Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico Departamento de Engenharia Mecânica Coordenadoria de Estágio do Curso de Engenharia Mecânica CEP 88040-970 - Florianópolis - SC - BRASIL www.emc.ufsc.br/estagiomecanica estagio@emc.ufsc.br RELATÓRIO DE ESTÁGIO 1/3 (primeiro de três) Período: de 02/02/2010 a 23/03/2010 SCHULZ S/A Nome do aluno: André Luiz Gonçalves Caetano Nome do supervisor: Evandro Santos Nome do orientador: Arcanjo Lenzi Joinville, 23/03/2010
1 A Empresa Fundada em 1963 como uma pequena fundição em Joinville com apenas 26 funcionários a Schulz S/A é hoje a maior fabricante de compressores de ar da América Latina, contando com mais de 1450 colaboradores. A empresa possui hoje duas grandes divisões: a Divisão Automotiva e a Divisão de Compressores. A Divisão Automotiva é responsável pela produção de soluções no suprimento de componentes automotivos e mecânicos. A empresa é referência internacional em fundição de ferro cinzento e nodular sendo, inclusive, Fornecedora Global de diversas empresas de Mecânica Pesada (Caminhões e Tratores). A Divisão de Compressores por sua vez, faz da Schulz S/A uma das mais completas fábricas de compressores de ar do mundo. A linha de produtos conta com desde pequenos compressores alternativos de pistão até grandes unidades compostas por compressores rotativos de parafuso de até 250hp. A Schulz S/A possui um Departamento de Pesquisa e Desenvolvimento de Produtos. Isto garante autonomia técnica e agilidade no atendimento de necessidades de mercado e também produtos especiais sob encomenda. Conta também com equipamentos modernos como centros de usinagem horizontais e verticais de última geração, tornos verticais e horizontais "CNC" e máquinas de corte a laser, avançados laboratórios químico, metalográfico e de análise dimensional, além de um completo centro de pesquisa e desenvolvimento de novos produtos com estações CAE - CAD - CAM e engenheiros altamente especializados. Os investimentos constantes, assim como as arrojadas metas da Schulz S/A, lhe permitem, não só manter a sua liderança no segmento de compressores de ar alternativos de pistão e de diafragma, como também atuar fortemente na linha de compressores a parafuso, além de evoluir continuamente no segmento de componentes fundidos e usinados para o setor automotivo. A Empresa fornece toda a infra-estrutura necessária aos seus empregados, colaboradores e estagiários. Os novos funcionários logo se sentem parte de uma grande família. Os funcionários mais experientes sempre se demonstram prestativos para ajudar e ensinar os recém chegados. Esse clima amistoso é sem dúvida um dos diferenciais da Schulz S/A em relação às outras empresas. A empresa é hoje fortemente atrelada ao mercado mundial, e o atual reaquecimento da economia está afetando positivamente os números da empresa. Após a crise financeira, os cortes de pessoal foram inevitáveis, mas o constante aumento na demanda de produtos faz com que centenas de novos funcionários sejam contratados mensalmente.
2 A Área O estágio está sendo desenvolvido na Divisão de Compressores, no Departamento de Produtos. O principal objetivo do Departamento de Produtos é desenvolver soluções que atendam às necessidades dos clientes de forma rápida, com excelência internacional e viabilidade econômica. Os trabalhos realizados pelo Departamento de Produtos Divisão de Compressores são voltados a três grupos de produtos: compressores alternativos, compressores rotativos e secadores de ar. A maioria dos projetos se inicia a partir de pedidos específicos de clientes. O estudo das necessidades do mercado norteia o desenvolvimento de novos produtos, que podem ser fruto apenas de alterações em produtos já existentes ou projetos inteiramente novos. A maior luta das empresas hoje é pela diminuição de custos. A área de pesquisas geralmente demanda grande investimento, pois necessita de profissionais altamente qualificados, mobilização de parte da produção para a fabricação de protótipos e boa infraestrutura de trabalho (equipamentos, laboratórios, etc.). Uma das formas mais utilizadas pelas empresas para a redução de custos no desenvolvimento de novos produtos é o investimento em simulações. Modelos computacionais que simulem fielmente o produto em desenvolvimento diminuem, ou até mesmo eliminam a necessidade da fabricação de vários protótipos até se chegar a resultados satisfatórios. Assim sendo, há junto ao Departamento de Produtos da empresa grande interesse no investimento nessa área de atuação. Vale ressaltar também que mais que uma equipe de engenharia, o Departamento de Produtos da Schulz S/A é também uma equipe de vendas. Os novos produtos desenvolvidos devem estar de acordo com as necessidades do mercado, devem ter preços competitivos e formatos que agradem aos clientes. Dessa forma, a equipe conta também com Designers e Projetistas e atua sempre em conjunto com o departamento de vendas da empresa. A área é sem dúvida uma das mais importantes e estratégicas da empresa.
