dimensionamento de eixo. estudo de caso

0

CENTRO UNIVERSITRIO DO SUL DE MINAS

ENGENHARIA MECNICA

KAREN DO COUTO SEIXAS

LUIZ GUSTAVO MACHADO MIRANDA

MARINA ZAMPIER MACHADO

RODRIGO QUINTILIANO DE PAULA

TRANSPORTADOR DE CORREIA HORIZONTAL: estudo de caso do tambor de

retorno .

Varginha

2014

1

Karen do Couto Seixas

Luiz Gustavo Machado Miranda

Marina Zampier Machado

Rodrigo Quintiliano de Paula

TRANSPORTADOR DE CORREIA HORIZONTAL: estudo de caso do tambor de

retorno .

Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Mecnica

do Centro Universitrio do Sul de Minas como pr-

requisito para obteno de crditos nas disciplinas de

Criatividade e Inovao, Sistemas Fluidomecnicos,

Sistemas Mecnicos II, Tecnologia de Soldagem,

Transferncia de Calor II, sob orientao do Prof.: Erik

Vitor da Silva.

Varginha

2014

2

RESUMO

No ambiente industrial comum o transporte interno de cargas e produtos em grande

variedade de formas e tamanhos. Essa movimentao exige mquinas para elevao e

transporte em seus diferentes tipos e aplicaes. O presente trabalho consiste em realizar um

estudo de caso de um transportador horizontal contnuo com correia plana utilizado em uma

empresa do ramo alimentcio, a generalizao feita em reserva do setor, condies tcnicas e

culturais da organizao . Especificamente, a anlise ser feita no tambor de retorno da esteira

que apresentou desgaste prematuro em suas extremidades onde esto acoplados os mancais. O

objetivo do trabalho levantar as cargas envolvidas e que atuam diretamente nos mancais de

apoio possibilitando analisar a dimenso e material utilizados no eixo, e se os mesmos esto

compatveis com a solicitao de trabalho, aplicando sistematicamente os clculos para

dimensionamento de eixos com foco na resoluo de problemas em cho de fbrica.

Palavras-chave: Transportador horizontal, tambor de retorno, desgaste prematuro.

3

SUMRIO

1 INTRODUO .............................................................................................................. 05

2 MQUINAS DE ELEVAO E TRANSPORTE ...................................................... 06

2.1 Classificao das mquinas e elevao e transporte................................................. 06

2.2 Transportadores contnuos ......................................................................................... 08

2.2.1 Componentes bsicos dos transportadores de correia ................................................ 09

2.2.2 Tambores .................................................................................................................... 09

2.2.3 Roletes ........................................................................................................................ 10

2.2.4 Raspadores .................................................................................................................. 11

2.2.5 Correias ....................................................................................................................... 11

3 ESTUDO DE CASO TAMBOR DE RETORNO ........................................................ 12

3.1 Condio de trabalho .................................................................................................. 14

3.2 Caractersticas do tambor .......................................................................................... 15

3.3 Premissas para o dimensionamento ........................................................................... 16

3.4 Dimensionamento do eixo ........................................................................................... 17

3.4.1 Clculo das tenses na correia .................................................................................... 18

3.4.2 Combinaes de esforos ........................................................................................... 21

3.4.3 Determinao do dimetro do eixo ............................................................................. 23

5 CONCLUSO ................................................................................................................. 25

4

REFERNCIAS ................................................................................................................ 26

5

1 INTRODUO

Existe uma grande diversidade de equipamentos de elevao e transporte utilizados

nos mais variados seguimentos da indstria, que tem obrigao de se tornarem competitivas

para se manterem no mercado. Os sistemas de armazenamento e transporte so fatores de

grande importncia dentro da estrutura de custos, portanto devem ser eficientes durante sua

vida til. No que tange o deslocamento de materiais, os transportadores de correias so

amplamente utilizados, sendo este modelo o objeto de estudo.

A disponibilidade de mquina, ou seja, o tempo que a mesma est apta a produzir,

um fator que as indstrias modernas se preocupam cada vez mais, exigindo projetos de

mquinas que atendam com segurana a demanda exigida.

Em projetos que necessitam de alguma alterao durante sua vida til, devido o

aumento da demanda ou mesmo pela falha de algum elemento, necessitam de ateno especial

para manterem sua eficincia, evitando custos indesejveis no processo.

