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FACULDADES INTEGRADAS RUI BARBOSA ENGENHARIA MECÂNICA EDUARDO MOREIRA BEZERRA ACOPLAMENTO ANDRADINA 2016 EDUARDO MOREIRA BEZERRA ACOPLAMENTO Trabalho apresentado para a disciplina Mecânica Aplicada e Elemento de Máquinas como requisito parcial de avaliação. Faculdades Integradas Rui Barbosa. Orientador: Prof. Msc. Jeferson Camargo Fukushima. ANDRADINA 2016 “O que sabemos é uma gota; o que ignoramos é um oceano”. Isaac Newton. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1. Classificação de acoplamentos ............................................................................ 07 Figura 2. Alinhamento com régua e calibrador de folga ...................................................... 07 Figura 3. Acoplamento flexível ............................................................................................ 08 Figura 4. Tipos de acoplamentos não-elásticos .................................................................. 09 Figura 5. Aplicação de acoplamentos hidráulicos ............................................................... 10 Figura 6. Verificação de ativação/ desativação de acoplamento móvel ............................... 12 Figura 7. Acoplamentos rígidos .......................................................................................... 13 Figura 8. Desenho de acoplamento rígido com flanges aparafusadas ................................ 14 Figura 9. Desenho de acoplamento de luva de compressão ou de aperto .......................... 14 Figura 10. Desenho de acoplamentos de discos ou pratos ................................................. 15 Figura 11. Acoplamento elástico de pinos de aço ............................................................... 15 Figura 12. Acoplamento periflex ......................................................................................... 16 Figura 13. Acoplamento de dupla cruzeta (garras) ............................................................. 17 Figura 14. Acoplamento elástico de fita de aço ................................................................... 18 Figura 15. Variedades de acoplamento de grades elástica ................................................. 19 Figura 16. Desenho de acoplamento composto de fita de aço ............................................ 19 Figura 17. Exemplificação das partes do acoplamento de fitas/grade de aço ..................... 20 Figura 18. Acoplamentos permanentes rígidos: tipo flanges ............................................... 20 Figura 19. Acoplamento de dente arqueado ....................................................................... 21 Figura 20. Isométrico de acoplamento de dente arqueado ................................................. 21 Figura 21. Acoplamento de dente arqueado de aço carbono .............................................. 22 Figura 22. Tipos de acoplamento elástico de lâminas ......................................................... 23 LISTA DE QUADROS Quadro 1. Verificação de defeitos comuns em acoplamento hidráulico .............................. 11 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 06 2 TIPOS DE ACOPLAMENTOS ............................................................................... 07 2.1 Permanente flexíveis ....................................................................................... 08 2.1.1 Acoplamento flexíveis não-elásticos ....................................................... 08 2.2 Acoplamentos hidráulicos ............................................................................... 09 2.2.1 Importância da carga de fluido ................................................................ 10 2.3 Acoplamentos móveis ..................................................................................... 12 2.3.1 Desalinhamentos a serem compensados ............................................... 12 2.4 Acoplamento rígido ou fixo .............................................................................. 13 2.4.1 Alguns tipos de acoplamentos fixos ........................................................ 13 2.4.2 Acoplamento com luva de compressão ou de aperto .............................. 14 2.4.3 Acoplamentos de discos ou pratos .......................................................... 