INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO. CAMPUS SÃO JOSÉ DOS CAMPOS David Willian do Nascimento Juari Rodrigues Luis Henrique Camargo Valdeci Gonçalves SISTEMA DE SEGURANÇA PARA PROTEÇÃO DE EIXO Programa Integrador apresentado ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo Campus São José dos Campos, como requisito para obtenção do Título de Técnico em Mecânica sob orientação do Professor Neimar Sousa Silveira. São José dos Campos 2016
BANCA EXAMINADORA Projeto Integrador (PI) defendido e aprovado em 03 de junho de 2016, pela banca examinadora constituída pelos professores: Prof. Neimar Sousa Silveira... Orientador (a) Prof. Irineu Yassuda... Banca Prof. Viviane Teleginski... Banca Prof. Cesar Mattana de Oliveira... Banca 2
3 Aos nossos pais e professores Com carinho Dedicamos este trabalho.
Agradecimentos: * À Deus, pela força e sabedoria para enfrentar os momentos de dificuldades. * Ao professor Neimar Silveira pela oportunidade, apoio e orientação na elaboração deste trabalho. * Às alunas Luana Cristina e Mayara Lima pelo auxílio na parte de formatação e escrita do projeto * Ao professor Fernando Henrique por dividir conosco seus diversos conhecimentos técnicos, assim tirando duvidas existentes ao longo do projeto. * À instituição pelo ambiente criativo e disponibilização dos recursos necessários para a realização do projeto. 4
O sucesso nasce do querer, da determinação e persistência em se chegar a um objetivo. Mesmo não atingindo o alvo, quem busca e vence obstáculos, no mínimo fará coisas admiráveis. 5 José de Alencar
RESUMO O presente trabalho propõe apresentar o aprimoramento de um dispositivo de proteção para eixos de motores em geral, onde mostra sua real importância e como essas inovações podem gerar uma facilitação no processo de manutenção através de tecnologias mecânicas. O foco principal do sistema de segurança é o destravamento do eixo quando o mesmo apresentar qualquer tipo de impedimento ou interferência no seu funcionamento, permitindo que haja a prevenção de futuros danos. Palavras-chave: Proteção para eixos, sistema de segurança. 6
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 8 2 OBJETIVO GERAL... 8 2.1 OBJETIVO ESPECÍFICO... 8 3 JUSTIFICATIVA... 8 4 REFERÊNCIA TEÓRICA... 9 4.1 MATERIAL DO DISPOSITIVO... 9 4.2 USINAGEM... 9 4.3 SERRAMENTO... 10 4.4 TORNEAMENTO... 11 4.5 FRESAMENTO... 11 4.6 FURAÇÃO... 12 4.7 EIXOS... 12 4.8 DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO... 13 4.8.1 COMPONENTES... 14 4.8.2 FUNCIONAMENTO... 17 5 METODOLOGIA... 18 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES... 21 7 CONCLUSÃO... 22 8 REFERÊNCIAS... 23 7
1 INTRODUÇÃO Um dos motivos responsáveis por este estudo foi a clara dificuldade de manutenção nos eixos, pois era necessário que todas as suas agregações fossem examinadas, e não somente a parte desejada. O trabalho aqui exposto apresenta a metodologia empregada na produção do dispositivo, explica todas as suas fases e especifica os procedimentos, referenciando a base teórica que foi necessária para realização do projeto. Após a produção do dispositivo foram realizadas análises e discussões onde concluiu-se que os eixos protegidos apresentaram um significativo aumento de vida útil, reduzindo o tempo e gastos com a manutenção de todo o conjunto. 2 OBJETIVO GERAL Desenvolver um dispositivo de proteção para eixo de motores com a finalidade de facilitar a manutenção. 2.1 OBJETIVO ESPECÍFICO Elaborar um sistema de segurança que será acoplado entre motor, redutor e eixo, que será responsável por detectar possíveis falhas e obstruções. Com o devido controle de torque, o dispositivo deverá interceptar sua rotação de forma segura, antes que ocorram maiores danos ao conjunto mecânico. 3 JUSTIFICATIVA A fim de buscar soluções plausíveis para problemas rotineiros relacionados ao eixo de motores como falhas, desgaste de componentes, sobrecarga em seu funcionamento ou interrupções por interferências foi desenvolvido um dispositivo de acoplamento para proteção de eixo. Este projeto visa à facilitação da manutenção do eixo, onde existindo proteção irá obter benefícios como economia de peças para reposição, agilidade no reparo de possíveis imprevistos e redução no tempo de ajuste. 8