3 Atividades realizadas 3.1 Introdução Como comentado anteriormente, há grande interesse da empresa em desenvolver softwares e técnicas de simulações para os compressores fabricados. A maior dificuldade hoje é o desenvolvimento de modelos que consigam simular e produzir resultados quantitativos condizentes com a realidade. Especificamente, há interesse em predizer as cargas e esforços a que serão submetidos os reservatórios de ar que suportam os blocos compressores, quando esses estão em funcionamento. Na figura abaixo, temos um dos produtos típicos da empresa, um compressor industrial alternativo de pistões. Pode-se notar que o compressor é montado sobre uma base soldada ao reservatório. Com o compressor em funcionamento, essa base é submetida a cargas dinâmicas, sendo, portanto, uma estrutura bastante factível de falha por fadiga. Figura 1: Compressor industrial alternativo de 10hp Modelos computacionais são usados para predizer de forma qualitativa a carga dinâmica provocada pelo compressor em rotação. Para que modelos numéricos que estimem os esforços de forma quantitativa e não só qualitativa sejam validados, é necessário se medir os esforços reais provocados pelo conjunto. Para a medição desses esforços, a empresa optou por investir no desenvolvimento de transdutores de força capazes de medir esforços tridimensionais.
3.2 Propostas de Trabalho O princípio básico de funcionamento dos transdutores é a utilização de extensômetros. Estou diretamente envolvido no desenvolvimento desses transdutores, de forma que as primeiras semanas do estágio foram dedicadas a revisões bibliográficas sobre extensometria. A extensometria se baseia no fato de que os metais mudam sua resistência quando são deformados. A resistência de um fio é dada por: R = ρl A Lembrando o cálculo, podemos relacionar a variação das grandezas da seguinte maneira: R R ρ Chegamos então ao seguinte resultado: R R ρ + L + L A A R L A ρ + ρ ρl L A A 2 A Se considerarmos pequenas variações, o símbolo pode ser substituído pela igualdade. Podemos também dividir ambos os lados da equação por R, resultando em: A área do fio é dada por: R R = ρ ρ + L L A A A = πd2 4 Da mesma forma que fizemos para deduzir a variação relativa da resistência do fio: A πd 2 d Dividindo por A os dois lados da equação e considerando pequenas variações: A A = 2 d d Lembrando que para a tração uniaxial de uma barra cilíndrica as variações nas dimensões axial e radial podem ser relacionadas pelo coeficiente de Poisson: ε r = υε x
Podemos escrever: ΔA A = 2υ ΔL L Substituindo na equação da variação relativa da resistência e lembrando que ΔL = ε: ΔR R = Δρ + (2υ + 1)ε ρ A variação relativa da resistividade é proporcional à variação relativa do volume Como Temos: Ou então: Portanto: ΔV V Δρ ρ = m ΔV V V = πd2 4 L ΔV V = 2 Δd d + ΔL L = 2υε + ε = ε 1 2υ Δρ ρ = mε(1 2υ) O coeficiente de proporcionalidade m é determinado experimentalmente. Para ligas de cobre é aproximadamente igual à unidade. Temos enfim: ΔR R ΔR R ε = mε 1 2υ + (2υ + 1)ε = m + 1 + 2υ(1 m) O valor definido pela última equação é chamado de coeficiente de sensibilidade K: L ΔR R ε Uma vez conhecida a resistência inicial do material e o coeficiente de sensibilidade, podemos relacionar uma variação na resistência do extensômetro a uma deformação do mesmo. = K
A deformação dos extensômetros será igual à deformação do material aos quais esses estão colados. Como as variações de resistência nos extensômetros são bastante pequenas, são utilizados extensômetros dispostos em Pontes de Wheatstone. A Ponte de Wheatstone é um circuito elétrico dedicado à medição de pequenas variações de resistência. Foi inventado por Samuel Hunter Christie em 1833, porém foi Charles Wheatstone quem ficou famoso com o invento, tendo-o descrito dez anos mais tarde. Considere a figura abaixo: Figura 2: Circuito em Ponte de Wheatstone É aplicada uma tensão entre os pontos A e B e medida a tensão entre os pontos C e D. Chamemos de I c a corrente que por R1 e R2 e I d a corrente que passa por R3 e R4. Aplicando a Lei das Malhas, temos: I c R 1 I c R 2 + V ab = 0 I d R 3 I d R 4 + V ab = 0 V ab I c = R 1 + R 2 V ab I d = R 3 + R 4 A tensão medida entre os pontos C e D será então: V cd = I d R 3 + I c R 1 V cd = V ab R 3 R 3 + R 4 + R 1 R 1 + R 2 Para que a tensão de saída seja nula, devemos ter: R 3 R 3 + R 4 = R 1 R 1 + R 2
