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Atividade Prática Supervisionada Guindaste Elétrico UNIP – Goiânia - Flamboyant 2019/2 ( 10 ) Talles Vinicius Quiareli Fernandes Ra: D247816 André Gomes Leal Ra: N212667 Leonardo H. Martins Souza Silva Ra: C78ECC7 Leonardo Katsumi Watanabe dias Ra: D231CE4 Lucas Wilson Gonçalves Ra: N174595 Marcos V. Alves De Camargo Ra: N181EJ5 Renato Oliveira Santos Leite Ra: N1532H7 Guindaste Elétrico Trabalho apresentado no curso de graduação em engenharia mecânica/ mecatrônica na Universidade Paulista Orientador: Me. Christian Carlos A. Moura GOIÂNIA 2019/2 AGRADECIMENTOS Agradecemos primeiramente a Deus, no qual acreditamos ter nos dado a oportunidade de chegar aqui com bastante persistência. Não somente nestes anos como discentes, assim como em todos os momentos é o maior mestre que podemos conhecer. Em seguida, com muitos sinceros agradecimentos ao professor de Engenharia Christian Moura, a qual desde o começo desse projeto tanto contribuiu para que conseguíssemos chegar nesta etapa, e a qual temos como exemplo de profissional reluzente que se tornou. Não menos especial, agradecemos a Universidade Paulista-campus flamboyant, o qual contribuiu para a preparação a nossa formação. Agradecemos ainda a nossos amigos e familiares, os quais nos apoiaram para que chegássemos até aqui, e que não mediram esforços para a realização desse sonho, no entanto, obrigado a todos, que nos momentos da ausência dedicamos a esse trabalho. Enfim, agradecemos a todos que diretamente ou indiretamente, fizeram parte do nosso trabalho, pois sempre entenderam que o futuro é feito a partir de constante dedicação e esforço. “O sucesso é a soma de pequenos esforços repetidos dia após dia.” ROBERT COLLIER RESUMO Guindaste elétrico é um equipamento utilizado para a elevação e a movimentação de cargas e materiais pesados, assim como, o princípio da física no qual uma máquina simples que criam vantagem mecânica para mover cargas além da capacidade humana. Desinente desse fator os guindaste e muito utilizado na indústria e principalmente na construção civil com característica de grande durabilidade e versatilidade, assim uma ferramenta fundamental em vários processos de construção, entretanto não menos importante e necessário que a manutenção esteja adequada e avaliada para que seja capaz de ser usado por décadas, desta forma fugindo de transtorno e de perca financeira para a transportadora e além de sobretudo evitar acidentes com empregados e responsabilidades com o ecossistema. Um ponto que sempre deve lembrar e ficar atentos é em relação aos limites de peso da carga para não haver contratempo e desordem. Sendo assim tendo diversidades em modelos, tamanho e forma de crua elas variam com grandes diferenças para melhor oferecer e servir a demanda do mercado. Desta forma as classes e as especificações entre guindaste são usados desfechos de telescópio, articulado, móvel, terreno entre outros. Logo as virtudes esse equipamento e bem fundamental com grandes vantagens na sua capacitação. Palavras-chave: guindaste elétrico, complexo elétrico e capacidade mecânica. ABSTRACT ( Electric crane is equipment used for lifting and moving loads and heavy materials, as well as the principle of physics in which a simple machine that creates mechanical advantage to move loads beyond human capacity. Offset of this factor the crane is widely used in industry and especially in civil construction with feature of great durability and versatility, thus a fundamental tool in various construction processes. However no less important and necessary that maintenance is adequate and evaluated in order to be able It has to be used for decades, thus evading inconvenience and financial loss for the carrier and, above all, avoiding accidents with employees and liabilities to the ecosystem. A point always remembered to be aware of the weight limits of the load so that no mishap and clutter. Thus having diversity in models, size and shape of raw they vary with great differences to better offer and serve the market demand. In this way crane grades and specifications are used for telescope, articulated, mobile, terrain and other outcomes. Soon the virtues this equipment is very fundamental with great advantages in its qualification. Keyword: electric crane, electrical complex and mechanical capacity ) SUMARIO 1. INTRODUÇÃO 9 2. OBJETIVOS 10 2.2 Geral _10 2.3 Específico 10 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 11 3.1 Tipos de guindastes 12 4. MANUTENÇÃO 15 5. METODOLOGIA 16 5.1 Utilização das matérias no projeto 16 5.1.1 Ciências dos materiais 16 5.1.2 Cinemática dos sólidos 10 5.1.3 Engenharia e meio ambiente 21 5.1.4 Programação 25 5.1.5 Eletricidade 27 5.1.6 DESENHO TÉCNICO 34 5.1.7 Fabricação mecânica 35 5.1.8 Estática na estruturas 37 6. CONSTRUÇÃO DO GUINDASTE 39 6.1 Materiais utilizados 39 6.2 Ferramentas utilizadas 40 6.3 Etapas de construção 41 6.3.1 Escolha dos parâmetros e design 41 6.3.2 Construção da estrutura em alumínio 42 6.3.3 Montagem do circuito elétrico e painel de controle 45 6.3.4 Montagem do circuito elétrico e programação 46 7. CUSTOS DO PROJETO 47 8. PROJETO FINAL 48 9. ATA DE AVALIAÇÃO 49 10. CONCLUSÃO 50 11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 53 1. INTRODUÇÃO Guindaste é uma máquina que é usada para elevação de movimentação de cargas ou materiais. O guindaste elétrico ou eletromagnético consiste basicamente em um guindaste que é movido por meio de motores elétricos e que possui um eletroímã na ponta. O eletroímã quando acionado e ligado a uma corrente elétrica faz a função de um ímã natural, porém, no eletroímã temos a opção de ligar ou desligar o campo magnético que é gerado pela corrente elétrica. Não são apenas os materiais magnéticos como os ímãs que apresentam um campo magnético ao seu redor e possuem a capacidade de atrair metais. Esses mesmos efeitos podem ser observados em fios elétricos percorridos por uma corrente elétrica. O físico dinamarquês Hans Oersted (1777-1851), em 1820, observou que fios condutores retilíneos percorridos por uma corrente elétrica geram um campo magnético ao seu redor, cuja intensidade em um ponto P é diretamente proporcional à corrente aplicada e inversamente proporcional à distância deste ponto ao fio. A descoberta de Oersted deu origem ao ramo da Física conhecido como Eletromagnetismo e permitiu inúmeras outras pesquisas básicas, bem como aplicações tecnológicas importantes, tais como os guindastes eletromagnéticos muito usados em ferros-velhos para separar sucatas e nos portos para o carregamento de navios. Também em dispositivos como disjuntores, relês, campainhas, telefones e alto-falantes, os eletroímãs são parte importante para o seu funcionamento. 