4 REFERÊNCIA TEÓRICA Conceitos teóricos fundamentais para o estudo e aplicação do sistema de segurança para proteção de eixo. 4.1 MATERIAL DO DISPOSITIVO Os aços carbonos são ligas metálicas constituídas basicamente de ferro, carbono, silício e manganês, apresentando também outros elementos inerentes ao processo de fabricação, em percentuais controlados, que variam de acordo com as propriedades desejadas. O aço carbono SAE 1020 é um dos aços mais utilizados, devido a sua baixa temperabilidade, excelente forjabilidade e soldabilidade. A microestrutura presente neste aço no seu estado normalizado é perlita fina e ferrita. (GERDAU, 2013) 4.2 USINAGEM Usinagem é o ato, processo ou efeito de usinar, ou seja, um procedimento que tem o objetivo de dar forma a uma matéria-prima, que promove a retirada de material da peça por cisalhamento, através de ferramentas ou máquinas. A porção de material retirada por esse processo é chamado de cavaco (www.cimm.com.br) A usinagem engloba diferentes tipos de objetivos e finalidades, tais como o acabamento de superfícies, obtenção de peculiaridades (saliências, reentrâncias, furos passantes, furos rosqueados), fabricação de peças, de qualquer forma, seriadas ou não, a partir de um bloco de material (www.cimm.com.br). As operações de usinagem podem ser classificadas em: torneamento, fresamento, aplainamento, furação, mandrilamento, serramento, brochamento e roscamento, entre outros (www.cimm.com.br). Existe uma série de importantes parâmetros de corte a considerar nestas operações citadas acima, entre eles estão: frequência de rotação, velocidade de 9
corte e profundidade de corte. Eles descrevem quantitativamente os movimentos, e outras características da operação de corte. Frequência de rotação (n) [rpm]: De modo geral, para máquinas rotativas de qualquer natureza (elétrica, hidráulica, mecânica, térmica), geradoras ou motoras, fala-se em "rotações por minuto" para se referir à velocidade angular do eixo principal da máquina. Rpm é uma unidade de velocidade angular e pode ser calculada pela equação (1) abaixo, sendo rotação [rpm] representado pela letra n; velocidade de corte vc [m/min] e; diâmetro D [mm]. (1) Velocidade de corte (vc) [m/min]: É a velocidade ideal para que uma ferramenta corte o material através de um movimento circular ou através de golpes linear. Este parâmetro pode ser calculado pela equação (2) abaixo: (2) Profundidade de corte (ap) [mm]: É a quantidade que a ferramenta penetra na peça, medida perpendicularmente ao plano de trabalho (na direção do eixo). A usinagem é muito comum em todo o mundo, indo desde a fabricação de peças para automóveis e até o processo da cópia de uma chave, por exemplo (VIANNA, SGARBI, NASCIMENTO, LIMA, 2016). 4.3 SERRAMENTO Operação que consiste em cortar, abrir fenda e iniciar ou abrir rasgos em um material, executada com serra ou serrote. As lâminas das serras ainda podem possuir dentes travados alternadamente, cuja finalidade é facilitar o movimento da serra e reduzir seu atrito com a peça (www.cimm.com.br). Essa é uma operação fundamental, visto que o corte de materiais é uma 10