Rearranjando: R 2 R 3 = R 1 R 4 R 1 R 2 = R 3 R 4 Qualquer mudança no valor de alguma das resistências acarretará numa mudança da tensão de saída. Existem três configurações do circuito de Ponte de Wheatstone utilizadas, que variam pelo número de resistências ativas. Ou seja, o número de resistências que sofrem deformação. No circuito de ¼ de ponte há somente uma resistência ativa, permanecendo as demais constantes. No circuito de ½ ponte há duas resistências ativas e no circuito de ponte completa todas as resistências são ativas. Para o circuito de ponte completa, os extensômetros são dispostos em dois pares, de forma que cada uma das resistências do par esteja sujeita a deformações iguais e contrárias. A tensão de saída será então: V cd = V ab R 3 + R 3 R 3 + R 3 + R 4 + R 4 + R 1 + R 1 R 1 + R 1 + R 2 + R 2 Supondo que o valor inicial de todas as resistências seja o mesmo e igual a R: V cd = V ab R + R 1 2R + R 3 + R 4 R + R 3 2R + R 1 + R 2 4R 2 + 2R R 1 + R 2 + R 3 + R 4 + R 1 + R 2 R 3 + R 4 Podemos dividir o numerador e o denominador do último da equação acima por R 2, fazendo a consideração de que R 0 e R2 0, chegamos ao seguinte resultado: R 2 R 2 R 1 V cd = V R R 2 R + R 3 R R 4 R ab 4 + 2 R 1 R + R 2 R + R 3 R + R 4 R Lembrando mais uma vez que a variação relativa das resistências de um extensômetro pode ser relacionada com a deformação do mesmo pelo coeficiente de sensibilidade K, podemos escrever: V cd = V ab K ε 1 ε 2 + ε 3 ε 4 4 + 2K ε 1 + ε 2 + ε 3 + ε 4 V cd V ab = K ε 1 ε 2 + ε 3 ε 4 4 1 + K ε 1 + ε 2 + ε 3 + ε 4 2 Se os extensômetros estiverem dispostos no corpo de prova de modo que ε 1 = ε 4 e ε 2 = ε 3, teremos:
V cd = K ε 1 + ε 3 V ab 2 Se ainda ε 1 = ε 3 = ε: V cd V ab = Kε O objetivo inicial era então criar uma geometria para a célula de carga de fácil construção e usar extensômetros dispostos em ponte completa para medir deformações nas três direções principais (x, y e z) e também os momentos em torno desses eixos. O principal desafio na etapa inicial foi descobrir disposições para os extensômetros que permitissem deformações opostas sem que houvesse acoplamento entre as diferentes deformações, ou seja, garantir da melhor forma possível que uma força na direção x não provocasse uma deformação em y e assim por diante. A maior parte do tempo de estágio até agora foi dedicado à calibração das células de carga e ao ensaio de testes em compressores. Na figura abaixo podemos ver a bancada de testes construída para o levantamento dos esforços dinâmicos provocados pelo funcionamento dos compressores. Figura 3: Bancada de testes de esforços dinâmicos Abaixo temos detalhes do posicionamento das células de carga.
Figura 4: Detalhe das células de carga Na figura cima podemos ver a montagem das células de carga nos apoios do compressor. Os extensômetros se encontram colados sobre um corpo cilíndrico que fica no interior de uma capa protetora. 3.3 Metodologia Para que a realização dos ensaios fosse possível, as células de carga tiveram de ser calibradas. A calibração consiste em aplicar forças conhecidas às células de carga e registrar o valor de tensão correspondente. São aplicadas 6 cargas conhecidas entre 100N e 600N, para cada uma das forças (x, y e z) e para cada um dos momentos. Temos 6 sinais de saída (um para cada componente) para cada força aplicada, ou seja, ao aplicarmos uma força na direção x, provocaremos deformações no material de forma que teremos deformações não só na direção x, mas também na direção y, z e momentos. Esse fato se deve ao acoplamento entre as componentes, que como mencionado anteriormente, é uma das maiores dificuldades no desenvolvimento das células de carga. O resultado da calibração é uma matriz 6x6 que relaciona o sinal de saída de cada componente com seus acoplamentos. Ao multiplicar a inversa da matriz de calibração pelos sinais de saída, temos as cargas nas três direções e os momentos. Uma vez calibradas, as células de carga são montadas conforme a figura 4 na bancada de testes. Com o auxilio de um analisador de sinais são registrados os sinais de saída. Os dados obtidos precisam ser tratados. Primeiramente é aplicado um filtro, para reduzir os efeitos da interferência da rede elétrica e depois os sinais são multiplicados pela matriz de calibração resultando assim nos esforços exercidos pelo compressor.
A montagem dos experimentos é bastante demorada. Os compressores e motores são bastante pesados, é necessária a instalação de equipamentos de segurança como válvulas de alivio (para ensaios em alta pressão) e protetores de correia. O ensaio deve ser realizado para todos os pontos de apoio. Como há somente duas células de carga, o experimento deve se repetir ao menos duas vezes. Os resultados obtidos servirão de dados de entrada para simular cargas dinâmicas em modelos computacionais. 4 Atividades Futuras Para as próximas semanas estão previstos novos ensaios e o começo das simulações. Surgiu também um novo problema relacionado ao teste em compressores rotativos. Devido à grande vazão produzida pelas grandes unidades compressoras, os dutos de descarga provocam bastante ruído. Há intenção de desenvolver Mufflers ou silenciadores para a redução do nível desse ruído. É bastante provável que as próximas semanas sejam dedicadas ao dimensionamento desses dispositivos. Estão previstas também medições de vibrações em todas as unidades rotativas que saírem da linha de montagem.