estudo de um manipulador de pneus de caminhão para mineração

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


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


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


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 de cisalhamento devido à flexão: (4.38)

A tensão equivalente na viga considerando a teoria de Von Mises:

(4.40)


(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 de cisalhamento: (4.45)

A tensão equivalente considerando a teoria de Von Mises:

(4.46)


(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 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)


(4.55)


(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 de cisalhamento 1: (4.58)

Tensão de cisalhamento devido a torção: (4.59)


(4.60)


(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:



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


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.


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.


Pilar base 1500mm 400mm 300mm 10mm

Pilar Superior 1900mm 380mm 280mm 10mm


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


Tensão equivalente de Von Mises:


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


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


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



Pressão de

avanço

Pressão de

retorno

Eficiência do

cilindro

Conexão de

1/2”

Vazão máxima

101Bar 141Bar 0,80 13mm 19 l/min


Acessórios:


42




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



Pressão de

avanço

Pressão de

retorno

Eficiência do

cilindro

Conexão de 1” Vazão máxima

74,4Bar 1Bar 0,80 19mm 76 l/min


Acessórios:





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)


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)


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.


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

[1] http://www.mineweb.com/mineweb/content/en/mineweb-mining-finance-

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

[6] http://www.michelinearthmover.com/tyres-rigid-dumpers-100t/michelin-xdr//246;

acesso em 30/11/2014.

[7] http://www.bdmfg.com/products_services/truckmaint/tirehandlerstat.html

[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.

http://www.vale.com/PT/aboutvale/Paginas/default.aspx

http://www.michelinearthmover.com/tyres-rigid-dumpers-100t/michelin-xdr/246

http://img.autohome.com.cn/album/2006/12/30/011c9618-97b9-469e-a49b-e6608c1049bd.jpg

http://img.autohome.com.cn/album/2006/12/30/011c9618-97b9-469e-a49b-e6608c1049bd.jpg

http://www.michelinearthmover.com/tyres-rigid-dumpers-100t/michelin-xdr/246

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.

http://www.gumaplastic.com.br/index.html

http://www.boschrexroth.com/

http://www.parker.com/

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

Documents

estudo de um manipulador de pneus de caminhão para mineração