14 2.5 Elástico de pinos ............................................................................................. 15 2.6 Periflex ............................................................................................................ 16 2.7 Elástico ou garras ............................................................................................ 17 2.8 Elástico de fita ou aço ..................................................................................... 18 2.8.1 Acoplamento elástico de fita de aço ........................................................ 18 2.9 Dente arqueado ............................................................................................... 21 2.10 Acoplamento Elástico de lâminas .................................................................. 22 3 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 24 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 25 6 1 INTRODUÇÃO Acoplamento é uma conexão ou interação entre dois sistemas, transferindo assim energia de um para outro. Para a mecânica e a engenharia mecânica, acoplamentos são usados para unir peças e conduzir potência. Podendo ser acoplamentos rígidos e complacentes. São elementos de transmissão de máquinas com objetivo de unir duas extremidades (eixos) de equipamentos distintos transmitindo força. Os acoplamentos preenchem outros requisitos como: Absorver desalinhamento entre os eixos; Absorver, parcialmente, choques em um dos eixos; Amortecer vibrações torcionais; Proteger máquinas e equipamentos de sobrecarga funcionando como fusível. Os acoplamentos podem ser classificados como: Rígidos Flexíveis torcionalmente rígidos Flexíveis torcionalmente elásticos Altamente elásticos As principais aplicações para acoplamentos são: Bombas Compressores Transportadores e elevadores de cargas Moinhos Laminadores Agitadores Secadores Ventiladores Grupo gerador Grupo moto-bomba 7 2 TIPOS DE ACOPLAMENTOS Os acoplamentos são componentes mecânicos utilizados em diversos seguimentos da indústria. É um elemento de fácil instalação que possui uma variedade de tipos e modelos onde se adaptam em equipamentos que necessitam de eixos para serem acoplados. Classificam-se teoricamente em rígidos, flexível e móvel, podendo ser lubrificados e não-lubrificados. Figura 1. Classificação de acoplamentos. Fonte: http://chp.com.br/site/index.php/nossas-solucoes/hda/Em sua montagem os acoplamentos rígidos não suportam desalinhamento, ficando restrita sua aplicabilidade em conjuntos extremamente alinhados. Os flexíveis compensam possíveis desalinhamentos que o conjunto possa apresentar. Os móveis funcionam como um conjunto de acionamento intermitente, estando ora acoplado, ora desacoplado. Os mesmos são montados com auxílio de instrumentos de verificação de alinhamentos sejam eles manuais ou de precisão (mecânicos ou eletrônicos), afim de garantir sua durabilidade e funcionalidade. Nesta montagem é verificado o alinhamento axial, paralelo, angular e mistos. Figura 2. Alinhamento com régua e calibrador de folga. Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAMhsAC/alinhamento-maquimas-rotativa Quanto a sua forma de construção e material utilizado na confecção os acoplamentos estão regulamentados por normas técnicas nacionais e internacionais de modo a garantir a qualidade e a confiabilidade. 8 2.1 Permanente flexíveis Figura 3. Acoplamento flexível. Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAesYUAE/acoplamentos-nor-mex-plus Acoplamento flexível e torcionalmente elástico possui flexibilidade, permite juntar duas faces do eixo e acomodar desalinhamentos radiais, axiais e angulares que ocorrem em cada montagem. Devido as suas características elásticas este tipo de acoplamento absorve choques e vibrações provenientes da máquina acionada ou acionadora. Tem elemento elástico produzido comum a borracha especial, resistente à poeira, água e óleo. Por sua construção simplificada, o permite montagem rápida dispensando lubrificação e minimizando o tempo de manutenção. Em função de suas garras, este acoplamento é à prova de deslizamento rotativo. Muitas fábricas ofertam os acoplamentos flexíveis e os outros tipos de acoplamentos, pois a demanda para a reposição dessas peças é muito alta. Mas comprar um acoplamento flexível qualquer não é a solução, já que essa peça é importante para os equipamentos que a utilizam. É necessário escolher acoplamentos flexíveis de qualidade, que absorvam adequadamente todos os choques e ainda é preciso que ele tenha um funcionamento correto, já que ele também possui a função de evitar sobrecargas. 