2. OBJETIVOS 2.1 Geral Projetar e construir um guindaste elétrico, que permita o levantamento e o transporte de uma massa padrão para posições pré-estabelecidas. O braço do guindaste deverá conter um eletroímã que será o responsável pela elevação da carga que será de metal. 2.2 Específico Buscando atender o objetivo geral do trabalho, definiram-se os seguintes objetivos essenciais que devem ser feitos com o guindaste: · Içar e mover o corpo de massa padrão da posição inicial O até a posição A; · Abandonar o corpo na posição A; · Içar e mover o corpo de massa padrão da posição A até a posição B; · Abandonar o corpo na posição B; · Içar e mover o corpo de massa padrão da posição B até a posição inicial O; · Abandonar o corpo na posição inicial O 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Os primeiros registros de uso de guindastes remontam do século I ou II conforme mostra um relevo empedra encontra do em um túmulo em Roma, data do deste período, onde se vê um guindaste sendo usado para construir um monumento. Durante a Idade Média os guindastes foram utilizados para construir as grandes catedrais da Europa. Para isto os guindastes eram fixados no alto dasparedes ou muralhas enquanto estas seriam construídas. Para içar os materiais era utilizada a força de homens ou animais de carga que giravam duas grandes rodas uma década lado do guindaste. (FREITAS, Carlos F. Santiago. Equipamentos de Elevação.2006.Monografia–UFPE – Universidade Federal de Pernambuco.) Maiores guindastes foram desenvolvidos depois usando engrenagens movidas por tração humana, permitindo a elevação de cargas mais pesadas. Na Alta Idade Média, guindastes portuários foram feitos para carregamentos, descarregamentos e construções de embarcações. Alguns foram construídos sobre torres de pedra para ficaram mais estáveis e para ter capacidades extras, podendo assim levantar maiores quantidade de materiais e maior peso. Os primeiros guindastes foram feitos de madeira, mas, com a Revolução Industrial, passaram a ser produzidos com ferro fundido e aço e até hoje esses são os principais materiais presentes na construção de um guindaste. ( Fig. 1 – Modelo dos primeiros guindastes construídos ) Atualmente , temos vários tipos de guindastes e entre eles temos os guindastes elétricos e os guindastes hidráulicos. Com a evolução nos estudos e com a necessidade desse equipamento mais elevado, é possível notar guindastes muito maiores e muito mais fortes. Dentre estes, vale ressaltar o guindaste conhecido como Taisun que está localizado na China e é provavelmente o guindaste mais forte do mundo. Construído pela YantaiRafflesShipyard, a máquina consegue elevar do solo 20 mil toneladas em instantes, o que explica perfeitamente o fato de este ser o maior guindaste pórtico do mundo.Ele tem 133 metros de altura e é capaz de erguer todo esse peso a até no máximo 80 metros de altura. O Taisun foi utilizado para definição do recorde mundial de maior peso erguido por um guindaste, registrado na província chinesa de Yantai, em 2008, quando foram elevadas 20,133 toneladas métricas do chão. ( Fig. 2 – Taisun: guindaste mais forte do mundo ) 3.1 Tipos de guindastes · Grua: Equipamento desenvolvido para auxiliar no transporte de cargas, tanto na horizontal como na vertical. É uma estrutura metálica de grande porte, pode ter altura de trabalho de 10 metros até 150 metros ou mais. A grua pode ser de vários tipos como: grua móvel (instaladas em caminhões), ponta de torre (usada em construção civil), cabine (exige um operador que fica dentro de uma cabine controlando), etc. ( Fig. 3 – Guindaste do tipo “grua” ) · Pinça: Usado em construção civil, é desmontável devido a ser pesado e grande. É composto de duas extremidades: numa delas, fica a pinça elevatória descendente e/ou ascendente; na outra, fica um imenso contrapeso, que é o responsável por manter a estabilidade do conjunto. ( Fig. 4 – Guindaste do tipo “Pinça” ) · Pórticos: Usados normalmente em portos para descarregar grandes e pequenos contentores ou contêineres, ou embalagens padrão para transporte de cargas com capacidade de até 20 metros cúbicos. Esse tipo de guindaste pode erguer até 12 contentores (contêineres) de 20 metros cúbicos cada um ou mais em alguns casos. ( Fig. 5 – Guindaste do tipo “Pórtico” ) · Grua Florestal: Equipamento utilizado para transportar toras de madeira, carregadas em caminhões ou carretas, levadas para processamento em indústrias de carvão vegetal, papel e para alimentação de caldeiras. ( Fig. 6 – Guindaste do tipo “grua florestal” ) · Truck-crane (caminhão munck): Usados para a movimentação de cargas na construção civil, descarga de maquinário, montagem de estruturas e movimentação de tanques, silos, entre outras utilidades. São equipamentos montados sobre caminhão convencional. ( Fig. 7 – Caminhão munck ou guindaste montado sobre caminhão ) 4. MANUTENÇÃO Para uma manutenção excelente de um guindastes e necessário gera um plano de ações preventivas e o acompanhamento individual dos equipamentos, para possibilitar uma maior vida útil a estes mecanismo. Quando é feito um planejamento para manutenção em guindastes e reparação, a primeira necessidade é o treinamento intensivo do operador, ele é o responsável direto pela durabilidade do equipamento e segurança no seu manuseio operacional. Assim o primeiro procedimento para manutenção em guindastes é a inspeção diária, esse procedimento inclui a verificação dos cabos elétricos, o nível do óleo dos motores e a transmissão do funcionamento dos mecanismos de manuseio da carga, como o de elevação e de giro. A manutenção dessa categoria de máquinas requer um conhecimento e experiência especifica para complexidade da máquina. Sendo assim, é necessário também consultar as normas técnicas, que são documentos que trazem toda a regulamentação acerca dessa modalidade de equipamentos, feitos por especialistas, fabricantes e órgãos de regulamentação. A manutenção, além de garantir a durabilidade e longevidade do equipamento, assegura que a sua utilização sempre seja segura. A perícia do operador é muito importante, pois e visto que boa parte dos problemas e acidentes é decorrente da falha do mesmo funcionamento peculiar, assim o operador precisa estar bem preparado para efetuar a manutenção caso necessário.