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CENTRO UNIVERSITÁRIO DA FEI Grupo n° 7 Lucas Parisi Bolognesi -12.211.297-2 Murilo Zapata– Vitor Corassini – Danillo Tonelo Silva – Marcos Paulo Fernandes -12.111.199-1 Gustavo Fernandes -12.111.017 -5 Projeto de Ponte Rolante Sistema de Movimentação e Transporte de Carga – NMC710 Professor Arnaldo Forgas Junior São Bernardo do Campo - 2017 Dados técnicos e características principais do Projeto: · Ambiente de serviço: coberto, sem vento, temperatura máxima de 40°C; · Capacidade nominal de carga: 15 ton; · Velocidade nominal de levantamento: 7 m/min; · Velocidade nominal de translação do carro (direção): 50 m/min; · Curso útil do gancho: 6 m; · Extensão do caminho de rolamento: 150 m; · Classe de utilização da ponte rolante: B; · Estado de carga: 2; · Classificação do mecanismo para: · Mecanismo de levantamento: Grupo 1AM; · Mecanismo de translação do carro (direção): Grupo 2M; Observações: 1. A ponte rolante será operada por meio de combinadores, instalados na cabina de comando, com a utilização de freios de sapatas. 2. Todos os movimentos da ponte serão acionados por meio de um sistema rotórico convencional de cinco pontos de velocidades (utilizando motores com rotores bobinados, também chamados motores de anéis). A tensão de alimentação elétrica será 440V, 60Hz, trifásica. 3. Para o mecanismo de elevação principal, utilizar para o motor elétrico um fator de marcha de 40% e classe de partida igual a 150. 4. Para o mecanismo de translação da ponte, utilizar para o motor elétrico um fator de marcha de 40% e classe de partida igual a 150. 5. Para o mecanismo de translação do carro, utilizar para o motor elétrico um fator de marcha de 40% e classe de partida igual a 150. Projeto do Equipamento: O projeto do equipamento deverá ser de acordo com as normas: · NBR8400 (antiga PNB283): mecânica / estrutural; · NBR11723: motores elétricos anéis. Para consultas, onde as normas acima forem omissas, utilizar: 1. CMAA; 2. AISE; 3. FEM; 4. JIS; 5. DIN; 6. IEC; 7. Outras. Nota: Todo componente e material aplicado na fabricação do equipamento deverá ser disponível no mercado brasileiro (bitolas de chapas, perfis, etc.) Basicamente, no desenvolvimento do projeto, o roteiro de cálculos consiste em adequação do sistema de controle elétrico e: 1. Escolha do número de cabos de sustenção / diagrama esquemático do cabeamento / cálculo e escolha do moitão / seleção do rolamento de escora 2. Escolha do diâmetro do cabo padronizado 3. Cálculo do coeficiente de segurança do cabo de aço 4. Escolha do diâmetro das polias (compensadora / móveis / fixas) 5. Seleção dos rolamentos das polias 6. Escolha do diâmetro / comprimento do tambor / cálculo do tambor (espessura / peso total / eixos / flanges / nervuras / rolamento do lado do pedestal) 7. Cálculo da potência do motor de levantamento 8. Escolha do motor de levantamento 9. Cálculo da redução necessária para o redutor de levantamento 10. Escolha do redutor de levantamento 11. Cálculo e escolha dos pinos / buchas do acoplamento especial tambor / redutor 12. Desenho do acoplamento especial tambor x redutor. 13. Cálculo do torque para o freio de levantamento. 