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Faculdade Uniasselvi Matheus Campos Leite Ramos Yan Rafael da Silva Éder Leão Cavalcante Helton Luiz Reis PROJETOS DE MÁQUINAS: DESENVOLVIMENTO DE MINI EMPILHADEIRA Cuiabá – MT 2020 Faculdade Uniasselvi Matheus Campos Leite Ramos Yan Rafael da Silva Éder Leão Cavalcante Helton Luiz Reis PROJETOS DE MÁQUINAS: DESENVOLVIMENTO DE MINI EMPILHADEIRA Relatório do Projeto apresentado à Faculdade Uniasselvi, no curso de engenharia mecânica, como Avaliação bimestral da disciplina de projetos de máquinas Orientador(a): Prof.º Sara Hellenn Cuiabá – MT 2020 Sumário Lista de figuras 4 RESUMO 5 INTRODUÇÃO 6 1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 7 1.2 CONCEITOS BÁSICOS 7 1.3 HISTÓRICO 7 2. PRINCIPAIS COMPONENTES 8 3. METODOLOGIA 9 3.1 DIMENSIONAMENTO DOS GARFOS E DA TORRE 10 3.2 Momento Fletor Gerado Pela Carga 11 3.3 Coeficiente De Segurança 13 4 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE ROLAMENTO 14 5 DIMENSIONAMENTO DA CORRENTE E ENGRENAGEM 15 6 CILINDRO HIDRÁULICO 17 7 Alavanca 18 8 Possíveis problemas, causas e soluções 19 9 Operação 19 Bibliografia 29 Lista de figuras Figura 1 - Principais características da empilhadeira 8 Figura 2 - Desenho do projeto desenvolvido 10 Figura 3 - Viga tipo C 10 Figura 4 - Desenho do perfil dos garfos. 11 Figura 5 - Desenhos com informações técnicas do rolamento 6005 (SKF). 14 Figura 6 - pinhão (Engrenagem) 15 Figura 7 - Corrente de transmissão simples ASA 15 Figura 8 - Tabela técnica de uma das correntes compatíveis 16 Figura 9 - Tabela técnica de uma das engrenagens compatíveis 16 Figura 10 - Sistema de alavanca 18 Figura 11 - Possíveis problemas 19 Figura 12 - Sistema hidráulico 19 Figura 13 - Sistema de bombeamento 20 RESUMO O projeto “Desenvolvimento de mini empilhadeira” foi proposto pela professora Sara Hellenn, tutora da disciplina projetos de máquinas, como uma das opções de projetos a se desenvolver para obtenção da nota do primeiro bimestre no 10º Semestre (para Helton), 9° semestre (para Matheus Ramos e Yan Silva), e 7° semestre (para Éder Leão Cavalcante) de Engenharia Mecânica. Com objetivo de colocar a turma em contato com a área prática do curso o qual estamos estudando. Assim este documento relata os procedimentos, com trabalho em equipe, da confecção de um projeto de mini empilhadeira experimental. Um estudo de breves informações históricas seguido de busca por casos e trabalhos já feitos para desenvolvermos ideias para um projeto. Após firmado o objetivo do desenvolvimento de uma mini empilhadeira hidráulica, registra-se a metodologia necessária para melhor representação do projeto. Efetuados os cálculos de acordo com a metodologia e buscados exemplos de acordo com catálogos de fabricantes de componentes para confecção da máquina. INTRODUÇÃO Este documento tem como função relatar os procedimentos para desenvolvimento de um projeto de mini empilhadeira experimental. Ao observar corredores de estoque de distribuidora de autopeças nota-se que, após a chegada de carga, estes ficam lotados de caixas e peças. Desenvolvemos assim uma empilhadeira com estrutura mais estreita para ter fácil acesso e manobras mais ágeis nestes corredores para estar agilizando a logística de tais ambientes. Não só para autopeças, claro, mas para qualquer estoque em que precise da organização por mãos humanas. As empilhadeiras surgiram com a necessidade de mobilidade e elevação de cargas, aliada a falta de mão de obra em tempos de guerra. Hoje se tornou um equipamento essencial para este tipo de trabalho, tanto em grandes e pequenas empresas como em diversos outros segmentos. O conceito admitido para empilhadeiras é que estes são equipamentos utilizados para carregar os mais diferentes tipos de materiais sobre os garfos, que servem de apoio para carga, esta pode ser movimentada na horizontal, através do movimento da máquina, e na vertical através de um sistema hidráulico. