Universidade Federal Fluminense

Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Agrícola e Meio Ambiente

PROJETO FINAL EM ENGENHARIA AGRÍCOLA E AMBIENTAL (TER00126)

Guilherme de Moura Araújo

Um caso de Ergometria - Utilização de Molas de Torção para Redução de Torque em

Barras de Proteção Dobráveis para Tratores

Niterói - RJ

2016

Ficha Catalográfica elaborada pela Biblioteca da Escola de Engenharia e Instituto de

Computação da UFF

A663 Araújo, Guilherme de Moura Um caso de ergonometria : utilização de molas de torção para redução de torque em barras de proteção dobráveis para tratores / Guilherme de Moura Araújo. – Niterói, RJ : [s.n.], 2016. 46 f. Projeto Final (Bacharelado em Engenharia Agrícola e Ambiental) – Universidade Federal Fluminense, 2016. Orientador: Marcos Alexandre Teixeira. 1. Trator agrícola. 2. Mola de torção. 3. Prevenção de acidente. I. Título. CDD 631.372

Guilherme de Moura Araújo

Um caso de Ergometria - Utilização de Molas de Torção para redução de Torque em

Barras de Proteção dobráveis para tratores

Trabalho de Conclusão de curso como

parte dos requisitos para o Curso

Engenharia Agrícola e Ambiental da

Universidade Federal Fluminense, como

requisito parcial para a obtenção do grau

de Engenheiro Agrícola.

Orientador: Marcos Alexandre Teixeira, Prof.

Niterói - RJ

2016

DEDICATÓRIA

Gostaria de dedicar este trabalho à minha mãe, à minha namorada e a minha tia Mirtes que

sempre me apoiaram de maneira total e incondicional em cada decisão e momento difíceis

da minha vida.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

(Capes) pela oportunidade de intercambio através do programa Ciência Sem Fronteiras,

progenitor de todo este trabalho, agradeço também aos meus professores: Paul D. Ayers e

Farzaneh Khorsandi, pela oportunidade de pesquisa e conhecimentos transferidos, Marcos

A. Teixeira pela orientação e apoio neste trabalho de conclusão de curso, ao meu amigo e

excelente profissional Scott K. Tucker que dedicou seu tempo e paciência para me ajudar

na discussão e construção de peças para o experimento, aos meus companheiros de

laboratório Dillan, Hayden e Marybeth, e por fim, a todos aqueles que direta ou

indiretamente contribuíram para a elaboração deste trabalho.

“Eu gosto do impossível porque lá a concorrência é menor”

Walt Disney

RESUMO

Diante da realidade de acidentes envolvendo tratores agrícolas e florestais ao redor do

mundo, este trabalho teve por finalidade avaliar a aplicação de normas associadas à um dos

itens de segurança contra capotamentos, no caso: a Barra de Proteção Dobrável (Código 6

da OECD, 2014).

Neste particular, elas facilitam os trabalhos permitindo entrar em espaços confinados,

como pomares, celeiros e galpões, entretanto, muitas apresentam peso excessivo (acima de

20 Kg), e ficam localizadas à grande altura do solo (aproximadamente 1,88 m), o que leva

o operador a preterir recolocar a barra na posição vertical após baixa-la (quando operando

em espaços confinados), invalidando a sua eficácia como prevenção de acidentes por

capotamento.

Neste sentido, este trabalho realizou estudo ergométrico no esforço de elevação de

uma BPD, desenvolvendo instrumentação para validação dos esforços necessários para sua

elevação, comparação aos valores da norma e apresentando soluções para corrigir os

desvios encontrados.

PALAVRAS – CHAVE: Acidentes em tratores, capotamento, barra de proteção dobrável,

mola de torção

ABSTRACT

Facing the reality of accidents involving forestry and agricultural tractors around the

world, this work aimed at evaluating the application of standards that provide for safety

items such as the rollover protection structure (ROPS). (Code 6 – OECD, 2014).

In this particular field, the foldable ROPS ease the work allowing the tractor to access

confined areas, such as orchards, barns, and sheds. However, many of the foldable ROPS

have an excessive weight (approximately 20 Kg – 45 lbs.), and are located at a reasonable

height from the ground (approximately 1.88 m – 6 ft 2 in.), which causes the operator to

refrain from repositioning the bar in the vertical position after lowering it (when operating

in confined spaces), invalidating its effectiveness as rollover accident prevention.

In this sense, this thesis carried out an ergometric study focusing in the effort to raise a

foldable ROPS, developing instrumentation for validation of the necessary efforts for its

elevation, comparison to the values recommended by standards and presenting solutions to

correct any deviations found.

