estudo de um manipulador de pneus de caminhão para mineração
TRANSCRIPT
ESTUDO DE UM MANIPULADOR DE PNEUS DE CAMINHÃO PARA
MINERAÇÃO
Daniel Bruno Zanini Giansante
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. Vitor Ferreira Romano
Rio de Janeiro
Dezembro de 2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
ESTUDO DE UM MANIPULADOR DE PNEUS DE CAMINHÃO PARA MINERAÇÃO
Daniel Bruno Zanini Giansante
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO
DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Vitor Ferreira Romano, Dott.Ric.
________________________________________________
Prof. Max Suell Dutra; Dr.Ing.
________________________________________________
Prof. Sylvio José Ribeiro de Oliveira; Dr.Ing
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
DEZEMBRO DE 2014
iii
Giansante, Daniel Bruno Zanini
Concepção de um manipulador de pneus de caminhão para
mineração/Daniel Bruno Zanini Giansante. – Rio de Janeiro:
UFRJ/ Escola Politécnica, 2014.
IX, 48 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Vitor Ferreira Romano
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Mecânica, 2014.
Referencias Bibliográficas: p. 47-48.
1. Manipulador de pneus 2.Caminhões para mineração. 3.
Manutenção
I. Vitor Ferreira Romano. II. Universidade Federal do
Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia
Mecânica. III. Titulo.
iv
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, pois é Ele o responsável por todas as conquistas em
minha vida. Sem Ele nada teria sido possível.
Agradeço aos meus pais Dante e Cassia e ao meu irmão Brenno por todo o apoio,
incentivo e companheirismo na minha vida e no caminho para me tornar um engenheiro.
Em seguida agradeço ao meu orientador, o professor Vitor Ferreira Romano pela
orientação e apoio na construção deste trabalho.
Agradeço aos meus veteranos amigos de faculdade que passaram por este ciclo todo
comigo, e em especial àqueles que lá estavam quando eu precisei.
Agradeço ao professor Severino Neto que me inspirou a seguir no caminho da
engenharia mecânica.
Agradeço a toda à equipe da GADSR, Vale, amigos e profissionais com os quais muito
aprendi e de onde me inspirei para este trabalho.
Por fim agradeço a minha banca avaliadora, os professores Max Suell Dutra e Sylvio
José Ribeiro de Oliveira por estarem presentes neste momento e pelas contribuições a
este trabalho.
v
Resumo do projeto de graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
CONCEPÇÃO DE UM MANIPULADOR DE PNEUS DE CAMINHÃO
PARA MINERAÇÃO
Daniel Bruno Zanini Giansante
Dezembro/2014
Orientador: Vitor Ferreira Romano
Curso: Engenharia Mecânica
O manipulador de pneus é um equipamento que tem como objetivo fazer a troca de
pneus de grande porte para caminhões fora de estrada.
Caminhões de mineração são usados em larga escala em minas na operação de
transporte e contribuem para a redução do custo do minério. Com dimensões de até
quatro metros e cinco toneladas, a operação de troca dos pneus destes caminhões
apresenta riscos de segurança. Com o manipulador pretende-se minimizar estes riscos e
reduzir a duração da operação para estes pneus.
Este trabalho apresenta uma análise deste manipulador, fazendo o dimensionamento
estrutural, seleção de equipamentos, desenho dos componentes mecânicos e
dimensionamento de componentes hidráulicos. O estudo foi desenvolvido tendo como
ponto de partida as dimensões dos pneus, e o cenário de operação nas oficinas de
manutenção de caminhões.
Palavras chave: Manipulador de pneus, Caminhões para mineração, Manutenção.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer.
CONCEPTION OF A TYRE HANDLER STATION FOR MINING
TRUCKS
Daniel Bruno Zanini Giansante
December/2014
Advisor: Vitor Ferreira Romano
Course: Mechanical Engineering
The tire handler is a machine used to make the large tires changes for off-road
trucks.
Off-road trucks are used in mining operations in large numbers, reducing the cost of
ore transportation. With tire dimensions of up to 4 meters and 5 tons, the tire change has
become a complicated operation that involves safety concerns. The aim of the tire
handler is to minimize these risks and reduce the duration of the operation.
This paper presents an analysis of this tire handler, with it’s structural design,
equipment selection and design of mechanical and hydraulic components. The
conception was performed having the starting point on the wheel size and maintenance
policies and procedures in workshops.
Keywords: Tyre handlers, Mining trucks, Maintenance.
vii
Sumário
1. INTRODUÇÃO................................................................................................................. 1
1.1. Sobre a Mineração e Seus Atores ----------------------------------------------------------------- 1
1.2. Descrição dos Caminhões --------------------------------------------------------------------------- 2
1.3. Manutenção --------------------------------------------------------------------------------------------- 3
2. CONDIÇÕES INICIAIS E DE CONTORNO ........................................................... 5
2.1. Do Objeto: Pneu Michelin 59/80 R 63 XDR com Roda ------------------------------------- 5
2.2. Do Local: Condições de Operação nos Boxes da Oficina ----------------------------------- 6
2.3. Descrição da Sequencia de Troca, Todas as Etapas ----------------------------------------- 7
2.4. Dos movimentos: Descrição dos Movimentos Necessários para a Realização da
Tarefa 8
3. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO MANIPULADOR....................................... 9
3.1. Limitações de Tamanho ----------------------------------------------------------------------------- 9
3.2. Elementos Básicos da Máquina------------------------------------------------------------------- 10
3.2.1. Garra .................................................................................................................. 10
3.2.2. Pivot suporte da garra ...................................................................................... 10
3.2.3. Estação de trabalho ........................................................................................... 10
3.2.4. Plataforma base móvel ...................................................................................... 11
3.2.5. Motorização ....................................................................................................... 11
4. PROJETO E DIMENSIONAMENTO ..................................................................... 12
4.1. CONDIÇÕES INICIAIS E PREMISSAS ............................................................ 12
4.2. Garra ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 17
4.2.1. Braço ................................................................................................................... 17
4.2.2. Rolamentos ......................................................................................................... 20
4.2.3. Quadro base da garra ....................................................................................... 21
4.2.3.1. Viga A ............................................................................................................. 22
4.2.3.2. Viga telescópica B-D ...................................................................................... 23
4.2.3.3. Viga base C-E ................................................................................................ 26
viii
4.2.3.4. Viga F ............................................................................................................. 29
4.3. Suporte da garra ------------------------------------------------------------------------------------- 29
4.3.1. Estação de Trabalho .......................................................................................... 30
4.3.2. Quadro de suporte com motorização para pivotamento da garra ................ 32
4.4. Plataforma Base Motorizada ---------------------------------------------------------------------- 34
4.4.1. Pilar telescópico ................................................................................................. 34
4.4.2. Viga Transversal da Plataforma base ............................................................. 36
4.4.3. Viga Longitudinal da Plataforma base. ........................................................... 37
4.4.4. Rodas Motrizes .................................................................................................. 38
4.5. Sistema hidráulico ----------------------------------------------------------------------------------- 39
4.5.1. Cilindros hidráulicos da garra -------------------------------------------------------------------- 40
4.5.2. Cilindro lateral da garra --------------------------------------------------------------------------- 41
4.5.3. Cilindros do pilar telescópico --------------------------------------------------------------------- 42
4.5.4. Motores de tração ------------------------------------------------------------------------------------ 43
4.5.5. Motores de orientação das rodas ----------------------------------------------------------------- 43
4.5.6. Motores de rotação do pneu ----------------------------------------------------------------------- 44
4.5.7. Motores de pivotamento da garra --------------------------------------------------------------- 44
4.5.8. Válvulas direcionais --------------------------------------------------------------------------------- 44
4.5.9. Válvulas reguladoras de vazão ------------------------------------------------------------------- 45
4.5.10. Válvulas reguladoras de pressão ----------------------------------------------------------------- 45
4.5.11. Dimensionamento da bomba ---------------------------------------------------------------------- 45
4.5.12. Circuito hidráulico ----------------------------------------------------------------------------------- 46
4.5.13. Filtro de óleo ------------------------------------------------------------------------------------------- 46
4.5.14. Tanque de óleo ---------------------------------------------------------------------------------------- 47
5. CONCLUSÃO ---------------------------------------------------------------------------------------- 48
6. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................... 50
APÊNDICE I – DESENHOS TÉCNICOS .......................................................................... I
Lista de desenhos: -------------------------------------------------------------------------------------- I
ix
Desenho 01: Oficina de manutenção ------------------------------------------------------------- II
Desenho 02: Três vistas de conjunto ------------------------------------------------------------ III
Desenho 04: Esquema circuito hidráulico ----------------------------------------------------- IV
APÊNDICE II – CATÁLOGOS E NORMAS .................................................................. V
Normas para determinação de coeficiente de atrito. ---------------------------------------- V
Catalogo de rolamentos SKF: -------------------------------------------------------------------- VII
Catálogo de rodas Gumaplastic ------------------------------------------------------------------ IX
Catalogo de cilindros Parker ----------------------------------------------------------------------- X
Catálogo de venda Parker - Acessórios de cilindro --------------------------------------- XIII
Catálogo de venda Parker – Motores hidráulicos ---------------------------------------- XIV
Catálogo de venda Parker - Bomba hidráulica ------------------------------------------- XVI
Catalogo de venda Parker - Válvula direcional ----------------------------------------- XVIII
Catalogo de venda Bosch - Válvula direcional --------------------------------------------- XX
Catálogo de venda Parker - Filtro de óleo -------------------------------------------------- XXI
1
1. INTRODUÇÃO
1.1. Sobre a Mineração e Seus Atores
A mineração é uma atividade essencial para o desenvolvimento de diversas
atividades. Aço, cobre, níquel e outros metais adquiridos com a mineração estão
presentes em grande parte de nossos produtos industrializados. O aço está presente em
toda a indústria civil, é dominante na indústria automotiva, naval e aeronáutica e
participa também de diversas categorias de produtos. O cobre está presente na indústria
de dados como um todo. Desde de infraestrutura de telefonia, internet e televisão até
computadores e celulares.