operação preliminar. As máquinas empregadas são máquinas de serrar e as ferramentas correspondentes são as serras, por sua forma construtiva, assemelhamse muito a fresas, pois possuem uma sucessão ordenada de dentes de corte. O corte é de um modo geral, realizado a frio. As máquinas para este processo são de vários tipos, a utilizada foi a de fita, nesse modelo a serra tem forma de uma fita ou lâmina de pequena espessura (0,8 a 1 mm), contínua e em circuito fechado. A lâmina é presa sob tensão entre dois volantes e guiada por roldanas (CHIAVERINI, 1986). 4.4 TORNEAMENTO O torneamento é uma operação por intermédio da qual um sólido indefinido é feito girar ao redor do eixo da máquina operatriz que executa o trabalho de usinagem o torno ao mesmo tempo em que uma ferramenta de corte lhe retira material perifericamente, de modo a transformá-lo numa peça com um perfil definido, tanto em relação à forma quanto às dimensões (CHIAVERINI, 1986). 4.5 FRESAMENTO É uma operação de usinagem que é caracterizada por uma ferramenta chamada fresa, que é provido de arestas cortantes dispostas simetricamente em torno do seu eixo, seu movimento de corte é proporcionado pela rotação. O avanço é geralmente feito pela própria peça em usinagem, que deve estar fixada na mesa da máquina, o qual obriga a peça a passar sobre a ferramenta em rotação, que lhe da forma e dimensão desejadas (DINIZ, 2013). No fresamento, assim como nos demais processos de usinagem, existe uma série de importantes parâmetros de corte a considerar. Eles descrevem quantitativamente os movimentos, as dimensões e outras características da operação de corte (www.cimm.com.br). Avanço por dente (fz) [mm/dente]: É a distância linear percorrida por um dente da ferramenta no intervalo em que dois dentes consecutivos entram em corte. 11
Também é medido no plano de trabalho. É calculado através da equação (4) abaixo, onde vf avanço linear [m/mim]; n rotação [rpm] e; z numero de dentes. (4) Velocidade de avanço linear (vf) [m/min]: É a velocidade instantânea do ponto selecionado sobre o gume, no movimento de avanço, em relação à peça. No fresamento, o movimento de avanço é provocado pela translação da ferramenta sobre a peça ou vice-versa. A direção da velocidade de avanço é, então, radial ao eixo da ferramenta. A equação (5) abaixo representa a forma de calcular este parâmetro: (5) O fato de a fresa apresentar variadas formas, confere a esta operação um caráter de versatilidade em termos de geometria possíveis de serem geradas (VIANNA, SGARBI, NASCIMENTO, LIMA, 2016). 4.6 FURAÇÃO Na furação, uma ferramenta chamada broca, de dois gumes executa uma cavidade cilíndrica na peça. O movimento da ferramenta é uma combinação de rotação e deslocamento retilíneo (ao longo do eixo do furo). (Www.cimm.com.br) Uma variante da furação é o alargamento de furos, onde uma ferramenta similar à broca, porém com múltiplos gumes, remove material de um furo, aumentando seu diâmetro, ao mesmo tempo conferindo-lhe um alto grau de acabamento. Este é um processo típico de acabamento (www.cimm.com.br). 4.7 EIXOS Uma máquina em processo de manutenção preventiva apresentava vários eixos e algumas correntes, além de mancais que necessitavam de reparos. Entre os eixos, um cônico e um roscado exibiam desgastes excessivos. 12
Eixos são elementos mecânicos utilizados para articular um ou mais elementos de máquinas. Quando móveis, os eixos transmitem potência por meio do movimento de rotação. A maioria dos eixos são construídos em aço com baixo e médio teores de carbono. Os eixos com médio teor de carbono exigem um tratamento térmico superficial, pois estarão em contato permanente com buchas, rolamentos e materiais de vedação. Existem eixos fabricados com aços-liga, altamente resistentes (www.essel.com.br). É comum esses tipos de componentes sofrerem desgaste, podendo sobrecarregar todo o conjunto ligado a ele. A figura 4.1 mostra os eixos danificados que não receberam o dispositivo de segurança: Fig. 4.1: Eixos danificados 4.8 DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO Neste projeto, é proposto um sistema de proteção dos componentes mecânicos para evitar danos maiores ao conjunto, podendo causar parada de produção. Tratase de um dispositivo que terá como principal função neutralizar o funcionamento do eixo, devido aos constantes travamento causados pela oxidação do rolamento. O dispositivo proposto tornará a manutenção da máquina mais eficaz, pois irá evitar maiores danos ao sistema, contribuirá para a diminuição de gastos com a reposição 13