14. Escolha do freio para o motor de levantamento (parada) 15. Escolha do freio de controle para levantamento (sistema de controle) 16. Seleção / cálculo de acoplamentos e rolamentos / cálculos de eixos necessários 17. Estimativa do peso do carro (estrutural / mecânico / elétrico) 18. Cálculo da potência para o motor de translação do carro 19. Escolha do motor de translação do carro 20. Cálculo do freio para o motor de translação do carro (parada) 21. Escolha do freio para o motor de translação do carro (parada) 22. Cálculo da reação máxima por roda do carro 23. Checagem do diâmetro roda / trilho – reação 24. Cálculo da redução para redutor de translação do carro 25. Escolha do redutor de translação do carro 26. Entre – rodas / vão do carro (lay-out) 27. Seleção / cálculo de acoplamentos e rolamentos / cálculo de eixos necessários 28. Cálculo preliminar da estrutura do carro 29. Cálculo preliminar do peso próprio total do carro 30. Determinação do centro de gravidade do carro (CG) 31. Verificação estrutural do carro pelo método dos elementos finitos (preenchimento de planilha específica) 1. Escolha do número de cabos de sustenção / diagrama esquemático do cabeamento / cálculo e escolha do moitão / seleção do rolamento de escora 1.1. Escolha do número de cabos de sustenção Caso de solicitação: Caso I – Serviço normal e sem vento. Seleção da talha: Para capacidade de carga 15 ton, foi adotado talha gêmea de 4 (quatro) cabos. 1.2. Diagrama esquemático do cabeamento Figura 1: Esquema da montagem dos cabos de aço Figura 2: Esquema 04 cabos 1.3. Cálculo e escolha do moitão Moitão para 15tonf ,de acordo com a tabela acima da pag 78 temos: P = 270 kgf, cabos = 20 a 25 mm Para o material do gancho SAE 1045 forjado em matriz fechada e normalizado de acordo com o livro Metals HandBook temos os valores para tensão de escoamento e resistência: De acordo com a tabela acima: · σe=1274MPa · σr=1343MPa Além do material SAE 1045, mas também em função da NBR8400 grupo 1AM e da nossa carga 15 tonf, encontra-se o nº de referência 3522/08, onde o diâmetro de pescoço do gancho pescoço = 67 mm e tem um peso aproximado de Pgancho = 28 kgf. Pág 79A · Grupo de mecanismo 1AM → · Caso de solicitação Caso I → · ok! 1.4 Seleção do rolamento de escora · Para determinar o rolamento, primeiramente devemos determinar a carga de serviço. Os rolamentos são axiais de esfera e escora simples e foram obtidos no catálogo da SKF de acordo com as cargas de serviço de cada gancho. Considerando uma carga de e uma necessidade de usinagem da superfície do gancho onde este será colocado, foi selecionado um rolamento que suporta uma carga estática de 160 kN, o que corresponde a 16000 kgf. Este rolamento apresenta diâmetro interno de 70 mm, externo de 105mm e altura H=27mm. Carga Estática: C0 = 160.000 N (15.000 + 270 + 28) x 9,81 C0 = 160.000 N 150073,38N ok! Peso rolamento: 0,79 kgf · Dimensionamento da porca de fixação do gancho Verificação da rosca conforme apostila de Elementos de Máquina (Prof. Alberto): Rosca Trapezoidal DIN 103: SAE 1045 D P d2=D2 d3 D1 D4 As=Sr ac R1 R2 70 10 65 59 60 71 3019.1 0.5 0.25 0.5 · Cálculo da altura mínima: d = diâmetro nominal; d3 = diâmetro interno; p = passo; d2 = diâmetro de flanco; D4=diâmetro do fundo da porca; D1=diâmetro do topo da porca; AS=Área resistente. Dimensão da porca A altura mínima da porca será calculada considerando-se 6 filetes resistentes, assim para cada gancho, temos: Rudenko Q=carga do filete t=seçao de contato do filete do=diâmetro maior di=diâmetro interno da rosca(d3) P=300kg/cm2 Para 6 filetes h = 6.p = 6.10 = 60 mm H<h ok! · Cálculo da Compressão [σ]: Como < OK! · Cálculo do Cisalhamento [τ]: Como 2. Escolha do