(GTM MAQUINAS E EQUIPAMENTOS , serviços de segurança artido publicado julho 2012). Outro procedimento para manutenção em guindastes é a analise periódico de fadiga nas estruturas soldadas dos elementos do guindastes, frequentemente esses componentes são submetidos a altas tensões e esforços variados , podendo aparecer rachaduras nas juntas soldadas, ou prejudicar um alto risco operacional. É importante descobrir as causas das avarias nas soldas para que sejam evitadas novas ocorrências. 5. METODOLOGIA 5.1 Utilização das matérias no projeto Ao longo do curso de engenharia mecânica e mecatrônica, estudamos algumas matérias que foras essenciais para a criação e desenvolvimento do projeto do guindaste elétrico. O estudo destas matérias foi o que nos levou a ter uma maior confiabilidade e entendimento sobre o projeto, desde a escolha do material usado no projeto até a parte de programação e cálculos do mesmo. 5.1.1 Ciências dos materiais Na construção do protótipo, resolvemos fazer a estrutura de seu braço com o material alumínio, pois além de o material estar presente na seleção de materiais que foi nos passados pelos professores, o alumínio também apresenta uma boa resistência de tensão. O alumínio é um elemento químico que possui forma solida em temperatura ambiente. Sendo a o material metálico mais abundante na costa terrestre. De todos os materiais metálicos encontrados na terra, 8,1% são o alumínio. Suas aplicações industriais são relativamente novas, sendo produzido em escala industrial a partir do final do século XIX. Quando foi descoberto verificou-se que a sua separação das rochas que o continham era extremamente difícil. Como consequência, durante algum tempo, foi considerado um metal precioso, mais valioso que o ouro, por exemplo. Porém, com o avanço dos processos de obtenção os preços baixaram continuamente até colapsar em 1889. Atualmente, um dos fatores que estimulam o seu uso é a estabilidade do seu preço, provocada principalmente pela sua reciclagem. Para citar o seu valor econômico, ele é o metal não ferroso mais usado pelo homem. Consideremos os diversos produtos que são constituídos do alumínio ou das suas ligas metálicas (principalmente o duralumínio – liga formada por 95,5% de alumínio, 3% de cobre, 1% de manganês e 0,5% de magnésio): como por exemplo: · Meios de Transporte: Como elementos estruturais em aviões, barcos, automóveis, bicicletas, blindagens e outros; · Embalagens: Papel-alumínio, latas, e outras. · Construção civil: Janelas, portas, divisórias, grades e outros. · Bens de uso: Utensílios de cozinha, ferramentas e outros. · Transmissão elétrica: Ainda que a condutibilidade elétrica do alumínio seja 60% menor que a do cobre, o seu uso em redes de transmissão elétricas de alta tensão é compensado pelo seu menor custo e densidade, permitindo maior distância entre as torres de transmissão, ondeé aplicado revestindo um feixe de arame de aço que suporta a força de estiramento e deixa o conjunto insensível aos ventos. · Como recipientes criogênicos até -200 °C e, no sentido oposto, para a fabricação de caldeiras. ( Fig. 8 – Objetos feitos de alumínio ) . · Tecnil Por motivo das necessidades industriais, tais como a compatibilidade ambiental através da redução de peso e da substituição do metal, a simplificação do processamento e a sustentabilidade devido à sua durabilidade, resistência a longo prazo e capacidade de recuperação do fluxo. O Nylon 6.6 Technyl é uma referência para compostos de Poliamida 6.6, fabricada por processo de extrusão, sendo tratado termicamente o que permite uma estrutura cristalina uniforme e livre de tensões internas. Por se tratar de um produto com boas propriedades físicas, mecânicas, elétricas e químicas pode assim substituir com vantagens, o latão, alumínio e o ferro fundido por exemplo. Tendo suas principais aplicações: · Engrenagens, roscas sem-fim, rodas, roldanas, chavetas, cremalheiras, cames e buchas. · Estrelas alimentadoras, roletes, sapatas, placas deslizantes, lâminas raspadoras, guias. · Canecas e caçambas transportadoras. (https://incomplast.com.br/nylonpa/) Temperaturas de processamento típicas recomendadas para PA66 Technyl® A. A - PA6.6 Technyl® Temperatura de fusão [°C] Temperatura de moldagem [°C] Contra-pressão [bar] A Technyl® sem reforço 270 - 290 60 - 80 50 - 100 A Technyl® com reforço de fibra de vidro 280 - 300 80 - 120 20 - 50 A Technyl® com enchimento mineral 270 - 300 80 - 120 50 - 100 A Technyl® retardante de chamas 270 - 280 60 - 90 20 - 50 A Technyl® com modificação por impacto 270 - 290 60 - 90 50 - 100 ( Fonte: Tabela retirada do site https:// www.resinex.pt/produtos/technyl.html . ) · Aço VC131 Aço VC 131 que foi usado na fabricação do contrapeso peso localizado na haste móvel, também é conhecido por AISI D6 é uma liga de aço que contém máximo de 2,15% de carbono, máximo de 0,25% silício máximo de 0,30% manganês, máximo de 12,0% de crômo, máximo de 0,70% de tungstênio. Aço de alta dureza e possui alta capacidade de corte á frio. Excelente custo-benefício para trabalho a frio, possui alta resistente ao desgaste, muito usado em superfícies deslizantes e em moldes para materiais de cerâmica. 