KEY WORDS: Tractor accidents, tractor rollover, foldable ROPS, coil spring

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - BDP dobrada em posição inferior. ...................................................................... 16

Figura 2 – Estruturas de Proteção ao Capotamento (EPC). ................................................. 20

Figura 3 – Cinto de Segurança. ........................................................................................... 20

Figura 4 – Barras de Proteção Dobráveis (BPD). ................................................................ 21

Figura 5 – Zonas de operação da BPD. ............................................................................... 22

Figura 6 – Esquematização das zonas de operação. ............................................................ 22

Figura 7 – Mola de torção.................................................................................................... 23

Figura 8 - Elementos de dimensão de uma mola de torção. ................................................ 24

Figura 9 - Protótipo utilizado para ensaios laboratoriais. .................................................... 26

Figura 10 – Sistema de medição de torque. ......................................................................... 27

Figura 11 - Aparato de Ensaio para a BPD-1 ...................................................................... 29

Figura 12 - Aparato de Ensaio para a BPD-2 ...................................................................... 29

Figura 13 - Ponto de ocorrência de atrito na BPD. .............................................................. 32

Figura 14 - Conjunto de Molas de Torção ........................................................................... 34

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Elementos de dimensionamento da Mola de Torção.......................................... 33

Tabela 2 - Esforços Resultantes........................................................................................... 33

Tabela 3 - Elementos de dimensionamento da Mola de Torção.......................................... 33

Tabela 4 - Esforços Resultantes........................................................................................... 34

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 - Rebaixamento da BPD em velocidade lenta ..................................................... 30

Gráfico 2 - Rebaixamento da BPD em velocidade alta ....................................................... 30

Gráfico 3 - Ascensão da BPD em velocidade lenta ............................................................. 31

Gráfico 4 - Ascensão da BPD em velocidade alta ............................................................... 31

Gráfico 5 - Rebaixamento da BPD em velocidade lenta (Com Molas) ............................... 35

Gráfico 6 - Rebaixamento da BPD em velocidade alta (Com Molas) ................................. 35

Gráfico 7 – Ascensão da BPD em velocidade lenta (Com Molas) ...................................... 36

Gráfico 8 - Ascensão da BPD em velocidade alta (Com Molas) ........................................ 36

Gráfico 9 – Comparação após a implementação da mola (velocidade lenta) ...................... 37

Gráfico 10 - Comparação após a implementação da mola (velocidade alta) ...................... 37

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

BPD – Barra de Proteção Dobrável

BPC – Barra de Proteção ao Capotamento

OECD – Sigla em inglês para Organização de Cooperação e Desenvolvimento Econômico

OIT – Organização Internacional do Trabalho

EPC – Estruturas de Proteção ao Capotamento

CG – Centro de Gravidade

SAP – Sistema Agrícola de Produção

CIPATR – Comissão Interna de Prevenção de Acidentes do Trabalho Rural

LISTA DE SÍMBOLOS

S – Tensões provenientes do momento fletor

Q – Torque aplicado

d – Espessura do fio

R – Constante da mola

T – Deflexão (Número de revoluções)

E – Módulo de Elasticidade do Material

n – Número de Espiras

D – Diâmetro Médio da Espira

P – Força

M – Braço de Alavanca

Dinterno – Diâmetro Interno da Mola

SUMÁRIO

1 Introdução .................................................................................................................... 16

2 Objetivo ........................................................................................................................ 17

3 Revisão Bibliográfica ................................................................................................... 18

3.1 Trator e seus sistemas de proteção .......................................................................... 18

3.2 Ergonomia e esforço humano .................................................................................. 22

3.3 Normas Aplicáveis .................................................................................................. 23

3.4 Molas de Torção ...................................................................................................... 23

4 Material e Método ....................................................................................................... 26

4.1 Modelo do trator e da BPD ...................................................................................... 26

4.2 Aparato de Ensaio da BPD ...................................................................................... 27

4.3 Avaliação de Eventuais Desvios / Ações Corretivas ............................................... 27

4.4 Verificar a Eficácia da(s) Solução(ões) Indicada(s) ................................................ 28

5 Resultados e Discussões ............................................................................................... 29

5.1 Aparato de Ensaio da BPD ...................................................................................... 29

5.2 Avaliação de Eventuais Desvios / Ações Corretivas ............................................... 30

5.2.1 Atuação da Mola de Torção............................................................................... 32

5.2.2 Suporte da Mola de Torção ............................................................................... 34

5.3 Verificar a Eficácia da(s) Solução(ões) Indicada(s) ................................................ 34

6 Conclusões .................................................................................................................... 38

7 Bibliografia ................................................................................................................... 39

ANEXO I – Braço Transferidor ....................................................................................... 42

ANEXO II – Suporte da Mola de Torção ........................................................................ 45

1 Introdução

O trator é um dos equipamentos agrícolas essenciais para o trabalhador rural, porém

também é fonte de acidentes e lesões nos trabalhadores, para tal se aplicam as normas de

segurança, que preveem itens de segurança tais como a barra de proteção ao capotamento

(BPC), que também está prevista nas normas brasileiras, ainda sendo comum a adoção de

padrões internacionais, como melhores práticas, a exemplo da NORMA Internacional

(França – Itália): Código 6 – OECD, 2013.

