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1 UNIVERSIDADE PAULISTA BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL TRABALHO DE ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA – APS Guindaste Hidráulico Com Eletroímã ELIANA DO SOCORRO NUNES DOS SANTOS - RA 20112384 LUANNA LORRANNY CAMPOS SARAIVA - RA 20124736 MARCELO VIEIRA LIMA - RA 20112373 PATRÍCIO FRANÇA GUIMARÃES - RA 20102386 THIAGO BARRAL DE OLIVEIRA - RA 20118875 KELVIN RODRIGO LOPES GOMES - RA 20132484 BELÉM - PA 2020 2 ELIANA DO SOCORRO NUNES DOS SANTOS - RA 20112384 LUANNA LORRANNY CAMPOS SARAIVA - RA 20124736 MARCELO VIEIRA LIMA - RA 20112373 PATRÍCIO FRANÇA GUIMARÃES - RA 20102386 THIAGO BARRAL DE OLIVEIRA - RA 20118875 KELVIN RODRIGO LOPES GOMES - RA 20132484 TRABALHO DE ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA – APS Guindaste Hidráulico Com Eletroímã Trabalho avaliativo correspondente a Atividade Prática Supervisionada - APS do segundo semestre do curso de Graduação em Engenharia Civil, da disciplina de Engenharia Básica, apresentado à Universidade Paulista. Orientador: Prof. Relinaldo Pinho de Oliveira BELÉM - PA 2020 3 RESUMO Neste trabalho, foi desenvolvido um guindaste hidráulico em uma escala relativamente menor. Utilizando mangueiras e seringas, cumprindo assim as especificações transmitidas pelo corpo docente, seguindo o conceito de hidráulica. Palavras-chave: Guindaste hidráulico, seringas. 4 ABSTRACT In this work , we developed a hydraulic crane on a relatively smaller scale. Using hoses and syringes in agreement with what was requested by the teaching staff, following the concept of hydraulics Keywords: Hydraulic crane , syringes. 5 OBJETIVO Este trabalho tem como objetivo a aplicação prática dos conhecimentos adquiridos em sala de aula na disciplina de Estática dos Fluídos e Física Básica. Além disso, estudar os princípios básicos de funcionamento de um guindaste hidráulico com eletroímã, logo, projetar e construir um protótipo utilizando seringas com fluido para executar os movimentos horizontais, verticais e circulares − que atinjam posições determinadas e um eletroímã para suspender e transportar uma massa padrão. O guindaste deverá suspender um corpo de prova, passando por três pontos com medidas dadas. Aprimorar também o desenvolvimento intelectual e dinâmico entre a equipe, fazendo com que o acadêmico envolvido entenda a importância dos conceitos usados para realização de um bom trabalho na área acadêmica e futuramente na fase profissional. 6 SUMÁRIO RESUMO..................................................................................................................... 3 ABSTRACT ................................................................................................................. 4 OBJETIVO .................................................................................................................. 5 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 7 2. A EVOLUÇÃO DAS MÁQUINAS ........................................................................... 8 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ................................................................................. 9 3.1. Sistema hidráulico ............................................................................................ 9 3.2. Pressão hidráulica (Princípio de Pascal) ........................................................ 10 3.3. Eletroímã ........................................................................................................ 11 4. MATERIAIS ........................................................................................................... 12 5. CÁLCULOS .......................................................................................................... 13 5.1. Fórmula da área de um cilindro ...................................................................... 