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UNIVERSIDADE PAULISTA CARLOS ANTONIO MALVA JUNIOR - B7977C7 CARLOS MAGNO NOGUEIRA – B77GBB9 DANIEL ALMEIDA SALES - B75822-8 DANIEL CARNEIRO DE SOUZA - B8110F3 GUILHERME LEONARDO S DE ARAUJO - B838116 LEICIENE SILVA PEREIRA - B78EEH2 LUCAS ESPINDOLA DE SOUZA – B61182-0 LUCIANO DE SOUZA ROCHA - 912672-4 HERMES P DOS SANTOS JUNIOR - B59GGD3 IGOR RODRIGUES DE MORAIS - B94JJE3 ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA: ELEVADOR GOIÂNIA 2016 UNIVERSIDADE PAULISTA CARLOS ANTONIO MALVA JUNIOR - B7977C7 CARLOS MAGNO NOGUEIRA – B77GBB9 DANIEL ALMEIDA SALES - B75822-8 DANIEL CARNEIRO DE SOUZA - B8110F3 GUILHERME LEONARDO S DE ARAUJO - B838116 LEICIENE SILVA PEREIRA - B78EEH2 LUCAS ESPINDOLA DE SOUZA – B61182-0 LUCIANO DE SOUZA ROCHA - 912672-4 HERMES P DOS SANTOS JUNIOR - B59GGD3 IGOR RODRIGUES DE MORAIS - B94JJE3 ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA: ELEVADOR GOIÂNIA 2016 Trabalho apresentado como exigência para avaliação do 8° semestre, do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Paulista – UNIP Orientador: Prof. Thiago Pereira DEDICATÓRIA E AGRADECIMENTOS "Dedicamos este trabalho aos nossos pais por se constituírem diferentemente enquanto pessoas, por serem admiráveis em essência, o que nos estimula a buscar crescimento pessoal e realização a cada dia. Agradecemos a Instituição na qual estudamos, aos professores que nela lecionam e que nos dão a oportunidade de crescermos profissionalmente e pessoalmente. Agradecemos a Deus pelo dom da vida e aos nossos amigos, familiares e todos aqueles que nos incentivam a alcançar nossos sonhos e objetivos. ” "Há uma regra para industriais que é: Fazer a mercadoria de melhor qualidade possível, no menor custo possível, pagando o mais alto salário possível." (Henry Ford) RESUMO O presente trabalho tem como predominante proposta à pesquisa, planejamento e desenvolvimento de um protótipo de um elevador controlado por um circuito programável na plataforma arduino. Este por objetivo apresentar em pauta acadêmica o passo a passo da construção através de ilustrações (fotos), além de descrever os materiais e ferramentas utilizadas, expor o esboço do projeto, metodologia, resultados preliminares, conclusões finais e referências bibliográficas. Todo o trabalho, tanto protótipo quanto parte escrita, devem seguir as conformidades propostas no edital disponibilizado pela coordenação do curso de engenharia mecânica da Universidade Paulista Campus Flamboyant. Palavras chaves: elevador, protótipo, controle programável por arduino. Abstract The following project predominantly pertains to the research of, planning and development of a prototypical elelvator controlled by a programmable circuit of the arduino platform. The objective of which is to present academically the step-by-step construction through illustrations (pictures), as well as describing the materials and tools used, portray the sketch of the project, methodology, preliminary results, final conclusions and bibliographic references. The entire work, prototypical as well as written, should follow the guidelines dictated by the notice made available by the committee of the school of mechanical engineering of the Flamboyant Campus of the University of São Paulo. Keywords: elevator, prototype, arduino programmable control. Sumário OBJETIVO ......................................................................................................... 9 1. Elevador .................................................................................................... 10 1.1 Elementos de um elevador ......................................................................... 11 1.2 Tipos especiais de Elevador ....................................................................... 12 2. MATERIAIS E CÁLCULOS UTILIZADOS ................................................ 12 Materiais ..................................................................................................... 12 Cálculos ...................................................................................................... 