2.1.1 Acoplamento flexíveis não-elásticos Os acoplamentos permanentes flexíveis não-elásticos compensam desalinhamento radial, axial e angular; são torcionalmente rígidos, não absorvem choques e vibrações. Entretanto, são capazes de manter o sincronismo entre as máquinas acopladas. 9 Não-Elásticos: acoplamento que permite desalinhamentos torcionais muito pequenos (paralelos e axiais são consideráveis), mas transmitem grandes potências. Há necessidade de ser lubrificado com periodicidade e quando desgastado pode ser trocado. Não-Elásticos Cardan ou junta universal: acoplamento usado na ligação de árvores que formam um ângulo permanente entre si. Numa visão geral, o cardan é composto de dois eixos tubulares, um primário, centrado a fonte motriz e outro secundário centrado ao eixo de tração. As suas extremidades contam com articulações denominadas juntas móveis universais, as quais podem possuir rolamentos, mangas de ligação, grampos ou anéis de pressão e guarda-pós para acompanhar o movimento unilateral dos mesmos. Elas não transmitem o movimento à frequência constante. Figura 4. Tipos de acoplamentos não-elásticos. 2.2 Acoplamentos hidráulicos Os acoplamentos hidráulicos consistem em uma caixa contendo um rotor na entrada ou eixo de acionamento e um corredor no eixo de saída. Ambos contêm um fluido que normalmente é o óleo que é adicionado através de um plug de enchimento na carcaça. O impulsionador, que atua como uma bomba, e o corredor, que atua como uma turbina, ambos são os rotores com pás. Os componentes são geralmente feitos de materiais metálicos, como alumínio, aço ou aço inoxidável. Os acoplamentos hidráulicos situam-se entre os acoplamentos comandáveis quando possuem variador de velocidade e torque, que absorvem desalinhamentos e choques. O elemento de transmissão de torque e rotação é o óleo, que é acionado 10 pela força centrífuga e lançado contra as pás das rodas externas (motrizes) e a interna (movida). O atrito fluido é o que permite essa transmissão de movimentos. É constituído de duas partes principais uma roda de bomba, funcionando como impulsor uma roda de turbina, funcionando como rotor. Figura 5. Aplicação de acoplamentos hidráulicos. A roda da bomba é acionada pelo motor e em virtude do efeito da força centrífuga, o líquido submetido a uma pressão na periferia exterior. O óleo que foi jogado para a periferia do acoplamento arrasta a roda de turbina que está acoplada ao eixo acionado. No instante da partida não existe uma carga sobre o eixo acionado, e, o motor parte livre, alcançando sua rotação de regime, enquanto o eixo acionado vai sendo arrastado suave e gradativamente; motivo pelo qual estes acoplamentos são usados em transmissões de altas potências. 2.2.1 Importância da carga de fluido Quantidade insuficiente O escorregamento será maior que o previsto. A máquina poderá não partir. Caso partir, a temperatura de trabalho será alta podendo romper constantemente o bujão fusível e/ou danificar os retentores. Quantidade em excesso 11 Comporta-se quase como um acoplamento rígido. Diminui-se o torque de aceleração do motor. A amperagem do motor permanece alta por mais tempo, aumentando o consumo. A máquina pode não partir. Em caso de sobrecarga da máquina o motor não estará protegido. O motor aquece mais. A tabela indica os defeitos mais comuns para este tipo de acoplamento, as causas prováveis e aponta soluções Quadro 1. Verificação de defeitos comuns em acoplamento hidráulico. Defeito observado Causa provável Providência Não atinge a velocidade Motor defeituoso ou incorretamente ligado. Checar motor (velocidade, consumo de corrente, etc.) Máquina acionada bloqueada. Checar a máquina e remover motivo do bloqueio Máquina consumindo muita potência. Checar consumo da potência compará- la com dados técnicos padrões. Quantidade de óleo excessiva, o motor não atinge velocidade. Checar o volume de óleo indicado pela Voith e o colocado no Acoplamento Hidrodinâmico. Quantidade de óleo a menos. Checar o volume de óleo indicado pela Voith e o colocado no Acoplamento Hidrodinâmico. Principais vantagens: aceleração suave de grandes massas; uso de motores