Análise de fixação para mangueiras de alto pressão

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CENTRO UNIVERSITÁRIO UNA BARREIRO
ENGENHARIA MECÂNICA
9º PERÍODO
DAVIDSON ROCHA
JOAO PAULO ALVES
JOSÉ CARLOS MONTEIRO
MATHEUS ARAÚJO
PHELIPE GATI
SERGIO HENRIQUE
WEMERSON OLIVEIRA
 ANÁLISE CAUSA E DEFEITO DO TUBO DO CONJUNTO HIDRÁULICO PÁ CARREGADEIRA
Belo Horizonte – MG
1º Semestre 2019
CENTRO UNIVERSITÁRIO UNA BARREIRO
ENGENHARIA MECÂNICA
9º PERÍODO 
ANÁLISE CAUSA E DEFEITO DO TUBO DO CONJUNTO HIDRÁULICO PÁ CARREGADEIRA
Projeto Aplicado Interdisciplinar referente 9º. Período do Curso Engenharia Mecânica. 
Orientador: Reinaldo Moreira Maia.
Componentes:
ROCHA, Davidson Santos
ALVES, João Paulo
MONTEIRO, José Carlos
RIOS, Matheus Araújo
GATI, Phelipe Nascimento
PERPETUO, Sérgio H.
MOURA, Wemerson O.
Belo Horizonte – MG
1º Semestre 2019
 
INTRODUÇÃO
	Na maioria das vezes o que denominamos de ferro (Fe) é na realidade aço, seu composto é basicamente ferro (Fe) e carbono (C). Ferro (Fe) apresenta baixa resistência mecânica, e o material não é utilizado puro. O aço é utilizado quando surge a necessidade de um material mais dúctil que suporta variações mecânicas, com propriedades de resistência a corrosão, impacto e desgaste. Pelo fato de ter essas propriedades, o aço passou a representar cerca de 90% de todos os metais utilizados na indústria, a vasta procura pela liga faz com que o valor seja baixo e acessível (INDUSTRIA HOJE, 2014). 
O aço é o material utilizado na fabricação do tubo que compõe o sistema hidráulico da pá carregadeira (vide figura 1). Tal máquina é utilizada para trabalhos pesados, tais como construção civil e obras de pavimentação, desde meados de 1942, tendo como pioneiro nesse seguimento, o inventor de maquinas de terraplanagem Robert Gilmour Letourneau (LeTourneau, 1960). Para utilizar o tubo de aço no sistema, é necessário a adição de uma anilha também de aço que permitirá a conexão do mesmo a linha de pressão de um reservatório hidráulico responsável por fazer a distribuição do fluido hidráulico para todo os componentes que o utilizam. A junção da anilha ao tubo é feita através de solda do tipo brasagem capilar, nessa operação o material a ser adicionado para fazer a união da anilha ao tubo é aquecido até chegar ao ponto de fusão, penetrando assim no espaço vazio entre o tubo e anilha, agindo como um tipo de cola, unindo dois materiais de naturezas diferentes, ou seja, não ocorre a fundição dos materiais a serem unidos.
Figura 1 – Imagem ilustrativa pá carregadeira.
Fonte: Eae Máquinas. 
	O processo de junção por solda tipo brasagem capilar apresenta vantagens quando observado a temperatura de fusão do material de adição, acima de 450ºc, e por ser menor que a temperatura de fusão do material base implica em menos avarias da peça a ser soldada. As partes que serão soldadas não precisam ser fundidas para realizar a junção, assim, materiais base de diferentes naturezas podem ser soldados. Entretanto, tal solda apresenta desvantagens por não resistir, a tração, vibrações e a esforços extras, provindos das condições de trabalho que a peça em questão está submetida. Tais propriedades são essenciais para que não ocorra defeito durante o funcionamento da máquina (CONDOR, 2017/RIBEIRO, 2001). Caso ocorra a aplicação incorreta da solda, as más características ficam mais evidentes. Os prejuízos causados pelas falhas de um componente como esse, vão desde prejuízos financeiros para a empresa que o utiliza, à ambientais, que afetam toda sociedade (ABNT, 2015). As características negativas da solda por brasagem, não permitem o uso seguro do equipamento, apresentando a necessidade real de um estudo mais detalhado, desta forma por meio de análises técnicas, é possível entender o que está ocorrendo e gerando transtorno. Logo é possível aplicar medidas cabíveis para solução do problema, prevenindo futuros danos ambientais e financeiros.