Em um caso particular, onde o trator opera em espaços confinados tais como: pomares,

celeiros e galpões, foi difundido o uso das Barras de Proteção Dobráveis (BPD).

Entretanto, muitas destas barras, apresentam peso excessivo (aproximadamente 20 Kg),

e ficam localizadas à grande altura do solo (aproximadamente 1,9 m), o que leva o

operador a preterir retornar a barra na sua posição superior, preferindo trabalhar com esta

em sua posição inferior - como ilustrado na Figura 1 - o que não previne acidentes por

capotamento.

Neste sentido, este trabalho focou no estudo ergométrico para caracterizar o esforço de

elevação de uma BPD, buscando soluções para corrigir eventuais desvios encontrados.

Figura 1 - BDP dobrada em posição inferior1.

1 Fonte: http://www.mytractorforum.com/53-john-deere/65663-2305-wok-lights-rops.html acesso em 07/11/2016

2 Objetivo

Verificar se Barra de Proteção Dobrável (BPD) de modelo específico para microtrator,

atende ao código de normas da Organização de Cooperação e Desenvolvimento

Econômico (Sigla em inglês OECD), em ensaio instrumentado de laboratório, verificando

possíveis desvios e propondo medidas corretivas.

Para tanto cumpre-se observar os seguintes objetivos parciais:

▪ Montar aparato de ensaio da BPD instrumentado;

▪ Ensaia-lo correlacionando os resultados às recomendações da norma Código 6 –

OECD, 2013;

▪ Avaliar se ocorreram desvios;

▪ Avaliar e implementar ações corretivas; e

▪ Verificar a eficácia da solução indicada.

3 Revisão Bibliográfica

3.1 Trator e seus sistemas de proteção

O trator agrícola é a fonte de potência mais importante do meio rural, contribuindo para

o desenvolvimento e avanço tecnológico dos Sistemas Agrícolas de Produção (SAP) como

única forma de garantir os ganhos de escala que se observam no Agribusinees Mundial.

Entretanto estudos recentes realizados pela Organização Internacional do Trabalho

(OIT) mostraram que as atividades agrícolas, em especial a utilização de maquinas

agrícolas, estão entre as três atividades que apresentam os maiores riscos para os

trabalhadores, sendo que um terço dos acidentes ocorridos no meio rural resulta em

incapacidade permanente do trabalhador. (MONTEIRO, 2011)

A utilização intensa de máquinas agrícolas ampliou consideravelmente os riscos a que

estão sujeitos os trabalhadores rurais, e mais de 60% das mortes ocorridas em acidentes de

trabalho no setor agrário são associadas à mecanização agrícola. (Silva & Furlani, 1999).

De acordo com MONTEIRO (2011), as operações com tratores e equipamentos

agrícolas são as operações que oferecem os maiores riscos de acidentes aos trabalhadores.

Dentre estas operações o capotamento é o maior responsável por casos de morte,

contabilizando cerca de 33% dos acidentes resultantes em óbito.

Apesar de não existir estatísticas sistemáticas da ocorrência de acidentes, diversas

citações bibliográficas ao longo dos anos mencionam que é expressivo o índice de

acidentes com tratores2:

a) 70% dos acidentes são relacionados à capotagem (Rodrigues & Silva, 1986 apud

CORRÊA, I.M.; YAMASHITA, R.Y., 2009);

b) Metade dos acidentes fatais na Espanha é devido ao tombamento de tratores

(Márquez, 1995 apud CORRÊA, I.M.; YAMASHITA, R.Y., 2009);

c) 59,8% dos acidentes são capotagem (DEBIASI, 2002 apud CORRÊA, I.M.;

YAMASHITA, R.Y., 2009); 2

Disponível em: http://www.infobibos.com/Artigos/2009_1/Tratores/Index.htm acessado em 07/11/2016

d) 47,8% dos acidentes com tratores são relacionados ao tombamento (Corrêa &

Ramos, 2002 apud CORRÊA, I.M.; YAMASHITA, R.Y., 2009)

e) Acidentes com tratores foram a principal causa de morte (31% dos acidentes rurais)

em Queensland no período de 1990-98, sendo 45,5% devido ao tombamento

(Ferguson, 1999 apud por Pope, 2000 apud CORRÊA, I.M.; YAMASHITA, R.Y.,

2009).

f) Cerca de 250 pessoas morrem todo ano nos EUA em decorrência do envolvimento

de tratores em capotagem, aprisionamento e colisões em estradas (Schenker, 2004

apud CORRÊA, I.M.; YAMASHITA, R.Y., 2009).