13 5.2. Fórmula de pressão ....................................................................................... 13 5.3. Cálculo de força ............................................................................................. 13 6. PROJETO ............................................................................................................. 14 6.1. Esquema hidráulico ........................................................................................ 14 6.2. Esquema elétrico (eletroímã) ......................................................................... 14 6.3. Desenho técnico do guindaste ....................................................................... 15 7. CONSTRUÇÃO ..................................................................................................... 17 7.1. Pista de prova e estrutura .............................................................................. 17 7.2. Hidráulica e eletroímã .................................................................................... 19 8. PLANILHA DE CUSTOS ...................................................................................... 21 9. CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................................. 24 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 25 7 1. INTRODUÇÃO O trabalho apresenta um relatório teórico e prático pesquisado pelo grupo sobre a execução do projeto exigido da disciplina de Estática dos Fluídos do 2° semestre de Engenharia Civil da Universidade Paulista. No trabalho serão descritos todos os passos necessários para a construção de um guindaste hidráulico com um eletroímã na extremidade do braço, sendo capaz de realizar movimentos (em três dimensões) nos eixos x, y e z, possibilitando assim o transporte de um sólido elemento de metal de um ponto a outro. 8 2. A EVOLUÇÃO DAS MÁQUINAS Experiências têm mostrado que a hidráulica vem se destacando e ganhando espaço como um meio de transmissão de energia nos mais variados segmentos do mercado, sendo a Hidráulica Industrial e Móbil as que apresentam um maior crescimento. Porém, pode-se notar que a hidráulica está presente em todos os setores industriais. Amplas áreas de automatização foram possíveis com a introdução de sistemas hidráulicos para controle de movimentos. A automação surgiu como o caminho para a redução da participação da ‘’mão humana” sobre os processos industriais. Partindo desse conceito, podemos dizer que a 6 utilização em larga escala do moinho hidráulico para fornecimento de farinha, no século X, foi uma das primeiras criações humanas com o objetivo de automatizar o trabalho, ainda que de forma arcaica. Esse desenvolvimento da mecanização teria impulsionado mais tarde o surgimento da automação. As primeiras máquinas movidas a eletricidade surgiram em meados do século XIX, graças a esforços de diversos pesquisadores – entre eles Michael Faraday e André Marie Ampere – que estudaram a utilização da eletricidade e do magnetismo em conjunto, levando ao desenvolvimento de motores que, conectados a sistemas elétricos, acionavam alavancas. No final do século XIX, esse tipo de motor começou a ficar obsoleto e deu lugar as máquinas que usavam corrente elétrica em circulação em condutores para interagir com o campo magnético produzido por imãs ou eletroímãs. O primeiro guindaste conhecido foi construído pelos gregos ou romanos em meados do século 6 a.C., com o propósito de mover cargas pesadas, as quais a força humana não era suficiente. A maior parte do conhecimento dos guindastes antigos vem de registros do arquiteto romano Vitrúvio (século I a.C.) e de Héron de Alexandria (séculoI d.C.). O mecanismo mais simples era composto apenas de uma estaca fincada no chão que era erguida e sustentada por um par de cabos