OBJETIVO
	O Objetivo é analisar causa e defeito, do conjunto do tubo hidráulico de uma pá carregadeira, é detectar a origem do defeito e apresentar uma possível solução para sanar o vazamento de óleo, visando minimizar as horas de trabalho perdidas com a máquina fora de atividade. Desta forma, será analisado o material utilizado, a forma como a montagem do componente é feita, e a qualidade da solda tipo brasagem e elétrica que são realizadas na junção da anilha ao tubo. Também pretende-se analisar se o tubo sofre algum tipo de tração e vibração em seus pontos fixos causando esforço sobre a solda.
DESENVOLVIMENTO
	Há uma grande variedade de aplicações para a hidráulica na indústria de maquinários de construção, responsáveis por fazer transporte de grandes massas. Em uma pá carregadeira, por exemplo, os movimentos de elevação dos braços e basculamento da caçamba são gerados hidraulicamente, movimentos dos guindastes também podem ser feitos de forma hidráulica. Os movimentos precisos de trabalho são gerados por atuadores lineares (cilindros) e os movimentos rotacionais por atuadores de rotação (motores, controladores de rotação).
	Comparada, à eletricidade, mecânica e pneumática, a hidráulica apresenta vantagens importantes como;
Posicionamento preciso.
Transmissão de grandes forças, usando pequenos componentes.
Operação suave e reversa.
Controle e regulagem. 
Dissipação favorável de calor.
Entretanto, as desvantagens em relação a essas mesmas tecnologias, são;
Poluição do meio ambiente por derramamento de óleo.
Sensível a sujeira.
Perigo resultante de pressão excessiva.
Dependência de temperatura (mudança na viscosidade do fluido hidráulico) (Escola Profissionalizante Santo Agostinho, 2014/ (MOREIRA, 2015).
De acordo com SANTOS, a ampliação da força aplicada em um sistema hidráulico, pode ser explicada pelo princípio de pascal, onde; O acréscimo de pressão produzido em um líquido em equilíbrio transmite-se integralmente a todos os pontos do líquido. Ou seja 
onde F1 e F2 são forças aplicadas aos êmbolos 1 e 2, sendo suas unidades de medida em Newtons (N). Já A1 e A2 são as áreas dos respectivos êmbolos, dados em (m²) e obtidas através da razão entre π e o raio elevado ao quadrado, portanto a equação (2), representada a forma escrita da razão.
 
a força gerada pelo sistema hidráulico da pá carregadeira, é concentrada em sua pá quando a mesma é utilizada para realização de trabalho, gerando certa pressão, onde a pressão é dada em pascal (Pa), e pode ser definida por meio da equação (3)
Onde P equivale a Pressão e sua unidade de medida é dada em (Pa), F é a força aplicada e tem sua unidade de medida dada em (N), já a variável A representa a área e sua unidade de medida é representada em (m²).
Como no sistema Internacional de unidades (SI) a unidade de força é definida em Newton (N), área em m² e pressão em pascal, é necessário fazer a conversão de N/m² para pascal onde, 1 N/m2 é equivalente a um 1 pascal e pode ser representado por 1Pa. (SANTOS, 2017).
A válvula limitadora de pressão responsável por distribuir o fluido através do sistema, está calibrada para manter uma pressão de 3449,1 KPa ou 34491000 Pa. Exercendo a pressão limitada pela válvula sobre o tubo de 34491000 Pa, sendo que a área do mesmo é igual a 0,00078 m² é possível obter o valor da força aplica no sistema, por meio da equação 3, a força em newton equivale a 26902,98 N. sabe-se que pelo princípio de pascal, a pressão em um sistema fechado é a mesma em todos os pontos, assim sabendo que a área do atuador linear (cilindro) é de 0,02138 m² e a pressão que atua sobre ele é de 3491000 Pa, logo é possível encontrar a força utilizada durante uma operação de serviço, por meio da equação 1 temos a força F2 encontrada será de 737417,58 N sendo essa a força utilizada para realização de trabalho.
