Correia (Pot básica ): Da tabela 5.9, para R t =3.67 e 880 rpm tem-se que Pot básica = 6,64 CV. Determinação do Potência Adicional por Correia (Pot adicional ): Pela tabela 5.11, tem-se que o Pot adicional = 0,19 CV. RPM do Eixo Mais Rápido Tabela Valores da Potência Básica. [25] Potência básico, em CV, por Correia Diâmetro Nominal das Polias Menores, em Milímetros RPM do Eixo Mais Rápido 1,00 a 1,01 1,02 a 1,05 Tabela 5. 9 Valores da Potência Adicional. [25] 1,05 a 1,11 Potência Adicional, em CV, por Correia 1,12 a 1,18 Relação de Transmissão 1,19 a 1,26 1,27 a 1,38 1,39 a 1,57 1,58 a 1,94 1,95 a 3,38 3,39 em diante Determinação da Potência Classificada por Correia (Pot classificada ): Esta é obtida pela soma da potência básico (Pot básica ) com a potência adicional (Pot adicional ). Sendo assim, Pot classifcada = 6,83CV = 6,74 HP. 59

70 Determinação do Potência Efetiva por Correia (Pot efetiva ): Pot efetiva = Pot classificada xf ac xf ld [7] (40) Pot efetiva = 6,74x0,83x1,13 Pot efetiva = 6,32 HP Número de Correias (n): Para aproximar o valor de n para o valor de maior segurança, serão usadas 3 correias no projeto. n = Pot projeto Pot efetiva [7] (41) n = 14 HP 6,32 HP n = 2,2 Conclusão: Serão usadas 3 correias do modelo 3V1250 de comprimento L d = 3175 mm, junto a polia do motor de diâmetro d d = 245 mm e o volante de D = 900 mm e distância entre os eixos das polias C 1 = 687,5 mm Mancais de Rolamento Mancais de rolamento são elementos mecânicos responsável pelo suporte de eixos e árvores de transmissão garantindo o movimento relativo entre as partes móveis e estacionárias mantendo o correto alinhamento entre eles. A SKF é uma grande fabricante de equipamentos, sendo assim, através da ferramenta SKF bearing calculator, selecionou-se os rolamentos auto compensadores de rolos do modelo SKF E, representado na figura 5.18, suportados por uma unidade de rolamento SYNT 90FW, satisfazendo a condição de carregamento, velocidade e dimensionamento do projeto. 60

71 Figura Dimensões do Mancal da Unidade de Rolamento SKF Modelo SYNT 90FW [26] Solicitações em Parafusos Os parafusos são elementos de fixação que podem geralmente ser removidos e remontados sem alteração na sua eficácia. Estes elementos devem ser selecionados de acordo com a carga a qual serão sujeitos. Nesta seção avaliou-se os parafusos do sistema de corte que estarão sujeitos a esforços cisalhantes devido à força de corte do equipamento. A figura 5.19 ilustra a parte do equipamento sujeito a esse esforço. Foi assumido que os demais parafusos estão submetidos a cargas muitos abaixo de sua resistência. O fator de segurança (FS) de parafusos submetidos a esforço cisalhante pode ser calculado através da equação (42). onde: FS = S syπd 2 n p 4F c [19] (42) S Sy Limite de resistência ao cisalhamento n p Número de parafusos 61

72 figura Conjunto Lâmina de Corte, Porta Ferramenta e Guias. Parafusos que ligam o conjunto porta ferramenta e lâmina de corte: Nesse conjunto foram usados 6 parafusos sextavados e flangeados ANSI B18.6.7M - M5 x 0.8 x 6 de aço médio carbono ao boro temperado e revenido [27] com S ut = 8276 MPa, S Sy = 4966 Mpa e d=5 mm. FS = 4966Mpa π 0, KN FS = 1,7 Parafusos que ligam o porta ferramenta as guias: Nesse conjunto foram também usados 6 parafusos pan cross head ANSI B18.6.7M - M5 x 0.8 x 20 de mesmo material, aço carbono ao boro temperado e revenido[27], e mesmo diâmetro, M5, sendo assim mesmo fator de segurança (FS = 1,7). Parafusos que ligam as guias aos pinos da manivela: Nesse conjunto foram usados 4 parafusos ANSI B18.6.7M - M5 x 0.8 x 20 também de aço médio carbono ao boro temperado e revenido em cada um dos dois pinos totalizando-se 8 parafusos. FS = 4966Mpa π 0, KN FS = 2, Chavetas Chavetas são usadas em eixos com a função de segurar elementos rotativos tais como engrenagens, eixos ou rodas. 62

73 Será dimensionada a chaveta que liga o motor à polia de acordo com o recomendado pelo fabricante do motor. Já a chaveta aqui projetada, será utilizada na fixação do eixo manivela embreagem. a. Força na Superfície do Eixo (F): F = T r (43) F = 27,6 knm 0,045 m F = 613 kn b. Comprimento da Chaveta (L) [19]: L = nf ts sy [19] (44) L = N 0, , L = m Figura Esforços Mecânicos em Chaveta[19] Guias Lineares Para que o conjunto possa realizar o movimento de corte, são utilizados guias lineares. Neste projeto foram selecionadas guias lineares de trilho perfilado fabricadas pela SKF. Os conjuntos são fornecidos com trilhos e carros em diversos modelos, utilizados para as mais diversas aplicações. Atendendo às necessidades do equipamento 63

74 projetado, selecionou-se o modelo de guia linear LLR, que possui o código do fabricante LLRHS20A2T0-300P5W1E0, representada na figura Figura 5.21 Guia de Trilho Prefilado SKF modelo LLR [26] MONTAGEM DO CONJUNTO Após cada elemento do equipamento ser especificado e devidamente dimensionado, foi elaborado, através do programa de modelagem computacional SolidWorks, o desenho do conjunto mecânico, sendo gerado de acordo com as normas NBR 10067, NBR 10068, NBR e NBR [28]. Em anexo é apresentado o desenho técnico mecânico sendo listados e numerados os componentes mecânicos. 64