Estes metais e outros produtos da mineração que estão presentes direta ou
indiretamente em todas as atividades industriais e em outras atividades como a
agricultura movimentam grandes receitas.
No mundo temos a seguir as cinco maiores companhias mineradoras:
Tabela 1.1 Cinco maiores companhias de mineração em valor de mercado. Adaptado[1]
Juntas representam um valor de mercado de 655 bilhões de dólares.
No Brasil está presente a Vale, segunda maior produtora de minério de ferro e
pelotas do mundo além de matérias-primas essenciais para a fabricação do aço, como o
carvão, a empresa atua também em outros segmentos minerais como níquel, cobre,
manganês e ferroligas. CSN, Alcoa, Votorantim, ArcelorMittal, Mineração Rio Tinto e
CBMM (Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração), Anglo American Brasil,
Samarco, são algumas das empresas brasileiras que dominam partes do negócio de
mineração no Brasil, extraindo inclusive Zinco e Nióbio.
# Company Stock price Value (USD bn)
1 BHP Billiton GBP 20.83 209.11
2 Vale USD 31.33 165.70
3 Rio Tinto GBP 35.84 135.45
4 Shenhua CNY 34.65 83.70
5Anglo
AmericanGBP 28.22 60.99
2
Este negócio demanda uma infraestrutura e logística igualmente grande para que
o minério possa ser beneficiado e vendido a siderúrgicas. No caso brasileiro esta rede
logística abrange duas ferrovias, diversos portos(entre eles o porto de Tubarão,
Vitória,ES e o porto de São Luis, MA) além de navios.[2]
1.2. Descrição dos Caminhões
Nas minas de superfície é feito o desmonte do solo contendo minério com
explosivos. Após esta etapa escavadeiras hidráulicas e de cabo fazem a remoção deste
material para caminhões de minério.
Figura 1.1 Escavadeira de cabo carregando um caminhão de mineração.[3]
Estes caminhões de minério, de diversos tamanhos e modelos, são os que fazem
a ligação entre a frente de escavação e as centrais de beneficiamento.
Os caminhões têm sido projetados com dimensões cada vez maiores em busca de uma
maior eficiência no transporte do minério e um equilíbrio entre capacidade transportada
e infraestrutura necessária para a sua operação.
Um dos maiores modelos existentes no mundo é o Caterpillar 797F com
capacidade de transporte de até trezentas e sessenta e três toneladas de minério em sua
3
báscula. Suas dimensões são: Altura de sete metros e meio, comprimento de quinze
metros, largura de nove metros e meio e um motor de vinte cilindros e quatro mil
cavalos. [4]
Figura 1.2 Caminhão Caterpillar 797. [5]
Este caminhão trabalha em regime de vinte e quatro horas por dia, trezentos e
sessenta dias por ano, parando somente para abastecer e para manutenção.
1.3. Manutenção
A infraestrutura de manutenção para uma frota destes caminhões é bastante
complexa envolvendo sistemas de despacho, postos de abastecimentos, sistemas de
segurança, cadeia logística para peças de reposição e uma oficina de manutenção
especializada para as dimensões deste maquinário.
Uma das atividades desenvolvidas nas oficinas e motivador deste trabalho é a
troca de pneus destes caminhões. Pelas dimensões e pesos envolvidos a operação se
torna complexa, requerendo procedimentos específicos, maquinário para movimentação
4
e cuidados com a segurança da equipe responsável pela operação. Um fator que
aumenta a complexidade é o espaço confinado das oficinas que reduz a amplitude de
movimentos possíveis e força uma maior coordenação entre equipes desempenhando
diversas tarefas.
Outro problema surgido com o aumento da dimensão dos caminhões é o espaço
disponível para as operações de manutenção. Isto tem forçado as empresas a usarem
dois boxes para efetuar a troca dos pneus reduzindo a capacidade de suas oficinas.
Figura 1.3 Empilhadeira transportando pneu de caminhão de mineração.[3]
O objetivo deste trabalho é conceber um manipulador de pneus que possa atacar
estes problemas, operando em ambiente confinado, reduzindo a quantidade de
equipamentos, o tamanho das equipes, aumente a segurança e libere o Box adjacente
para outros usos durante a operação de troca de pneus.
5
2. CONDIÇÕES INICIAIS E DE CONTORNO
2.1. Do Objeto: Pneu Michelin 59/80 R 63 XDR com Roda
Figura 2.1 Pneu Michelin 59/80 R63 XDR.[6]
O objeto a ser manipulado é o pneu, mais roda, de caminhão de mineração. O
manipulador trabalha com diâmetros entre 3,5m e 4,03m, para todos os caminhões que
sejam compatíveis com pneus destes tamanhos.
Será considerado como condição inicial o pneu Michelin 59/80 R 63 XDR [Apendice
II] que possui as seguintes características:
• Diâmetro: 4,03m;
• Largura: 1,48m;
• Composição: 890kg de aço, 3.850kg de borracha;
• Valor unitário: USD 42.500,00;
• Peso do aro: 560kg.
Este pneu hoje é usado exclusivamente no caminhão fora de estrada Caterpillar 797F de
capacidade de carga de 363t.
Este estudo se baseia no manipulador de pneus Tire Handler Station THS-40-D
da B&D Manufacturing[7]
6
2.2. Do Local: Condições de Operação nos Boxes da Oficina
Figura 2.2 Oficina de manutenção de equipamentos de mina da Vale.
A troca de pneus é feita em uma oficina de manutenção de equipamentos de
mina. Entre eles caminhões fora de estrada e rodoviários, carregadeiras, escavadeiras e
equipamentos de infraestrutura. É um local onde existe a movimentação constante de
equipamentos de grande porte em local confinado.
Todas as operações devem ser planejadas e executadas em baixa velocidade para
minimizar o risco de acidentes.