13 Flambagem ................................................................................................ 13 Tensão máxima de ruptura (Cisalhamento) ............................................... 14 Velocidade .................................................................................................. 15 3. DESENHO TÉCNICO, ESQUEMA ELETRICO ......................................... 18 4. ETAPAS DE CONSTRUÇÃO .................................................................... 19 5. RESULTADOS PRELIMINARES .............................................................. 21 6. PLANILHA DE CUSTOS ........................................................................... 21 7. CONCLUSÕES ......................................................................................... 22 8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ......................................................... 23 OBJETIVO Projetar e construir um elevador, que permita o levantamento e transporte de uma massa padrão para três posições (Andar) pré-estabelecido. Tem-se como objetivo principal neste projeto, desenvolver um protótipo de elevador de carga, atendendo os métodos e aplicações variando suas necessidades. Neste caso atendendo as elevações de carga de pessoas e equipamentos que estão relacionadas na área da construção civil e afins. Tem-se também por objetivo contribuir indiretamente para melhorar a qualidade da construção e para aumentar a produtividade do mesmo, isto porque irá poupar os operários de esforços físicos que provocariam um nível de fadiga, o que é refletido diretamente na construção ou outro tipo de trabalho que necessita do elevador de carga. 10 1. Elevador A história do elevador começou de forma simples como um sistema de pesos e contrapesos, mais ou menos a 1500 a.C, no Egito. Os egípcios foram os primeiros povos a utilizarem métodos elevatórios para a retirada de água do rio Nilo, com o auxílio da força de tração animal e humana. Depois disso, com a Revolução Industrial, foram substituindo por energia do vapor e eletricidade. Os romanos também foram povos que faziam o uso de tal sistema em larga escala, também utilizavam para deslocamento de pessoas, mais algo restrito apenas em casas de nobres ricos da Roma. No ano de 1853 que um empresário americano chamado Elisha Graves Otis inventou o primeiro elevador de passageiros com sistema de segurança. Elisha criou um trilho para a passagem do cabo, resolvendo assim o problema de oscilação e nesse mesmo trilho foi aplicado um sistema de garras que servia para travar o elevador na eventualidade do cabo se partir. Essa inovação permitiu a utilização do elevador em segurança para o uso das pessoas. Mas os elevadores eram muito lentos, demoravam para 45 vezes mais para alcançarem o oitavo andar do que os de hoje em dia. O primeiro elevador de passageiros foi inaugurado em 1857 em um edifício de cinco andares de loja. Graças as extraordinárias inovações de Elisha Graves Otis, hoje ele é reconhecido como o homem que inventou o elevador (DANTAS,Tiago. "História do Elevador"; Brasil Escola). Imagem 1: Elisha Graves Otis Fonte: Google imagens 11 1.1 Elementos de um elevador Segundo (TECH ELEVADORES, 2016), um elevador comum é composto por 6 elementos básicos. São eles: Casa de máquinas – Local onde são instalados os componentes e os equipamentos necessários ao funcionamento do elevador. Na maioria das vezes, a casa de máquinas quase sempre é construída na parte superior do edifício. Com os avanços tecnológicos, existem alguns modelos mais modernos de elevador que dispensam a presença da casa de máquinas; nesses mesmos modelos, o motor fica apoiado nas guias (trilhos do elevador), e o quadro de comando é embutido ao lado da porta do primeiro ou do último pavimento mais isso depende do fabricante; Cabine – Compartimento onde ficam as pessoas ou carga a ser transportada. No seu interior, quase sempre é informada o número máximo de passageiros ou o peso total permitido; Contrapeso – Componente fundamental do sistema, o qual permite que a carga na cabine seja transportada e balanceada utilizando menos energia na