5.1.2 Cinemática dos sólidos Na cinemática dos sólidos estudamos sobre a velocidade angular (ω) que é a razão entre o deslocamento angular sofrido por um móvel em relação ao tempo. Na qual esta velocidade está contida no que a física chama de “movimento circular uniforme (MCU)” sendo ocorrido quando um objeto executa uma trajetória circular com velocidade de módulo constante. Tendo seu estudo essencial para entender os funcionamentos de motores e sistemas de engrenagens por exemplo. A fórmula da velocidade angular é: Sendo: A velocidade angular pode ser relacionada com a frequência do movimento, para esse fim, e necessário levar em consideração em um giro completo, o deslocamento (2π rad) e que o tempo gasto em uma volta completa corresponde justamente ao período (T) do movimento: É importante observar que a frequência é o inverso do período, dessa forma: A velocidade angular também pode ser escrita em função da velocidade linear. Tem que ser observado pois como se trata de uma trajetória circular, sua o espaço a ser percorrido seria o comprimento da circunferência sendo C= 2*π*R e que o período (T) seja o tempo gasto para ser completado uma volta sendo assim: Observação: De acordo com o Sistema Internacional de Unidades, a velocidade angular é dada em radianos por segundo (rad/s). 5.1.3 Engenharia e meio ambiente Um dos grandes motivos para nos termos escolhido o alumínio como material da estrutura do guindaste se deve ao fato do alumínio ser reciclável. O processo de reciclagem do alumino consiste na reutilização do alumínio para a confecção de novos produtos O alumínio pode ser reciclado tanto a partir de sucatas como de sobras do processo produtivo. O alumínio reciclado pode ser obtido a partir de esquadrias de janelas, componentes automotivos, eletrodomésticos, latas de bebidas, entre outros ( Fig. 9 – Latas de alumínio prensadas ) No brasil, o produto de alumínio mais reciclado são as latas de alumínios de bebidas, isso pelo seu alto consumo da população desses produtos. Segundo a ABAL, (Associação Brasileira do Alumínio), estima que em aproximadamente 60 dias uma latinha de alumínio volta para o consumidor. Ou seja, podem ser compradas, utilizada, coletada, reciclada, envasada e voltar às prateleiras para o consumo. Em 2015, 97,9% do total das latas de alumínio disponibilizadas no mercado brasileiro foram recicladas. Foram 292,5 mil toneladas, o que corresponde a 23,1 bilhões de unidades, ou 63,3 milhões por dia ou 2,6 milhões por hora. Para se ter uma noção, observe o gráfico a seguir sobre o Índice de Reciclagem das Latas de Alumínio (%) A grande importância para a reciclagem do alumínio é que se gasta muito menos dinheiro e energia reciclando este produto do que fazendo a fabricação do mesmo. A seguir veja um passo a passo da reciclagem das latinhas de alumínio: 1) COMPRA O consumidor compra as latinhas de alumínio no supermercado 2) CONSUMO Depois de usada, a lata vazia é levada aos postos de coleta ou então vendida aos sucateiros, gerando renda nesta atividade 3) COLETA Nesses locais, as embalagens são prensadas com todas as suas partes (corpo, tampa e anel) 4) PRENSAGEM Neste estágio, as latas são prensadas novamente. Desta vez, em grandes fardos, como são chamados os “pacotes” volumosos e pesados, fáceis de serem transportados 5) FUNDIÇÃO As latinhas são derretidas em fornos especiais para latas de alumínio 6) LINGOTAMENTO Aqui todo o material é transportado em lingotes fundidos sob a forma de tiras, apropriadas para uma refusão ou transformação 7) LAMINAÇÃO Os lingotes passam por um processo de deformação no qual o material passa entre rolos e se transforma em bobinas de alumínio 8) NOVAS LATAS As bobinas são usadas para fazer novas latinhas 9) ENCHIMENTO Na fábrica de bebidas, as latas passam por um processo de enchimento para ganhar aquele tradicional formato “oco” que conhecemos 10) CONSUMO Depois as latas são distribuídas mais uma vez aos pontos de venda, fechando o ciclo de reciclagem das latinhas de alumínio ( Imagem ilustrativa do processo de reciclagem de latinhas de alumínio. ) No Brasil, outro material derivado do alumínio também vem sendo muito utilizado na reciclagem. A Tetra Pak, fabricante das embalagens longa vida, vem desenvolvendo tecnologias e parcerias com diversos recicladores no país, com o objetivo de gerar negócios na área de reciclagem das embalagens longa vida pós-consumo. A embalagem longa vida é composta por três materiais: papel, polietileno e alumínio, nas proporções, em peso, de 75%, 20% e 5%, respectivamente. De acordo com NEVES (1999), a etapa primária da reciclagem é realizada em uma indústria papeleira, onde as embalagens são introduzidas em um hidrapulper para extração das fibras de papel, que fornecem alta qualidade aos insumos produzidos. Após retirada das fibras de papel, restam ainda as camadas de polietileno e alumínio para serem processadas. Este material é matéria-prima para a etapa secundária da reciclagem, onde faz-se o beneficiamento destas camadas. De acordo com ZUBEN e NEVES (1999), uma alternativa para a etapa secundária da reciclagem das embalagens longa vida é a extrusão das camadas de polietileno / alumínio, que possibilita a produção de diversos materiais como brindes, coletores de lixo, base de vassouras, entre outros. Outra alternativa é a produção de placas e telhas, objetivo deste trabalho. As placas têm sido empregadas como matéria prima alternativa na a indústria moveleira e na construção civil. As telhas são opção para as de fibrocimento, principalmente em prédios, áreas cobertas e propriedades rurais. ( Fig. 10 – Telhas produzidascom polietileno / alumínio das embalagens Tetra Pak. ) 5.1.4 Programação Para a programação do protótipo, foi usado uma placa de arduíno. O arduíno é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e de placa única, projetada com um microcontrolador Atmel AVR com suporte de entrada/saída embutido, uma linguagem de programação padrão, (C/C++). O objetivo do projeto é criar ferramentas que são acessíveis, com baixo custo, flexíveis e fáceis de se usar por principiantes e profissionais. Principalmente para aqueles que não teriam alcance aos controladores mais sofisticados e ferramentas mais complicadas. Uma típica placa Arduino é composta por um controlador, algumas linhas de E/S digital e analógica, além de uma interface serial ou USB, para interligar-se ao hospedeiro, que é usado para programá-la e interagi-la em tempo real. A placa em si não possui qualquer recurso de rede, porém é comum combinar um ou mais Arduino.