Com o aumento do tamanho dos caminhões, o Box atual tem se revelado
insuficiente para a operação de manutenção e troca de pneus de maior porte, sendo
necessário o uso do Box adjacente para a operação reduzindo assim a capacidade das
oficinas.
O manipulador deverá ser compacto o suficiente para operar no espaço entre
dois boxes ocupados, não sofrendo nem causando interferência nos caminhões lá
parados.
7
2.3. Descrição da Sequencia de Troca
Para efetuar a troca de pneus dos caminhões, deve-se posicionar o caminhão no
Box e levantar o mesmo com macacos hidráulicos.
O manipulador se aproxima pelo corredor entre os boxes se posicionar diante da
roda, faz o ajuste para centralizar com o pneu e abre a garra.
O manipulador avança até envolver a roda, fecha a garra e para, assim
permitindo que o operador possa remover os parafusos.
Figura 2.3 Vista lateral do manipulador se aproximando do pneu e prendendo o mesmo.
Em seguida a máquina se afasta do caminhão com o pneu e se direciona até o
deposito. Lá é feito o pivotamento da garra até a posição horizontal e é abaixada até
apoiar o pneu no chão, abrindo-se em sequência.
Figura 2.4 manipulador fazendo o movimento de pivotamento e posicionando o pneu no chão.
Feito isto a garra levanta até se afastar suficientemente do pneu . Com isto a
garra pode se afastar e recuar.
8
Figura 2.5 Manipulador posicionando a garra de modo a poder superar o pneu.
Figura 2.6 Manipulador se afasta do pneu.
Após se afastar do pneu, o manipulador vai até outro pneu e repete o processo
em ordem inversa para colocar um pneu novo no caminhão.
2.4. Dos movimentos: Descrição dos Movimentos Necessários para a
Realização da Tarefa
A máquina deverá executar três grupos de movimentos para completar a tarefa.
Um movimento de locomoção na oficina, onde a capacidade de andar de lado e girar no
próprio eixo se faz necessária.
Um movimento macro onde a mesma faz o pivotamento da garra e levanta e
mesma para pegar e soltar os pneus.
Um movimento de precisão em y e z para centralizar a roda com o cubo e uma
rotação em x para alinhar os furos de fixação para o torqueamento.
9
Figura 2.7a Movimentos de pivotamento. Figura 2.7b Movimento lateral da garra em relação à base.
3. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO MANIPULADOR
3.1. Limitações de Tamanho
Figura 3.1 Oficina de manutenção de caminhões e carregadeiras com o manipulador em escala.
Como a máquina irá operar em corredores entre boxes ocupados com
caminhões, esta deverá lidar com restrições dimensionais.
Os caminhões possuem estruturas que se projetam para além da roda, acima da
mesma. Faz-se então necessário que a máquina jamais exceda o menor intervalo entre
10
pneu e para-lamas durante sua operação. A máquina deverá ser mais baixa que o para-
lama do menor caminhão cujo pneu é compatível com máquina.
Os padrões de corredores mais estreitos atualmente tem largura de cinco metros,
devendo assim a máquina poder circular e desempenhar sua função neste espaço. Neste
caso ela faz uso de sua capacidade de “crab walk” (andar de lado). Assim a sua
profundidade em x deverá ser menor que cinco metros.
3.2. Elementos Básicos da Máquina
3.2.1. Garra
A garra deve poder segurar o pneu abrindo e fechando. Que faça um movimento
de precisão em y e z e de rotação em x para a colocação da roda no cubo.
Figura 3.2a Garra do manipulador parcialmente recolhida. Figura 3.2b Garra do manipulador estendida.
3.2.2. Pivot suporte da garra
O pivot é uma estrutura móvel à qual está acoplada a garra. Este permite o
movimento de pivotamento da garra, da posição vertical até a horizontal.
3.2.3. Estação de trabalho
Uma estação de trabalho que permita o acesso a todos os parafusos da roda de
maneira ergonômica e não interfira no pivotamento.
11
Figura 3.3 Pivot com estação de trabalho.
3.2.4. Plataforma base móvel
Uma plataforma base que contenha a motorização (geração de potência), um
conjunto de rodas que permita o deslocamento em todas as direções e um formato que
permita o pivotamento da garra. Também deve estar presente um pilar telescópico que
permita o levantamento da garra.
Figura 3.4 Plataforma base com pilares telescópicos.
3.2.5. Motorização
Está presente uma unidade de potência movida a Diesel para permitir que o
equipamento opere de maneira independente de uma fonte de energia externa. Este
motor aciona um gerador que alimenta o sistema hidráulico, os equipamentos
eletrônicos e um banco de baterias.
Figura 3.5 Grupo motopropulsor a diesel com gerador.
12
4. PROJETO E DIMENSIONAMENTO
Figura 4.1 Manipulador de pneus com garra e pilares telescópicos estendidos.
4.1. Condições Iniciais e Premissas
Somando-se as condições iniciais apresentadas anteriormente, foram
consideradas algumas premissas para o projeto do manipulador.
Foram consideradas ou determinadas as velocidades de operação dos diversos
componentes em função de dados passados pelo fabricante.
Foram consideradas as cargas atuando no manipulador em função da posição da
garra. Esta varia de 0º na posição horizontal até 90º na posição vertical.
O cálculo de cargas e o consequente dimensionamento e escolha de material foi
feito partindo do pneu para fora, ou seja, garra, suporte e plataforma base em ordem
levando em conta as restrições dimensionais do ambiente de oficina.
Foram consideradas diversas opções de preensão do objeto a ser manipulado.
Foram feitas considerações de forma, peso, material, velocidade e aceleração do
manipulador, estabilidade e restrições geométricas do ambiente de trabalho.
13
Figura 4.2a Tipos de preensão com a mão humana. Figura 4.2b Preensões típicas de diversos tipos de
garras.[9]
Soluções como braços articulados foram descartadas devido ao aumento da
complexidade do equipamento e do movimento para se adaptar a diâmetros diferentes
de pneus e restrições de espaço.
Soluções envolvendo içamento também foram descartadas por aumentar a
complexidade do movimento de pivotamento e por expor o operador a riscos ao acoplar
o equipamento no pneu.
Foi selecionada uma solução com quatro braços que seguram o pneu fazendo
uso de um movimento de prensa. Esta configuração permite simplificar o equipamento,
atende as restrições geométricas e permite o pivotamento. O único ponto negativo é o
aumento das forças necessárias para a preensão do pneu.
Estabeleceu-se um sistema de coordenadas padrão para o manipulador. O
referencial fica definido com o eixo x alinhado com o eixo de simetria da roda e
apontando em direção ao caminhão do ponto de vista do manipulador. O eixo y é
vertical para cima e o eixo z é ortogonal aos dois.
Figura 4.3 Referencial padrão para o estudo.
14
Figura 4.4 Vista frontal do manipulador carregando um pneu.(Créditos: B&D Manufacturing)
O manipulador sempre faz a remoção do pneu com o aro instalado. Assim sendo,
a carga estática total a ser transportada é de:
(4.1)
O manipulador deverá carregar pneus de diferentes tamanhos entre 3,50m e
4,03m. A garra do manipulador segura o pneu como uma prensa, mantendo a distância
em z, entre os braços, constante e variando a distância em y. Com isto, o ângulo entre os
braços foi fixado em 45 graus para o menor pneu e com a variação de diâmetro foi
reduzido para 38 graus.
Figura 4.5a Pontos de contato para o menor pneu. Figura 4.6b Pontos de contato para o maior pneu.
15
Por premissa, definiu-se que a força que a garra deveria fazer no pneu para
segurá-lo seria a necessária na posição vertical. Foi considerado também que os sulcos
presentes no pneu não iriam interferir no posicionamento dos braços. A roda assim é
tratada como lisa e as forças normais são radiais.
Figura 4.7 Manipulador com a garra na posição horizontal.
Como a garra também se movimenta com o pneu na posição horizontal, ao peso
estático deve-se somar a aceleração do movimento à gravidade:
(4.2)
Para a situação horizontal temos que o somatório das forças de atrito dos braços
deverá ser igual e oposta a força peso da roda em todos os momentos.