Neste estudo, o tubo a ser analisado está comprometendo a eficiência do sistema hidráulico, por está permitindo a vazão de fluido hidráulico, ocasionando baixa de pressão no sistema e contaminação do solo com o fluido, consequentemente impossibilitando a utilizaçãodo maquinário. A figura 2, ilustra o resavátorio hidráulico, juntamente com o tubo que apresenta o vazamento. Pode-se notar que o tubo danificado, está mais limpo em relação aos outros, pois a vazão constante de fluido em alta pressão não permite acumulo de a sujeira em torno de sí. 
Figura 2 – Vazamento na área da solda.
Fonte: Imagem registrada por intrgrantes do grupo.
Um possível causador do problema pode ser a utilização da solda tipo brasagem que não possui características de fusão dos materiais e sim de união dos materiais por capilaridade, um processo similar a cola, esse tipo de solda não resiste a forças te torção, tração e vibrações. Outra possível causa de defeito é o modelamento do tubo, pois o mesmo, não é fabricado no formato desejado para utilização e sim modelado de acordo com a necessidade, podendo durante o processo não ficar na forma ideal para uso. O tubo não possui características de ductilidade, e pode estar sofrendo também esforço em seus pontos críticos (área onde a solda é realizada), advindos das condições de trabalho a que o componente está exposto.
Expondo dois tubos danificados a análises técnicas, foi possível observar falhas em sua estrutura, como trincas na parte onde é feita a junção da anilha ao tubo e falhas no preenchimento da solda elétrica. Vide Figura 3 e 4.
Figura 1- Trinca visível na parte externa da alinha.
Fonte: Imagem registrada por integrantes do grupo.
Figura 4 – falha no preenchimento da solda elétrica (tig).
Figura 2- Falha no preenchimento da solda elétrica (tig).
Com a realização de corte parcial ambos (vide figuras 5 A e B, 6 A e B) e com auxílio da macrografia (processo de ampliação de imagem) foi possível, visualizar que a trinca ocorreu na anilha, aumentando assim as possibilidades de que a solda tipo brasagem está apresentando falta de penetração capilar, assim como a solda elétrica tipo (tig), também não está sendo realizada com precisão, ocasionando falha aparente, representada na figura 4. Outra possibilidade é que a anilha possa ter sido montada com trinca, impedindo a penetração da solda deixando pontos fragilizados, onde o material consequentemente tende a romper.
Figura 5 A, B – trinca na anilha
Fonte: imagem registrada por integrantes do grupo.
Figura 6 A, B – Trinca na solda elétrica
Fonte: Imagem registrada por integrantes do grupo.
	A figura 7 A ilustra, como seria uma solda por brasagem bem realizada, sem espaços a preencher, bem distribuída e homogênea, e 7 B uma solda que deixa a desejar, por apresentar características opostas as ideais. 
Figura 7 A, B – Solda realizada de forma ideal e de forma irregular.
Fonte: figura desenvolvida por integrantes do grupo.
	Após realização das análises técnicas por meio de macrografias, foi possível concluir que, a brasagem não é um meio totalmente eficaz para realizar a junção da anilha ao tubo, é um processo instável e pode comprovadamente comprometer a eficiência do sistema, a segurança ambiental assim como causar prejuízos financeiro por impossibilitar a utilização da máquina. Observado o ocorrido com a solda, foi dado sequência ao estudo. Analisando o modelamento do tudo, o mesmo tem formato linear original de fábrica, e de acordo com GOLIN é um componente de aço trefilado sem costura, onde o processo de deformação a frio consiste em reduzir a secção transversal do tubo através de uma força de tração, utilizando ferramental externo (fieira) e interno (mandril). Esse segmento de tubo é aplicado em conjuntos estruturais mecânicos, máquinas e sistemas hidráulicos, cilindros hidráulicos e em operações onde são exigidos alto grau de precisão. O componente é um tubo trefilado macio, e tem sua simbologia e descrição informados na tabela 1.