amarrados em sua extremidade superior. No topo era presa uma roldana por onde corria a corda utilizada para 9 suspender os materiais. Apesar de ser uma ferramenta útil, ainda havia sérias limitações, como desequilíbrio devido a certos ângulos de giro e também a força humana ainda ser insubstituível para o funcionamento do equipamento. Atualmente, grande parte dos guindastes não depende mais da força humana para o içamento de cargas, graças a William George Armstrong, que em 1846 foi responsável pelo uso do poder hidráulico para operação de diversas máquinas. Seu primeiro guindaste foi bem sucedido, ele usou água como fonte de energia para um motor hidráulico giratório, depois, também movido à água, inventou o motor a pistão. A única dificuldade era que a água tinha que ser fornecida por dutos e caixas de água elevadas, porém Armstrong inventou o acumulador hidráulico, um dispositivo que usava um êmbolo dentro de um grande cilindro, para gerar a pressão necessária. Outro ponto fundamental deste equipamento são os métodos usados para fixação dos objetos a serem transportados. Além do conhecido gancho, existe também o eletroímã, dispositivo que utiliza corrente elétrica para gerar um campo magnético, sendo assim muito eficaz para içar peças construídas com ferro, aço, níquel, cobalto ou qualquer material ferro magnético. Com o avanço da tecnologia, os guindastes têm sido melhorados e adaptados de acordo com as necessidades de cada projeto, assim continua sendo um equipamento de suma importância para muitas áreas da engenharia. 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.1. Sistema hidráulico O sistema hidráulico consiste basicamente em gerar movimento ou força através da pressurização de um fluído incompressível, resultando no que chamamos de força mecânica. Todo o sistema composto recebe o nome de circuito e são dispostos da seguinte maneira: uma bomba é utilizada para fazer a compressão do fluído que será transportado através de tubulações, chegando a um cilindro onde o fluído será bombeado para movimentar um pistão, exercendo sua força resultante. O sistema hidráulico pode ser atuado em eixos para gerar energia em motores ou transportadores. 10 O circuito hidráulico possui um processo de instalação eficiente, atuando em locais que exigem trabalho mais bruto e, além disso, suportam cargas extremamente pesadas. Um sistema versátil e que facilita a vida do homem moderno em diversas situações. Este fato de o sistema hidráulico ser capaz de multiplicar ou dividir forças transmitidas de um ponto a outro, é explicado pela lei de Pascal. 3.2. Pressão hidráulica (Princípio de Pascal) Muitos líquidos podem ser considerados incompressíveis, logo apresentam forças reativas às forças de compressão através de variações imperceptíveis no espaçamento entre suas moléculas. A força de compressão a que nos referimos relaciona-se à pressão sofrida pelo líquido que é dada pela fórmula geral p=∆F/∆A, onde pé a pressão, ∆F é a variação da força aplicada no sistema e ∆A é a superfície de interesse. Em 1652, o físico e matemático francês Blaise Pascal (1623-1662) propôs que: “A pressão aplicada a um fluido enclausurado é transmitida sem atenuação a cada parte do fluido e para as paredes do reservatório que o contém.”