(4.3)
Onde,
(4.4)
Por simetria tem-se que:
(4.5)
16
desta forma podemos substituir os termos de reação para obter:
(4.6)
Para calcular a reação isolamos o termo da equação:
(4.7)
Pesquisou-se o coeficiente de atrito entre a borracha do pneu e o concreto(Anexo
II). O intervalo de interesse é: 0,6< μ<0,9.
Devido à dureza da borracha iremos considerar:
μ=0,6 (4.8)
A máquina tem uma aceleração máxima de
(4.9)
e uma velocidade de movimentação limitada a
(4.10)
Substituindo estes valores na equação de atrito temos:
(4.11)
Assim determina-se que a força mínima sempre aplicada ao pneu por cada braço
será de:
(4.12)
Para o caso vertical temos uma diferença de força entre os braços superiores
e os braços inferiores devido a adição do peso dinâmico da roda sobre
os braços inferiores.
Podemos fazer o somatório das forças para determinar a carga nos braços inferiores:
(4.13)
17
(4.14)
(4.15)
(4.16)
(4.17)
Usando a simetria da roda para simplificar os termos:
(4.18)
(4.19)
(4.20)
(4.21)
Assim:
(4.22)
(4.23)
4.2. Garra
4.2.1. Braço
Por premissa, define-se que a base que suporta o braço tem uma seção reta
quadrada de lado igual a:
(4.24)
Define-se também que devido a interferências e folga no momento de segurar o
pneu, a carga do pneu será aplicada a partir de:
(4.25)
Por fim, considera-se que o peso do pneu é uma carga distribuída ao longo da
largura do mesmo. Esta largura é definida:
18
(4.26)
A barra deverá poder girar ao longo de seu eixo para que a roda possa fazer o
movimento de rotação para alinhamento dos furos de fixação, logo deverá ter a seção
reta circular.
Foi calculado que o diâmetro deve ser de:
(4.27)
Devido as condições de operação e cargas envolvidas, o material escolhido para
os braços foi o aço SAE 4340 recozido (tensão de escoamento de 1080 MPa) que deverá
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta, devido à exposição ao ambiente de
mina.
Para o dimensionamento dos braços foi feita uma análise das cargas aplicadas e
calculado a tensão visando determinar o caso mais crítico. A diferença entre as situações
é o valor da carga normal distribuída e a presença de uma carga axial no caso
horizontal.
Foi feito um estudo de carregamento para todos os ângulos da posição horizontal
até a vertical. Chegou-se a conclusão que a posição vertical é a que mais solicita o
braço.
O peso próprio do braço e dos elementos ligados a ele foi incluído, levando em conta o
dimensionamento da peça, no cálculo das cargas e tensões.
19
Figura 4.8 Carregamento e esforços do braço inferior devido ao peso próprio de do pneu.
Figura 1.9 Evolução das forças no braço em função do ângulo da garra.
Figura 4.10 Evolução das tensões em função do ângulo da garra.
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Forç
a e
m K
N
Força normal total
Força axial total
-50,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Ten
são
em
MP
a Tensão axial
Tensão normal
Cisalhamento
Tensão de Von Mises
20
Figura 4.11 Evolução do valor do fator de segurança em função do ângulo da garra.
Abaixo os valores para a situação mais crítica:
Reação no apoio “A”: (4.29)
Reação no apoio “B”: (4.30)
Tensão normal devido à flexão: (4.31)
Tensão de cisalhamento devido à força normal: (4.32)
A tensão equivalente no braço considerando a teoria de Von Mises:
(4.33)
Fator de segurança:
(4.34)
Deflexão máxima na extremidade do braço:
(4.35)
4.2.2. Rolamentos
Para suporte dos braços da garra foram escolhidos rolamentos da marca SKF.
Os critérios de escolha foram a dimensão do braço e as cargas radiais e axiais que
devem ser suportadas. Estas informações foram utilizadas no programa de seleção
presente no site da SKF para validar o rolamento escolhido.
No pneu de 3,5m de diâmetro existem 60 parafusos de fixação, chegando até 72
parafusos no caso de um modelo de 4,03m.
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Fator de Segurança
21
Como o movimento de rotação do pneu é unicamente para alinhar os furos, o
manipulador gira o pneu no máximo Ө=6 graus por operação de troca. Com o tempo de
troca de uma hora por caminhão e média de 6 operações de troca por dia, trezentos e
sessenta dias por ano por dez anos, chegou-se a conclusão que a análise por carga
estática seria mais indicada do que a de vida em fadiga.
Para o braço foram escolhidos rolamentos de rolos cônicos do modelo: 32030X [2].
4.2.3. Quadro base da garra
Figura 4.12 Garra com componentes identificados.
Os braços da garra estão acoplados em uma base composta por 4 tipos de viga:
Uma viga “A” superior transversal, dois conjuntos de vigas telescópicas verticais “B-
22
D”, uma viga inferior “C-E” e uma viga traseira “F” por onde a garra se acopla no
suporte.
Foi feita uma análise das forças aplicadas na base e usando o princípio da
sobreposição foi possível isolar as cargas em cada componente individual. Isto foi feito
para todas as posições da garra e os resultados estão mostrados abaixo.
4.2.3.1. Viga A
A viga “A” é aonde se fixam os braços superiores da garra com rolamentos. Ela
aumenta a rigidez da estrutura e suporta as cargas laterais mantendo o formato da base
da garra.
Esta viga possui portas de inspeção na lateral por onde se pode acessar os
rolamentos. Possui também duas aberturas para o braço. Na posterior é por onde ele é
inserido.
Figura 4.13 Carregamento e esforços na viga A.
23
Com os esforços da reação normal ao pneu, causado pelo aperto temos uma
força normal e dois conjuntos de momentos, um deles atuando nas vigas B e D e outro
na viga A. Temos também o peso próprio da barra que gera momento complementar ao
da normal na condição mais crítica horizontal.
Tensão axial: (4.36)
Tensão normal devido à flexão: (4.37)
Tensão de cisalhamento devido à flexão: (4.38)
A tensão equivalente na viga considerando a teoria de Von Mises:
(4.40)
Fator de segurança:
(4.41)
Deflexão da barra A:
(4.42)
4.2.3.2. Viga telescópica B-D
As barras B e D são telescópicas, podendo variar seu comprimento por meio de
cilindros hidráulicos para segurar o pneu. Elas são compostas por duas vigas caixão
com seção reta quadrada cada, com uma viga deslizando por dentro da outra.
Para poder segurar e soltar os pneus de 3,5m a 4,03m sem dificuldades, estas
barras devem ter um curso de 1,1m e os comprimentos individuais de:
Viga Comprimento Largura Espessura
Viga Base
Viga Extensora
24
Figura 4.14 Carregamento e esforços atuantes na viga telescópica da garra.
Abaixo a variação de tensões no ponto mais carregado em função do ângulo da
garra. Devido à natureza oposta dos momentos externo e devido ao peso próprio há uma
grande variação da tensão equivalente de Von Mises enquanto a garra faz o movimento
de pivotamento.
Figura 4.15 Evolução do esforço cortante e do momento fletor na viga.
-40,00
-30,00
-20,00
-10,00
-
10,00
20,00
30,00
40,00
-
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Mo
me
nto
Fle
tor
em
KN
m
Esfo
rço
Co
rtan
te e
m K
N
Cortante
Momento
25
Figura 4.16 Evolução das tensões em função do ângulo da garra.
Figura 4.17 Evolução do fator de segurança. Há um pico de máximo onde a solicitação é mínima em 64 graus.
