Projeto - Guindaste Hidráulico

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Guindaste Hidraulico com Seringas
Atividade Prática Supervisionada
São Paulo
2013
OBJETIVO
Este trabalho tem como objetivo projetar, construir e demonstrar o
funcionamento de um dispositivo que simula um guindaste hidraulico, com seringas, em
maquete, capaz de realizar o transporte de um corpo de prova padrão para pontos
pré-estabelecidos em uma determinada área de percurso. Seu sistema de automação é
baseado na Lei de Pascal para realizar o movimento de todas as articulações, giro e o
dispositivo da garra reduzindo o esforço físico e número de operários necessários para
transportar um objeto.
DESENVOLVIMENTO
Apresentação
Com estudo da física e a constante observação de seus fenômenos, o homem
foi capaz de cada vez mais aplicar seus conhecimentos à novas tecnologias, que
acabaram por facilitar e possibilitar a realização de diferentes trabalhos como por
exemplo o transporte de cargas extremamente pesadas. O projeto do Guindaste
Hidraulico com Seringas tem como objetivo enunciar o Princípio de Pascal e a
resistência mecânica de materiais e seus respectivos esforços como tração, tensão,
pressão, etc.
O Guindaste tem como princípio de funcionamento e acionamento o sistema
hidraúlico, onde são utilizadas seringas na função de pistões e mangueiras
interligando-as com um fluído incompressível. No caso do projeto foram utilizadas
mangueiras de aquário, seringas de 10ml e 5ml e o flúido escolhido foi a água. Para a
fabricação da estrutura do Guindaste foram utilizados tubos de PVC. peças trabalhadas
em PVC, parafusos, porcas, madeira e um prumo de construção de 500g.
A escolha dos respectivos materiais foi de grande importância para o
funcionamento do projeto, pois o PVC é resistente, têm baixo custo e pode ser moldado
e conformado com facilidade e conforme as necessidades do projeto, a base de
madeira garante o apoio para o guindaste e também como a pista para o teste do
projeto, o prumo tem a função de contrapeso do guindaste, facilitando os esforços
realizados pelas seringas e equilibrar o conjunto.
Funcionamento
A garra, as articulações e o eixo de rotação do guindaste são acionados por um
sistema hidráulico baseado na transmissão de uma força aplicada a seringa e
distribuida uniformemente por toda a área das mangueiras e da outra seringa. Esse
funcionamento pode ser explicado pelo Princípio de Pascal que demonstra que “a
variação na pressão aplicada em um fluído ideal (incompressível) confinado é
transmitida integralmente para todas as posições do fluído e para as paredes do
recipiente que o contém”. Tal expressão é dada pela fórmula:
P=F/A
Eq.01
P = Pressão (Pa)
F = Força (N)
A = Area (cm²)
O Guindaste Hidráulico conta com um acionamento das seringas por meio de
alavancas, que auxiliam no controle dos movimentos. Esse controle possibilita maior
facilidade na operação, movimentos mais precisos, com a conveniência de apenas um
operador conseguir operar o guindaste.
A força aplicada nos pontos extremos da alavanca é proporcional ao comprimento do
braço da alavanca medido entre o ponto fixo e o ponto da força aplicada em cada
extremidade da alavanca.
A equação fundamental das alavancas é dada por:
Eq.02
onde,
- Fp é a força potente;
- Fr é a força resistente;
- BP é o braço potente;
- BR é o braço resistente.
MATERIAIS
● 7 Seringas 10 mL
● 2 Seringas 5 mL
● 2 m de cano PVC ¾”
● 2 m de cano PVC 1”
● 3 m de cano PVC ½”
● 1 m² de placa PVC
● 2 conectores T de PVC ¾”
● 2 conectores cotovelos de PVC ¾”
● 8 metros de mangueira de aquário
● 1 Prumo 0,5 Kg
● 1 m² placa de madeira
● 11 Parafusos M3
● 2 Parafusos M4
● 6 Parafusos M6
● 2 Parafusos de pressão M3
● 2 barras com rosca 24,5 cm M6
CALCULO DE PRESSÃO NAS SERINGAS
Controle
Imagem 1 - simulação em AutoCAD do alcance mínimo e máximo do controle.