O objetivo deste trabalho consiste em eliminar os custos gerados devido a falha do

eixo de um tambor de um transportador de correia utilizado em uma empresa do ramo

alimentcio, aplicando os devidos clculos para dimensionamento de eixos de tambores,

propondo uma soluo de simples implantao e vivel.

O estudo se divide em duas etapas: a primeira uma reviso bibliogrfica com intuito

de conhecer os equipamentos de elevao e transportes disponveis no mercado, com foco nos

transportadores de correias e seus elementos; a segunda com o estudo de caso, aplicando os

clculos necessrios com propsito de redimensionar o elemento para atender a demanda.

6

2 MQUINAS DE ELEVAO E TRANSPORTE

Segundo Nassar (2004) os equipamentos de elevao e transporte de carga existentes

nas indstrias apresentam uma grande diversidade de formas construtivas devido a variedade

de suas aplicaes. A necessidade de aumento de produtividade das empresas vem exigindo a

implementao de processos automatizados que incorporam alta tecnologia no projeto destes

equipamentos.

Langui (2001) afirma que estrutura de custos de uma empresa sofre grande influncia

dos sistemas e mtodos que tratam do armazenamento e movimentao de materiais e

produtos.

Portanto o encurtamento das distncias percorridas, tanto pela matria-prima quanto

pelo produto final processado, realizado atravs de um sistema de movimentao eficiente

um fator importante na busca de uma reduo de custos de um processo produtivo

(TAMASAUSKAS, 2000).

2.1 Classificao das mquinas e elevao e transporte

Considerando a diversidade das aplicaes existentes nas atividades modernas, estes

equipamentos receberam diversas classificaes. Tamasauskas (2000) classifica-os em trs

grupos: equipamentos de manuseio contnuo, entre eles os transportadores de correia,

transportadores de caneca, transportadores que utilizam fusos, etc.; equipamentos de

manuseio descontnuo, em que a carga iada por algum mecanismo (eletrom, caamba,

tenaz, bloco de gancho, barra de carga, etc.) como talhas, monovias, equipamento com

levantamento de carga e giro, pontes rolantes monovigas, pontes rolantes com duas vigas

(carro apoiado), prticos rolantes, guindastes, etc.; e por ltimo os equipamentos mistos, que

podem ser citados os carregadores e descarregadores de material a granel em reas porturias

ou siderrgicas.

Uma classificao alternativa proposta por Nassar (2004), afim de simplificar a

especificao destes equipamentos:

7

I. Veculos de Transporte

A) Veculos para transporte manual (carrinhos, carros)

B) Veculos motorizados (carro, trator, empilhadeira). Eltricos, diesel ou gs.

II. Meios de Elevao

A) Talhas

- Polias

- Talhas helicoidais

- Talhas de engrenagem frontal

- Talhas eltricas

- Carros de ponte para talhas

B) Guinchos

- Guinchos de cremalheira

- Macaco de rosca

- Macaco hidrulico

- Guinchos manuais

- Guincho mvel manual

- Guinchos acionados por motor eltrico

C) Guindastes

- Guindastes de ponte (pontes rolantes)

- Guindastes mveis de paredes

- Guindastes de cavaletes (prticos e semi-prticos)

- Pontes de embarque

- Guindaste de cabo

8

III. Transportadores Contnuos

A) Correias Transportadoras.

B) Transportadores Articulados: Esteira Articulada, Transportador de Canecas, Transportador

Circular, Transportador Raspador e Transportador de Correntes.

C) Hlices Transportadoras.

D) Transportadores Oscilantes.

E) Mesas de Rolos

F) Instalaes Pneumticas e Hidrulicas de Transporte.

2.2 Transportadores Contnuos

Para o deslocamento de grandes quantidades de material em um tempo reduzido os

transportadores contnuos se mostram os mais adequados , devido ao seu percurso fixo de

transporte. So aplicados em trechos horizontais, inclinados e verticais; em percursos retos,

angulares ou curvos (NASSAR, 2004).

Os materiais transportados podem ter caractersticas diversas, podendo ser a granel,

granel e volumes e apenas em volumes. No ambiente industrial os diversos tipos de

transportadores contnuos esto cada vez mais incorporados aos processos produtivos, e pelas

suas caractersticas tm assumido importante funo na automao de inmeras atividades

que envolvem o deslocamento de materiais (Id, 2004).