A Norma Regulamentadora de Segurança e Saúde no Trabalho na Agricultura,

Pecuária, Silvicultura, Exploração Florestal e Aquicultura – NR 31 (Portaria No. 86, de

03/03/05 - DOU DE 04/03/053), no parágrafo 31.7, referente à Comissão Interna de

Prevenção de Acidentes do Trabalho Rural (CIPATR) determina que o empregador rural

ou equiparado deverá promover treinamento em segurança e saúde no trabalho para os

membros da CIPATR antes da posse, de acordo com o conteúdo mínimo estabelecido

(item 31.7.20.1). Dentre os itens presentes neste conteúdo vale ressaltar:

▪ Proteção de máquinas equipamentos;

▪ Noções de ergonomia.

Além disso, a NR, no parágrafo 31.10 referente à Ergonomia estabelece que é vedado o

levantamento e o transporte manual de carga com peso suscetível de comprometer a saúde

do trabalhador (item 31.10.2).

Por fim, no parágrafo 31.12, que trata das máquinas e equipamentos agrícolas,

determina que todos os tratores agrícolas devem ser equipados com diversos dispositivos

de segurança que garantem a integridade física do operador desde que usados de maneira

correta, dentre estes equipamentos podemos citar as estruturas de proteção ao capotamento

(EPC), (Figura 2) que usadas em conjunto com o cinto de segurança, (Figura 3), protegem

o operador de ser esmagado pelo trator quando este vier a tombar.

3 Disponível em: http://www.trtsp.jus.br/geral/tribunal2/ORGAOS/MTE/Portaria/P86_05.html acessado em 07/11/2016

Figura 2 – Estruturas de Proteção ao Capotamento (EPC)4.

Figura 3 – Cinto de Segurança5.

No Brasil, a primeira norma a abordar o tema de maneira mais direta é a ABNT NBR

ISO 5700:20096 (Em vigor desde 8 de janeiro de 2009), referente à Métodos de ensaio

estático e condições de aceitação para Estruturas de proteção na capotagem (EPC) –

posteriormente complementada por ABNT NBR ISO 12003-1:2011 (15 de março de 2011)

e ABNT NBR ISO 12003-2:2011 (11 de março de 2011), as duas últimas referentes à

procedimentos para ambos os ensaios estático e dinâmico da estrutura de proteção na

capotagem (EPC) de tratores agrícolas e florestais de rodas com bitola estreita,

distinguindo-se apenas no local de montagem da EPC (Montagem dianteira vs. Montagem

traseira).

4 Fonte: http://www.diadecampo.com.br/zpublisher/materias/Materia.asp?id=23419&secao=Agrotemas 5 Fonte: http://diarionline.com.br/static/arquivo/2016-01/cinto-de-seguranca.foto-enerson-cletion--da0f.jpg 6 Disponível em: http://www.inmetro.gov.br/barreirastecnicas/PDF/guide_agricultural_machinery_portugues.pdf

acessado em 07/11/2016

Entretanto as EPCs nem sempre são uma alternativa viável pelo fato de elevarem o

custo do produto (trator), e dificultarem o trabalho em locais fechados e com limitações de

altura; a exemplo de: edificações para confinamento animal, galpões e pomares. Em vias

de solucionar este problema foram propostas e implementadas pela indústria agrícola

Barras de Proteção Dobráveis (BPD), como apresentado na Figura 4.

Figura 4 – Barras de Proteção Dobráveis (BPD)

7.

Contudo, foi verificado que fatalidades ocasionadas por capotamento continuam

existindo mesmo em tratores que possuem BPD, no que a explicação apresentada pela

comunidade é bastante simples: As BPD são consideravelmente pesadas (aprox. 20 kg),

isto aliado ao fato de que elas se localizam a uma altura razoável do solo (1,88 m)

constituem um enorme empecilho ao trabalhador na hora de posicionar a barra em posição

vertical (dobrada para cima), portanto os trabalhadores acabam trabalhando com a barra

dobrada sempre em posição inferior, impedindo-a de executar sua função em casos de

acidente por capotamento.

Este trabalho consiste em um estudo de caso baseado no código de normas da

Organização de Cooperação e Desenvolvimento Econômico (Sigla em inglês OECD) que

propôs, produziu e ensaiou um modelo de conjunto de molas de torção, com o objetivo de

7 Fonte: http://www.covermytractor.com/v/vspfiles/photos/categories/6984.jpg acessado em 21/08/2016

auxiliar os operadores de trator na tarefa de posicionar a BDP do trator na posição vertical

com o intuito de prevenir fatalidades ocasionadas por capotamento de tratores.