elétricos de indução (gaiola) de baixo custo; redução rápida da corrente de partida do motor; limitação do torque máximo transmitido, propiciando proteção do conjunto; torque máximo ajustado pela simples mudança do volume de óleo; 12 transmissão de potência sem desgaste, pois não existe contato mecânico entre as partes; grande economia através da proteção de todos os elementos elétricos e mecânicos do acionamento, mesmo sob grande frequência de comutação ou reversão de rotação. os acoplamentos hidráulicos podem ser divididos entre os de rotação constante e de rotação variável. O nível de óleo entre as rodas é o que determina o percentual de rotação que é repassado do eixo motor para o eixo movido, assim como o torque. 2.3 Acoplamentos móveis São empregados para permitir o jogo longitudinal das árvores. Esses acoplamentos transmitem força e movimento somente quando acionados, isto é, obedecem a um comando. Os acoplamentos móveis podem ser: de garras oudentes, e a rotação é transmitida por meio do encaixe das garras ou de dentes. Geralmente, esses acoplamentos são usados em aventais e caixas de engrenagens de máquinas-ferramenta convencionais. 2.3.1 Desalinhamentos a serem compensados Fazer a verificação da folga entre flanges e do alinhamento e concentricidade do flange com a árvore. Certificar-se de que todos os elementos de ligação estejam bem instalados, antes de aplicar a carga. Figura 6. Verificação de ativação/ desativação de acoplamento móvel. 13 2.4 Acoplamento rígido ou fixo Não absorver qualquer tipo de desalinhamento, tampouco, os choques ou vibrações provenientes do funcionamento da máquina ou da partida do motor, são geralmente destinados às aplicações com necessidade de sincronismo torcional ou com constantes reversões de carga. Por não admitirem qualquer tipo de desalinhamento tais acoplamentos necessitam que se faça um alinhamento perfeito dos dois eixos acoplados, antes da partida do equipamento. Por motivo de segurança esses acoplamentos devem ser construídos sem nenhuma saliência pois provocaria um desbalanceamento no conjunto mecânico quando este entrar em rotação. São recomendados para transmissão de alta potencia em baixas rotações (<400rpm) e para o acoplamento de eixos longos. Figura 7. Acoplamentos rígidos. 2.4.1 Alguns tipos de acoplamentos fixos Acoplamento rígido com flanges parafusadas é utilizado quando se pretende conectar eixos, e é próprio para transmissão de grande potencia em baixa velocidade. 14 Figura 8. Desenho de acoplamento rígido com flanges aparafusadas. 2.4.2 Acoplamento com luva de compressão ou de aperto Facilita a manutenção de maquinas e equipamentos, contando com a vantagem de não interferir no posicionamento das árvores, podendo ser montado e removido sem problemas de alinhamento. Figura 9. Desenho de acoplamento de luva de compressão ou de aperto. 2.4.3 Acoplamentos de discos ou pratos Empregado na transmissão de grandes potencias em casos especiais, como, por exemplo, nas árvores de turbinas. As superfícies de contato nesse tipo de acoplamento podem ser lisas ou dentadas. 15 Figura 10. Desenho de acoplamentos de discos ou pratos. 2.5 Elástico de pinos Figura 11. Acoplamento elástico de pinos de aço. Fonte: http://www.mademil.com.br/produto/acoplamento-ela-stico-md-20 Os acoplamentos de pinos estão disponíveis em vários tamanhos. O elemento elástico do acoplamento de pino tem buchas de borrachas nitrílica e pinos em aço. Acoplamentos de pinos possuem cubos em ferro fundido, são de fácil instalação, isento de lubrificação, montagem na vertical e horizontal. O acoplamento de pino compensa desalinhamentos angulares e paralelos. O acoplamento elástico de pinos é um modelo bastante requisitado. Os pinos responsáveis pela união dos dois flanges são cobertos de borracha, permitindo assim que tenham um certo movimento durante o trabalho do equipamento. A cobertura de borracha se deforma, fazendo com que este acoplamento absorva pequenos choques e compense alguns desalinhamentos. Principais funções: unir dois eixos; 16 compensar desalinhamentos; absorver choques e vibrações; transmitir torque; atuar como fusível. O acoplamento elástico de pinos é extremamente importante pois possui como uma de suas características básicas fazer a união ou ligação entre dois eixos. Quando é feita a união entre dois eixos usando um acoplamento mecânico, é transferida a potência e a rotação do lado motor (transferindo torque) do lado motor para o lado movido da máquina acionada. Um acoplamento elástico de pinos, além de realizar a união entre um eixo motor e um eixo movido (transmitindo o torque), tem como outra característica muito importante, compensar desalinhamentos entre os eixos. 