Tensão axial: (4.43)
Tensão normal devido à flexão: (4.44)
Tensão de cisalhamento: (4.45)
A tensão equivalente considerando a teoria de Von Mises:
(4.46)
Fator de segurança:
(4.47)
-20,00
-15,00
-10,00
-5,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Ten
são
em
MP
a
Tensão normal
Cisalhamento
Tensão de Von Mises
-40,00
10,00
60,00
110,00
160,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Fator de Segurança
26
Deflexão da barra A:
(4.48)
4.2.3.3. Viga base C-E
A viga C-E é a base da garra. Nela estão situados os braços inferiores e é onde a
garra está fixada no suporte deslizante. Duas portas de acesso estão presentes nas
extremidades para acesso aos rolamentos.
Esta viga tem uma geometria diferente devido a algumas considerações sobre as
cargas aplicadas.
Nela existem forças axial, normal e de torção devido, respectivamente, ao braço
da garra, ao peso próprio e do resto da garra e devido ao offset do centro de massa do
conjunto em relação à linha neutra da barra.
O carregamento mostrado abaixo não inclui a força axial e de torção.
Figura 4.18 Carregamentos e esforços na viga C-E.
Como a viga C-E é um perfil tubular fechado de paredes finas, com um valor de
torção proporcionalmente alto, as tensões que governam o stress neste perfil são as
27
tensões normais e a de torção. Os outros cisalhamentos podem ser desprezados. Para
minimizar as tensões foi aumentada a altura da seção reta retangular desta barra. Isto
aumenta a resistência à tensão de torção e também reduz o braço deste torque ao trazer o
ponto de apoio em direção ao centro de massa da garra, em y.
Abaixo o comportamento do carregamento em função do ângulo da garra.
Figura 4.19 Evolução das tensões de cisalhamento e de Von Mises.
Figura 4.20 Evolução das tensões menores na viga C-E em função do ângulo da garra.
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Ten
são
em
MP
A
Cisalhamento devido a torção Tensão de Von Mises
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Ten
são
em
MP
Aa
Tensão normal em y
Tensão normal em x
Tensão axial
Cisalhamento em x
Cisalhamento em y
28
Figura 4.21 Evolução do fator de segurança. Existe um máximo de carregamento em 33 graus devido ao desalinhamento do centro de massa da garra carregada com o eixo de pivotamento.
Para esta barra foi usado o aço SAE 1030 temperado e revenido
devido à maior resistência mecânica e a boa soldabilidade, sendo compatível para solda
com o aço SAE 1020.
A barra C-E é uma viga caixão de seção reta retangular com as seguintes
medidas:
Comprimento Largura base Altura base Espessura
2900mm 400mm 800mm 20mm
Tensão axial: (4.49)
Tensão normal em x devido à flexão: (4.50)
Tensão normal em y devido à flexão: (4.51)
Tensão de cisalhamento em x: (4.52)
Tensão de cisalhamento em y: (4.53)
Tensão de cisalhamento devido a torção: (4.54)
A tensão equivalente considerando a teoria de Von Mises:
(4.55)
Fator de segurança:
(4.56)
6,00
11,00
16,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Fator de Segurança
29
4.2.3.4. Viga F
É uma viga caixão, de base quadrada, aberta soldada à viga C-E. Ela serve de
interface deslizante entre a garra e o suporte transmitindo diretamente as cargas para
este. O suporte, com a mesma seção reta, deve se encaixar dentro desta viga para
permitir a movimentação lateral da garra. O alinhamento é feito através de guias retos e
a lubrificação para o deslizamento é feita com lubrificante sólido, graxa.
A movimentação lateral da garra é feita com a atuação de um cilindro hidráulico
instalado abaixo deste atuando na viga base do suporte.
O material utilizado é o aço SAE 1030, temperado e revenido ( ).
Comprimento Largura base Altura base Espessura
1000mm 400mm 400mm 20mm
Tensão normal devido à flexão: (4.57)
Tensão de cisalhamento 1: (4.58)
Tensão de cisalhamento devido a torção: (4.59)
A tensão equivalente considerando a teoria de Von Mises:
(4.60)
Fator de segurança:
(4.61)
4.3. Suporte da garra
O suporte da garra é um sistema composto por três grupos de peças: uma viga
base, dois pilares e a estação de trabalho.
Calcularam-se todos os pontos críticos destes elementos levando em conta o
ângulo da garra e o carregamento da estação de trabalho. Durante a operação de troca do
30
pneu somente com a garra na posição vertical que é possível a entrada de pessoas na
estação de trabalho. Para fazer a troca basta um operador, mas devido ao espaço
disponível na estação foi determinado um carregamento maior.
Como a estação de trabalho está soldada no suporte, carregando o mesmo, esta
foi calculada primeiro para então calcular o suporte.
4.3.1. Estação de Trabalho
A estação de trabalho é uma plataforma solidária ao suporte da garra. Como ela
interferiria no pivotamento do pneu, esta também faz o movimento sendo acessível
somente quando o pneu está vertical. Pensando na ergonomia da operação de troca de
pneus, esta está localizada a uma altura que permite um fácil acesso a todos os furos da
roda para a operação de torqueamento.
A estação de trabalho é composta por um quadro feito de vigas tubulares
soldadas no suporte e com uma viga diagonal contribuindo com o suporte da carga e
aumentando a rigidez do conjunto. Acima disto foi instalada uma grade de piso.
Como premissa, foi definido que o carregamento na estação de trabalho seria
dado pelo peso próprio mais o peso de sete operadores de 85kg em pé nela.
O material escolhido para estação de trabalho é o aço SAE 1020.
Nome Comprimento Lado1 Lado2 Espessura
Viga Longitudinal 4200mm 100mm 100mm 10mm
Viga Transversal 1100mm 100mm 100mm 10mm
Viga Diagonal 920mm 100mm 100mm 10mm
O carregamento mais crítico se dá na viga longitudinal da estação de trabalho, na
posição vertical da garra e com pessoas. A tensão equivalente é de Von Mises é de:
(4.62)
Fator de Segurança: (4.63)
31
Os carregamentos nos outros elementos da viga são bem menores, portanto a
geometria escolhida é adequada. Os fatores de segurança para a viga transversal e
diagonal são respectivamente:
Fator de Segurança: (4.66)
Fator de Segurança: (4.67)
Para a grade do piso foi feita uma seleção de grades disponíveis dentre grandes
fabricantes brasileiros visando baixo peso, disponibilidade e preço.
A grade escolhida foi a modelo: GS-B4-204 do fabricante Selmec.
Malha Altura Vão de apoio
indicado
Massa
específica
Carga máxima
recomendada
25 x 100 20mm 1200mm
Fator de Segurança: (4.68)
Figura 4.22 Vista do modelo de grade escolhido com nomenclatura. [Selmec]
32
4.3.2. Quadro de suporte com motorização para pivotamento da
garra
Com a estação de trabalho determinada é possível somar o carregamento dela no
suporte.
Devido ao carregamento na viga base foi usado o aço SAE 1030 e revenido
( ) para a construção do conjunto base e pilares.
O conjunto é feito de vigas caixão de base quadrada, sendo os pilares soldados
sobre a viga base.
Nome Comprimento Lado1 Lado2 Espessura
Viga Base 4200mm 360mm 360mm 20mm
Pilar 800mm 360mm 360mm 10mm
Tabela 4.1 Dados componente
Tensão equivalente de Von Mises da viga base: (4.69)
Tensão equivalente de Von Mises do pilar: (4.70)
Fator de segurança da viga base: (4.71)
Fator de segurança do pilar: (4.72)
Para os pilares as tensões são consideravelmente menores que as da viga base,
mesmo com a mesma geometria e carregamento. Isso se da principalmente devido ao
comprimento da viga base e a distribuição de torques nos pilares. Estes se contrapõem,
reduzindo assim a tensão total.
33
Figura 4.23 Carregamento na viga base do quadro de suporte da garra.
Figura 4.24 Evolução do carregamento no pilar em função do ângulo da garra.
Figura 4.25a Evolução do Fator de segurança da viga base. Figura 4.25b Evolução do fator de segurança do pilar.