Nassar (2004) afirma tambm que os transportadores de correia, ou correias

transportadoras, representam um dos principais tipos de transportadores contnuos utilizados

atualmente, sendo este o foco do estudo ser analisado com mais detalhes.

9

2.2.1 Componentes bsicos dos transportadores de correia

Os transportadores de correia podem apresentar diversas configuraes de acordo com

a matria prima ou produto a ser transportado, refletindo na estrutura do transportador a ser

adotado e nos mais variados componentes que podem apresentar.

De modo geral, Nassar (2004) cita alguns componentes bsicos presente na grande

maioria das correias transportadoras, de acordo com a figura 1.

Figura 1 - Componentes bsicos da correia transportadora.

Fonte: (Adaptado, NASSAR, 2004).

2.2.2 Tambores

Segundo Campos (2013 apud SACRAMENTO, 2010) uma das funes dos tambores

a de tracionar a correia durante o funcionamento do transportador e realizar dobras e

desvios na correia. A trao da correia exercida pelo tambor de acionamento que se encontra

10

acoplado a um sistema de motorizao. Esta movimentao responsvel pelo movimento

dos tambores movidos que permite a correia retornar posio inicial.

Entre os tambores movidos est o tambor de retorno que em alguns casos

responsvel tambm por tensionar a correia atravs de um sistema de parafusos. Em

determinadas situaes so utilizados um esticador do tipo automtico por gravidade

composto por tambor de esticamento acoplado a um contrapeso para fornecer a tenso de

operao desejada juntamente com os tambores de encosto (FAO..., 1996). Os dois sistemas

so representados na imagem abaixo.

Figura 2 - Modelos de esticadores de correia.

Fonte: (Adaptado, FAO, 1996).

2.2.3 Roletes

Rolete so rolos, geralmente cilndricos ligados a seus respectivos suportes que podem

rotacionar livremente em relao ao seu prprio eixo. So utilizados para dar suporte e guiar

a movimentao da esteira na direo de trabalho (Id, 1996).

Na representao do transportador de correias demonstrado na figura 1 so citados trs

tipos de roletes comumente utilizados em equipamentos de pequeno e mdio porte. Campos

(2013 apud SACRAMENTO, 2010) os discrimina da seguinte forma:

11

- Roletes de impacto: so roletes montados com vrios anis de borracha entorno de um tubo

de ao. So posicionados no ponto de descarga do material a fim de suportar o impacto deste

material sobre a correia;

- Roletes de carga: so localizados na parte superior da transportadora para sustentar a correia

e a carga a ser transportada sobre a ela. As configuraes para os roletes de carga podem ser

planos, duplos, triplos, em catenria (com 3 ou 5 rolos) ou espiralados. Os roletes planos tem

capacidade de carga menor que os duplos, triplos e em catenria devido ao fato da esteira ficar

acamada nestes;

- Roletes de retorno: roletes constitudos de anis de borracha afastados por distanciadores e

montados sobre um tubo de ao. Sobre os roletes de retorno fica apoiada a parte de retorno da

correia e possuem maior separao entre si. Algumas vezes tem a utilizao da borracha a fim

de desprender o material aderido na correia e evitar o seu acmulo;

2.2.4 Raspador

O raspador um acessrio de limpeza bastante utilizado para evitar danos aos demais

componentes do transportador que esto em contato com a correia, retirando o excesso de

matria prima da superfcie, principalmente materiais transportados granel como minrio de

ferro e outros (Id, 2013).

2.2.5 Correias

De acordo com Campos (2013 apud SACRAMENTO, 2010) a correia considerada o

principal elemento de uma mquina transportadora devido estar sempre em contato com o

material a ser transportado. Os principais fatores a serem levados em considerao na escolha

da correia ideal para uma determinada aplicao so as caractersticas do material a ser

12

transportado, tipos de roletes, largura da correia, condies de servio, temperatura do

material, tempo de percurso e tenso mxima.