diâmetro do cabo padronizado · Tração do cabo Para Grupo 1AM, adotando Cabo Normal, Q = 0,280. T – Força de Tração nos Cabos · N=4polias · italha=1:4 · ηp=0,98 · Diâmetro externo mínimo do cabo Segundo a apostila na página 73 tem-se o diâmetro externo mínimo do cabo normal e grupo 1AM e Q=0,3: Este diâmetro calculado (Dmin) deve ser menor que o selecionado a seguir na página 88: · Corte do cabo de aço CABO PADRONIZADO Alma de fibra Diâmetro (pol) Peso (kg/m) Carga de ruptura mínima efetiva (kgf) 6x41 3/4 1.413 21.600 · Temperatura ambiente é no máximo 40ºC · Equipamento de transporte de carga · Cabo 6 x 41,polido, com alma de fibra terá o diâmetro padronizado de: padrão = 3/4 ” = 19,05 mm · Carga de ruptura = 21.600 kgf/mm2 · Peso: 1,413 kgf/m. · · Peso estimado: Pcabos = (Ncabos x h elevação x qca) x 1,1 Pcabos = (4 x 6 x 1,413) x 1,1 Pcabos = 37,303 kgf 3. Cálculo do coeficiente de segurança do cabe de aço Pag 89: Coeficiente de Segurança deve ser ≥ 5 para equipamentos que não transportam metal líquido. OK ! 4. Escolha do diâmetro das polias (compensadoras / móveis / fixas) Pág 75-77 dpolias ≥ dcabo.H1.H2 · Grupo 1AM · Cabo Normal · H1 Tambor: 16 Fixas/Moveis: 18 Compensadora: 14 · H2 Tambor: 1 Fixas/Moveis:1.25 (wT ≥10) Compensadora: 1 Øtambor ≥ (19,05 x 16 x 1) Øtambor ≥ 304,80 mm (ver item 6 – recálculo) Øfixas/moveis ≥ (19,05 x 18 x 1,25) Øfixas/moveis ≥ 428,63 mm Øcompensadora ≥ (19,05 x 14 x 1) Øcompensadora ≥ 266,7 mm · Compensadora Pag.94 Fabricante USS, Código para pedido WSW-161 Material: aço SAE1070 Forjado Normalizado Peso estimado: 95 lbf ≈ 42,18 kgf D =15”= 381 mm Largura =3 ½ “=88,9 mm · Polias Moveis Fabricante USS, Código para pedido WSW-201 Material: aço SAE1070 Forjado Normalizado Peso estimado: : 170 lbf ≈ 77,11 kgf Db = 460,38 mm 5. Seleção dos rolamentos das polias móveis e fixas Carga estática== Pelo Catálogo SKF : Designação 6215 6. Escolha do diâmetro / comprimento do tambor / cálculo do tambor (espessura / peso total / eixos / flanges / nervuras / rolamento do lado do pedestal) De acordo com a pag 96 Material: ASTM-A36 6.1 Diâmetro mínimo Considerando cabo normal no tambor e grupo 1 AM, temos os seguintes fatores e diâmetro mínimo: H1=16 E H2=1 ØMinino tambor ≥ (19,05 x 16 x 1) ØMinino tambor ≥ 304,8 mm Adotando Øprimitivo de 350 mm Øprimitivo = Øusinado = 350 mm ≥ 304,8 mm ok · Altura de elevação: H = 6 m · Øcabo = 3/4” = 19,05 mm · Carga Nominal: Qn = 15.000 kgf · Número de cabos: f = 4 · Número de pontas de cabos presas ao tambor: i = 2 · Potência transmitida ao eixo do tambor: · Cálculo da quantidade de ranhuras 6.2 Cálculo do comprimento do tambor Pág 98 = 150 mm* · Cálculo do diâmetro externo usinado 6.3 Cálculo do tambor · Cálculo da espessura mínima · Tensão de flexão devido ao efeito de viga Cálculo em 1 cabo no tambor d P R k S hmín 3/4” 22 10,4 2,04 7,5 12 · Cálculo da tensão de flexão devido ao efeito viga · Tensão de flexão local · Tensão de esmagamento · Tensão total resultante · Cálculo da tensão de torção · Cálculo do ângulo de torção · Espessura da chapa Pag.100 Adotamos portanto T = 31,5mm, conforme tabela da página 100. · Diâmetro interno bruto · Diâmetro externo bruto · Verificação do sobremetal mínimo para usinagem 6.4 Peso do tambor · Cilindro ρ=7860 kg/ · Ranhuras · Peso Total No cálculo de Fr o β=1,15(pag.102) e a força de tração T=3942,78 e Ptambor=W Fr = T. β + W 2 · Tensão de Flexão · Tensão de Cisalhamento devido ao Torque = 0 · Tensão de Cisalhamento devido a força atuante · Tensão Combinada 6.5 Cálculo da espessura dos flanges Pag.103 · Tensão de esmagamento no flange interna Para cálculos dos flanges devemos relembrar alguns valores: I= 100 mm t2= 10 mm t1= 10 mm j= 60mm J= 150 mm Tensão de esmagamento no flange externa Conforme critério da pág. 103, como Cálculo da Solda (Eixo – Cubo – Flange) Tensão de flexão unitária por cm de solda Tensão de cisalhamento devido à torção Não se aplica, pois o eixo do pedestal não sofre torção Tensão de cisalhamento devido à força cortante Tensão resultante Espessura mínima do cordão de solda · Seleção do rolamento e da caixa standard Pelo catálogo da SKF, selecionamos o rolamento auto compensador de rolos modelo 22207 EK, conforme tabela abaixo: · Seleção da caixa standard Pelo catálogo da SKF, selecionamos a caixa de rolamentos modelo SNL 216. Peso da caixa + graxa = 88,3 7. Cálculo da potência do motor de levantamento (vide item 6) 8. Escolha do motor de levantamento Para a escolha do motor utilizaremos a tabela 13: Tabela 13 - Características elétricas e mecânicas para motores 8 pólos Norma= NBR 11723 Norma : EB620 Carcaça : 200L Potência : 21 CV Rotação: 1140 rpm Número polos: 8 Tensão alimentação 440v x 60Hz x 3 fases Classe de isolação: B Grau de proteção: IP54 Ponta de eixo secundaria: sim Caixa de ligação: superior Numero de manobras /hora: 150 %ED: 40% Peso: 290 kgf 9. Cálculo da redução necessário para o redutor de levantamento · Rotação do tambor · Rotação do motor 10. Escolha do redutor de levantamento Eixos paralelos com redução tripla - pag. 132 i= 67,16 → i=71 Como no projeto a potência do motor elétrico é de 20,44 kW, vamos utilizamos um tamanho de redutor de 250, pois sua potência nominal é de 22,4 kW. Portanto o redutor utilizado nesse projeto será o IMA-220C. Peso do redutor sem óleo é de 385 kg. 11. Escolha dos pinos / buchas do acoplamento especial / redutor Material dos pinos SAE 4140 temperado e revenido a 400º C Pag.347 e 398 σr=135 kgf/ σe=125 kgf/ Pag.141 Flexão !! Tensão de compressão entre cubo e chapa do tambor 12. Desenho do acoplamento especial do tambor/ redutor 13. Cálculo do torque para o freio de levantamento Pag 156 14. Escolha do freio para o motor de levantamento (parada) Para escolha do freio do motor de levantamento determinamos o diâmetro da polia, através da rotação e o momento de torção calculado anteriormente. Tabela - Momento de torção permitida [Nm] Através da tabela determinamos que o diâmetro da polia será de 315 mm. Com o diâmetro da polia podemos determinar o modelo do freio entrando com o diâmetro da polia e o momento de torção calculado anteriormente na tabela 19. Tabela 19 - Tabela de Escolha do Freio Após utilizar as tabelas, o freio determinado foi: Modelo: FNN 3230 Torque de Frenagem mínimo: 140 Nm. Torque de frenagem máximo: 310 Nm. Diâmetro da polia: 315 mm. Massa: 59 kg. As dimensões do freio são as seguintes: Tabela 20 - Dimensões do Freio Figura 22 - Croqui do Freio 15. Escolha do freio de controle para levantamento (Sistema de controle) De acordo com a página 162 foi feita a seleção do freio Foucault: Motor: Potência = 27,41 CV = 27 HP Rotação = 1200 rpm MODELO: AB-706 n = 1200 rpm Torque máx.: 34 kgf.m Dissip. Máx. em serviço contínuo: 25 HP Força radial máx. no eixo: 350 kgf Peso aproximado: 160 kg 16. Seleção / cálculo de acoplamentos e rolamentos 17. Estimativa do peso do carro (estrutural / Mecânico / Elétrico) Para estimativa do peso total do carro estimado, utilizaremos a equação: 17.1. Peso Mecânico (P1) 17.2. Peso Estrutural (P2) Para determinação do peso estimado da estrutura, será aplicado a equação: Q: Carga máxima [toneladas]. L: Altura elevação [metros]. R: Vão do carro [metros]. W: Vão entre rodas carro [metros]. Para determinação de “R” e “W” será necessário fazer layout preliminar do carro (planta em escala). 