Tabela 1 – Informações sobre o componente
Fonte: Catálogo Golin.
O aço utilizado é 1.0308, e tem sua composição química disposta vide tabela 2. 
Tabela 2 – tipo de aço e composição química.
Fonte: Catálogo Golin.
Propriedades mecâncicas vide tabela 3.
Tabela 3 – Propriedades mecânicas.
Figura 4: Catálogo Golin.
(GOLIN, 2014).
 A modelagem do mesmo apresenta valores de tolerâncias de medidas de aproximadamente ±3mm à ± 5 mm (vide figura 8).
Figura 8 – Dimensionamento do tubo.
Fonte: Desenho realizado por integrantes do grupo.
	Com tolerâncias tão amplas, o tubo pode variar bastante o seu posicionamento, no momento da montagem, vide figura 9 o tubo 1 está perfeitamente posicionado na linha de pressão do taque hidráulico da máquina, sendo desnecessário que o mecânico aplique qualquer esforço no tubo para que o mesmo encaixe na linha pressão e realize o procedimento de montagem final, ou seja o aperto da porca sextavada, já no tubo 2 é perceptível um vão entre o tubo e a linha de pressão tornando necessário que o mecânico ao realizar a montagem exerça, certa força sobre o tubo para poder realizar a montagem final. Além de tais imperfeições, o tubo ainda é exposto a vibrações, resultantes do funcionamento do próprio sistema que trabalha em alta pressão, causando fadiga mecânica e assim deteriorando o os componentes. Elaborado o diagrama de Ishikawa, assinalamos onde estão ocorrendo falhas.
Fonte: Elaborado por integrantes do grupo.
Assim sendo, é observado um acúmulo de fatores de risco, além da solda não apresentar boa capilaridade o tubo pode estar sendo exposto a forças de tração e a fadiga, consequentemente, transferido para a solda que não apresenta característica de resistência a forças aplicadas externamente.
Figura 9 – posicionamento do na linha de pressão
Fonte: Imagem registrada por integrantes do grupo.
	Uma possível estratégia para sanar os problemas ocorridos, seria a substituição do tubo rígido por uma mangueira hidráulica com características de flexibilidade e que seja maleável, capaz de absorver vibrações evitando danos por fadiga e por montagem inadequada, uma vez que a mangueira permite que o mecânico à posicione de forma ideal sem que a mesma tenha seu desempenho prejudicado no processo de montagem. Buscando um produto já implantado no mercado, capaz de suprir as necessidades encontradas ao longo do estudo, sugerimos a implantação da mangueira SAE 100R13 (vide figura 10), de acordo com a norma regulamentadora SAE, essa mangueira basicamente tem que ter em sua composição um reforço de quatro a seis camadas de fio de aço em espiral em direções alternadas proporcionando uma pressão de trabalho extremamente alta, uma borracha fina afim de separar os fios dispostos em espirais para que não haja atrito entre os mesmos levando assim a ruptura, possuir fator de segurança 4:1, ou seja, ela deve suportar quatro vezes a sua pressão de trabalho antes de romper, no caso se exposta a uma pressão de trabalho de 5000 PSI a pressão de ruptura deve ser 20000 PSI. 
Conforme a ISO 6743-4 os componentes tipo R12, R13 e R15, devem suportar variações de temperaturas entre -40ºC e + 120ºC. A mangueira hidráulica feita de borracha sintética de nitrilo é altamente compatível com fluidos hidráulicos biodegradáveis, óleos vegetais e fluidos hidráulicos padrões (QIALIN, 2017/ISO 3862, 2009). A tabela 4, detalha as especificações técnicas do componente.
Tabela 4 - Especificações técnicas do componente
Fonte: Balflex.
Figura 10 – Imagem ilustrativa mangueira SAE 100R13, 6 espirais de aço.
Fonte: Bright Pearl. 