A estrutura de uma correia composta basicamente de uma carcaa constituda por

uma estrutura resistente, de rayon, nylon, polister ou cabo de ao, responsvel por suportar

os esforos de trao e reduzir os efeitos de impactos. E de um ou mais revestimentos que

protegem a correia da abraso ocasionada no transporte dos materiais e na transmisso com

roletes e rolos (CORREIAS..., 2009, p. 44).

3 ESTUDO DE CASO TAMBOR DE RETORNO

Ser analisado um tambor de retorno utilizado em um transportador de correia, figura

3, que apresentou desgaste prematuro em suas extremidades onde esto acoplados os

mancais.

Figura 3 - Transportador de correia.

Fonte: (DRAFT, 2013).

13

O desgaste ocasionou uma reduo crtica no dimetro do eixo, como pode ser visto na

figura 4, gerando folga entre o rolamento e o eixo.

Figura 4 - Eixo com desgaste.

Fonte: (O AUTOR).

Apesar da reduo do dimetro no ocorreu o cisalhamento total da seo, desde modo

a primeira hiptese levantada da causa da falha foi que os rolamentos de apoio estavam

travados e a segunda que a montagem do eixo na estrutura apresentava um desalinhamento

superior que o fabricante do mancal permite. Ambas as hipteses foram verificadas e

consideradas nulas.

Esta situao motivou a realizar o estudo mais profundo da falha, recalculando o

material e/ou o dimensional do eixo para atender a demanda de projeto.

14

3.1 Condio de trabalho

O equipamento, figura 3, trabalha em uma linha juntamente com outros

transportadores que o alimentam com os volumes de pesos diferentes a serem transportados

para os demais equipamentos seguintes. Os volumes so adicionados em duas posies, a

primeira no incio do tambor de retorno e a segunda a 840 milmetros (mm) do mesmo.

A condio mais crtica acontece com carga mxima do volume de 25 Kg com

espaamento mnimo entre eles de 150 mm, de acordo figura 5.

Figura 5 - Condio de trabalho.

Fonte: (O AUTOR).

O equipamento funciona 24 horas dirias e seu ciclo de trabalho intermitente, ou

seja, durante seu funcionamento o transportador pode parar inmeras vezes durante o turno

em pequenos intervalos de tempo, variando com o ritmo de produo.

A temperatura de trabalho ambiente, no sendo considerada um fator crtico,

podendo chegar nos dias mais quentes a cerca de 40C.

15

3.2 Caractersticas do tambor

O tambor em estudo contem trs componentes bsicos que so o tubo, eixo e os

discos, confeccionados em ao SAE 1020. O dimensionamento ser feito para o eixo, os

demais componentes no sero foco deste trabalho. A figura abaixo demonstra a o elemento

em vista explodida e sua montagem final.

Figura 6 - Tambor de retorno.

Fonte: (O AUTOR).

16

As dimenses bsicas, em milmetros, para o dimensionamento so detalhadas na

figura 7.

Figura 7 - Tambor de retorno.

Fonte: (O AUTOR).

3.3 Premissas para o dimensionamento

O dimensionamento de tambores feito em cima dos critrios de flexo cclica e

toro constante. Em tambores motrizes deve-se considerar a flexo-toro e nos movidos a

somente a flexo pura (FAO, 1996).

Os esforos que os eixos de tambores esto solicitados so: esforo radial devido as

tenses na correia, peso prprio e momento torsor em tambores motrizes (Id, 1996).

A priori o material adotado para o clculo ser o mesmo que utilizado na construo

do tambor, ao 1020 com tenso admissvel (adm) de 560 Kgf/cm, conforme a tabela 1.

Demais informaes importantes levantadas sobre o transportador que sero aplicadas

nos clculos constam na tabela 2.

17

Tabela 1 - Tenso admissvel dos aos incluindo coeficientes de segurana e fadiga.

MATERIAL TENSO ADMISSVEL (adm) Kgf/cm

EIXO COM CHAVETA EIXO SEM CHAVETA

SAE 1020 420 560

SAE 1040 560 750

SAE 4340 700 930


Tabela 2 - Informaes do transportador de correia.

ELEMENTO DO

TRANSPORTADOR

DESCRIO DA

INFORMAO VALOR

Motoredutor Potncia 550 W

Rendimento 0,754

Correia SVA/SE Permetro 2,6 m

Peso 3 Kgf/m

Tambor de retorno Peso 18 Kgf

Rotao 90 rpm

Fonte: (O AUTOR).

