APS- Ponte Rolante

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Atividade Prática Supervisionada
Ponte Rolante e Empilhar
BRUNO ROBERT GOMES ENOCENCIO RA: C3440A-9 (EM8P01)
IGOR SANTOS VASCONCELOS RA: C6395G-4 (EM8P01)
RAFAEL FERNANDES BARBOSA RA: C52871-4 (EM8P01)
Novembro/2018
São Paulo
OBJETIVO
Projetar e construir uma ponte rolante e empilhar que transporte uma carga de prova de 1 kgf no percurso de 40x60cm com 6 pontos de carga e descargas estabelecido pela APS.
DESENVOLVIMENTO TEÓRICO
A ponte rolante tem como papel principal suspender e movimentar cargas elevadas no sentido vertical, transversal e longitudinal, dentro de um espaço limitado, geralmente instalado em um galpão industrial (FIGURA 1). Feita de materiais muito resistentes e pesados para suportar o peso que irá içar e mover, seus elementos estruturarias base são o carro, viga e talha, e o motor elétrico localizado na talha que fornece toda força para todas a movimentações e içamentos serem feitos.
FIGURA 1: Ponte Rolante
Após o fim do auge da revolução industrial na Inglaterra surgiram novas vertentes e novos desafios na indústria. Assim como um melhoramento contínuo na produção e logística, também agilidade no transporte do produto que estava em um processo para outro novo processo a ser realizado. Com produtos de pequeno porte o transporte sempre foi mais fácil, pois podia ser feito com auxílio de mão-de-obra do homem, mas em produtos que são de grande porte e podem atingir toneladas de massa isto não era capaz de ser realizado. Então foi necessário criar um novo jeito de fazer este transporte de forma rápida, eficiente e segura, que são as Pontes Rolantes. A primeira empresa a começar a produzir e comercializar pontes rolantes para as indústrias em geral foi a Sampson Moore & Company no ano de 1840 na Alemanha, a partir disso uma constante evolução para que cada vez mais conseguir suportar mais peso em uma área maior movimentação. Hoje em dia há pontes rolantes de diversos modelos que suportam variadas quantidades de carga que estão entre 0,5 a 300 toneladas e também são utilizadas em variadas áreas de trabalho.
Principais componentes da ponte rolante
Carro
O carro é o elemento que se movimenta sobre as vigas principais da ponte rolante. É nele onde fica as os mecanismos de elevação e de movimentação transversal e vertical da carga.
FIGURA 2: Carro
Talha 
É acoplada no carro da ponte rolante e é responsável pela elevação da carga. Na elevação utiliza-se geralmente o cabo de aço que é tracionada por um motor elétrico com um gancho ou garra na extremidade para prender a carga.
FIGURA 3: Talha
Viga 
Elemento estrutural onde se localiza os trilhos para os deslocamentos do carro e da estrutura transversal. 
FIGURA 4: Viga
Teorias utilizadas para dimensionamento do projeto
É importante conhecer e dimensionar as reações e os esforços solicitantes em uma estrutura, para isso foram utilizados conhecimentos de Estática nas Estruturas para o dimensionamento das forças no projeto. Toda força aplicada sobres apoios de uma estrutura possui suas reações, podendo ser verticais e horizontais, com somatório de momentos. Estes apoios podem ser móveis e normais, e também engastes. Em nosso projeto só foi utilizado apoios móveis, onde as forças horizontais são desprezadas.
FIGURA 5: Apoio estrutural fixo
Com as reações e forças aplicadas podemos considerar as seguintes fórmulas para o cálculo das reações.
Como a carga içada será feita por um cabo de aço, não podemos esquecer de adicionar em nosso dimensionamento a força de tração causada pela carga, para que possamos escolher corretamente o cabo a ser utilizado no projeto. 