-30,00
-20,00
-10,00
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Ten
são
em
MP
a
Tensão normal em y
Tensão normal em x
Cisalhamento em x
Cisalhamento em x
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Ten
são
em
MP
a Tensão axial
Tensão de flexão
Cisalhamento x
-
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
FS Viga Base
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
FS Pilar
34
4.4. Plataforma Base Motorizada
A plataforma base é onde todos os elementos do manipulador estão montados. A
plataforma é composta por três elementos:
• Uma viga longitudinal onde o motor, gerador, bomba, tanque, baterias e a
eletrônica embarcada estão;
• Duas vigas transversais que se apoiam nas rodas motrizes e nas quais estão a
viga longitudinal e o pilar telescópico.
• Dois pilares telescópicos nos quais está fixada a garra.
Figura 4.26 Plataforma base com componentes identificados.
4.4.1. Pilar telescópico
O pilar telescópico é feito de aço SAE 1020 e é composto por duas vigas caixão
de base retangular que se estendem uma dentro da outra.
As cargas aplicadas são as de compressão devido ao peso e de flexão devido ao
torque exercido pela rotação da garra. A base sofre também cisalhamento devido a sua
fixação, por solda, na lateral da viga transversal. No interior do pilar base está fixado o
cilindro hidráulico que estende o conjunto, atuando próximo ao meio do pilar superior.
Nome Comprimento Lado1 Lado2 Espessura
Pilar base 1500mm 400mm 300mm 10mm
Pilar Superior 1900mm 380mm 280mm 10mm
Tabela 4.2 Dados componente
35
Para as dimensões assim acima e na situação de carga máxima temos as
seguintes tensões:
Tensão devido ao peso da garra: (4.73)
Tensão devido ao peso próprio mais peso da extensora: (4.74)
Tensão de flexão: (4.75)
Cisalhamento: (4.76)
Tensão equivalente de Von Mises: (4.77)
Fator de segurança: (4.78)
Tensão devido ao peso da garra: (4.79)
Tensão devido ao peso próprio: (4.80)
Tensão de flexão: (4.81)
Tensão equivalente de Von Mises: (4.82)
Fator de segurança: (4.83)
36
Figura 4.27 Vista em corte com carregamentos no pilar telescópico.
4.4.2. Viga Transversal da Plataforma base
A viga transversal é uma viga biapoiada com os trens de rodas próximos às
extremidades suportando a mesma e o pilar telescópico próximo ao centro do vão livre
impondo uma carga.
Figura 4.28 Carregamento e esforços da viga transversal.
37
A viga transversal sofre uma carga variável devido a mudança da intensidade do
momento fletor causado pelo torque no eixo do suporte. O peso próprio e da garra
carregada são considerados constantes e corrigidos pela aceleração da garra para cima.
Material Comprimento Largura Profundidade Espessura
Aço SAE 1030
Tabela 4.3 Dados componente
Tensão equivalente de Von Mises:
Fator de segurança:
4.4.3. Viga Longitudinal da Plataforma base.
A viga longitudinal da plataforma base é o elemento de ligação que fornece
rigidez e mantêm a forma da estrutura. Esta viga também e a base na qual está fixada a
unidade de potência, central de controle, tanque de óleo e o conjunto motor elétrico e
bomba. Esta sofre um carregamento devido ao peso próprio e aos elementos fixados
nela.
Figura 4.29 Carregamento e esforços na viga longitudinal.
38
4.4.4. Rodas Motrizes
Foi feito um estudo de passeio de centro de massa da garra carregada quando do
movimento de pivotamento do pneu. Foi calculado que, em um referencial centrado no
eixo de rotação da garra, o centro de massa se encontra a uma distância de 1.094[mm]
do eixo e 15,04 graus acima do mesmo para a posição vertical da garra.
Figura 4.30 Passeio do centro de massa em x , em função do ângulo da garra com zero sendo a posição vertical.
O manipulador está apoiado em cima de quatro conjuntos de rodas motrizes.
Estas rodas tem um ângulo de giro em y de 100º o que permite que o manipulador possa
girar sobre o próprio eixo e fazer movimento de translação em qualquer direção.
Como não há requisitos de amortecimento, o eixo das rodas é ligado diretamente
a estrutura do manipulador.
As rodas em si, tem um diâmetro de 457mm e são rígidas com uma superfície de
borracha texturizada para um maior atrito. Foi selecionada uma roda da Gumaplastic, o
modelo Tração com medidas de 16 1/4 x 7 x 11 1/4 pol. (413 x 178 x286mm), massa de
18,82kg e capacidade de carga individual de (Apêndice II).
0
200
400
600
800
1000
1200
0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90
Dis
tân
cia
[mm
]
Passeio do centro de massa
39
Figura 4.31 Carregamento nos trens de rodas em função do ângulo da garra.
4.5. Sistema hidráulico
O manipulador de pneus faz uso de um motor diesel para suprir a energia
necessária a sua operação. Este motor está acoplado a um gerador que fornece energia
para um banco de baterias, ao painel elétrico e eletrônico e a um motor elétrico acoplado
a uma bomba hidráulica.
Todos os movimentos do equipamento são feitos por meio de cilindros e
motores hidráulicos. Os cilindros atuam a garra no movimento de prensa e lateral e no
pilar, estendendo o mesmo. Os motores giram os braços, a garra, e atuam nas rodas no
movimento de rotação e translação.
O acionamento de cada atuador é feito de maneira individual e eletrônica com o
uso de válvulas direcionais, reguladoras de vazão e redutoras de pressão operadas por
solenoides. Há também um sistema de feedback que faz uso de células de carga,
sensores de vazão e pressão para regular a atuação das válvulas.
Com este projeto foram determinadas todas as forças e torques necessários aos
movimentos e partindo destes foi dimensionado o circuito e os requisitos de potência.
Figura 4.32 Imagem de um cilindro Parker modelo SB com acessórios. [Parker]
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Car
rega
me
nto
em
N
Carga rodas dianteiras
Carga rodas traseiras
40
Para o dimensionamento e seleção dos cilindros hidráulicos foram analisadas as
condições de contorno como força e curso e a partir daí foi selecionado um diâmetro
que atendesse estes requisitos e mais outros como vazão e velocidade de fluido.
4.5.1. Cilindros hidráulicos da garra
São dois cilindros funcionando em paralelo.
Cilindro Parker modelo: 82,6CSB2HKUS37A-1100 [20]
Este cilindro faz a tração da garra pressionando o pneu. No avanço ele deve
levantar a estrutura, abrindo a garra. Foi escolhido um cilindro maior devido ao
requisito de flambagem da haste para o levantamento da estrutura superior da garra com
o curso indicado.
Foi escolhida uma válvula reguladora de vazão para garantir a velocidade
máxima de operação de v=0,2m/s para este cilindro. O modelo é: 2FRW16-
3X100LPYW230V [22].
Está presente uma válvula reguladora de pressão modelo DR10DP3-4X/150YV
[24] para limitar a força de prensa da garra.
No cilindro há uma célula de carga que mede a pressão exercida pelo mesmo na
estrutura e serve como um regulador atuando eletronicamente na válvula limitadora de
pressão para adequar a força de prensa da garra no pneu.
Dados geométricos:
Diâmetro Diâmetro
da haste
Curso Tolerância
de curso
Tubo de
parada
Amortecimento
(somente dianteiro)
82,6mm 44,5mm 1100mm +- 3,3mm 175mm 35mm
Tabela 4.4 Dados componente
Dados de operação:
Pressão de
avanço
Pressão de
retorno
Eficiência do
cilindro
Conexão de 1” Vazão máxima
29Bar 93Bar 0,80 19mm 64,3 l/min
Tabela 4.5 Dados componente
41
Acessórios:
Ponteira com rótula Nº 132291
Suporte fêmea para ponteira e cilindro Nº 83948 (x2)
Pino com dois anéis elásticos Nº 83962
Rosca: Métrica M30x2,0
4.5.2. Cilindro lateral da garra
O critério determinante deste cilindro não foi a flambagem e sim a força de
atuação. A força necessária para a movimentação lateral da garra é a de atrito em
superfície lubrificada entre a garra e o suporte. Esta força é de: Fat=22400,11N
Cilindro Parker de modelo: 63,5SB2HKU37A-500 [20].