3.4 Dimensionamento do eixo

Para realizar o dimensionamento adequado primordial encontrar todas as

combinaes existentes de esforos, possibilitando encontrar a resultante radial que ser

utilizada para determinar o dimetro do eixo.

O modelo de clculo adotado est de acordo com o Manual de Transportadores de

Correias Fao, fornecido pela Fbrica de Ao Paulista S.A.

18

3.4.1 Clculo das tenses na correia.

O peso do material ( determinado em funo da capacidade do transportador ( )

e a velocidade da correia ( ) pela equao 1.

(1)

A velocidade da correia pode ser encontrada apartir da rotao do tambor especificada

na tabela 2, aplicando equao 2 abaixo.

(2)

A capacidade do transportador ser calculada na condio mais crtica de acordo com

a figura 5, onde a cota de 1130 mm corresponde a distncia (D) que o volume com massa (m)

de 25 Kg percorre at sair do transportador, desde modo Q em toneladas por hora (t/h) ser

dada pela equao 3.

(3)

Aplicando a equao 1 temos o peso do material.

V

QWm 277,0

30

.. rnV

3600..

D

mVQ

19

Para garantir uma flecha de 1% na correia entre os roletes a tenso mnima admissvel

( ) e dada pela equao 4.

(4)

Onde o peso da correia indicado na tabela 2 e o espaamento entre os roletes

de carga de acordo com a figura 5. A tenso necessria para garantir a flecha especificada :

Para calcular as tenses principais na correia de um transportador horizontal ou em

aclive com acionamento no tambor localizado na sada da matria prima deve-se utilizar de

alternativamente a frmulas A e B propostas por Fao (1996), de acordo com o esquema

abaixo.

Figura 8 - Esquema de clculo.


aWWT Bm )..(5,120

20

A tenso no tambor de retorno pode ser encontrada de duas formas, uma onde

j calculado anteriormente, e a segunda pela equao 5, a condio mais crtica

ser adotada. As demais tenses mximas e mnimas no tambor de acionamento, e

respectivamente, so adotadas para dimensionamento do eixo motriz, no aplicadas neste

estudo.

(5)

A simplificao em relao ao esquema da figura 5 ocorre devido a altura (H) ser

igual a 0, por ser um transportador horizontal, anulando . J a fora de atrito nos roletes de

retorno inexiste, pois o transportador em estudo no contm tais componentes. O fator

de abraamento (K) obtido na tabela 3.

Tabela 3 - Fator de abraamento da correia (K).

TIPO DE

ACIONAMENTO

ARCO DE

CONTATO

ESTICADOR POR

GRAVIDADE

ESTICADOR POR

PARAFUSO

Tambor de

ao

Tambor

revestido

com

borracha

Tambor de

ao

Tambor

revestido

com

borracha

Simples 180 0,84 0,50 1,2 0,8

Simples com

tambor de

abraamento

200 0,72 0,42 1 0,7

210 0,66 0,38 1 0,7

220 0,62 0,35 0,9 0,6

240 0,54 0,30 0,8 0,6

Duplo 380 0,23 0,11 - -

420 0,18 0,08 - -

Fonte: ( Adaptado, FAO, 1996).

eTKT .3

21

A tenso efetiva da correia ser obtida em funo da potncia do motoredutor

(Po) e o seu rendimento (), ambos especificados na tabela 2, considerando tambm a perda

no par mancal de apoio, que segundo Melconian (2008) tem na faixa de 0,98 a 0,99.

Aplicando os dados na equao 6 obtemos .

(6)

Para acionamento simples, arco de contato de 180, tambor de ao com esticador por

parafuso, o fator K= 1,2, conforme a tabela 3, a tenso no tambor de retorno aplicando a

equao 5 :

3.4.2 Combinao de esforos.

Obtida as tenses na correia necessrio realizar a combinao de esforos

encontrando a resultante radial (P), considerando o peso prprio do tambor (W) de retorno de

acordo com o diagrama de corpo livre da figura 9.

gV

PT mancalrmotoredutoe

.

. .0

22

Figura 9 - Diagrama de corpo livre das foras no tambor de retorno.

Fonte: ( O AUTOR).