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA CONCEITOS BÁSICOS As empilhadeiras são equipamentos utilizados para levantar e carregar materiais dos mais diferentes tipos, através de garfos que são inseridos embaixo da carga. Estes garfos são chamados de forquilhas. Podem-se definir alguns pontos para escolher adequadamente o melhor tipo de empilhadeira para dada situação, ou seja, qual o tipo de carga a ser transportada, o peso da carga, de que maneira ela será transportada, o ciclo de movimentação do equipamento, levando em consideração as distâncias percorridas, o tipo de terreno a ser percorrido e o tipo de indústria e características ambientais. HISTÓRICO As primeiras empilhadeiras foram desenvolvidas devido à escassez de trabalho provocada pela primeira Guerra Mundial (1914-1918) em que houve um desenvolvimento de diferentes tipos de equipamentos para movimentação de grandes volumes. Em 1920 surgiu o caminhão trator com capacidades de 2000 a 5000 kg. Foi o primeiro caminhão trator industrial a utilizar energia hidráulica como meio de elevação da carga. A primeira empilhadeira a usar o conceito de forquilha para a movimentação de cargas foi o equipamento Duat, assim chamado na época, Duat que literalmente quer dizer: (faça isso). Este foi o primeiro caminhão trator compacto com três rodas movido a gás, com capacidade de mover uma carga de 750 kg no ano de 1923 produzido pela empresa CLARK, esta empilhadeira já era parecida com as atuais. A Segunda Guerra Mundial (1939 – 1945) incentivou o uso de empilhadeiras no serviço de guerra. Após a guerra, máquinas mais eficientes para o armazenamento de produtos em armazéns estavam para surgir. A necessidade de mobilidade levou ao desenvolvimento de empilhadeiras mais ágeis e compactas, com maior capacidade de peso e alcance. Em 1945 surgiram empilhadeiras com alto poder de elevação com capacidade de 1000 a 4000 kg movidos a gás. A partir de então elas são adaptadas para cada tipo de necessidade, mas sem perder suas características gerais, de elevação e transporte de cargas. Carvalho (2013) PRINCIPAIS COMPONENTES De acordo com KABUKI Empilhadeiras (2013), os números na figura 1, abaixo, representam: 1. Polia 2. Mastro ou torre de elevação 3. Corrente ou cabo de elevação 4. Alavanca de controle do mastro 5. Sistema hidráulico 6. Plataforma de carregamento 7. Garfo ou forquilha 8. Chassi 9. Compartimento motor 10. Teto da cabina Figura 1 - Principais características da empilhadeira Neste trabalho serão projetados apenas os componentes do item 1 ao 7. METODOLOGIA O projeto é iniciado com uma pesquisa bibliográfica, com intuito de aprimorar o conhecimento sobre empilhadeiras e paleteira, sendo isso essencial para conseguir projetar uma torre de elevação da empilhadeira que será acoplada em uma paleteira. O procedimento de pesquisa bibliográfica pode ser definido como: A pesquisa bibliográfica é realizada a partir de referências teóricas já analisadas, e publicadas por meios físicos e eletrônicos, como livros, artigos científicos, e web sites. Após realizar a pesquisa bibliográfica parte-se para a etapa de desenvolvimento e analise. Inicia-se com o dimensionamento dos garfos, calculando a tensão máxima da carga, define-se qual o material a ser utilizado e dimensões mais adequadas para suportar a carga de 500Kg que será submetida, como exemplo para cálculo. A etapa seguinte é o dimensionamento da torre de elevação, ou seja, é definido o seu comprimento e o material a ser utilizado. Com a necessidade de algum mecanismo para elevar o garfo, é desenvolvido um sistema hidráulico, onde nesta etapa será analisado um catálogo de um cilindro hidráulico com um braço/alavanca para inteirar o sistema. Também é necessário dimensionar a corrente que erguerá os garfos, definir como é fixada o pinhão, calcular as dimensões e verificar nas tabelas em catálogos de fabricantes que as dimensões se encaixam dentro das especificações. Como empilhadeira é um equipamentode elevação e transporte de cargas, são considerados alguns fatores: Avaliar o que se deseja transportar; Qual o peso máximo do objeto a ser transportado; As