3.2 Ergonomia e esforço humano

Entendendo ergometria como: “o estudo do relacionamento entre o homem e o seu

trabalho, equipamento e ambiente, e particularmente a aplicação dos conhecimentos de

anatomia, fisiologia, e psicologia na solução dos problemas surgidos desse relacionamento.

(Ergonomics Research Society, citado por ITIRO LIDA, 2005)

Neste trabalho em questão estudamos a relação entre os operadores de tratores e a

força necessária para manusear a BPD em uma zona de operação especifica que é definida

pela OECD. A Figura 5 e a Figura 6 abaixo identificam as zonas de operação. Podemos

observar que cada zona recomenda uma diferente força máxima a ser aplicada.

Figura 5 – Zonas de operação da BPD8.

8 Fonte: https://circabc.europa.eu/sd/a/98dc692a-dae1-

4245-abe8-

3d2896432231/06_11_OECD_proposal%20foldable%20R

OPS.pdf acessado em 05/11/2016

Figura 6 – Esquematização das zonas de operação.

3.3 Normas Aplicáveis

Até a presente data deste trabalho de dissertação, ainda não existe no Brasil nenhuma

legislação direcionada especificamente aos estudos ergométricos referente as Barras de

Proteção Dobráveis (BPD). Portanto, fez-se uso das recomendações previstas no código 6

(Códigos padrões para Testes oficiais em Tratores Agrícolas e Florestais) da OECD

(2013), que determina as forças máximas aceitáveis que um operador deve realizar no ato

de levantar e abaixar a BPD dos tratores.

De acordo com o código 6 as forças máximas aceitáveis para cada zona citada

anteriormente no item 0 são (conforme zonas apresentadas na Figura 5):

• Zona I: 100 N

• Zona II: 75 N

• Zona III: 50 N

3.4 Molas de Torção

Molas de torção são molas enroladas de forma helicoidal (Figura 7) com hastes em

suas pontas. As hastes podem ter conformação diversa a depender de sua finalidade.

(ELISMOL, 2014).

Figura 7 – Mola de torção

A principal função das molas de torção é armazenar e liberar energia angular,

característica desejada para realizar a correção nos esforços da BDP. (AYERS, P., 2014).

O dimensionamento das molas de torção (Figura 8) é majoritariamente delineado pelas

tensões provenientes do momento fletor atuante. Para tal se aplicam as seguintes equações:

S =32 x 10−6 x Q

πd3 (1)

Q = R. T (2)

R =109 x E.d4

3888 n.D (3) P =

Q

M (4)

Onde:

S: Tensões provenientes do momento fletor (MPa);

Q: Torque aplicado (N.m);

d: Espessura do fio (m);

R: Constante da mola (N.m.º-1);

T: Deflexão (º);

E: Módulo de elasticidade do material (MPa);

n: Número de espiras;

D: Diâmetro médio da espira (m);

P: Força (N);

M: Braço de alavanca (m).

Figura 8 - Elementos de dimensão de uma mola de torção9.

9 Fonte: Ayers, P. (2014).

Diâmetro Interno

Espessura do fio

Deflexão

Existem diversos critérios para a seleção de uma mola de torção, a depender das

necessidades do projetista e da disponibilidade do mercado em atendê-lo. Ayers (2014),

propõe os seguintes elementos como essenciais para a seleção de uma mola de torção:

▪ Comprimento e diâmetro interno da espira;

▪ Torque máximo suportado;

▪ Constante da mola (N.m.º-1);

▪ Número de espiras;

▪ Direção da mão;

▪ Espessura do fio;

▪ Material da mola.

4 Material e Método

4.1 Modelo do trator e da BPD

Para fins de ensaios laboratoriais foi utilizado um protótipo de trator (carcaça)

fabricante Deere and Co.10, esse protótipo serve como base para os modelos 4120, 4320,

4520 e 4720 conforme apresentado na Figura 9.

Figura 9 - Protótipo utilizado para ensaios laboratoriais (Ayers et al., 2012).

A BPD utilizada possui serial de identificação número 00544, opera desde -40º até

+90º. É importante frisar que o modelo escolhido foi aprovado com êxito no

enquadramento SAE J2194, (ex: testes de resistência à impactos longitudinais,

transversais e verticais), uma vez que a OECD requere este enquadramento para que

os testes do código 6 (mencionados no item 3.3) possam ser validados.

10 A menção de marcas não constitui recomendação por parte do autor.

4.2 Aparato de Ensaio da BPD

As determinações do torque inicial existente no protótipo ensaiado e o torque

resultante posterior a implementação das ações corretivas foram realizadas através do

sistema de medição de torque proposto por Khorsandi et al. (2016).

O sistema de medição é composto por um motor de engrenagem reversível, medidor

de torque, acelerômetro de três eixos, data logger, plataforma, braço transferidor (uma

descrição do aparato pode ser visto no ANEXO I), controlador de velocidade, interruptor e

bateria.