A resultante radial dada pelo Teorema de Pitgoras, de acordo com a equao 7:

(7)

A fora radial distribuda em dois ponto do eixo , estes so exatamente no discos

internos, gerando um momento fletor mximo no eixo dado pela equao 8, onde a

corresponde a distncia do centro do mancal at o disco indicada na figura 7 em negrito, e

verificado no diagrama de momento fletor simulado no software Ftool conforme a figura 10.

(8)

22

3).2( WTP

2

.aPM f

23

Figura 10 - Diagrama de momento fletor no tambor de retorno.

Fonte: ( O AUTOR).

O resultado da simulao mostra um momento fletor mximo de 57271,5 N.mm que

corresponde 5840 Kgf.mm, resultado muito prximo ao encontrado na equao 8, a pequena

diferena se d devido a preciso do software.

3.4.3 Determinao do dimetro do eixo.

O dimetro do eixo determinado pela equao 9, que relaciona a tenso admissvel

considerando os coeficientes de seguranas e fadiga, apresentado na tabela 1, o momento

fletor calculado anteriormente e o momento de inrcia da seo.

(9)

3

.

.3200

adm

fMd

24

Padronizando o dimetro do eixo com os fabricantes de rolamentos radiais de esferas,

obtemos um eixo de 25 mm de dimetro, conforme a tabela abaixo.

Tabela 4 - Dimetros padronizados de rolamentos em milmetros.

DIMETRO

NOMINAL DO

FURO (mm)

ROLMAX INA SKF FAFNIR NSK

20 UCR 204 GYE20KRRB YAR 204 GYE20KRRB UC 204









65 UCR 213 YAR 213 UC 213

70 UCR 214 GYE70KRRB UC 214

75 UCR 215 YAR 215 GYE75KRRB UC 215

80 UCR 216 YAR 216 UC 216

85 UCR 217 YAR 217 UC 217

90 UCR 218 YAR 218 UC 218

95 3095-95

100 3095-100

Fonte: (Adaptado, HOLMAX, pg. 13).

A proposta de soluo consiste substituir os rolamentos existentes com dimetro

nominal de 17 para 25 mm, mantendo o ao SAE 1020 e alterando somente o dimetro das

extremidades onde o rolamento acoplado.

25

5 CONCLUSO

As empresas buscam constantemente por uma produo enxuta, com o mnimo de

desperdcio, maximizando seus lucros. Como visto os sistemas de elevao e transporte tem

grande influncia na estrutura de custos. Estes equipamentos apesar de indispensveis no

processo, no agregam nenhum valor ao produto, portanto garantir a sua eficincia ao longo

da sua vida til implicar em menor custo do produto tornando a empresa mais competitiva.

Na busca pela competitividade, uma proposta a utilizao de mo obra tcnica

qualificada aplicando conceitos de engenharia em seus mais diversos ramos, com foco na

resoluo de problemas em cho de fbrica.

O presente trabalho tornou realidade a proposta supracitada, aplicando os mais

variados conceitos de mecnica, resistncia dos materiais entre outros, apresentando uma

soluo vivel para uma situao problema em questo.

No possvel determinar o sucesso da proposta no momento, a mesma ser

apresentada na empresa que avaliar segundo os seus critrios, apartir da aprovao ser dado

o andamento para a sua implantao.

26

REFERNCIAS

CAMPOS, L. R. F. Dimensionamento de um transportador contnuo para o transporte

de minrio de bauxita. (Graduao) Universidade de Braslia Faculdade do Gama, Braslia,

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CORREIAS transportadoras: guia bsico / Eletrobrs [et al.]. Braslia : IEL/NC, 2009.

FAO: manual de Transportadores de Correias, 4 Edio, 1996.

HIBBELER, R. C. Esttica: mecnica para engenharia. Traduo Daniel Vieira. 12 ed. So

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HOLMAX, Manual de rolamentos e mancais monoblocos autocompesadores. So Paulo:

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LANGUI, C. A. Pontes Rolantes - A importncia do equipamento nas reas de produo

industrial - Pontes rolantes: Monografia (MBA em Gerncia Empresarial) - Departamento

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NASSAR, W. R. Apostila de Mquinas de Elevao e Transporte. Universidade de Santa

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dimensionamento de eixo. estudo de caso

Documents