(Arduino: Robótica para iniciantes. Olhar Digital. 21 de março de 2010.). No Arduino Uno, os circuitos e equipamentos elétricos ditos digitais trabalham com apenas dois níveis de tensão definidos: · Um nível lógico alto, correspondente a 5V; · Um nível lógico baixo, correspondente a 0V. No Arduino UNO, as entradas e saídas digitais estão localizadas desde pino 0 até o pino 13. Como mostrado na figura abaixo: ( Fig. 11 - Entradas digitais do Arduino Uno. ) Um Arduino UNO, por exemplo, possui um conjunto de pinos destinados a serem utilizados como entradas analógicas. ( Fig. 12 - Entradas analógicas no Arduino Uno. ) · PWM – Simulando saídas analógicas Além de possuir portas para realizar a leitura de variáveis analógicas, o Arduino UNO conta também com pinos que podem ser usados para simularem saídas analógicas através do PWM, que por sua vez, é uma técnica para obter resultados analógicos por meios digitais. No Arduino UNO, os pinos em questão são: 3,4,6,9,10 e 11 Este recurso consiste na geração de uma onda quadrada, na qual, controla- se a porcentagem do tempo em que a onda permanece em nível lógico alto. Esta porcentagem é chamada de Duty Cycle e sua alteração provoca mudança no valor médio da onda, indo desde 0V (0% de Duty Cycle) a 5V (100% de Duty Cycle) no caso do Arduino UNO. O Duty Cycle a ser definido no projeto corresponde a um número inteiro, que é armazenado em um registrador 8 bits. Sendo assim, seu valor vai de 0 (0%) a 255 (100%). ( Fig. 13 - Saídas PWM ) 5.1.5 Eletricidade A parte elétrica do trabalho engloba algumas peças que foram utilizadas, desde motores elétricos usados para a movimentação do protótipo até a parte do eletroímã, que foi usado para içar o corpo de prova. A seguir, estão as peças usadas para a parte elétrica do protótipo: · SERVOS: De forma simplificada, um servomotor é um motor na qual podemos controlar sua posição angular através de um sinal PWM. um servomotor é um atuador eletromecânico utilizado para posicionar e manter um objeto em uma determinada posição. Para isso, ele conta com um circuito que verifica o sinal de entrada e compara com a posição atual do eixo. Diferentemente dos motores de corrente continua ou motores de passo que podem girar indefinidamente, o eixo de um servo possui a liberdade de apenas 180º. Servomotores geralmente possuem 3 pinos: · Alimentação positiva (vermelho) – 5V; · Terra (Preto ou Marrom) – GND; · (Amarelo, Laranja ou Branco) – Ligado a um pino digital de entrada e saída; ( Fig. 14 – Servomotor usado no protótipo. ) ( Imagem ilustrativa de uma simulação de um serevomotor no Arduino. ) · MOTOR DE PASSO: Um motor de passo é um dispositivo eletromecânico que converte os impulsos elétricos em movimentos discretos mecânicos. O eixo de um motor de passo gira em incrementos discretos quando os impulsos de comando eléctricos são aplicados a ele na sequência correta. A rotação dos motores tem várias relações diretas a estes pulsos de entrada aplicados. A sequência dos impulsos aplicados está diretamente relacionada com a direção de rotação do eixo do motor, a velocidade de rotação do motor com a frequência dos impulsos de entrada e o comprimento de rotação com o número de impulsos de entrada. Ou seja, para controlar o motor de passo precisa-se aplicar tensão a cada um a das bobinas em uma sequência específica. Uma das vantagens mais significativas de um motor de passo é a sua capacidade de ser controlado com precisão num sistema de circuito aberto. Este tipo de controle elimina a necessidade de caros sistemas de detecção, tais como codificadores ópticos. Sua posição é conhecida simplesmente através do controle dos impulsos de entrada. ( Fig. 15 - Motor de passo usado no protótipo. ) ( Imagem ilustrativa de um motor de passo conectado no Arduino. ) · PROTOBOARD Uma protoboard é uma placa com furos e conexões condutoras para montagem de circuitos elétricos experimentais. A grande vantagem da protoboard em relação a montagem de circuitos eletrônicos é a facilidade de inserção de componentes, uma vez que não necessita soldagem. As placas variam de 800 furos até 6000 furos, tendo conexões verticais e horizontais. Na superfície de uma matriz de contato há uma base de plástico em que existem centenas de orifícios onde são encaixados os componentes. Em sua parte inferior, são instalados contatos metálicos que interligam eletricamente os componentes inseridos na placa. Geralmente suportam correntes entre 1 A e 3 A. 29 ( Fig. 16 -Detalhe interno da protoboard. ) ( Fig. 17 – Protoboard usada no protótipo ) Na protoboard, existem os barramentos de alimentação na qual ela se fica localizada nas extremidades superior e inferior, na qual pode -se notar 4 barramentos nas horizontais: 2 em cima e 2 em baixo. Também existem os barramentos de prototipagem, que são usados para a montagem do circuito. ( Fig. 18 - Barramentos verticais e isolamentos entre eles ) É notório destacar que os barramentos de cima não são conectados nos de baixo. Ou seja, na coluna 1, os pontos entre linha A e E formam um barramento vertical. Enquanto que, na mesma coluna só que entre a linhas F e J existe outro barramento. ( 48 ) ( Fig. 19 - Foto interna dos barramentos verticais da protoboard. ) · JOYSTICK Este Joystick tem seu princípio de funcionamento através do controle de 2 potenciômetros e um botão. Duas das entradas dos potenciômetros referem-se aos eixos X e Y, sendo que o botão quando pressionado refere-se ao eixo Z. Logo este Joystick contém o total de três interfaces de entradas que são utilizadas para conectar ao eixo X, Y e Z. Este modelo com menos pinos torna-se uma ótima opção para projetos com Arduino pois evita muitas conexões, podendo ser usado como mouse, controle de robôs, games, joystick