operação; além de permitir o equilíbrio das cargas distribuídas por todo o equipamento, o contrapeso tem a função de reduzir a força necessária para se elevar a cabine, bem como proporcionar uma certa desaceleração da velocidade do elevador durante a descida. O contrapeso, para ser dimensionado corretamente, deve ter um peso correspondente a, no mínimo, 40% do peso da cabine e da capacidade máxima do elevador. Caixa ou caixa de corrida – Parte da edificação na qual a cabine se move (subindo ou descendo); Patamar ou pavimento – Local para entrada ou saída de carga da cabine ou para entrada e saída de passageiros; Poço – Parte inferior da caixa de corrida onde ficam instalados dispositivos de segurança (para–choques), para proteção de limite de percurso do elevador. 12 1.2 Tipos especiais de Elevador Elevador a vácuo – Equipamento usado em escritórios, clínicas, casas e, normalmente em apartamentos "duplex". Atende até 3 andares, é econômico, seguro e prático; Elevador transversal ou funicular; Plataforma elevatória – Elevador formado por uma placa sem paredes, onde podem se colocar cargas para transportar entre diferentes níveis (normalmente em uma oficina); Elevador de cozinha – Pequeno elevador que liga a cozinha ao refeitório, quando estes se situam a níveis diferentes, para transportar utensílios culinários (ou comida pronta a servir). 2. MATERIAIS E CÁLCULOS UTILIZADOS Materiais Tabela 1 – Materiais usados Nome do Item Descrição Arduino Arduino UNO R3 Barra de Pinos Macho e Fêmea Botão com Lede Botao de Acionamento Cabo de Aço 05/32 Galvanizado 10m Caixa Plástica Caixa de proteção Disco de Corte Fino1/2 Fios 1m fio 2mm Fonte Fonte 220-12v 10a Ima Ima Jumper Jumper Macho Para Arduino MDF 1x1m Metalon 40x30 Modulo Rele 5v 15A Motor Motor CC 12v Placas Placas de Aviso/Segurança Protoboard Protoboard Breadboard 400 Pontos Resistor 220Ω Roldana Tecnil Sensor Sensor Magnetico Tela moeda Tela Moeda 8m 13 Cálculos Para elaboração do projeto foram realizados cálculos de flambagem (para as vigas de sustentação laterais da estrutura), cisalhamento (para as vigas), velocidade para espessura do eixo de tração do peso e, ruptura (para verificar se as dimensões dos eixos são seguras). Para realizar os cálculos foram usados os dados do fornecedor dos materiais. Imagem 2 – Dados tubo retangular metalon Fonte: skylight estruturas, 2016. Flambagem Quando busca-se encontrar a força crítica em vigas esbeltas é usado a equação de Euler: 𝐹𝑐𝑟 = 𝐸∗𝐼∗𝜋2 𝐿2 (2.3.1) Tendo que: 𝐹𝑐𝑟 = Força critica 𝐸 = Modulo de elasticidade 14 𝐼 = Momento de Inércia 𝐿 = Comprimento da viga Para definir se a viga é esbelta usa-se o coeficiente de esbeltes (𝛾), que é o comprimento da viga dividido pelo comprimento característico (𝑐): 𝛾 = 𝐿 𝑐 (2.3.2) 𝛾 = 1500 40 (2.3.3) 𝛾 = 37,5 (2.3.4) No caso de uma viga engastada de ambos os lados tem que: 𝐿 = 𝐿 2 (2.3.5) Substituindo a equação (2.3.5) em (2.3.1): 𝐹𝑐𝑟 = 𝐸∗𝐼∗𝜋2 (𝐿 2⁄ ) 2 (2.3.6) I= 3,297*104 mm4 A=136 mm2 E= 1698 mm3 L= 50 mm 𝐹𝑐𝑟 = 1698 ∗3,297∗104∗𝜋2 (50 2⁄ ) 2 = 8810,6𝑁 (2.3.6) Então cada viga da estrutura suporta sem flambar uma carga de 8810,6 N. Sendo a estrutura formada por quatro (vigas de sustentação laterais) a estrutura suporta com segurança sem flambar uma carga de mais de 35kN. Tensão máxima de ruptura (Cisalhamento) A maior tensão de flexão ocorre no meio das duas vigas centrais superiores onde é posicionado o motor responsável por elevar a caixa do elevador. Considerando o pior caso, onde a carga é totalmente concentrada exatamente no meio das duas 15 vigas, deve ser feito o cálculo de flexão. Para este sabe-se que esta viga tem perfil retangular de 40mm x 30mm, chapa de espessura 1mm e comprimento 1,10m. Seguindo os dados catalogados pelo fornecedor presente na imagem 2: I= 3,297*104 mm4 A=136 mm2 E= 1698 mm3 L= 110 mm Considerando que este elevador, peso da caixa e carga, tenha uma carga de 240N e lembrando que a carga é distribuída para duas vigas cada viga terá carga de 120N. Desta forma cada apoio terá ração (Ra=Rb) de 60N. Consequentemente essa carga resultara em um momento (Mmáx) de 33N.m, resultante da carga de 60N pela distância de 0,55m. 