A Figura 10 a seguir demonstra de maneira esquemática o sistema proposto:

Figura 10 – Sistema de medição de torque (Khorsandi et al., 2016).

4.3 Avaliação de Eventuais Desvios / Ações Corretivas

Conforme mencionado no item 3.3 as normas vigentes (Código 6 – OECD) levam em

consideração a força máxima exercida pelo operador para manusear a BPD, contudo o

sistema adotado para medição de esforços na BPD fornece os resultados na grandeza

torque (Força x Braço).

0°

90°

Entretanto, isso não é problema se a geometria da BPD estiver bem definida.

Constatou-se que a distância entre o Centro de Gravidade (CG) da BPD e o exato local em

que a rótula está posicionada é de 60 cm. Logo, ao dividir-se o valor do torque medido pela

distância encontrada o resultado será a força atuante para manusear a BPD.

Portanto, visando solucionar a problemática estabelecida no item 1 deste trabalho de

dissertação foram propostas soluções que visassem reduzir o torque necessário para erguer

a BPD do trator e consequentemente a força exercida pelo operador. Sendo prevista a

necessidade de diminuição do esforço de levantamento da BPD, foram consideradas as

possíveis soluções como segue:

▪ Mola de torção;

▪ Mola a gás.

Ao comparar-se o custo de implementação das soluções verificou-se que a primeira

opção apresentava custo significativamente inferior à segunda opção. Portanto optou-se

por implementar a segunda opção apenas caso os resultados proveniente da primeira

solução não fossem satisfatórios.

4.4 Verificar a Eficácia da(s) Solução(ões) Indicada(s)

De acordo com a bibliografia adotada como diretriz para este trabalho de dissertação

(Código 6 – OECD) a força máxima exercida por um operador ao manusear a BPD varia

entre 50N e 100 N a depender da zona de atuação (item 3.3). Com isso obtemos torques

máximos admitidos iguais a:

TorqueMax1= 75N x 0,60 m = 45,0 N. m (5)

TorqueMax2= 100N x 0,60 m = 60,0 N. m (6)

TorqueMax3= 50N x 0,60 m = 30,0 N. m (7)

Após a implementação da solução proposta, o conjunto foi novamente submetido a

ensaios de medição de torque, com o intuito de verificar a eficácia da solução proposta.

5 Resultados e Discussões

5.1 Aparato de Ensaio da BPD

O motor (modelo Groschop PM801-PL73) é montado sobre uma plataforma metálica

anexada à secção fixa da BPD (Figura 11). Sua função é fornecer torque para um braço

transferidor (cujo detalhamento pode ser visto no ANEXO I) que se encontra fixado à parte

superior da BPD (parte móvel).

Ao receber o torque proveniente do motor o braço transferidor faz com que a BDP se

mova para cima e para baixo. Enquanto isso, o acelerômetro de três eixos ortogonais

realiza medições do ângulo entre a BDP e uma linha imaginária Normal, e o medidor de

torque (modelo Omegadyne TQ420-2K) afere o torque aplicado pelo braço transferidor

para movimentar a BPD. Todas essas informações são armazenadas no data logger

(modelo Campbell Scientific CR23X) para posterior análise.

O controlador de velocidade (modelo IronHorse GSD1) é utilizado para controlar a

velocidade de operação do motor (RPM).

O interruptor possui a função de controlar a direção de giro do motor (Figura 12).

E por fim, a bateria (12 V – DC) possui a função de fornecer potência ao motor.

Figura 11 - Aparato de Ensaio para a BPD-1

Figura 12 - Aparato de Ensaio para a BPD-2

5.2 Avaliação de Eventuais Desvios / Ações Corretivas

Foram realizadas quatro repetições em duas velocidades distintas (4 RPM – dita lenta

e 10 RPM – dita rápida) para medir o torque atuante no manuseio da BPD, duas repetições

se referem ao rebaixamento da barra, (Gráfico 1 e Gráfico 2) e as outras duas referem-se ao

levantamento da BPD (Gráfico 3 e Gráfico 4).

Gráfico 1 - Rebaixamento da BPD em velocidade lenta

Gráfico 2 - Rebaixamento da BPD em velocidade alta

-20

0

20

40

60

80

100

-40 -20 0 20 40 60 80 100

Torque (N.m)

Ângulo (Graus)

REBAIXAMENTO LENTO

Torque Teorico

Torque Medido

Maximo Permitido

-20

0

20

40

60

80

100

-40 -20 0 20 40 60 80 100

Torque (N.m)

Ângulo (Graus)

REBAIXAMENTO RÁPIDO

Torque Teorico

Torque Medido

Maximo Permitido

Gráfico 3 - Ascensão da BPD em velocidade lenta

Gráfico 4 - Ascensão da BPD em velocidade alta

Após a realização dos ensaios de torque verificou-se que o torque necessário por um

operador para erguer a BDP ultrapassou excessivamente os limites impostos pelo código 6

da OECD.