FIGURA 6: Carga tracionada
MATERIAIS UTILIZADOS
Os materiais utilizados para este projeto foram:
2 Barras perfil “L” 120x2,5x0,3cm;
6 Barras perfil “L” 90x2,5x0,3cm;
2 Barras perfil “L” 30x2,5x0,3cm;
2 Barras 90x2,5x0,3cm;
2 Barras 20x2,5x0,3cm;
3 Motores 12v;
1 Correia 100cm
1 Correia 90cm
1 Trilho 100cm
1 Trilho 90cm
1 Eixo de Nylon D= 30mm; 
1 Linha de Pesca de Nylon L= 1m;
3 Botões com alteração de Polaridades;
1 Fonte;
1 Gancho;
4 Polias D= 40mm;
4 Eixos de Polia ½”;
20 Porcas e parafuso ¼”.
CÁLCULOS
Transmissão entre engrenagem e cremalheira
O projeto é constituído basicamente de três estruturas metálicas, quatro roldanas, duas cremalheiras de dentes retos e três motores elétricos no qual há três engrenagens cilíndricas de dentes retos. Medindo-se o diâmetro externo e o número de dentes do pinhão é possível calcular o módulo e sua relação com a cremalheira. Sendo o diâmetro externo (De) de 21 mm e o número de dentes (Z) é igual a oito, pode-se obter o módulo:
Com o módulo pode-se encontrar o diâmetro primitivo (Dp):
A altura total do dente (h) é a soma da altura da cabeça do dente (a) com a altura do pé do dente (b), então:
FIGURA 7: Altura do dente da engrenagem
É possível, também encontrar a altura total do dente (h) a partir da seguinte equação:
FIGURA 8: Altura total do dente da engrenagem
 
O diâmetro interno (Di) pode ser achado também com o módulo:
O passo circular é medida da circunferência do diâmetro primitivo que corresponde a um a um vão da engrenagem mais um dente. O passo circular pode ser calculado pela seguinte maneira:
FIGURA 9: Passo circular da engrenagem
O conjunto do pinhão e a cremalheira são usados para transformar o movimento de rotação para um movimento de translação. Foi utilizada uma cremalheira de dentes retos, assim, empregam-se as seguintes equações:
FIGURA 10: Engrenagem e cremalheira
Onde: 
 é o módulo da cremalheira que é o mesmo do pinhão.
 é o passo medido na linha primitiva. Como o módulo da cremalheira e do pinhão são os mesmos, o passo da cremalheira também será igual do pinhão.
 é a altura total do dente. 
 é a altura da cabeça do dente. 
 é a altura do pé do dente
Reações nos apoios estruturais
É possível saber se haverá interferência no conjunto da cremalheira e pinhão.
O contato ocorre na porção de perfil não evolvente do flanco. Quando os dentes da engrenagem são produzidos mediante um processo de geração, a interferência é eliminada.
Para que não exista interferência em um engrenamento de pinhão cilíndrico de dentes retos e cremalheira, deve-se observar o menor número possível de dentes do pinhão através da seguinte expressão:
Para que não haja interferência, o menor número possível de dentes do pinhão deveria ser 17 dentes, por nosso pinhão possui 8 dentes, ou seja, haverá interferência no conjunto. 
A seguir estão os cálculos e os dados para o dimensionamento das reações nos apoios móveis.
As barras utilizadas no projeto foram do tipo barra chata, cantoneiras e barra quadradas trefiladas feitas de aço, segundo a norma ASTM A36 / NBR 7007 MR 250.
Para a barra chata de 1 polegada de largura o peso nominal é igual a 0,590 Kg/m
Já para a cantoneira de lados iguais de 1 polegada, o peso nominal equivale a 1,19 Kg/m
E para a barra quadrada com 22,22 mm de largura o peso nominal vale 3,876 Kg/m
Estes dados serão utilizados para os cálculos dos pesos das estruturas.
A análise para o cálculo do equilíbrio de forças foi dividida em três estruturas para o melhor entendimento:
Estrutura 1:
FIGURA 11: Estrutura 1
 : Não existem forças no eixo X
Sendo:
Va: Reação vertical no apoio A
Vb: Reação vertical no apoio B
Vc: Reação vertical no apoio C
Vd: Reação vertical no apoio D
P: Peso da carga de prova mais o peso da Estrutura 1
O peso (P) é a carga utilizada durante a apresentação prática e tem o peso de 1 Kg com força peso de 1 Kgf.