𝜎𝑚𝑎𝑥=Tensão máxima; Mmáx= Momento máximo; 𝑐= distância entre o ponto médio da secção e a extremidade e; 𝐼 = Momento de Inércia. 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 𝑀𝑚á𝑥∗𝑐 𝐼 (2.4.1) Onde “c” é a altura da viga dividido por 2 (0,04m/2); 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 33∗0,02 3,187∗10−8 = 20,6𝑀𝑃𝑎 (2.4.2) Sendo a tensão de escoamento (𝜎𝑒𝑠𝑐) do material usado 80Mpa usando um coeficiente de segurança (N) igual a 2 deve calcular a tensão máxima admissível (𝜏𝑎𝑑𝑚). 𝜏𝑎𝑑𝑚 = 𝜎𝑒𝑠𝑐 𝑁 (2.4.3) 𝜏𝑎𝑑𝑚 = 80𝑀 2 = 40𝑀𝑃𝑎 (2.4.4) A tensão máxima aplicada às vigas é bem menor que a tensão admissível, portanto a viga não deve fletir. Se a viga não flete também não falhará por cisalhamento. Velocidade As normas de construção pedem que o protótipo levante a carga com uma velocidade média de 1 m/min. Foram reutilizados motores 12V. Por meios de testes obteve que estes motores tem uma rotação por segundo. 16 Imagem 3 – Esquema de levantamento da carga Fonte: Própria, 2016 P=100 N; rps= 1 rps; 𝜔= 2π rad/s; 𝑣𝑚= 1m/min = 1 60 m/s; P= peso a ser levantado; rps= rotações por segundo; 𝜔= velocidade angular; 𝑣𝑚= velocidade média e; 𝑅= raio do eixo. 𝑣𝑚 = 𝜔 ∗ 𝑅 (2.5.1) 1 120 = 2𝜋 ∗ 𝑅 (2.5.2) 𝑅 = 0,002 𝑚 𝐷 = 10 𝑚𝑚 17 Portanto para atender à solicitação de velocidade de subida de 1 m/min deve ser usado um eixo de 10 mm de diâmetro. Eixo Imagem 4 – Esquema do eixo acoplado ao motor Fonte: Própria, 2016 Para verificar se o eixo de 5 mm de diâmetro usado não irá falhar tem-se os dados: Tensão de escoamento do aço 1020 = 200 MPa; Momento máximo do motor (M) = 16,9 MPa;Ks = 2; Km = 2; Fator de segurança (N) = 3 Onde: KM -Fator combinado devido ao choque e à fadiga que deve ser aplicado ao momento de flexão calculado. KM - Fator combinado devido ao choque e à fadiga que deve ser aplicado ao momento de torção calculado O eixo deverá ser fabricado em AÇO SAE 1020 cuja tensão de escoamento é 200MPa. Sua tensão admissível é dada pela eq. (2.4.4) representada no item anterior. 𝜏𝑎𝑑𝑚 = 200∗105 3 = 66,67𝑀𝑃𝑎 (2.5.3) Torque do motor (𝑇) é a relação entre a potência do motor (𝑃𝑀) e a velocidade angular (𝜔). 18 𝑃𝑀 = 𝜔 ∗ 𝑇 (2.5.4) 10,2 = 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑇 (2.5.5) 𝑇𝑀 = 1,62 𝑁. 𝑚 (2.5.6) Para que não haja a quebra do eixo acionado pelo motor é necessário saber qual o diâmetro mínimo que suporta a carga estabelecida. É possível descobrir esse diâmetro através da seguinte equação de Von Mises para eixos. 223 ).().( . 16 TKMKD SM adm (2.5.7) 223 )62,1*2()9,16*2( 67,66* 16 D = 1,37 𝑚𝑚 (2.5.8) O diâmetro usado no eixo é maior que o mínimo permitido. Portanto pelos cálculos acima apresentado não haverá falha no eixo quanto a torque e ruptura por carga, tendo ainda uma margem de segurança de trabalho. 3. DESENHO TÉCNICO, ESQUEMA ELETRICO Imagem 5 – elevador Fonte: Própria, 2016 19 Imagem 6 – Elevador Fonte: Própria, 2016 4. ETAPAS DE CONSTRUÇÃO Primeiramente foi montado o projeto utilizando um programa CAD, onde foi discutido a forma da estrutura e todos os seus detalhes, como posição das roldanas, travamento da estrutura, posicionamento do motor e das guias as quais sustentam o elevador na vertical e não permite que o mesmo mova na horizontal, as guias servem como trilhos, onde os rolamentos que são presos na caixa do elevador são apoiados. Com o projeto em mãos, foi executado os seguintes passos: Passo 1 De posse do metalon 40 x 30 com chapa de 1mm, devidamente cortado de acordo com o projeto, foi realizada a soldagem da estrutura externa e interna, juntamente com a tela de proteção e a base de sustentação do motor com os mancais, a fixação das cantoneiras e roldanas na sequência. Passo 2 Fixação do motor na estrutura, fixação do cabo de tração passando por todas as roldanas, e fixando na parte superior da estrutura cerca de 15cm a frente do motor. 