-20

0

20

40

60

80

100

-40 -20 0 20 40 60 80 100

Torque (N.m)

Ângulo (Graus)

ASCENSÃO LENTA

Torque Teorico

Torque Medido

Maximo Permitido

-20

0

20

40

60

80

100

-40 -20 0 20 40 60 80 100

Torque (N.m)

Ângulo (Graus)

ASCENSÃO RÁPIDA

Torque Teorico

Torque Medido

Maximo Permitido

OBS: Ao realizar uma analise gráfica notamos que há uma relevante discrepância

entre os valores de torque previstos pela teoria e os valores de torque provenientes dos

ensaios laboratoriais. Segundo Ayers et al. (2016), uma explicação plausível para essa

discrepância é a existência de atrito entre a superfície da BPD e os pinos de união entre as

partes fixas e móveis da BDP (Rótula). A Figura 13 ilustra o ponto de ocorrência do atrito:

Figura 13 - Ponto de ocorrência de atrito na BPD11.

5.2.1 Atuação da Mola de Torção

Para realizar o dimensionamento das molas de torção foi implementado um modelo

em planilha eletrônica e sua resolução ocorreu com o auxilio do pacote computacional

Solver (Excel).

Como input do modelo foram consideradas as seguintes restrições:

▪ Restrição 1: 0,0254 m ≤ Dinterno ≤ 0,0381 m (1,0 e 1,5 pol. respectivamente);

▪ Restrição 2: 0,166 rev. ≤ T ≤ 0,375 rev. (60º e 135º respectivamente);

▪ Restrição 3: 0,0015875 m ≤ d ≤ 0,0079375 m (1⁄16 e 5⁄16 pol. respectivamente);

▪ Restrição 4: 0,06477 m ≤ Comprimento da Mola ≤ 0,1190625 m (2,5 e 4,5

pol. respectivamente);

▪ Restrição 5: M ≥ 0,3048 m (12 pol.);

▪ Restrição 6: Q ≥ 11,30 N.m (100 pol. lbs.).

11 Fonte: Khorsandi et al. (2016).

Parte Superior (móvel)

Parte Inferior (fixa)

Rótula

Ponto de ocorrência

de atrito

O output do modelo forneceu os elementos de dimensionamento da mola (Tabela 1) e

os esforços resultantes (Tabela 2).

Elemento Valor Unidade

Diâmetro Médio (D) 3,81 cm

Deflexão (T) 105 °

Braço de Alavanca (M) 30,48 cm

Número de espiras (n) 16,40 -

Constante da Mola (R ) 0,13 N.m.°-1

Módulo de Elasticidade (E) 207 GPa

Espessura do fio (d) 6,20 mm

Tabela 1 - Elementos de dimensionamento da Mola de Torção

Esforços Valor Unidade

Tensão Momento Fletor (S) 564,40 MPa

Torque (Q) 13,15 N.m

Força (P) 4,32 N

Tabela 2 - Esforços Resultantes

Entretanto verificou-se que não existem modelos comerciais compatíveis com os

elementos indicados pelo modelo. Optou-se então pela compra do conjunto que mais se

assemelha-se aos elementos indicados, atentando-se para que o conjunto escolhido não

extrapolasse nenhuma das restrições impostas pelo modelo.

A Tabela 3 e a Tabela 4 ilustram os novos valores resultantes do dimensionamento do

conjunto de molas de torção.

Elemento Valor Unidade

Diâmetro Médio (D) 5,56 cm

Deflexão (T) 65 °

Braço de Alavanca (M) 30,48 cm

Número de espiras (n) 12,50 -

Constante da Mola (R ) 0,30 N.m.°-1

Módulo de Elasticidade (E) 207 MPa

Espessura do fio (d) 7,94 mm

Tabela 3 - Elementos de dimensionamento da Mola de Torção

Esforços Valor Unidade

Tensão Momento Fletor (S) 402,7 MPa

Torque (Q) 19,79 N.m

Força (P) 6,49 N

Tabela 4 - Esforços Resultantes

5.2.2 Suporte da Mola de Torção

O suporte da Mola de Torção (detalhamento da peça pode ser visto no ANEXO II)

possui a função de não comprometer o diâmetro interno e posicionamento da mola durante

o período em que ela se encontra submetida aos esforços provenientes da BPD, tendo sido

dimensionado como parte dos trabalhos para assegurar o atendimento da norma.