17.3. Peso total estimado do carro (Pt) Para determinação do peso estimado P3, será aplicado a equação: 18. Cálculo da potência para o motor de translação do carro Para cálculo da potência para o motor de translação do carro, utilizaremos a equação: 18.1. Cálculo da Potência de Aceleração Para cálculo da potência de aceleração, utilizaremos a equação: Q: Carga máxima= 15.000 kg. Q0: Peso próprio do carro= 3337 kg. V: Velocidade de translação do carro= 50 m/min. ηmec.: Rendimento dosistema de translação do carro= 0,97. β: Fator de Estimativa de Inércia= 1,2. ta: Tempo de Aceleração= 5 segundos. 18.2. Cálculo da Potência de Regime Para cálculo da potência de regime, utilizaremos a equação: · Resistência ao deslocamento Q: Carga máxima= 15 toneladas. Q0: Peso próprio do carro= 3,337 toneladas. Wt: Resistência ao deslocamento = 8,5 kg/ton. ηmec.: Rendimento do sistema de translação do carro= 0,97³. Agora retornaremos a equação: 19. Escolha do motor de translação Para escolha do motor utilizaremos a tabela 31: Tabela 31 - Características elétricas e mecânicas para motores 6 polos Norma= NBR 11723 Carcaça= 132M Potência= 4,5 CV Tensão= 440V Frequência= 60Hz Forma construtiva= B3 Número de pólos= 6 pólos Tensão de Alimentação= 440V x 3ɸ x 60Hz Classe de Isolação= B Grau de Proteção= IP-54 Ponta de Eixo Secundária Pintura padrão do fabricante Número de manobras por hora= 150 %ED= 40% Caixa de ligação Superior Tabela 32 - Dimensões do Motor 20. Cálculo do freio para motor de translação do carro (Parada) Para escolha do freio para o motor de translação do carro, utilizaremos o critério do fabricante de freios eletro-hidráulicos, utilizando a equação: P: Capacidade do Motor [cv] n: Rotação do motor [min-1] T freio translação: Momento de Torção [] 21. Escolha do freio para o motor de translação do carro Para escolha do freio do motor de translação do carro determinamos o diâmetro da polia, através da rotação e o momento de torção calculado anteriormente. Através da tabela determinamos que o diâmetro da polia será de 125 mm. Com o diâmetro da polia podemos determinar o modelo do freio entrando com o diâmetro da polia e o momento de torção calculado anteriormente. Tabela 34 - Tabela de Escolha do Freio Após utilizar as tabelas, o freio determinado foi: Modelo: FNN 3250 Torque de Frenagem mínimo: 240 Nm. Torque de frenagem máximo: 530 Nm. Diâmetro da polia: 315 mm. Massa: 70 kg. As dimensões do freio são as seguintes: Figura 23 - Croqui do Freio 22. Cálculo da reação máxima, reação mínima e reação média Ambiente de serviço: coberto, sem vento, temperatura máxima de 40°C – caso I de solicitação. Carga Média: 23. Checagem do diâmetro roda/trilho – reação Caso I de solicitação: Para trilhos com superfície de rolamentos curvos: Da página 218 da apostila temos: Trilho TR25 l = 54 mm R = 7,9 mm Características do trilho: - Material: SAE 1060 - Laminado - Dureza: 210 HB - Barras de 3 metros Determinação da largura útil do boleto do trilho (b) utiliza-se as seguintes fórmulas: Para