O sistema de alavancas utilizado no controle permite uma maior precisão ao ter
um aumento de aproximadamente 275% no deslocamento. O esforço inicial (Fo),
indicado nas equações a seguir, é reduzido a aproximadamente ⅓ (terça parte) de
acordo com a posição da seringa na alavanca inter-resistente, com distâncias numa
proporção de 1:2,8.
Deslocamento do êmbolo da seringa: 7 cm
Deslocamento de mesma angulação na alavanca: 19,13 cm
A precisão calculada em porcentagem é dada por:
Precisão = 19,13 x 100% / 7 = 273,28%
Braço Resistente: 7,5 cm
Braço Potente: 21 cm
De acordo com a Eq. 02, obtemos uma equação que demonstra a proporção da força
realizada no controle para executar o movimento do guindaste.
Fp x BP = Fr x BR
Fp x 21 = Fr x 7,5
Fp = Fr / 2,8
O sistema hidráulico do guindaste foi organizado em 4 partes que desenvolvem
as funções de giro, elevação, alcance, segurar a carga. O controle foi acoplado a base
para melhor portabilidade do projeto. Dessa forma, foi esquematizado com as
numerações de 1 a 4, seguindo as imagens abaixo, para melhor compreensão do
funcionamento do equipamento.
Fotos ilustrativas 1 e 2 (respectivamente) - Sistema de controle do guindaste.
Eixo giratório
Foto ilustrativa 3 - Movimento do eixo giratório acionado pela alavanca 1.
De acordo com os cálculos a seguir, há uma redução na força exercida pelo
controlador devido a área coberta pelas seringas, responsáveis pelo movimento de
rotação do guindaste, ser maior do que a área do êmbolo de ativação.
Seringas 5ml - Diâmetro: 12,60 mm = 1,26 cm
Seringas 10ml - Diâmetro: 14,50 mm = 1,45 cm
Área do êmbolo sob pressão no sistema do eixo giratório.
A = pi() . d² / 4
A = pi() .1,26² / 4 = 1,25 cm²
Área do êmbolo sob pressão no sistema de controle.
A = pi() . d² / 4
A = pi() .1,45² / 4 = 1.65 cm²
Pressão exercida pelo cilindro no sistema de controle.
P = Fo / A
P = Fo / 1,65
Força transmitida para os cilindros no sistema do eixo giratório.
F = 2 . A . P
F = 2 . 1,25 Fo / 3,3
F = ¾ . Fo
Articulações e Garra
Foto ilustrativa 4 - Movimento vertical acionado pela alavanca 2.
Foto ilustrativa 5 - Movimento horizontal acionado pela alavanca 3.
Foto ilustrativa 6 - garra acionada pela alavanca 4.
Os movimentos de elevação e alcance foram simulados em AutoCAD para
verificar um alcance mínimo e máximo do guindaste, dando o valor angular da variação
do mesmo.
Imagem 2 - simulação em AutoCAD da seringa em seu alcance mínimo e máximo.
A base para calcular a pressão e a força exercida pelos cilindros no movimento
do guindaste é diretamente proporcional ao peso do corpo a ser elevado pois os
cilindros de elevação, alcance e “pegar” possuem as mesmas características, não há
uma redução ou aumento da força exercida.
Área do êmbolo sob pressão.
A = pi() . d² / 4
A = pi() .1,45² / 4 = 1,65 cm²
Pressão exercida pelo cilindro do controle.
P = Fo / A
P = Fo / 1,65
Força transmitida para o cilindro responsável pelas articulações e garra.
F = A . P
F = 1,65. Fo/1,65
F = Fo
DESENHO TÉCNICO
Imagem 3 - Vista lateral e superior
Imagem 4 - Garra
Imagem 5 - Sistema hidráulico
Vermelho: Articulação 1 - Elevação
Azul: Articulação 2 - Alcance
Verde: Garra - Segurar o objeto
ETAPAS DE CONSTRUÇÃO
Projeto - Estudo de modelos e notas importantes para construção do guindaste.