ps2 e projetos em geral. As principais características do joystick são: +5V ou VCC: 3,3-5V · GND: GND · X ou VRx: Saída Analógica Eixo X · Y ou VRy: Saída Analógica Eixo Y · SW ou Key: Saída Digital Eixo Z ( Fig. 20 - Joystick usado no protótipo ) ( Imagem ilustrativa de um Joystick conectado no Arduino. ) · JUMPERS Os jumpers são cabos ou fios elétricos com pontas devidamente preparadas para fazer as conexões elétricas entre os componentes de um circuito possibilitando a condução eletricidade ao longo do mesmo. Excelentes para montagem de projetos de forma rápida e organizada, os jumpers são bastante usados em projetos com Arduinos para conectar os mais diversos módulos, sensores e componentes elétricos e eletrônicos (LEDs, resistores, etc.). Vale ressaltar que, os jumpers são usados para fazer as conexões entre os componentes e montar circuitos do projeto na protoboard. ( Fig. 21 - Kit jumper MACHO-FEMEA usados no protótipo. ) · ELETROÍMÃ O eletroímã é um objeto que utiliza de corrente elétrica para gerar um campo magnético parecidos com o campo magnético encontrados em imãs naturais. É composto basicamente por um fio de cobre que transporta elétrons (correnteelétrica) que é enrolado em uma base de metal. Quando o fio é submetido a uma tensão, o mesmo é percorrido por uma corrente elétrica, o que gerará um campo magnético. A intensidade do campo e a distância que ele atingirá a partir do eletroímã dependerão da intensidade da corrente aplicada e do número de voltas da espira. Algumas características de um eletroímã são: · Ele só exerce ação magnética enquanto circula corrente elétrica; · A magnetização pode ser aumentada ou diminuída. Para isso, basta aumentar ou diminuir a intensidade da corrente elétrica que o circula; · A polaridade pode ser facilmente invertida, basta inverter o sentido da corrente elétrica. ( Fig. 22 – Eletroímã caseiro feito com um parafuso e fio de cobre ) Os eletroímãs são usados em alguns aparelhos ou máquinas, como motores, faróis de carro, campainhas, etc. Em alto-falantes, são usados dois ímãs: um permanente e um eletroímã, que é ligado e desligado na frequência adequada, indo para a frente e para trás, como um pistão, fazendo o cone vibrar e produzir o som. Eletroímãs mais poderosos são utilizados em guindastes para separar o lixo em ferros-velhos, ou nos portos para colocar contêineres em navios. ( Fig. 23 – Guindaste eletromagnético em operação, sendo usado para separar metais no lixo. ) 5.1.6 DESENHO TÉCNICO Para o bom funcionamento do protótipo, tivemos que fabricar algumas peças como as polias, segue as imagens abaixo. ( Fig. 24 – Projeto da Polia do motor de passo: Usado para enrolar a linha do eletroímã, com diâmetro externo de 30 mm e diâmetro interno de 24,9 mm. ) ( Fig. 25 – Projeto da polia localizada na extremidade da haste estática, que tem a função de transportar com facilidade a linha da haste estática para a móvel, seu diâmetro externo é de 33, mm e diâmetro interno de 29 mm. ) ( Fig. 26 – Polia usada na extremidade da haste móvel, esta peça tem a função de descer o fio do eletroímã de forma perpendicular em relação ao solo, seu diâmetro externo é 32,9 mm e diâmetro interno de 29 mm. ) ( Fig. 27 – Contra peso utilizado na parte inferior da haste móvel, que tem como objetivo, diminuir o momento desta haste. Seu diâmetro é de 77 mm. ) 5.1.7 Fabricação mecânica As peças citadas a cima (em desenho técnico) foram feitos em um torno mecânico. Este tipo de máquina permite usinar peças de forma geométrica de revolução. O torneamento é composto pela combinação de dois movimentos: rotação da peça e movimento de avanço da ferramenta. O movimento de avanço da ferramenta pode ser ao longo da peça, o que significa que o diâmetro da peça será torneado para um tamanho menor. . As fases do Torneamento são: · Furo de centro, cilíndrico, furos cilíndricos em buchas e engrenagens). · Ferramentas de Corte - desbaste - ferro sem bico ou ponta arredondada. · Furação feita em torno - utiliza-se o fluido de corte ( Fig. 28 – Torno mecânico. ) ( Fig. 29 – Momento da fabricação da polia no torno mecânico da faculdade. ) O torno mecânico também foi usado para auxiliar no enrolamento do cobre na fabricação do eletroímã. ( Fig. 30 – Fabricação do eletroímã. ) 5.1.8 Estática na estruturas Momento do Peso 1 (O peso faria a haste girar no sentido anti-horário, portanto adota-se o sinal positivo). M1=F1*D1 M1=7000*0,078 M1=54,6 N*M Momento do Peso 2 (O peso faria a haste girar no sentido horário, portanto adota-se o sinal negativo). M2=-F2*D2 M2= (-280) *0,45 M2= -12,6 N*M Força de reação Fv ∑Fy= 0 ( Adotando o sentido para cima positivo) Fv – 7000-280= 0 Fv= 7280 N 6. CONSTRUÇÃO DO GUINDASTE 6.1 Materiais utilizados Segue abaixo a lista contendo os principais materiais utilizados durante o processo de fabricação e montagem do protótipo do guindaste elétrico: · 2,5m Perfil H De Alumínio 10mm · 0,2m Chapa de alumínio lisa 10mm x 1mm · 01 Compensado de madeira 0,7m² · 01 Rolamento de esfera 40mm · 01 Tarugo Aço SAE 1020 15mm · 01 Barra Roscada Unc 3/8 X 1,5m Zincado · 60 Porcas Sextavada Torneada ¾’’ · 01 Porca Sextavada Torneada 12mm x 1,75 Passo · 25 Porcas Sextavada Torneada 6mm · 06 Porcas Sextavada Torneada 4mm · 0,2m Chapa de zinco lisa 10mm x 1mm · 03 Polias Tecnil Ø 33mm · 01 Polia aço VC-131 77mm x 20mm · 25 Parafusos de Aço para Metal 6mm x 15mm fenda · 06 Parafusos de Aço para metal 4mm x 10mm fenda · 01 Parafuso francês polido 5mm x 70mm · 2,5m cobre esmaltado 0,4mm · 0,8m fio nylon 0,5mm · 01 Cola epóxi · 01 Cola instantânea · 01 Tinta spray · 04 Cantoneiras L latão · 1m tubulação termoretrátil · 01 Arduino uno · 01 Regulador de Tensão · 01 Protoboard · 20 Cabo Jumper Macho/Fêmea 20cm · 01 Módulo Joystick Analógico para Arduino · 01 Ponte H Dupla L298N · 01 Motor de Passo + Módulo de Controle · 02 Servo TowerPro MG996R 180° · 03 Adaptador Bateria 9V sem plug · 03 Bateria 9V · 02m fio de Cobre 0,3mm 6.2 Ferramentas utilizadas Segue abaixo a lista contendo as principais ferramentas utilizadas durante o processo de fabricação e montagem do protótipo do guindaste elétrico: · Torno · Furadeira · Parafusadeira · Fresadora · Furadeira de bancada · Moto Esmeril · Alicate de pressão · Alicate universal · Alicate de bico · Jogo de chaves 3a17mm · Serra de arco · Esmerilhadeira · Serra Fita de Bancada para metal · Torno de bancada · Lima · Alicate prensa terminal · Martelo · Isqueiro · Fita dupla face · Tesoura · Multímetro · Balança de Precisão 6.3 Etapas de construção O processo de planejamento e construção do protótipo do guindaste elétrico, basicamente ficou dividido em 04 etapas (escolha dos parâmetros e design, construção da estrutura metálica, montagem do circuito elétrico e montagem do conjunto), mas é claro que se trata de um trabalho bem mais amplo e minucioso do qual não cabe ser empregado à risca neste documento por sua extensão. Confira a seguir o passo a passo referente as etapas mais importantes acerca da criação do projeto. 