trilhos com superfície de rolamento curva Logo: Raio da pista do trilho: r=7,9mm Largura do trilho: L=54mm Pressão limite PL=0,72kgf/mm2 Diâmetro da roda DRODA=315mm Da tabela abaixo, , considerando material com . e velocidade de translação = 50 m/min - Para o grupo de mecanismo 1Am, conforme tabela abaixo - 24. Cálculo da redução para o redutor de translação do carro Normalizando: i = 25 25. Escolha do redutor de translação do carro Motor elétrico = 4,5 CV = 3,3 kW Como no projeto a potência do motor elétrico é de 3,3 kW, vamos utilizamos um tamanho de redutor de 200, pois sua potência nominal é de 45,2 kW. Portanto o redutor utilizado nesse projeto será o IMA-200C. Peso do redutor sem óleo é de 300 kg. 26. Entre rodas / vão do carro (Layout) 27. Seleção e cálculo de acoplamentos e rolamentos / cálculos de eixos necessários Os acoplamentos foram selecionados de acordo com o torque e o diâmetro do eixo, mostrados a seguir: Catálogo FALK: para deslocamento de pontes ou carros, fator de serviço = 1,75. Acoplamento redutor x eixo roda (2 acoplamentos) D = 110 mm (ponta de eixo do redutor) D = 75 mm (eixo da roda) Utilizando a tabela abaixo, selecionamos o acoplamento 35G20. Seleção dos rolamentos (2 rolamentos por mancal) Carga dinâmica = Selecionamos então o rolamento 6215-2Z, cujas especificações seguem acima conforme catálogo SKF. 28. Cálculo preliminar da estrutura do carro Vamos utilizar as travessas do carro da viga caixão VCN5, conforme recomendação em aula, as dimensões e característica mecânicas segue conforme página 270 e 273 da apostila. 29. Cálculo preliminar do peso próprio do carro Plevantamento + Pestutura= 4017 Kg 30.Determinação de centro de gravidade do carro (CG) Equipamento m(kg) X(mm) Y(mm) m.X(kg.mm) m.Y(kg.mm) Redutor 385 0 960 0 369600 Freio de controle 180 840,5 540 151290 97200 Motor de levantamento 290 2029,5 540 588555 156600 Freio de parada 59 2825 415 166675 24485 Tambor 244 1486,87 1240 362796,28 302560 Redutor de translação 300 783 -10 234900 -3000 Motor de translação 110 1406,5 0 154715 0 Freio de parada de translação 70 1782,7 -55,4 124789 -3878 Polia compensadora 42,2 1005 583 42411 24602,6 TOTAL 1680,2 1826131,28 968169,6 Substituindo os valores temos: mm mm 31. Verificação estrutural do carro pelo Método dos Elementos Finitos Com a utilização do Método dos Elementos Finitos, usando o software Ansys R17.2 realizou-se a verificação estrutural do carro de translação, sendo obtidos os níveis de tensões e deformação na estrutura. A seguir, são mostradas a metodologia e os resultados empregados: 1 adm tração _ 25 , 1 s s £ ( ) A Peso Útil Carga s Assessório tração + = s ( ) ( ) MPa 39 81 , 9 70 28 270 000 . 15 4 A Peso Útil Carga 2 s Assessório tração = × × + + × = + = p s MPa 5 , 599 8 , 2 1 1343 25 , 1 FS q 25 , 1 r res adm = × × = × × = s s 5 , 599 39 . 25 , 1 £ ³ ( ) ( ) ( ) ( ) 97 , 0 98 , 0 1 98 , 0 1 * 4 1 1 1 * 1 4 = - - = - - = polia N polia talha N h h h kgf T 78 , 3942 97 . 0 * 4 15.298 = = T Q D . min = 78 , 3942 . 280 , 0 min = D mm D 58 , 17 min = T ruptura de a C C s arg = 5 48 . 5 78 , 3942 21600 ³ = = s C polia rolamentos de n T / º 2 × KN kgf 428 , 39 78 , 3942 2 78 , 3942 2 = = × 1 2 9 + + + + + = g d K S h T 005 , 0 2 2 + + × = D f d W t m kg n Pcarro F rodas r 1004 4 4017 min = = = kg F r 4754 4 15000 4017 max = + = kgf F F F F F r r rmáx r r 3504 3 4754 2 1004 3 2 min = × + = × + =
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