. Uma aplicação para este princípio são as prensas hidráulicas, que permitem multiplicar as forças em um sistema, utilizando êmbolos de diferentes seções de área movidos por líquidos compressíveis, conforme ilustrado na figura 1. Podemos ver esse princípio físico nos elevadores de postos de gasolina e de oficinas mecânicas, para troca de óleo, e em acionadores de caminhões basculantes e prensas industriais de diversas aplicações. Figura 1: Aplicação do teorema de Pascal. Fonte: http://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/principio-de-pascal-teoria-e-aplicacoes.htm 11 3.3. Eletroímã O eletroímã é um dispositivo formado por um núcleo de ferro envolto por um solenoide (bobina). Quando uma corrente elétrica passa pelas espiras da bobina, cria- se um campo magnético, o qual faz com que os imãs elementares do núcleo de ferro se orientem, ficando assim imantado e, consequentemente, com a propriedade de atrair outros materiais ferromagnéticos. Observe na figura 2, que no eletroímã as linhas de campo entram em uma extremidade e saem na outra, já no imã, elas entram em um polo (polo sul) e saem no outro (polo norte) de maneira praticamente igual. Foi por esse motivo, de apresentar comportamento semelhante ao de um imã quando percorrido por uma corrente elétrica, que esse dispositivo ficou conhecido como eletroímã. Figura 2: Linhas de campo de um eletroímã e de um imã. Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/eletroima.htm O fato de ter um núcleo (barra de ferro) no interior da bobina gera um campo magnético muito intenso e devido a essa propriedade os eletroímãs têm muitas aplicações, dentre elas, podemos destacar: nos motores, nas campainhas, nos telefones, na indústria de construção naval e no guindaste eletromagnético. 4. MATERIAIS Para construção do guindaste foram utilizados diversos tipos de materiais, todos foram escolhidos com o intuito de que o protótipo fique leve, com uma boa estética e não tenha um custo alto. Abaixo segue o quadro do que foi utilizado. 12 Quadro 1: Lista de materiais utilizados MATERIAL QUANTIDADE Aguarrás 1 Arruela lisa (travamento do antebraço e braço) 16 Braçadeiras 4 Braço de apoio de cano PVC (Thiago) 1 Braços de cano PVC 25mm (Thiago) 2 Broca de aço pol. (3/16) 1 Cabo de 1,5m (1mm) 1 CAP de 40 2 Corante Amarelo 50ml 1 Corante Azul 50ml 1 Corante laranja 50ml 1 Fio de cobre (5m) 1 Fita Crepe Norton 1 Interruptor (liga/desliga para corte da corrente elétrica) 1 Joelho 25mm 1 Madeira de MDF (66,5 x 64,5cm e 7cm de altura) (Thiago) 1 Mangueira de aquário (3m) 1 Parafuso (2cm) 10 Parafuso (4,5cm) 11 Parafuso (7.5cm) 1 Pilhas tipo D / 1,5V (6,3 x 11,6 x 10cm) 2 Porcas (3/16) 11 Prego (12,5cm) 1 Rolamento (35mm) (Thiago) 1 Seringas 20cc (4cm) 6 T (25mm) (thiago) 1 Tinta Amarelo (acabamento da base) 1 Tinta Coral secagem rápida (base) 1 Tubo (15cm) (Thiago) 2 Tubo (3cm) (Thiago) 1 Tubo (5cm) (Thiago) 1 Tubo 40 1 13 5. CÁLCULOS A pressão mede a razão entre o módulo de uma força F, aplicada perpendicularmente sobre uma superfície e a área A da superfície. 5.1. Fórmula da área de um cilindro A = (π.d²) / h Onde, A = Área d = Diâmetro a) Área da seringa de 20 ml Diâmetro = 40 mm = 4 cm Altura = 92 mm = 9,2 cm A = (2 . 3,1415 . 4,6²) . 10 A ≈ 1,330cm³ 5.2. Fórmula de pressão Para calcular a pressão e a força exercida pelos cilindros para movimentar o guindaste hidráulico, usaremos com o base uma Força de 10 N. P = F / A Onde, P = Pressão (Pa) F = Força (N) A = Área (cm³) a) Para seringa de 20 ml P = 10 / 1,330 P ≈ 7,52 (Pa) 5.3. Cálculo de força F = A . P F = Força resultante na seringa maior A = Área da seringa maior P = Pressão resultante na seringa menor a) Força da seringa de 20ml F = 1,330 . 7,52 F = 10,0016N Esta pressão será a mesma no cilindro de saída, pois o diâmetro das seringas é igual. Isto pode ser afirmado segunda a lei de Pascal. 