dimensões da carga e a posição sobre os garfos; Qual altura máxima de elevação. Pode ser observada na figura 2, a estrutura completa da empilhadeira. Para isso é necessário a aplicação de diversos cálculos que estão apresentados a seguir para realizar o dimensionamento dos garfos, da torre, dos rolamentos, do pinhão, do cilindro hidráulico e o corrente que serão utilizados para suspender os garfos. Figura 2 - Desenho do projeto desenvolvido DIMENSIONAMENTO DOS GARFOS E DA TORRE O perfil da estrutura (viga C) Figura 3, é escolhido devido a este ser um perfil resistente e adequado para exercer as funções dos garfos que servem de base da carga, a torre da empilhadeira que serve como meio de sustentação e o trilho para movimento de elevação e de descida dos garfos. Figura 3 - Viga tipo C Momento Fletor Gerado Pela Carga Será considerado inicialmente que a carga máxima está localizada na ponta do garfo e poderá ser usado somente um dos garfos para suportar toda carga. Uma das extremidades pode deformar-se livremente e a outra esta rigidamente fixa. Com estas informações define-se o cálculo do Momento fletor para esta situação, onde (F) é a carga aplicada e (D) a distância da parte fixa da estrutura até o ponto em que a carga está suspensa. O Momento Máximo é determinado por: Mmáx = F*D (Fórmula 1) Para um valor de carga aplicada F igual a 500 kgf e um valor de distância D de 110 cm, obtemos um momento máximo de 55000 kgf.cm. Este momento máximo é encontrado em uma situação de máxima força de reação para esta carga. Ao mudar a carga da extremidade para o centro do garfo, a distância diminui e o momento fletor diminui conforme a carga vai se aproximando do extremo fixo do garfo. Para calcular a tensão máxima calcula-se o momento de inércia na viga. Na Figura 5 temos as medidas do perfil C para calcular o momento de inércia. Figura 4 - Desenho do perfil dos garfos. Então colocam-se os valores do perfil C na fórmula 4.2 do momento de inércia para este perfil: J= 4,75 * (0,753 / 3) + 2 * 1,5 * 4,753 / 3 + 17 * 0,753 / 3 (Fórmula 2) Para um perfil C de dimensões altura das abas de 55 mm, espessura 15 mm e largura de 200 mm obtém-se um momento de inércia de 110,2 cm⁴ . Com o momento de inércia do perfil (C), onde se obtém as medidas de espessura, comprimento das abas, e largura do material, e com o momento fletor, é possível encontrar tensão máxima de ruptura, que pode ser comparado com o limite de escoamento, limite de elasticidade e limite de resistência a tração do aço ASTM A36, que pode ser visto no Quadro 1 . Através da formula 3 encontramos a tensão máxima, onde (J) denomina-se momento de inércia, e Y máx é a altura das abas do perfil: Tmáx = Momento máx * Y máx / J (Fórmula 3) Quadro 1 – Tabela do Aço ASTM A36 ELEMENTO QUÍMICO ASTM A36 (PERFIS) % C máx. 0,26 % Mn ...(1) % P máx. 0,04 % S máx. 0,05 % Si 0,40 % Ni … % Cr … % Mo … % Cu 0,202 % V … (% Nb + % V) … Limite de escoamento (MPa) 250 mín. Limite de resistência (MPa) 400-550 Alongamento após ruptura, % (lo = 200mm) 20 mín. Encontrado o momento de inércia, calcula-se a tensão máxima através da formula 3, descrita anteriormente. Com um momento máximo de 55000 kgf.cm, um altura Y máx de 5,5 cm e o momento de inércia de 110,2 cm⁴ , obtém-se uma tensão máxima de 33,335 MPa. O limite de escoamento do aço ASTM A36 é de 250 MPa, a tensão máxima não ultrapassa este limite, logo a viga irá suportar a carga, dentro do limite de escoamento do material, e o limite de elasticidade já é bem superior de 200 Gpa como também o limite de ruptura 400 Mpa. Agora será considerada a mesma viga mesmas medidas, comprimento de 110 cm, dimensões altura das abas de 5,5 cm, espessura 1,5 cm e largura de 20 cm. Porém carga distribuída Figura 6, neste caso é possível dobrar o peso para 1000 Kgf em um garfo. Com base nestas informações define-se o cálculo do Momento fletor para esta situação. A fórmula 4 do momento máximo para este tipo de carga, onde (q) é a caga distribuída, (L) é o comprimento em que a carga está distribuída: Mmáx = (q*L²) / 2 (Fórmula 4) Para uma carga distribuída de 9,09 kgf/cm e em um comprimento de 110 cm obtém-se um momento máximo de 54994,5 kgf.cm . O cálculo para encontrar a tensão máximo e o momento de inércia continua o mesmo, já que, é utilizada a mesma viga de referência. Com um momento máximo de 54994,5 kgf.cm, um altura Y máx igual a 5,5cm e o momento de inércia de 110,2 cm⁴ , obtém-se uma tensão máxima de 134,58 MPa e também a mesma tensão dobrando o valor da carga, porém com a carga distribuída. Coeficiente De Segurança O coeficiente de segurança serve para determinar quantas vezes um tipo de material com determinadas dimensões pode suportar o peso da carga. A fórmula 5 onde (S) é o coeficiente de segurança, ∂E é utilizado limite de elasticidade, limite de escoamento e limite de resistência a tração, (∂T) tensão máxima: S = ∂E / ∂T (Fórmula 5) O material dos garfos e torre, suporta o valor da carga, conforme os valores de limites do aço ASTM A36 encontrados Quadro 1, o limite de escoamento é de 250 MPa, e a tensão máxima da carga é de 134,58 MPa, obtém-se um coeficiente de segurança de 1,8576. E para um limite de ruptura de 400 MPa, e a tensão máxima da carga é de 134,58 MPa, temos um coeficiente S igual a 2,9722. Para um limite de elasticidade de 200 GPa, temos um coeficiente S igual a 1486,1049. DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE ROLAMENTO Os rolamentos são dispositivos utilizados para auxiliar o movimento rotativo de eixos, possuem diversos tipos de rolamentos e para variadas aplicações, tais como: de esfera, roletes (rolos) e de agulha. Os rolamentos de rolo tem capacidade de carga maior, o que seria de melhor escolha para aplicação de cargas elevadas, porém optou-se pelo rolamento de esferas, já que possui menor resistência ao atrito, e também será dividido em quatro pontos de apoio, então terá a resistência suficiente para suportar a carga, sendo assim não há necessidade de rolamentos de rolos. Figura 5 - Desenhos com informações técnicas do rolamento 6005 (SKF). O sistema de rolamento foi dimensionado com base na largura da torre vertical, ou seja, a torre possui uma largura de 200 mm externamente e 184 mm internamente, então o diâmetro desse objeto de rolamento deve ser a essas dimensões, para poder deslizar com facilidade dentro da viga da torre. Neste caso o diâmetro escolhido foi de 180 mm de diâmetro externo, e 19 mm de largura. Para dimensionar o rolamento é desconsiderado o esforço axial, pois neste caso, o esforço submetido no rolamento é radial que será dividido em 4 pontos, consistindo em 4 rolamentos em cada ponto. Conforme a figura 8, segundo Fabrica do Projeto (2014), o rolamento de esferas 16024, produzido pela SKF, resiste a uma carga dinâmica, radial de 65000 N, ou seja, 6500 kgf, a capacidade de carga estática radial 6400 kgf e o limite de fadiga radial é de 300 kgf, e se multiplicarmos por 8 rolamentos, 2 em cada lado em 4 lados temos um limite de fadiga radial de 2400 kgf. DIMENSIONAMENTO DA CORRENTE E ENGRENAGEM Em empilhadeiras podem ser utilizados correntes de aço do tipo ASA, que trabalha em conjunto com engrenagens de corrente, Figura 8 e 9. Figura 6 - pinhão (Engrenagem) Figura 7 - Corrente de transmissão simples ASA As características da composição da corrente e pinhão seguem circulados na imagem 11 e 12 nas respectivas tabelas técnicas do fabricante (Enco, um dos fabricantes que a equipe deste trabalho encontrou que fazem equipamentos com resistência suficiente). Figura 8 - Tabela técnica de uma das correntes compatíveis Figura 9 - Tabela técnica de uma das engrenagens compatíveis CILINDROHIDRÁULICO O cilindro hidráulico é um componente muito importante, pois é o responsável pelo movimento da carga através do sistema hidráulico do trator. Inicia-se com um cálculo para dimensionar o pistão ou cilindro hidráulico, onde F é peso que será suportado pelo cilindro, que é a carga máxima a ser elevada de 2000 kgf e P é a pressão do óleo hidráulico. As dimensões de um cilindro experimental utilizado nos cálculos