A Estrutura 1 é composta de duas cantoneiras de 30 cm e duas barra quadradas de 20 cm. Portanto, a massa total da estrutura umvale aproximadamente 2,2644 Kg, calculados a partir do peso nominal divulgado pelo fabricante, logo, tem a força de 2,2644 Kgf.
Sendo assim as reações nos apoios valem:
Estrutura 2:
 
FIGURA 12: Estrutura 2
Sendo:
Va: Reação vertical no apoio A
Vb: Reação vertical no apoio B
Vc: Reação vertical no apoio C
Vd: Reação vertical no apoio D
P: Peso da carga de prova mais o peso da Estrutura 1 e 2
A Estrutura 2 é composta de duas barras quadradas de 20 cm e duas cantoneiras de 90 cm, logo o peso total da Estrutura 2 é de 3,6924 Kgf
Estrutura 3:
FIGURA 13: Estrutura 3
Já a Estrutura 3 possui quatro barras chatas de 90 cm, quatro cantoneiras de 90 cm e duas cantoneiras de 120cm. Desse modo, o peso total da Estrutura 3 é de 9,264 Kgf
A massa total de todas as estruturas equivale a 16,2208 Kg, sem contar a massa dos motores, porcas parafuso, arruelas, etc.
Dimensionamento do motor elétrico:
A seguir estão os dados do fabricante do motor elétrico utilizado no projeto:
8 dentes
Voltagem: 12V
Consumo: 1,3A
Força: 9,12 N.m / 93Kg.cm
Com os dados é possível dimensionar o motor elétrico do projeto com eficiência máxima.
A potência máxima do motor é a seguinte:
Onde:
P = Potência.
V = Tensão.
I = Corrente.
Ef = Eficiência.
Um dos objetivos desta ponte rolante é içar um corpo de prova de 1 Kg. A altura máxima da estrutura projetada é de 90 cm. Assim, podemos calcular o trabalho máximo do motor elétrico para içar tal força:
Onde:
W = Trabalho (N x m).
F = força em Newton (N).
D = distância em metro (m).
ETAPAS DA CONSTRUÇÃO
Inicialmente, foram decididas as medidas do projeto conforme o manual da APS e as dimensões de percurso da prova, e então o esboço da ponte rolante foi elaborado.
FIGURA 14: Desenho técnico da ponte rolante
Primeiramente as barras de perfil “L” e as barras tradicionais são furadas na espessura dos parafusos de 6,5 mm (1/4”) em suas extremidades para serem fixadas umas às outras.
As barras de Perfil em “L” de 120 cm são as bases da estrutura principal sendo presas junto com as 4 “pernas” (Barras de Perfil “L” 90 cm) com os parafusos de ¼”. Logo em seguida as duas Barras planas de 90cm são colocadas em cima da base para fortifica essa estrutura e a 20 cm a partir do chão nas pernas para que não aja movimento durante a execução das manobras desse projeto. E em uma das barras de perfil “L” de 120 cm é fixada com parafusos um trilho de 100 cm e na outra barra 1 correia de 100 cm com supercola. 
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FIGURA 15: Materiais utilizados
FIGURA 16: Montagem das barras
As barras de perfil em “L” de 90 cm que sobraram são usadas para fazer a segunda base que correra pela primeira. Elas são presas com a uma barra plana de 20cm em cada extremidade, onde em uma delas são feitas duas furações para a passagem do eixo para colocar as duas polias e do outro lado e cortada a barra em 3 partes tendo as duas extremidades em 5cm para a fixação do motor nessas duas partes que sobraram na estrutura. E em uma das barras de perfil “L” de 90 cm é fixada com parafusos um trilho de 90 cm e na outra barra 1 correia de 90 cm com supercola.