2.6 Periflex Figura 12. Acoplamento periflex. Fonte: http://www.kleinautomacao.com.br/br/produtos/acoplamentos/acoplamentos-elasticos/acoplamento-elastico-periflex/ Este acoplamento é caracterizado por uma elevada elasticidade e uma extrema facilidade de montagem. O elemento elástico é fabricado em borracha, reforçada internamente. O elemento recebe um corte radial em uma posição, que permite sua substituição sem necessidade de afastamento axial das máquinas acopladas. Não existe folga e atrito mecânico entre a parte elástica e a metálica. A sua característica de elevada elasticidade o diferencia largamente da maioria dos acoplamentos utilizados no setor industrial. Em função da condição de uso e do tamanho, adapta-se, portanto, facilmente às condições de trabalho absorvendo e compensando grandes desvios de alinhamento. É capaz em bom grau, de absorver com excepcional eficácia a vibração torcional induzida sobre o 17 eixo, gerada pelas variações cíclicas do momento de torção e choques consequentes das bruscas variações de velocidade. O acoplamento periflex indicado nas montagens que apresentam um alinhamento dificultoso, problemas de vibrações ou dilatação térmica dos eixos acoplados, choques em caso de manobras frequentes, inversão de rotação ou presença de altos picos de torques. Graças às suas características elásticas não é necessário obter um alinhamento perfeito entre os eixos a serem acoplados. 2.7 Elástico ou garras Figura 13. Acoplamento de dupla cruzeta (garras). Fonte: http://www.maisplastico.com.br/produtos/123132/acoplamento-am-acoplamento-de-dupla-cruzeta Os acoplamentos de garra são compostos por dois cubos simétricos de ferro fundido cinzento, e um elemento elástico alojado entre eles, de borracha sintética de elevada resistência a abrasão. Esta configuração torna apto ao acoplamento ser torcionalmente elástico e flexível em todas as direções, absorvendo vibrações, choques, desalinhamentos radiais, axiais e angulares; protegendo desta forma os equipamentos acoplados. Estes acoplamentos permitem trabalho em posição horizontal e vertical, desde que corretamente fixados, e aceitam reversões de movimentos. Podem ser usados em temperaturas de –20 C° a 80 C°. Em função de sua forma construtiva simples, dispensam cuidados e ferramentas especiais para sua montagem, tornando este trabalho rápido e fácil. Não necessitam manutenção e nem lubrificação. 18 2.8 Elástico de fita ou aço Figura 14. Acoplamento elástico de fita de aço. Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfTBgAF/conceito-acoplamento Consiste de dois cubos providos de flanges ranhuradas, nos quais está montada uma grade elástica que liga os cubos. O conjunto está alojado em duas tampas providas de junta de encosto e de retentor elástico junto ao cubo. Todo o espaço entre os cabos e as tampas é preenchido com graxa. Apesar de esse acoplamento ser flexível, as árvores devem estar bem alinhadas no ato de sua instalação para que não provoquem vibrações excessivas em serviço. 2.8.1 Acoplamento elástico de fita de aço O acoplamento elástico de fita de aço é constituído, geralmente, através de dois flanges, que consistem em discos de metais nos quais são fixados os eixos. O furo onde os eixos ficam encaixados recebem o nome de cubo. Outro elemento muito importante é o que faz a ligação entre os dois flanges, que podem ser pinos, parafusos ou elementos de borracha, entre outros. É possível encontrar diversos tipos de acoplamentos e eles recebem uma classificação de acordo com sua característica e como trabalham, assim, podem ser chamados de fixos, elásticos ou móveis.O acoplamento elástico de fita de aço entra nessa divisão. 19 Figura 15. Variedades de acoplamento de grades elásticas. Figura 16. Desenho de acoplamento composto de fita de aço. 20 Figura 17. Exemplificação das partes do acoplamento de fitas/grade de aço. Observação: Tamanho 3 a 11 – Usa – se grade elástica de camada simples; Tamanho 12 a 190 – Usa-se grade elástica de camada dupla. Figura 18. Acoplamentos permanentes rígidos: tipo flanges. As flanges utilizam um componente com eixo oco (engrenagem, polia, etc.) para realizar a fixação sem o uso de chavetas. 