CONCLUSÃO
	De forma notável foi possível concluir que mesmo equipamentos modernos com grandes atribuições estão sujeitos a falhas, sejam elas ocasionadas por erro de projeto ou de montagem, no referente caso foi possível observar a ocorrência de ambos equívocos. O método utilizado para unir tubo e anilha não é o mais adequado, o material não possui características essenciais para suportar as condições de trabalho que a máquina impõem, erro este ocasionado por falha durante desenvolvimento do projeto, ainda sobre a solda brasada, a mesma não possui o mínimo aceitável de penetração de 80%, neste caso o erro é do operador de solda. Quando analisado o dimensional tubo utilizado foipossível observar tolerâncias dimensionais elevadas para a mecânica, vivência com trabalhos anteriores nos trouxe o olhar crítico do quanto pequenas variações nas tolerâncias dimensionais, podem causar grandes problemas, no caso em estudo a consequência do mal dimensionamento do componente, acarretou mal posicionamento em alguns casos necessitando esforço para montagem forçando a solda brasada e consequentemente a ruptura do componente. Realizando pesquisas de produtos de qualidade, selecionamos a mangueira SAE 100R13, que por ser robusta e dúctil ao menos tempo é capaz de atender as demandas do maquinário.
	A experiência que esse trabalho nos proporcionou, realça o quando quão importante é a atenção aos detalhes, o que as vezes nos parece algo superficial, se não tratados de forma séria acarreta grandes danos e prejuízos. 
	 
REFERÊNCIAS
ABNT NBR ISO 14001:2015 – Sistemas da gestão ambiental – Requisitos com orientações para uso. Disponível em < http://abnt.org.br/paginampe/noticias/218-abnt-nbr-iso-14001-2015-sistemas-de-gest%C3%A3o-ambiental-%E2%80%94-requisitos-com-orienta%C3%A7%C3%B5es-para-uso>. Acesso em 5 de abril 2017.
BALFLEX. Disponível em: <http://www.allflexrepresentacoes.com.br/index_balflex/catalogos/Hidraulica/r13.pdf>
Bright Pearl. Disponível em: <http://www.chinarubberhoses.com/rubberhose/sae100r13.htm>. 
CONDOR, Produtos para Corte e Solda. Disponível em: <http://www.condornet.com.br/condor/por/conhecimento/brasagem.cfm>. Acesso em 3 de abril de 2017.
Eae Máquinas. Disponível em: <https://www.eaemaquinas.com.br/negocios/Comparativo-Pas-Carregadeiras/>
Escola Profissionalizante Santo Agostinho. Apostila de Hidráulica Industrial da escola Santo Agostinho,2014. Belo Horizonte 2017, 159p.
GOLIN, Catálogo Golin versão web. Disponível em: <http://portalgolin.com.br/PDFs/Catalogo_GOLIN_web2013-2014.pdf>. Acesso em 15 de maio de 2014.
INDUSTRIA HOJE, Qual a diferença entre ferro e aço. Disponível em: <http://www.jomafer.com.br/noticias/qual-diferenca-entre-ferro-e-aco>. Acesso em 5 de abril de 2017.
ISO - 3862, 2009, Mangueiras de borracha e conjuntos de mangueiras - Tipos hidráulicos reforçados com fio espiral com cobertura de borracha para fluidos à base de óleo ou à base de água. Disponível em: <https://www.iso.org/standard/45405.html>. Acesso em 5 de junho de 2017.
LeTourneau, Robert. Mover of Men and Mountains; Autobiografia. Englewood Cliffs, N.J.,: Prentice-Hall, 1960.
MOREIRA, ILO. Sistemas Hidráulicos Industriais; Sesi Senai Editora, 2015.
QIALIN, Mangueira Hidráulica Espiral SAE 1000R13 para Equipamentos Pesados. Disponível em <http://www.hydraulichose-fittings.com/superpressure/sae-100r13-hydraulic-hose.html>. Acesso em 2 de junho de 2017.
RIBEIRO, Hélio O. Soldagem do Aço ASTM A 516 Grau 60 para Vaso de Pressão Sujeito à Corrosão Sob Tensão. Dissertação de Mestrado em Ciência e Engenharia dos Materiais. UFSC. Florianópolis, 2001.
SANTOS, Marco Aurélio da Silva. "Princípio de Pascal"; Brasil Escola. Disponível em: <http://brasilescola.uol.com.br/fisica/principio-de-pascal.htm>. Acesso em 16 de maio de 2017.