FIGURA 17: Mesa montada
FIGURA 18: Motor elétrico
As barras de perfil em “L” de 30 cm são utilizadas para fazer a terceira e última base na qual se moverá pela segunda e içará a peça denominada pela APS. Essas barras são presas em uma barra de 20cm da mesma maneira que na segunda estrutura, onde também são furadas para colocar as polias e em sua extremidade o motor que içara a peça. Uma dessas barras de 30cm será feito o mesmo procedimento de instalação do motor, cortando em 3 partes tendo duas extremidades de 10cm para colocar o motor que irá se mover pela correia.
 
 FIGURA 19: Motor elétrico acoplado na roldana
 
FIGURA 20: Motor elétrico acoplado na estrutura
 
Após a montagem completa da estrutura do projeto é feita a parte elétrica e os demais acabamentos, onde os botões são ligados aos motores para haver o movimento deles e em seguida ligados a fonte para conversão da energia tirada da tomada para o sistema. Logo em seguida e colocada o eixo na engrenagem do motor que irar içar a peça, nesse mesmo eixo é colocada a linha de pesca presa junta com gancho na qual finaliza toda a montagem. 
RESULTADO DOS TESTES PRELIMINARES
Logo após o escopo ser projetado, deu-se início à construção das estruturas e a montagem das roldanas nos trilhos e eixos. Depois de toda base finalizada, era necessário acoplar a engrenagem do motor ao eixo e as roldanas, onde se encontrou dificuldade, pois a engrenagem do motor era muito estreita para montar o eixo juntamente com a roldana. 
Depois deste entrave, as roldanas foram diretamente fixadas à engrenagem do motor elétrico. A movimentação dos carros adequou-se perfeitamente nos trilhos da base.
As estruturas juntamente com a parte elétrica elaborada atingiram o escopo do projeto planejado inicialmente, desenvolvendo assim, uma máquina de elevação nos três eixos: x, y e z cuja pode içar cargas para essas direções. 
O revés com que nos deparamos nos testes preliminares serviu de aprendizado no quesito de que é essencial um planejamento prévio do projeto, visando possíveis erros, para evitar futuras complicações. 
PLANILHA DE CUSTOS
Na tabela abaixo estão os valores e a(s) quantidade(s) de cada componente utilizados nesta APS.
CONCLUSÃO
O projeto da ponte rolante foi desafiador proporcional ao seu tamanho. Suas etapas de construções eram repetidas, mas alterando seu tamanho ao longo de cada. Um projeto trabalhoso pelas quantidades de passos a serem feitas no tempo estipulado.
O maior desafio foi colocar a ideia em pratica, pois no papel parecia tudo perfeito, mas na pratica encontrávamos alguns desafios. 
O receio de não dar certo era grande pelo fato de termos pouco conhecimento na parte elétrica, o que era a parte principal para executar esse projeto. O custo para montagem dessa APS foi uma das maiores, pela necessidade de fazer algo mais concreto e com menos improvisos, no qual facilita na hora de sua construção. E o trabalho em grupo foi essencial, demostrando mais uma vez que o trabalho em equipe e a sua cooperação influenciam no bom desenvolvimento de um projeto.
BIBLIOGRAFIA 
SHIGLEY, J.E., MISCHKE, C.R., BUDYNAS, R.G., Projeto de Engenharia Mecânica, 7a edição, Bookman.
HIBBELER, J.E., Estática – Mecânica Para Engenharia, 12ª edição, 2011.
NASH, W.A. - Resistência dos Materiais - Editora Mc Graw Hill do Brasil. São Paulo.
https://www.gerdau.com/br/pt/productsservices/products/Document%20Gallery/catalogo-barras-e-perfis.pdf
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https://www.mundodaeletrica.com.br/motor-eletrico-como-dimensionar/
http://infraestruturaurbana17.pini.com.br/solucoes-tecnicas/37/ponte-rolante-308775-1.aspx
https://www.mecanicaindustrial.com.br/570-o-que-e-uma-ponte-rolante/