21 2.9 Dente arqueado Figura 19. Acoplamento de dente arqueado. Fonte: http://tecmecanico.blogspot.com.br/2012/09/acoplamentos.html Os dentes possuem a forma ligeiramente curvada no sentido axial, o que permite até 3 graus de desalinhamento angular. O anel dentado (peça transmissora do movimento) possui duas carreiras de dentes que são separadas por uma saliência central. Figura 20. Isométrico de acoplamento de dente arqueado. Fonte: http://pt.slideshare.net/EltonRicardo/acoplamentos-39271768 O que são muito utilizados em bombas d'água, é o acoplamento de dentes arqueados. O seu elemento central é feito de nylon e tem a comunicação com os flanges feita através de dentes. Os dentes do flange são arqueados, isto é, levemente arredondados no sentido do comprimento. 22 Figura 21. Acoplamento de dente arqueado de aço carbono. 2.10 Acoplamento Elástico de lâminas Acoplamentos de lâminas apresentam ótimas características de velocidade e capacidade de transmissão de torque, podendo ser aplicados para até 25000 RPM. Feitos basicamente de lâminas de um material de alta resiliência, são utilizados em feixes (3 ou 4 lâminas para dar a rigidez necessária ao conjunto), dispensam lubrificação externa e sua integridade pode ser checada visualmente. Os bons fabricantes, sabendo dessa peculiaridade do acoplamento, já os fornecem balanceados para elevadas rotações, o que impede sua excessiva vibração após sua montagem. A temperatura de trabalho também é alta devido a sua composição metálica: 120 ºC. Os desalinhamentos máximos permissíveis são de 4 graus angulares e 0,4 mm radial. O acoplamento de lâminas pode ser fornecido com um ou dois estágios de lâminas, da mesma forma que o modelo de fole. A peça intermediária aos dois foles melhora a característica de absorver desalinhamentos laterais do acoplamento, que passa a trabalhar agora com o mesmo principio de um eixo cardan. São muito utilizados também na ligação de eixos rotativos com desalinhamentos, normalmente inevitáveis. Por serem torcionalmente rígidos, são indicados para trabalhos com a necessidade de sincronismo torcional e podendo trabalhar nas temperaturas entre - 40°C a 280°C. 23 A remoção radial do jogo de lâminas permite a rápida e fácil manutenção sem se deslocar as máquinas acopladas. Figura 22. Tipos de acoplamento elástico de lâminas. 24 3 CONCLUSÃO O objetivo principal dos acoplamentos é juntar duas peças de equipamentos rotativos, permitindo simultaneamente a um certo grau de desalinhamento ou no final do movimento ou ambos. Pela cuidadosa seleção, instalação e manutenção de acoplamentos, economias substanciais podem ser feitas nos custos de manutenção reduzidos e tempo de inatividade. Mesmo com a manutenção adequada, no entanto, acoplamentos podem falhar. instalação inadequada; má seleção de acoplamento; operação para além de capacidades de concepção. A única maneira de melhorar a vida de engate é entender o que causou a falha e corrigi-lo antes de instalar uma nova ligação. Alguns sinais externos que indicam falhas de engate em potencial incluem: anormal de ruído, como guinchos, gritando ou conversando; vibração excessiva ou oscilação; falha selos indicados pelo vazamento de lubrificante ou contaminação. Acoplamentos são usados em máquinas para diversos fins, o mais comum dos quais é o seguinte: Para fornecer a conexão de eixos de unidades que são fabricadas separadamente, como um motor e gerador e fornecer para a desconexão de reparos ou alternâncias. Para fornecer o desalinhamento dos eixos ou para introduzir uma certa flexibilidade mecânica. Para reduzir a transmissão de cargas de choque de um eixo para outro. A introdução da proteção contra sobrecargas. Para alterar as características das unidades de vibração rotativa. 25 REFERÊNCIAS 1. CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA - CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO – Apostila 2. Instituto Federal de educação Ciência e Tecnologia de Santa Catarina – Campus Araranguá - Elementos de Máquinas – Apostila Modulo 3, Prof. Daniel João Generoso – 2009 3. Noções Básicas de Elementos de Máquinas – SENAI – ES, 1996 4. www.wikimedia.org 5. www.driveshafts.com.au 6. www.powerflex.com.br