6.3.1 Escolha dos parâmetros e design Antes de mais nada, fez-se mais que necessária a escolha dos parâmetros a serem seguidos para dar início as atividades referentes a construção do protótipo. Após várias pesquisas e discursões sobre qual a melhor maneira de se aplicar a tecnologia solicitada, chegamos à conclusão que, assim como mencionado anteriormente, o sistema do guindaste elétrico englobaria princípios de comandos elétricos. ( Fig. 31 – Estrutura 3D em Solidworks ) A partir de então, começou-se a pensar no quesito design de modo que representasse bem o grupo, expressando originalidade, sofisticação e personalidades bem definidas. No intuito visualizar como seria propriamente dita a estrutura a ser confeccionada, quais as dificuldades a serem encontradas e como solucionar eventuais falhas no projeto, utilizamos de softwares de modelagem para enxergar com maior clareza como e quais seriam as singularidades do protótipo. A figura acima representa o esboço do projeto em 3D simulado no solidworks. 6.3.2 Construção da estrutura em alumínio Com os parâmetros e design pré-estabelecidos, deu-se início a montagem da estrutura em alumínio, usando-se de barras com perfil H, O elemento de união escolhido a ser usado foram Barras Roscada Unc 3/8 X 70mm zincado, juntamente com porcas 3/8’’, devido a sua versatilidade, resistência e fácil aplicação. ( Fig. 32 - Construção da estrutura metálica ) Nesta etapa, as barras de movimentação foram fixadas através de barras rosqueadas juntamente com porcas. ( Fig. 33 – Montagem d a estrutura metálica ) ( Fig. 34 – Estrutura finalizada ) Foi adicionada um contrapeso para equilibrar o peso da estrutura, submetendo o motor a levantar somente peso da carga a ser levantada. ( Fig. 35 – Montagem eletroímã ) O processo de montagem do eletroimã foi manual. O Parafuso francês polido foi fixado no torno, iniciando assim a etapa de embobinar o fio de cobre esmaltado, incrustando cola para impedir que o mesmo se solte.Ao fim da produção do eletroimã, foi fixado um fio de nylon para que este tracione-o. Após os testes feitos com uma tensão de 9V e corrente de 1A , foi verificado que o eletroimã demonstrou ter uma força magnética suficiente para levantar uma peça de Aço SAE1020 com o peso de 3000N, cumprindo com tranquilidade os requisitos impostos. 6.3.3 Montagem do circuito elétrico e painel de controle A montagem do circuito elétrico, como relatado anteriormente na seção 5.1.5 (Eletricidade, página 27), teve como princípios básicos os conhecimentos envoltos no universo dos comandos elétricos (descrito no tópico 5.1.4, página 25). A partir deste know-how, foram desenvolvidos e testados os diagramas elétricos observando-se as normas estabelecidas no edital e também as necessidades peculiares envolvendo o protótipo do guindaste elétrico a ser desenvolvido. O ponto inicial foi a montagem dos motores (servomotor e motor de passo), ligando suas conexões na protoboard, arduino e módulo de controle. ( Fig. 36 - Montagem do circuito elétrico. ) Constituído basicamente de servomotores, Jumpers, Arduino e protoboard, os componentes elétricos foram montados na parte inferior do guindaste. Os pontos de alimentação do circuito de comando, está contido o sistema de força que alimentará o Arduino e os servomotores, fazendo assim o guindaste recolher o braço e realizar a rotação em 90°. 6.3.4 Montagem do circuito elétrico e programação De modo a garantir o real funcionamento do circuito eletromecânico antes mesmo de sua montagem, foram realizado uma série de teste com a ajuda de softwares com plataforma de testes eletroeletrônicos, por exemplo: Proteus e Tinkercad (comandos elétricos). Desta forma, pudemos identificar e corrigir falhas lógicas operacionais, curto circuitos, mal funcionamentos e possibilidades de reduções de custos com equipamentos elétricos, além de melhorias enquanto a segurança e praticidade durante a operação. Confira o circuito simulado e aplicado. ( Fig. 37 - Teste dos Componentes e da Programação. ) 7. CUSTOS DO PROJETO Bem como qualquer empreendimento, o projeto e a execução do guindaste elétrico tiveram seus custos, além de tempo e dedicação para enfim executar e finalizar o projeto com sucesso. Em meio ao planejamento do protótipo, foi visada a economia de recursos e materiais desde o início no intuito de reduzir os gastos e desperdícios. A seguir, a relação dos materiais utilizados e seus respectivos valores. Custos do Projeto Item Quantidade Local Total Barra Roscada 1m Leroy Merlin 5,89 Porcas Sextavada Torneada ¾ 60 Mercado Livre 39 Porcas Sextavada Torneada 6mm 25 Mercado Livre 10,5 Parafusos de Aço para Metal 25 Mercado Livre 2,25 Cola epóxi 1 Leroy Merlin 29,9 Tubulação termoretrátil 1m Eletrogate 2,5 Arduino uno 1 Eletrogate 54,9 Regulador de Tensão 1 Eletrogate 8,9 Protoboard 1 Eletrogate 15,9 Cabo Jumper Macho/Fêmea 20 Eletrogate 8,9 Módulo Joystick Analógico 1 Eletrogate 7,9 Ponte H Dupla L298N 1 Eletrogate 18,51 Motor de Passo 1 Eletrogate 18,51 Servo TowerPro MG996R 2 Eletrogate 87,24 Adaptador Bateria 9V 3 Eletrogate 2,22 Bateria 9V 3 Eletrogate 41,7 Total R$: 354,72 Apesar do custo do protótipo ter ficado relativamente alto em virtude de sua complexidade, o valor individual ficou em R$50,67 o que não se configura como tão oneroso. Além disso, deste o início das atividades visou-se a economia como um dos priores para o projeto, aliado a praticidade e inovação, de modo a garantir a maximização dos resultados esperados com o mínimo de recursos possíveis. 