5.3 Verificar a Eficácia da(s) Solução(ões) Indicada(s)

Após a compra e a implementação do conjunto de molas (Figura 14) foram realizados

novos testes de verificação de torque. Os resultados apresentam-se nos gráficos abaixo:

Figura 14 - Conjunto de Molas de Torção instalado no protótipo.

Gráfico 5 - Rebaixamento da BPD em velocidade lenta (Com Molas)

Gráfico 6 - Rebaixamento da BPD em velocidade alta (Com Molas)

-20

0

20

40

60

80

100

-40 -20 0 20 40 60 80 100

Torque (N.m)

Ângulo (Graus)

REBAIXAMENTO LENTO

Torque Teorico

Torque Medido

Maximo Permitido

-20

0

20

40

60

80

100

-40 -20 0 20 40 60 80 100

Torque (N.m)

Ângulo (Graus)

REBAIXAMENTO RÁPIDO

Torque Teorico

Torque Medido

Maximo Permitido

Gráfico 7 – Ascensão da BPD em velocidade lenta (Com Molas)

Gráfico 8 - Ascensão da BPD em velocidade alta (Com Molas)

Por fim, podemos traçar um panorama entre os resultados obtidos antes e depois da

implementação do conjunto de molas de torção (Gráfico 9 e Gráfico 10):

-20

0

20

40

60

80

100

-40 -20 0 20 40 60 80 100

Torque (N.m)

Ângulo (Graus)

ASCENSÃO LENTA

Torque Teorico

Torque Medido

Maximo Permitido

-20

0

20

40

60

80

100

-40 -20 0 20 40 60 80 100

Torque (N.m)

Ângulo (Graus)

ASCENSÃO RÁPIDA

Torque Teorico

Torque Medido

Maximo Permitido

Gráfico 9 – Comparação após a implementação da mola (velocidade lenta)

Gráfico 10 - Comparação após a implementação da mola (velocidade alta)

-20

0

20

40

60

80

100

-40 -20 0 20 40 60 80 100

Torque (N.m)

Ângulo (Graus)

COMPARAÇÃO ASCENSÃO LENTA

Torque Teorico

Torque sem Mola de Torção

Torque com Mola de Torção

Maximo Permitido

-20

0

20

40

60

80

100

-40 -20 0 20 40 60 80 100

Torque (N.m)

Ângulo (Graus)

COMPARAÇÃO ASCENSÃO RÁPIDA

Torque Teorico

Torque sem Mola de Torção

Torque com Mola de Torção

Maximo Permitido

6 Conclusões

Após a realização dos ensaios com o conjunto de molas de torção anexado à BPD

verificou-se que houve uma redução necessária e suficiente do torque requerido para

erguer a BPD, de tal maneira que o conjunto de molas possibilitou o enquadramento do

equipamento BPD aos valores como preconizados na norma reguladora dos testes em

tratores agrícolas e florestais escolhida (Código 6 – OECD).

Como mencionado anteriormente (item 3.3) ainda não existem no Brasil normas

direcionadas especificamente à testes em Barras de Proteção Dobráveis, mesmo com o

grande número acidentes contabilizados. A literatura disponível no exterior é de fácil

interpretação, grande aplicabilidade e fácil reprodução dos testes, tornando-se uma

excelente alternativa para as poucas referências encontradas no país, no que o autor

recomenda que ela seja adotada pelos fabricantes nacionais, refletindo um desejo de

adoção de boas práticas, e – assim – antecipando-se à eventual obrigatoriedade por futura

ocasião da revisão das normas válidas no Brasil.

Por fim, o autor recomenda para futuros trabalhos estudos relacionados a produção dos

conjuntos de molas de torção em escala industrial, propondo que sejam avaliadas

fabricação de molas específicas (otimizadas) para cada tipo de trator, e que possam ser

incorporadas ao design do equipamento.

7 Bibliografia

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MONTEIRO, L. A. Acidentes com tratores agrícolas. Fortaleza: Universidade Federal

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ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR ISO 5700:2009:

Tratores agrícolas e florestais – Estruturas de Proteção na Capotagem (EPC) -

Método de ensaio estático e condições de aceitação. Rio de Janeiro, 2009.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR ISO 12003-1:2011:

Tratores agrícolas e florestais – Estruturas de protecao na capotagem (EPC) em

tratores de rodas de bitola estreita - Parte 1: EPC montada na dianteira. Rio de

Janeiro, 2011.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR ISO 12003-2:2011:

Tratores agrícolas e florestais – Estruturas de protecao na capotagem (EPC) em

tratores de rodas de bitola estreita - Parte 2: EPC montada na traseira. Rio de Janeiro,

2011.

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TO PROTECT OPERATORS DURING TRACTOR ROLLOVERS. Detroit: ISTVS

2016 Detroit – 8th Americas Conference.

ANEXO I – Braço Transferidor

ANEXO II – Suporte da Mola de Torção