de peças, além de evitar que a máquina fique parada por tempo desnecessário. Neste capitulo será abordado os principais componentes do dispositivo e seus funcionamentos para um melhor entendimento. 4.8.1 COMPONENTES O dispositivo em questão é formado por quatro peças principais, quatro parafusos de ajuste e quatro parafusos guias de suporte das molas. Peça 1 Fig. 4.2: Eixo principal com flange fixo e furos A figura acima (4.2) é dividida em três partes. A parte 1 deve ser conectada diretamente no motor; a parte 2 são os quatro furos roscados para os parafusos de ajuste e quatro furos para o apoio dos parafusos de suporte as molas. Peça 2 14
Fig. 4.3: Flange móvel de ajuste de torque. A figura 4.3 mostra a flange de ajuste de torque, ela tem como função comprimir as molas contra a base móvel e ajustar o torque na medida correta para o funcionamento do sistema. Peça 3 Fig. 4.4: Base móvel de transmissão de torque. A figura acima (4.4) ilustra a base móvel de transmissão de torque, que deve apoiar-se contra a base fixa, se conectando de forma a transmitir a força do motor para o eixo a ser rotacionado. Esta parte também possui quatro furos roscados para os parafusos de suporte as molas de compressão. Peça 4 15
Fig. 4.5: Base fixa do eixo a ser movido. A figura 4.5 representa a base fixa. Deve ser conectada diretamente ao eixo que será movido. Parafusos de ajuste de torque Fig. 4.6: Parafusos e contra porca. Localizado na parte 2 do eixo principal, tem como função empurrar a flange móvel contra as molas de compressão para assegurar o torque. É composto por parafuso e contra porca para o seu travamento. Parafusos guia de mola 16
Fig. 4.7: Parafusos Localizado na base móvel, tem como função somente apoiar e dar suporte as molas de compressão. Molas de compressão Fig. 4.8: Molas de compressão. Deve ser instalada entre a base móvel e a flange de ajuste de torque, sua função é comprimir a base móvel contra a base fixa garantindo o torque necessário para que o eixo a ser movido tenha seu funcionamento garantido. 4.8.2 FUNCIONAMENTO No dispositivo descrito estão presentes quatro forças principais, sendo duas axiais de sentidos opostos e duas radiais também contrarias entre si. 17
Fig. 4.9: Forças atuantes no dispositivo de proteção Na figura acima (4.2) as forças axiais são representadas por F1 e F2, estas forças têm mesmo modulo, e seu valor é dado pela compressão dos parafusos de ajuste de torque sobre a flange móvel, que comprime as molas e empurra a base móvel contra a base fixa, garantindo o funcionamento do conjunto. F3 e F4 são as forças radiais, onde F3 refere-se à base móvel e F4 à base fixa, e, para que o conjunto funcione, elas deverão ter o mesmo modulo. Em caso de interferência por desgaste de rolamentos, travamento do eixo ou por qualquer outro tipo de ocorrência, F4 se tornará maior que F3 e no momento em que F4 for maior o suficiente para vencer a força das molas, a base móvel deverá recuar e desarmar o sistema. OBS: O sistema descrito acima é puramente mecânico, e para que o motor seja desligado, é recomendado que seja instalado um sensor magnético com alcance de 3mm sobre ou próximo a cabeça dos parafusos de guia de molas. Este sensor deve atuar no comando do motor com a finalidade de desliga-lo. 5 METODOLOGIA Para a realização deste projeto os equipamentos e ferramentas necessárias foram fornecidos pelo IFSP (Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia Campus São José dos Campos). 18