8. ( Fig. 38 – Projeto finalizado )PROJETO FINAL ( Fig. 38 - Estrutura 3D em Solidworks. ) 9. ATA DE AVALIAÇÃO 10. CONCLUSÃO Todos os guindastes representam uma reunião de máquinas simples, utilizados com a finalidade de reduzir a carga de trabalho. Por mais simples que possam parecer, elas são fundamentais em muitos aspectos da indústria. Eles podem escavar, mover, criar ou destruir, dependendo do seu tipo. Eles exemplificam às vezes que as idéias mais antigas as vezes são as melhores. Ao longo de todo o trabalho, testes foram sendo realizados para concluir a funcionalidade de todo o guindaste e para que nada ocorresse de forma errônea. A primeira fase de testes foi relacionada a parte mecânica, assim ligada a rigidez, força e sustentação da haste onde passou o fio com o eletroímã. Inicialmente, após a montagem e junção das duas “hastes” usadas no guindaste juntamente com o contrapeso acoplado em uma das hastes para que houvesse igualdade de forças e pesos e assim não viesse ao tombamento, testamos sua resistência ao movimento, ou seja, como os braços do guindaste se comportariam quando fossem solicitados a tal movimentação, para que não houvesse a possibilidade de perca de rotação ou translação. Concluímos então que essa parte estava funcionando perfeitamente. Após o teste de resistência ao movimento, foi necessário um cálculo e estudo para sabermos a quantidade de fio necessária para que todo o movimento ocorresse sem falhas por “falta de fio” ou até mesmo por rompimento devido a pouca metragem de fio em todo o guindaste. Testar se a base do guindaste estava bem segura e presa a base de madeira usada foi necessário para que durante a apresentação do trabalho, nenhuma parte se soltasse e trouxesse o guindaste a queda. O último teste ligado a parte mecânica realizado, foi relacionado com o peso da peça que teria que ser movimentada pelo guindaste. Fizemos cálculos para chegarmos a força necessária que deveria ser usada pelo braço e para descobrirmos a força máxima suportada pelo fio. Concluímos então que em relação a parte mecânica, todos os testem foram realizados de forma segura e correta, com valores calculados e testados em prática. Após a parte mecânica estar funcionando perfeitamente, partimos para a parte elétrica e eletrônica do trabalho. O primeiro teste feito foi conferir se todos os instrumentos a serem utilizados estavam em perfeito funcionamento elétrico, ligando peça por peça testando suas tensões e correntes para analisar se nada estava queimado, passando pouca voltagem ou funcionando incorretamente. O arduino também foi testado eletricamente com o uso do “protoboard” para verificar se todas suas portas estavam funcionando bem, assim como os servos e o motor de passo também foram testados eletricamente. O último teste elétrico feito, foi com o eletroímã, sendo assim acionado por uma chave interruptora de ligar/desligar, que fazia com que o campo magnético do eletroímã fosse ativado ou desativado. Após o teste “elétrico” podendo assim dizer, iniciamos os testes de configuração eletrônica dos servos, do motor de passo e do “Joystick”, que foram as peças que deram movimento para as hastes e para a base do guindaste. O primeiro servo foi configurado no programa do arduino para efetuar a movimentação da base em até 180º, ou seja, com o comando acionado pelo Joystick, ele fazia com que, a base de madeira onde o guindaste estava acoplado, girasse para os dois sentidos em um ângulo de até 180º. Já o outro servo foi configurado para realizar a movimentação do braço do guindaste também em até 180°, porém nesse caso, no sentido vertical, sendo assim, para cima e para baixo. Lembrando que esse movimento do segundo servo, trabalhou em conjunto com a configuração do motor de passo, devido a linha que estava com o eletroímã. E por último, partimos para a configuração do motor de passo, que quando acionado pelo joystick, fazia com que a linha com o eletroímã se estendesse e fosse puxada quando necessário, para que o transporte da peça entre os locais indicados ocorresse perfeitamente. Concluímos então que os resultados dos testes foram todos positivos, desde a estrutura mecânica do guindaste, até as configurações eletrônicas dentro da programação pelo arduino, tornando assim nosso trabalho, pronto para apresentação. 11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Tudoeng.comdisponível em :https://www.tudoengcivil.com.br/2019/03/estruturas- isostaticas-hipostaticas-e.html; acesso em: 01 de outubro 2019. Manutenção.tec disponível em: http://www.manutentec.com.br/manutencao- guindastes: acesso em: 15 de outubro de 2019. Elevação.2006.Monografia–UFPE: https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/1590/1/arquivo1564_1.pdf , acesso em 14 de outubro de 2019. www.portogente.com.br/www.mundofisico.joinville.udesc.br SAO FRANCISCO PORTAL https://cesarmaq.com.br/tipos-de-guindastes/ CESAR MAQ GUINDASTE GASPAR, A. Eletromagnestismo e Física Moderna. São Paulo: Ática, 2000. v. 3. ALONSO, M.; FINN, E. J. Física: um curso universitário. Tradução: Giorgio Moscati. São Paulo: Edgard Blücher, 1972. v. 2. VALADARES, E. C. Física mais que divertida. Belo Horizonte: UFMG, 2000. MCCULLOUGH, R.; JODI. The role of toys in teaching Physics. AAPT, USA, 2000. http://abal.org.br/aluminio/caracteristicas-quimicas-e-fisicas/propriedades- mecanicas/#accordion8 https://www.ggdmetals.com.br/wp-content/uploads/2015/07/aluminio.pdf https://aco.com.br/aco/aisi-d6-w-nr-1-2436-aco-ferramenta/ ABAL; Associação Brasileira dos Fabricantes de Latas de Alta Reciclabilidade; The Japan Aluminum Can Recycling Association; Cámara Argentina de la Industria del Aluminio y Metales Afines; The Aluminum Association; EAA - European Aluminium Association.
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