14 6. PROJETO 6.1. Esquema hidráulico Figura 3: Esquema hidráulico (seringas). Fonte: DIAS, Thiago F N; 2015 6.2. Esquema elétrico (eletroímã) Figura 4: Esquema elétrico do eletroímã Fonte: Imagem Própria 15 6.3. Desenho técnico do guindaste Figura 5: Desenho técnico manual do guindaste Fonte: Imagem Própria 16 Figura 6: Desenho técnico do guindaste (AutoCad) Fonte: Imagem Própria 17 7. CONSTRUÇÃO7.1. Pista de prova e estrutura Após o término do projeto e a compra dos materiais necessários, iniciamos a construção do guindaste pela pista de prova, onde será delimitado o percurso que ele deve fazer para alcançar os alvos. A pista foi construída utilizando compensado de madeira, medindo 665 mm de largura por 645 mm de comprimento. Nela foram marcadas as áreas onde o peso deve ser içado e transportado, conforme indicado na figura abaixo. Figura 7: Esquema da pista de prova para o guindaste hidráulico. As regiões O, A e B possuem área de 10 x 10 cm². Fonte: Edital de Atividades Práticas Supervisionadas – 2º Semestre 2020 – UNIP No ponto X será centralizado o braço do guindaste, onde foi feito um furo de aproximadamente Ø 5 cm e um rasgo semicircular que servirá como referência para o mecanismo de rotação. Para auxiliar no movimento foram colocados rolamentos verticalmente na base do braço, assim diminuindo o atrito e distribuindo o peso do guindaste. 18 Utilizamos uma serra copo para cortar a base em círculo para colocação do rolamento (rolimã) embaixo da pista, com um furo que serve de guia para o guindaste. A base redonda acima da pista de prova está acoplada a um T, quatro canos e um joelho. A ponta do 4º cano está ligada à haste da seringa por um parafuso, ruela e porca, como pode ser visto nas figuras abaixo. Figura 8: Mecanismo de rotação do braço. Fonte: Imagem Própria Figura 9: Mecanismo de rotação do braço. Fonte: Imagem Própria A próxima etapa foi o corte e furação das peças conforme o desenho do item 6.3, que formam a estrutura do guindaste. Para articular os braços foram usados parafusos com porcas e arruelas para alinhar cada peça em seu lugar, sem travá-las. Figura 10: Estrutura do guindaste montada Fonte: Imagem Própria 19 7.2. Hidráulica e eletroímã O sistema hidráulico que dará movimento ao guindaste é bem simples, foram utilizadas seis seringas, três para controle e três como atuadores conforme indicado no esquema hidráulico no item 6.1. As seringas que trabalham como atuadores foram fixadas aos canos do guindaste por parafusos travantes, assim gerando uma mobilidade já que os atuadores devem se deslocar junto com o movimento do braço para melhorar o alcance da haste da seringa. Como não há um grande esforço, o fluido utilizado foi a água e nela adicionado os corantes laranja, azul e amarelo para melhorar a estética, uma cor para cada seringa. Na figura 11, é possível ver o sistema já montado no braço. Figura 11: Sistema hidráulico montado. Fonte: Imagem Própria As seringas de controle por questão estética foram fixadas abaixo da pista de prova, embutidas em furos no MDF, como mostra figura 12. 20 Figura 12: Controles do sistema hidráulico Fonte: Imagem Própria Para fazer o eletroímã utilizamos 1 prego de 12,5cm e enrolamos um fio de cobre nele, e conectamos à duas pilhas alcalinas (tipo D) com voltagem igual a 1,5V, controlada por uma chave de contato simples. O circuito foi montado a partir do esquema elétrico do item 6.2. O eletroímã foi colocado dentro do cano do último braço do guindaste. A figura abaixo mostra o eletroímã utilizado. Figura 13: Eletroímã. Fonte: Imagem Própria 21 O resultado final, com toda a parte de acabamento e estética terminados, pode ser visto abaixo nas figuras. Figura 14: Guindaste finalizado. Fonte: Imagem Própria Figura 15: Guindaste finalizado. Fonte: Imagem Própria 8. PLANILHA DE CUSTOS Os custos são parte importante a serem considerados no projeto. O foco da realização do guindaste estava em comprar materiais e componentes de qualidade sem alto custo e principalmente sem desperdícios. Na tabela a seguir estão apresentados todos os materiais utilizados e os gastos gerados para o desenvolvimento do trabalho. Tabela 1: Custos do Projeto MATERIAL QUANTIDADE VALOR UNITÁRIO TOTAL Aguarrás 1 R$ 12,50 R$ 12,50 Arruela lisa (travamento do antebraço e braço) 16 R$ 0,12 R$ 1,92 Braçadeiras 4 R$ 3,00 R$ 12,00 Braço de apoio de cano PVC 1 R$ 0,00 R$ 0,00 Braços de cano PVC 