Existem diversos tipos de aços utilizados industrialmente, mas para a aplicação do projeto, foi utilizado o aço SAE 1020, pois ele atenderá as especificações e solicitações mecânicas do dispositivo, como resistência mecânica e usinabilidade. Este material foi disponibilizado pela escola. O primeiro processo de usinagem foi a traçagem, onde a peça foi demarcada com a ajuda de alguns instrumentos de medição que foram essenciais para esta etapa, como paquímetros, réguas, relógio comparador e graminho. Após toda a traçagem, foi realizado a extração do excesso de material do tarugo inicial. O equipamento responsável por este processo de corte foi a serra de fita (Figura 5.1). Fig. 5.1: Serra de fita horizontal VEKER, modelo ACRA SBS-712GI. Posteriormente, iniciou-se o processo de torneamento, que foi realizado no torno mecânico horizontal (Figura 5.2) onde a engrenagem responsável pela desativação do sistema foi desbastada pela ferramenta WNMG 060408. 19
Fig. 5.2: Torno Mecânico VEKER, modelo TVK-1440 ECO. O dispositivo necessita de um furo, que servirá para o encaixe do eixo. O processo de furação conta com o auxilio da furadeira de bancada (Figura 5.3). Fig. 5.3: Furadeira de bancada Magnum-cut, modelo MD 430. 5.4). As ferramentas utilizadas nesse processo são as brocas de aço rápido (Figura 20
Fig. 5.4: Brocas de aço rápido (HSS) Após a furação do componente, o dispositivo foi usinado com as ferramentas ONMU 050505 Ø30 e fresa de aço rápido (HSS) Ø15 na fresadora ferramenteira ilustrada pela figura 5.5. Fig. 5.5: Fresadora VEKER do modelo First VKF-430. 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES Após a etapa de fabricação serão realizados inicialmente testes em uma 21
escova de lavagem e limpeza numa empresa de fabricação e confecção de vidros laminados, pois o motor deste equipamento é posto em uso por varias horas durante o dia. O objetivo da analise é saber o que causa a interrupção e a obstrução no seu desempenho. Após a identificação do problema, o dispositivo de segurança criado deverá ser acoplado ao eixo, para que este possa detectar anomalias e parar o funcionamento do motor, evitando maiores danos. Apesar de algumas dificuldades e imprevistos como a falta de medidas e parâmetros do dispositivo para a elaboração do desenho técnico, a demora na confirmação de dados e alguns problemas no maquinário utilizado, espera-se que o sistema obtenha sucesso em seu funcionamento, e consiga evitar que o eixo do motor da escova de lavagem de vidros seja danificado. 7 CONCLUSÃO Motores são excessivamente utilizados para diversos processos que fazem parte da rotina de quase todos. Estes usos demasiado muitas vezes acabam em problemas, desgastes e até mesmo sobrecargas, assim atrapalhando seu funcionamento. Buscando uma solução para esses contratempos deu-se a criação de um dispositivo de proteção, onde uma de suas funções é proteger o eixo do motor de falhas além de auxiliar na manutenção. Após todos os processos necessários para a produção do dispositivo e análises dos dados obtidos, pode-se concluir que o sistema de segurança do presente projeto facilitará o trabalho dos mantenedores e contribuirá relativamente para a redução de custos da empresa. O presente trabalho foi substancial para demonstrar claramente a necessidade de busca de melhorias para recursos de vasta importância como motores, incentivando essas inovações e o surgimento de novos projetos. 22
8 REFERÊNCIAS DINIZ A. E., MARCONDES F. C., COPPINO N. L., - Tecnologia da Usinagem dos Materiais 8ª edição - São Paulo Artliber Editora, 2013 Pg. 195 214 / 215 248. CHIAVERINI. V., 1914 tecnologia mecânica / Vicente Chiaverini 2 Ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986 Pg. 193-238. FERRARESI, D. Usinagem dos metais / Dino Ferraresi- São Paulo: Blucher, 1970- Pg. 25-26. VIANNA, G., SGARBI, J., NASCIMENTO, L., LIMA M., 2016 Dispositivo de fixação de amostras para máquina de difratometria de raio x, 2016 Copyright 1997-2016. Todos os direitos reservados. Disponível em: http://www.cimm.com.br/portal/verbetes/exibir/451-usinagem furação http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/3354-furacao#.vxfvzfkxuik http://www.essel.com.br/cursos/material/01/manutencao/22manu2.pdf 23