Faz-se uso de uma válvula reguladora de vazão Bosch 2FRM6K2-1X/32QRV
[23] para garantir a velocidade máxima de v=0,1m/s.
Uma válvula reguladora de pressão DR10DP3-4X/150YV [24] operada
eletronicamente garante a pressão máxima de operação do cilindro.
Dados geométricos:
Diâmetro Diâmetro
da haste
Curso Tolerância
de curso
Tubo de
parada
Amortecimento
63,5mm 34,9mm 500mm +- 1,5mm Não há Não há
Tabela 4.6 Dados componente
Dados de operação:
Pressão de
avanço
Pressão de
retorno
Eficiência do
cilindro
Conexão de
1/2”
Vazão máxima
101Bar 141Bar 0,80 13mm 19 l/min
Tabela 4.7 Dados componente
Acessórios:
Ponteira com rótula Nº 132291
42
Suporte fêmea para ponteira e cilindro Nº 83948 (x2)
Pino com dois anéis elásticos Nº 83962
Rosca: Métrica M30x2,0
4.5.3. Cilindros do pilar telescópico
Estes cilindros operam paralelamente em par para erguer a garra. A seleção
partiu do critério de diâmetro mínimo de haste devido a flambagem para o curso e força
necessários.
Cilindro Parker modelo: 127CSB2HKUS47A-1000 [20].
Neste cilindro a vazão faz com que o fluido fique no limite entre o laminar e a
área de transição então foi decidido manter o diâmetro atual.
A válvula reguladora de vazão é a Bosch modelo: 2FRW16-3X/160LPYW230V [22].
Dados geométricos:
Diâmetro Diâmetro
da haste
Curso Tolerância
de curso
Tubo de
parada
Amortecimento
127mm 76,2mm 1000mm +- 3,3mm 175mm 30mm
Tabela 4.8 Dados componente
Dados de operação:
Pressão de
avanço
Pressão de
retorno
Eficiência do
cilindro
Conexão de 1” Vazão máxima
74,4Bar 1Bar 0,80 19mm 76 l/min
Tabela 4.9 Dados componente
Acessórios:
Ponteira com rótula Nº 132294
Suporte fêmea para ponteira e cilindro Nº 83949 (x2)
Pino com dois anéis elásticos Nº 83965
Rosca: Métrica M30x2,0
43
4.5.4. Motores de tração
Os motores hidráulicos de tração do manipulador foram dimensionados segundo
o catálogo Parker usando os seguintes parâmetros: Resistência ao rolamento, gradiente,
aceleração, geometria e peso bruto.
Torque requerido:
(84)
Esforço de tração: (85)
Torque requerido: (86)
Motor selecionado: TB0260AS590AAAA (Apêndice II).
São quatro motores, um em cada conjunto de roda, com deslocamento de
, fluxo
de
e rotação máxima de .
4.5.5. Motores de orientação das rodas
Cada roda tem a liberdade de girar 100º de modo a permitir a mudança de
orientação do manipulador. As rodas atuam de maneira coordenada eletronicamente e
sofrem mudança de orientação através de um motor hidráulico atuando diretamente.
Para esta rotação, as rodas devem superar a resistência ao rolamento com a
aplicação de um torque ortogonal ao de rotação do conjunto de rodas. Assim o torque
requerido é de:
(87)
Motor selecionado: TB0195AS590AAAA (Apêndice II).
São quatro motores, um para cada conjunto de rodas, com redução de 2:1,
deslocamento de
, fluxo de
e rotação máxima de .
44
4.5.6. Motores de rotação do pneu
Os motores de rotação do pneu foram calculados usando a resistência ao
rolamento do braço carregado pelo peso do pneu e da força da garra. Com dois motores
atuando diretamente, um em cada braço, chega-se ao torque requerido de:
(88)
Motor selecionado: TB0050AS590AAAA (Apêndice II).
Os dois motores tem, cada um, deslocamento de
, fluxo de
e rotação
máxima de .
4.5.7. Motores de pivotamento da garra
Os motores de pivotamento da garra foram selecionados em função do torque
requerido para a operação e da rotação requerida em função da redução parafuso e coroa
sem-fim selecionada.
Motor selecionado: TB0390AS590AAAA (Apêndice II).
São quatro motores com deslocamento de
, fluxo de
e rotação máxima
de
4.5.8. Válvulas direcionais
Foi feita a escolha de padronizar as válvulas direcionais quando possível. Assim
temos a válvula Bosch série 6X modelo: 4WE6D6X/EG24N9DLV para os
subconjuntos de pistão lateral, motores de orientação das rodas, motores de pivotamento
da garra e motores de rotação do pneu.
Para os subconjuntos de cilindro hidráulico da garra, cilindros do pilar
telescópico e motores de tração foi selecionada a válvula direcional Parker de modelo:
D41VW001E4.
45
4.5.9. Válvulas reguladoras de vazão
Seguindo o conceito de padronização, foram escolhidos dois modelos de
válvulas reguladoras de vazão para os cilindros hidráulicos e motores.
Modelo 2FRM série 1X [23] para vazões até e,
Modelo 2FRW série 3X [22] para vazões até .
4.5.10. Válvulas reguladoras de pressão
A válvula reguladora de pressão principalmente utilizada foi a de
Modelo DR10 série 4X com vazão máxima de e diferença de
pressão secundária máxima de .
Foi necessário utilizar a válvula modelo DR16 série 5X com uma vazão máxima
de e pressão máxima de operação de .
4.5.11. Dimensionamento da bomba
Para o dimensionamento da bomba foram usados dois critérios: a vazão máxima
contínua necessária e a pressão requerida devido à pressão de operação mais a perda de
carga no sistema.
A pressão máxima requerida é de:
A vazão máxima foi calculada de maneira conservadora levando em conta a
operação simultânea de todos os cilindros e motores. Chegou-se à vazão de: 659,6 l/min
Ao verificar o catálogo Parker para as bombas série T7 foi necessário usar a
opção de bomba dupla. O modelo escolhido é: T7EE-052-045-4-R00-A40M0
Deslocamento específico:
Revolução contínua máxima:
Deslocamento total para bomba dupla:
46
Potência requerida:
Figura 4.33 Vista em corte da bomba de óleo.
4.5.12. Circuito hidráulico
Para todos os componentes hidráulicos foram calculadas as vazões e o número
de Reynolds durante o dimensionamento. Em todos os casos, na configuração final, o
escoamento é laminar.
O volume total de óleo no sistema é dado pelo volume dos cilindros mais o
volume de toda a tubulação.
4.5.13. Filtro de óleo
Foi selecionado um filtro de retorno de linha na entrada do tanque de óleo. O
filtro é da Bosch, modelo 10TE2000-H3XLA00-P2,2-MS12 com capacidade de
filtragem de .
Foi instalado também um filtro no respiro para impedir a contaminação do
tanque. Este filtro pronto para ser rosqueado na ponta do respiro sendo usado um
modelo 12AT/50AT do tipo spin-on da Parker
47
4.5.14. Tanque de óleo
O tanque foi dimensionado para conter , um valor igual a três vezes a
vazão de óleo do circuito. Assim é possível manter o óleo na faixa de temperaturas de
operação sem a necessidade de resfriamento ativo. O tanque possui chicanas para
afastar o duto de sucção do duto de retorno. Desta forma o fluido chega a uma
temperatura menor na sucção e pode decantar suas impurezas.
Os acessórios do tanque são: uma tampa para reposição de óleo com vedação
contra a entrada de água, uma tampa de acesso para manutenção e limpeza, um dreno,
um respiro com filtro, indicador de nível, tubulação de entrada para o retorno do sistema
e uma saída de óleo para a bomba.
Para facilitar a manutenção deste subsistema, o tanque está fixado no
manipulador por quatro parafusos, um próximo a cada vértice inferior. Também foram
incluídos olhais para permitir a retirada do mesmo por um dispositivo de içamento em
segurança.