20 Passo 3 Fixação dos sensores na parte externa da estrutura, um para cada andar, e em sequência a fixação do sensor magnético que se localiza na parte superior da caixa do elevador. Passo 4 Instalação elétrica, com a passagem dos cabos que conectam os sensores e o motor a placa de comando Passo 5 Upload do programa para dentro da placa. Passo 6 Estética, placas de aviso e de segurança alertando sobre a capacidade máxima de trabalho em kg, as condições em que não se deve usar o elevador, e perigos que põem em risco a integridade física do operador. Juntamente com a forração do piso em MDF e pintura da estrutura. Imagem 7 – Elevador Fonte: Própria, 2016 Passo 7 Realização dos testes. 21 5. RESULTADOS PRELIMINARES Ao montar o elevador notou-se que o mesmo não conseguia subir a carga proposta e se permanecia estático, notou-se então que só uma roldana se fazia insuficiente para elevar a carga proposta, foi acrescentada então mais seis roldanas três na parte inferior e três na parte superior, diminuindo o esforço no motor, sendo capaz de elevar a carga proposta. Durante os testes observou-se que o espaço entre os sensores e o ima era maior do que o ideal para ambos funcionarem corretamente, fazendo assim com que o programa não identificasse o elevador o mesmo então, não conseguia parar, a distância foi ajustada então para 2cm, sendo assim o programa conseguiu identificar perfeitamente o sensor e parar o elevador nos andares corretos, impossibilitando o elevador de passar dos andares programados. 6. PLANILHA DE CUSTOS Tabela 2 – Custo do projeto Nome do Item Descrição Preço Quantidade Valor Arduino Arduino UNO R3 R$45,00 1 R$45,00 Barra de Pinos Macho e Fêmea R$5,50 2 R$11,00 Botão com Lede Botao de Acionamento R$13,00 3 R$39,00 Cabo de Aço 05/32 Galvanizado 10m R$1,90 10 R$19,00 Caixa Plástica Caixa de proteção R$8,00 1 R$8,00 Disco de Corte Fino1/2 R$4,00 5 R$20,00 Fios 1m fio 2mm R$2,00 8 R$16,00 Fonte Fonte 220-12v 10a R$80,00 1 R$80,00 Ima Ima R$10,00 1 R$10,00 Jumper Jumper Macho Para Arduino R$15,00 1 R$15,00 MDF 1x1m R$25,00 1 R$25,00 Metalon 40x30 R$38,00 3 R$114,00 Modulo Rele 5v 15A R$2,80 10 R$28,00 Motor Motor CC 12v R$40,00 1 R$40,00 Placas Placas de Aviso/Segurança R$15,00 1 R$15,00 Protoboard Protoboard Breadboard 400 Pontos R$31,00 1 R$31,00 Resistor 220Ω R$1,00 10 R$10,00 Roldana Tecnil R$15,00 6 R$90,00 Sensor Sensor Magnetico R$13,00 4 R$52,00 Tela moeda Tela Moeda 8m R$134,00 1 R$134,00 Total da fatura R$802,00 22 7. CONCLUSÕES Portanto é notório a busca de conhecimento prévio do mecanismo a ser projetado, iniciando por sua história, analisando seus impactos com o objetivo de suprir eventuais necessidades da sociedade. Porem em continuo desenvolvimento tecnológico. No entanto é indispensável o profundo conhecimento técnico, dos cálculos e materiais a serem utilizados, analisando com cautela os dados fornecidos pelo catalogo do fabricante e suas respectivas unidades. Prevendo reações internas do material na realidade em que o elevador irá trabalhar, utilização de forma impropria pelos operadores e eventos inesperados. Utilizando se de coeficientes de segurança de maneira segura e com custo benefício. Contando com profissionais capacitados em todo processo de fabricação para a materialização exata do projeto. A estrutura montada através de técnicas de sondagem fazendo o uso de tubos de aço obtidos através de processos de conformação mecânica. Sendo a parte elétrica fundamentada na plataforma programável (arduino), com a utilização de sensores, potenciômetro e botoeiras de cores que facilitam a visualização, visando o fácil manuseio. 23 8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS DANTAS, Tiago. "História do Elevador"; Brasil Escola. Disponível em <http://brasilescola.uol.com.br/historia/historia-elevador.htm>. Acesso em 02 de novembro de 2016. SKYLIGHT estruturas metálicas. http://www.skylightestruturas.com.br/tubos_retangulares2.asp ; acesso em 28 de abril de 2016 ALPHA elevadores. “Conheça os principais componentes de um elevador”; disponível em <http://elevadoresalpha.com.br/dicas-uteis/conheca-os-principais-componentes- de-um-elevador> ; Acesso em 02 de novembro de 2016. TECH elevadores. “Elementos de um elevador”; disponível em <http://sdtechelevadores.com.br/2016/06/10/elementos-de-um-elevador/> ; Acesso em 02 de novembro de 2016.
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