Participação: Felipe e Rodrigo.
Compra de materiais
Participação: Distribuido de acordo com a disponibilidade de cada integrante
Montagem - O guindaste foi feito artesanalmente pelos integrantes com ferramentas
apropriadas para cada detalhe contido no mesmo.
Participação: Felipe e Rodrigo.
Testes - Execução preliminar dos movimentos do guindaste.
Participação: Felipe e Rodrigo.
Pintura - Após testes práticos para verificar o funcionamento foi efetuada a pintura com tinta
spray.
Participação: Felipe e Rodrigo.
Trabalho teórico - Realizado através do Google Drive e reformatado em Word seguindo normas
ABNT.
Participação: Felipe e Rodrigo
RESULTADOS DOS TESTES PRELIMINARES
- O primeiro teste para efetuar a rotação do eixo não teve sucesso, foram utilizados
bifurcações de compressor de ar de aquário, apresentou vazão de água e foi
substituído por uma montagemartesanal.
- Articulações apresentaram um movimento normalizado com ângulos de abertura
aproximados da estimativa.
- Sistema hidráulico continha ar comprimido, o que comprometeu a eficácia e precisão
do guindaste.
- Atrito na garra insuficiente para segurar o corpo de prova padrão
PLANILHA DE CUSTOS
CONCLUSÃO
Quando se pressiona o êmbolo no controle (do cilindro), é extremamente difícil de
impedir que o êmbolo correspondente realize um movimento contrário, pois, como
explicado anteriormente, a força exercida é repassada e assim se dá a execução do
movimento através da transmissão seguindo os princípios de Pascal.
O que pôde ser observado pelos cálculos, é que não necessariamente devemos utilizar
uma seringa de êmbolo de maior área para ter uma eficácia maior ou de menor
esforço, ao multiplicar a distribuição de transmissão do fluido há também um aumento
na área, com a soma da área de todos os êmbolos envolvidos, como foi dado nos
cálculos para o sistema do eixo giratório.
A aplicação de alavancas também causa um efeito redutor no esforço necessário para
reproduzir um movimento final, pois tem a capacidade de aumentar a força mecânica
aplicada a outro objeto de acordo com as proporções das distâncias entre o ponto fixo,
braço potente e braço resistente, indicados pelo ponto da força potente, da força
resistente.
A garra utilizada possui uma área de contato pequena, o que dificultou a execução do
transporte do corpo de prova em seu trajeto devido a falta de atrito com o mesmo.
O sistema explica o Princípio de Pascal, e simula o funcionamento de qualquer
dispositivo hidráulico, como freios de automóveis, direção hidráulica e braço mecânico
hidráulico.
O Princípio de Pascal é uma das aplicações tecnológicas mais interessantes na Física.
Com ele, podemos aplicar uma força em uma situação, e a força pode ser multiplicada
muitas vezes, dependendo da área de sua aplicação.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://www.fisica.ufpb.br/~romero/pdf/15_fluidosVI.pdf
PDF BASE DE TUDO KKKKK
http://user3169.websitewizard.com/files/unprotected/TCC/Trabalho-TCC-Wesley.pdf
Base para Alavanca
http://www.leomar.com.br/modelix/images/stories/manuais/GuiadeMecanica/AtividadeMoviment
o.pdf
Alavancas
http://pt.wikipedia.org/wiki/Alavanca
Normas ABNT
http://www.pucminas.br/documentos/normalizacao_monografias.pdf
http://www.fisica.ufpb.br/~romero/pdf/15_fluidosVI.pdf
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http://www.leomar.com.br/modelix/images/stories/manuais/GuiadeMecanica/AtividadeMovimento.pdf
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http://pt.wikipedia.org/wiki/Alavanca
http://www.pucminas.br/documentos/normalizacao_monografias.pdf