para carregamento de 2000kgf, é de um cilindro com 2 metros de altura máxima, camisa de 63,5mm e haste de 38,1mm. Através da formula 9 é possível encontrar a área do pistão para elevar a uma determinada carga, em uma determinada pressão: A = (“pi” * d²) / 4 (Fórmula 9) Utilizando a fórmula 9 é possível encontrar uma área de aproximadamente 11,39cm². Para cálculo e registro da pressão máxima exercida no cilindro, utiliza-se a fórmula 10: P = F / A (Fórmula 10) A pressão calculada pela fórmula 10 utilizando a carga base de 2000 kgf é de aproximadamente 175,60 kgf / cm². O comprimento necessário da corrente neste projeto será efetuado com a seguinte fórmula 11: Comprimento / 2 = distância percorrida pela haste do cilindro (Fórmula 11) A camisa do cilindro colocada no projeto tem 1 metro de comprimento, portanto sua Haste se move 1 metro. Temos assim 2 metros de comprimento necessários para a corrente. Alavanca A alavanca apresentada que fará o trabalho com o cilindro hidráulico para elevar, parar e baixar as os garfos da empilhadeira é um exemplo direto dos manuais da Paletrans. O braço contem um manete e seu sistema de controle simples que executará eficientemente as funções deste projeto. Figura 10 - Sistema de alavanca Possíveis problemas, causas e soluções Figura 11 - Possíveis problemas Lembrando que esta estrutura deve ter revisão técnica trimestralmente para manutenção. Operação Figura 12 - Sistema hidráulico A figura 12 ilustra como se dá o sistema de bombeio operando pela mão do homem. Veja o a representação matemática na figura 13: Figura 13 - Sistema de bombeamento A força do homem é exercida na ponta da alavanca, considerando a força constante, e sempre de forma perpendicular. Força: 25 kgf ou 245,2 N O ângulo α pode variar de 0° até 90°. Em um movimento típico utilizando o pedal, o ângulo irá variar em sua amplitude máxima. No entanto em um movimento típico usando as mãos, o ângulo α irá variar de 90° até aproximadamente 45°. Figura 14 Todas as medidas utilizadas nesta parte do cálculo deverão estar em mm. a = 120; b = 120; c = 169.7 e C = 169.7 Pelo desenho do sistema, podemos observar que x varia de 0 até o tamanho do curso C. X = 0,01… C O braço de alavanca da força do homem L = 1200mm Para um sistema em equilíbrio, o balanço de momentos fica da seguinte forma: (Fórmula 13) Fator de correção da unidade = 1 Força feita pela haste no êmbolo = (Fórmula 14) F2min = F2© → 2,5kN F2máx = F2(0) →3,5kN (Fórmula 15) Diâmetro do êmbolo → Dem = 36mm Raio do êmbolo → Rem = Dem / 2 … = 18mm Área do embolo → Pressão exercida pela força da haste Figura 15 Gráfico com as pressões resultantes das bombadas com as mãos Bibliografia https://www.youtube.com/results?search_query=tabela+de+carga+residual+empilhadeira+passo+a+passo https://www.google.com/search?client=ubuntu&hs=sVL&sxsrf=ALeKk01iFrwt5zyfu035lAkI_z6StJVzvg%3A1602110109393&ei=nUJ-X5rEF-mz5OUP8sG_wAE&q=tabela+de+carga+residual+de+empilhadeiras&oq=tabela+de+carga+residual+de+empilhadeiras&gs_lcp=CgZwc3ktYWIQAzIGCAAQFhAeOgQIABBHOgQIIxAnOgUIABCxAzoECAAQQzoICAAQsQMQgwE6AggAOggIIRAWEB0QHlDENViSZGDXZWgBcAJ4AIABkAKIAeA0kgEGMC4xLjMwmAEAoAEBqgEHZ3dzLXdpesgBCMABAQ&sclient=psy-ab&ved=0ahUKEwjahtifxaPsAhXpGbkGHfLgDxgQ4dUDCA0&uact=5 https://www.google.com/search?q=tabela+de+empilhadeiras+carga&oq=tabela+de+empilhadeiras+carga&aqs=chrome..69i57j0l2.25895j0j9&client=ubuntu&sourceid=chrome&ie=UTF-8 http://proflogistica.blogspot.com/2016/10/historia-da-empilhadeira.html https://www.mecalux.com.br/manual-de-armazenagem/desenho-do-armazm/largura-corredores-empilhadeiras https://www.youtube.com/watch?v=6wkZaaojBaM https://www.youtube.com/watch?v=qrjnOAEJ0no https://www.empilhadeiranova.com.br/empilhadeira-hidraulica-manual-lm-1516-paletrans https://www.lojadomecanico.com.br/produto/127424/42/383/Empilhadeira-Hidraulica-Manual-500Kg-1600mm/153/?utm_source=googleshopping&utm_campaign=xmlshopping&utm_medium=cpc&utm_content=127424&gclid=Cj0KCQjwk8b7BRCaARIsAARRTL4h1_DOMFY8nXTEn8ShH7arW3QJLLMudAYP1-kQYxVySwxwdzd_mIQaAjSdEALw_wcB