Figura 4.34 Desenho ilustrativo dos elementos constituintes de um tanque de óleo.
48
5. CONCLUSÃO
O manipulador é uma solução que envolve um grande aporte financeiro inicial
para a aquisição. É, porém de fácil integração ao exigir pouquíssimo treinamento (uma
semana) e proporcionar uma redução de equipe de quatro4 operadores para um
operador.
Outra característica dele é que o tempo necessário para a troca passa de quatro
horas para trinta minutos. Isto acontece por não ser necessário o uso de guindastes e
empilhadeiras para a troca e movimentação dos pneus.
Além da economia de tempo há também o aumento da capacidade de
processamento da oficina devido à desobstrução do Box adjacente ao em que está sendo
feita a troca de pneus.
O equipamento minimiza os riscos de acidentes, pois não há nenhuma interação
direta entre o operador e o pneu a não ser na hora de aplicar torque nos parafusos de
fixação. Durante a operação de troca o pneu está sempre contido no volume de trabalho
do manipulador, reduzindo os riscos de vida em caso de acidente. A operação de
torqueamento é feita na estação de trabalho, um espaço isolado e limpo por projeto. A
garra do manipulador também serve como barreira, impedindo que o pneu atinja o
operador no evento de um acidente ou mau funcionamento.
Estes ganhos de tempo e espaço permitem que o manipulador se pague em
pouco tempo com o aumento da produtividade das minas. Ele aumenta drasticamente a
segurança ao reduzir o tamanho da equipe, expondo um contingente menor a risco e
tornando mais simples a tarefa de controle situacional e de movimentação de pessoal. A
própria máquina também isola o pneu do operador em qualquer situação.
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento dos componentes
mecânicos do manipulador, entendendo a dinâmica de seu funcionamento e restrições
envolvidas. Foram feitos cálculos para todos os elementos levando em conta a
geometria variável do sistema para achar os pontos críticos e a magnitude dos mesmos.
Foram escolhidos os materiais e componentes adequados aos fatores de projeto
estabelecidos para cada situação.
49
Com a estrutura do manipulador pronta, foi feito o cálculo de todos os requisitos
de potência de acionamento necessários à máquina. Estes requisitos nortearam a escolha
dos atuadores e o projeto do circuito hidráulico do manipulador.
Uma próxima etapa do desenvolvimento deste equipamento seria uma iteração
da estrutura buscando uma redução de peso através de mudança de geometria. Isto seria
possível com um estudo mais refinado de materiais levando em conta os custos
envolvidos. Posteriormente se faria uma atualização do circuito hidráulico com os
novos e menores requisitos visando a redução da potência de acionamento necessária.
Por fim seria construído um protótipo com o fim de validar todas as escolhas feitas e
buscar dados de desempenho, falhas ou problemas de montagem e operação e potenciais
de refinamento.
O estudo deste manipulador foi uma grande oportunidade de colocar em prática
meus conhecimentos adquiridos ao longo do curso de engenharia mecânica. Pude lidar
com dificuldades e desafios de trabalhar concebendo um equipamento levando em conta
todos os aspectos necessários ao seu funcionamento em um intervalo limitado de tempo
e necessitando atender a requisitos técnicos. Isto serviu para que eu pudesse ter uma
visão global de um projeto e para me amadurecer como engenheiro.
50
6. BIBLIOGRAFIA
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investment-old?oid=95737&sn=Detail
[2] http://www.vale.com/PT/aboutvale/Paginas/default.aspx
[3]http://noticias.orm.com.br/noticia.asp?id=668496&|Emprego+cresce+no+setor+extra
tivista+mineral
[4] http://www.michelinearthmover.com/tyres-rigid-dumpers-100t/michelin-xdr//246;
acesso em 30/11/2014.
[5]http://img.autohome.com.cn/album/2006/12/30/011c9618-97b9-469e-a49b-
e6608c1049bd.jpg
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[8]http://www.michelinearthmover.com/tyres-rigid-dumpers-100t; acesso em
30/11/2014.
[9] Romano, Vitor Ferreira, Notas de aula de Automação e Robótica, Departamento de
Engenharia mecânica, UFRJ.
[10]Timoshenko, Stephen, Resistência dos Materiais, Volume 1, 2ª Ed., 1975.
[11]Féodosiev V., Resistência dos Materiais, Edições Lopes da Silva, Porto, Portugal,
1977.
51
[12] Crandall, Stephen H., Dahl, Norman C., An Introduction to the Mechanics of
Solids, 3ªed, 1978.
[13] Shigley, Joseph E., Mischke, Charles R., Budynas, Richard G., Projeto de
Engenharia Mecânica, 7ª ed., 2005.
[14]Romano, Vitor Ferreira, Notas de aula de Elementos de Máquina II, Departamento
de Engenharia mecânica, UFRJ.
[15] Oliveira, Sylvio José Ribeiro, Notas de aula de Tópicos Especiais em Projetos de
Máquinas, Departamento de Engenharia mecânica, UFRJ.
[16] De Marco, Flávio, Notas de aula de Elementos de Máquina I e II, Departamento de
Engenharia mecânica, UFRJ.
[17] http://www.gumaplastic.com.br/index.html Acesso em 01/12/2014.
[18] http://www.boschrexroth.com; Acesso em 02/12/2014.
[19] http://www.parker.com/; Acesso em 30/11/2014.
[20] Parker, Catálogo de venda 2103-1 BR – Cilindros Série 2H.
[21] Rexroth, Catálogo de venda RP 20 375/07.02 – Válvula de Retenção Tipo S.
[22] Rexroth, Catálogo de venda RP 28389/07.04 – Válvula Reguladora de Vazão de 2
vias Série 3X.
[23] Rexroth, Catálogo de venda RP 28 155/11.02 – Válvula Reguladora de Vazão de 2
vias Série 1X.
[24] Rexroth, Catálogo de venda RP 26 580/02.03– Válvula Redutora de Pressão
Diretamente Operada Série 4X.
52
[25] Rexroth, Catálogo de venda RP 26 892/02.03 – Válvula Redutora de Pressão
Diretamente Operada Série 5X.
[26] Rexroth, Catálogo de venda RP 23178/04.04– Válvula Direcional Com Solenoide
Série 6X.
[27] Parker, Catálogo de venda 2300-11 BR – Filtro de óleo.
[28] Bosch, Catálogo de venda RE 51424/06.11 – Filtro de óleo.
I
APÊNDICE I – DESENHOS TÉCNICOS
Lista de desenhos:
Desenho 01: Oficina de manutenção
Desenho 02: Três vistas de conjunto
Desenho 03: Esquema circuito hidráulico
II
Desenho 01: Oficina de manutenção
III
Desenho 02: Três vistas de conjunto
IV
Desenho 04: Esquema circuito hidráulico
V
APÊNDICE II – CATÁLOGOS E NORMAS
Normas para determinação de coeficiente de atrito.
ASTM D1894 – 08: Standard Test Method for Static and Kinetic
Coefficients of Friction of Plastic Film and Sheeting;
ISO 21182:2005: Light conveyor belts – Determination of the
coefficient of friction;
BS 2782:Part 8:Method 824A:1984: Methods of testing plastics.
Other properties. Determination of coefficients of friction of plastics
film.
Tabela de coeficientes de atrito entre borracha e outros materiais
VI
Definição das medidas de um pneu.
VII
Catálogo Michelin
VIII
Catalogo de rolamentos SKF:
IX
Catálogo de rodas Gumaplastic
X
Catalogo de cilindros Parker
XI
XII
XIII
Catálogo de venda Parker - Acessórios de cilindro
XIV
Catálogo de venda Parker – Motores hidráulicos
XV
XVI
Catálogo de venda Parker - Bomba hidráulica
XVII
XVIII
Catalogo de venda Parker - Válvula direcional
XIX
XX
Catalogo de venda Bosch - Válvula direcional
XXI
Catálogo de venda Parker - Filtro de óleo