25mm 2 R$ 0,00 R$ 0,00 Broca de aço pol. (3/16) 1 R$ 7,80 R$ 7,80 22 Cabo de 1,5m (1mm) 1 R$ 3,50 R$ 3,50 CAP de 40 2 R$ 8,00 R$ 16,00 Corante Amarelo 50ml 1 R$ 3,50 R$ 3,50 Corante Azul 50ml 1 R$ 3,50 R$ 3,50 Corante laranja 50ml 1 R$ 3,50 R$ 3,50 Fio de cobre (5m) 1 R$ 8,50 R$ 8,50 Fita Crepe Norton 1 R$ 11,50 R$ 11,50 Interruptor (chave de contato simples) 1 R$ 7,00 R$ 7,00 Joelho 25mm 1 R$ 1,50 R$ 1,50 Madeira de MDF (66,5 x 64,5cm e 7cm de altura) 1 R$ 0,00 R$ 0,00 Mangueira de aquário (3m) 1 R$ 9,00 R$ 9,00 Parafuso (2cm) 10 R$ 0,30 R$ 3,00 Parafuso (4,5cm) 11 R$ 0,11 R$ 1,21 Parafuso (7.5cm) 1 R$ 0,99 R$ 0,99 Pilhas tipo D / 1,5V (6,3 x 11,6 x 10cm) 2 R$ 14,85 R$ 29,70 Porcas (3/16) 11 R$ 0,11 R$ 1,21 Prego (12,5cm) 1 R$ 1,00 R$ 1,00 Rolamento (35mm) 1 R$ 0,00 R$ 0,00 Seringas 20cc (4cm) 6 R$ 1,59 R$ 9,54 T (25mm) 1 R$ 0,00 R$ 0,00 Tinta Amarelo (acabamento da base) 1 R$ 25,50 R$ 25,50 Tinta Coral secagem rápida (base) 1 R$ 25,50 R$ 25,50 Tubo (15cm) 2 R$ 0,00 R$ 0,00 Tubo (3cm) 1 R$ 0,00 R$ 0,00 Tubo (5cm) 1 R$ 0,00 R$ 0,00 Tubo 40 1 R$ 12,00 R$ 12,00 VALOR TOTAL R$ 211,37 23 OBS.: Os materiais que não têm valor unitário foram desconsiderados dos custos, pois são componentes retirados de produtos que foram reutilizados, ou seja, materiais dos quais já tínhamos em casa, não havendo assim necessidade de compra. Como mostra a tabela 1, o custo total para construção do guindaste foi de R$ 211,37. 24 9. CONSIDERAÇÕES FINAIS O desenvolvimento do projeto foi de grande importância, pois proporcionou um melhor entendimento sobre conceitos teóricos de pressão, força, fluidos, eletromagnetismo, entre outros. Foi possível compreender o princípio básico de funcionamento de um guindaste hidráulico industrial, estudar e verificar as leis relacionadas à pressão. Todo o cuidado na utilização dos materiais, preocupação com alinhamento, vedação das conexões, construção da estrutura gerou um resultado satisfatório. Somente o eletroímã que criamos foi capaz de suspender uma carga superior a 410g. Sendo assim, guindaste com o eletroímã acoplado foi capaz de elevar uma carga superior a 40 gramas, especificada nas normas do trabalho, e transportá-la até as áreas determinadas na pista de prova. 25 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS GOEKING, Weruska. O Setor Elétrico - Da máquina a vapor aos softwares de automação. Disponível em: <https://www.osetoreletrico.com.br/da-maquina-a-vapor- aos-softwares-de-automacao/> TRUCKADO VEÍCULOS - CAMINHÕES & CURIOSIDADES: A HISTÓRIA DO GUINDASTE. Disponível em: <https://trucado.com.br/a-historia-do-guindaste/> HPSHYDRAULIC - COMO FUNCIONA O SISTEMA HIDRÁULICO. Disponível em:<https://hpshydraulic.wordpress.com/2013/12/18/como-funciona-o-sistema- hidraulico/> ENGLER, Guilherme; Gomes, Luis Eduardo; SICCO, Mayara Santos; SARAC, Patrícia Bordon; JONAS, Rael. Braço Hidráulico e Aplicação do Princípio de Pascal. Disponível em: <http://claudemiralves.weebly.com/uploads/3/8/6/2/3862918/en_e1_n_03.pdf> "Teorema de Pascal" em Só Física. Virtuous Tecnologia da Informação, 2008- 2020. Disponível em:<http://www.sofisica.com.br/conteudos/Mecanica/EstaticaeHidrostatica/teoremad epascal.php> Mundo Educação - Eletroímã. Disponível em:<http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/eletroima.htm> MOREIRA, Diego. Sistema Hidráulico - Funcionamento e suas aplicações. Disponível em:<http://pt.slideshare.net/diegomoreira9/sistema-hidrulico> "GUINDASTE HIDRÁULICO C/ ELETROIMÃ" - YouTube. Disponível em:<https://www.youtube.com/watch?v=B-eJ0kFUwvQ&feature=youtu.be> https://hpshydraulic.wordpress.com/author/hpshydraulic/ 26 Comofazer um ÍMÃ elétrico, o ELETROÍMÃ (EXPERIÊNCIA de FÍSICA - eletromagnetismo) - YouTube. Disponível em:<https://www.youtube.com/watch?v=j2kHpzP7elQ&feature=youtu.be>
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