UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

ESCOLA DE ENGENHARIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

DISCIPLINA: ELEMENTOS DE MÁQUINAS II

PROJETO DE GUINDASTE DE ELEVAÇÃO

GLAYSSON COSTA ALCÂNTARA

MARIO OTHONIO

BELO HORIZONTE, DEZEMBRO DE 2012

ÍNDICE

1.0 INTRODUÇÃO.............................................................................................................3

2.0 OBJETIVO...................................................................................................................4

3.0 MATERIAIS E MÉTODOS...........................................................................................4

4.0 COMPONENTES MECÂNICOS DA ELEVAÇÃO.......................................................5

4.1 Cabo de Aço.........................................................................................................5

4.2 Tambor.................................................................................................................6

4.3 Dispositivos destinados ao Manuseio de Carga..............................................6

4.4 Guinchos..............................................................................................................7

5.0 PREMISSAS................................................................................................................7

5.1 Premissas para o cálculo da Carga de Elevação.............................................8

5.2 Premissas para o cálculo do Diâmetro do Cabo de Aço.................................8

5.3 Premissas para o cálculo do Diâmetro de Enrolamento..................................8

6.0 DIMENSIONAMENTO.................................................................................................9

7.0 RESULTADOS..........................................................................................................13

8.0 ESTUDO DE ACOMODAÇÃO DO CABO NO TAMBOR.........................................14

9.0 ESPECIFICAÇÃO DO MOTOR ELÉTRICO..............................................................15

10.0 BIBLIOGRAFIA.........................................................................................................15

11.0 ANEXOS....................................................................................................................16

1.0 INTRODUÇÃO

As máquinas de elevação representam uma grande variedade de

equipamentos utilizados em todos os setores da atividade industrial. A classificação

destes equipamentos necessitaria inúmeras considerações para que fossem incluídas

todas as formas construtivas da atualidade.

Os principais equipamentos que fazem parte das máquinas de elevação são:

guindastes, pontes rolantes, elevadores e guinchos. O projeto e construção de

máquinas de elevação requerem a aplicação de normas específicas, que determinam

as condições básicas que devem ser obedecidas.

Máquinas de Elevação são utilizadas também para a movimentação de cargas

e materiais pesados e são comumente empregados nas indústrias, terminais

portuários e aeroportuários, aonde se exigem grande mobilidade no manuseio de

cargas e transporte de uma fonte primária a embarcação, trem ou elemento de

transporte primário ou mesmo avião para uma fonte secundária um veículo de

transportes ou depósitos locais.

Este trabalho aborda o dimensionamento de um Guindaste de Elevação

específico, no qual os parâmetros H (Altura de Elevação), V (Velocidade de Elevação)

e C (Carga de Elevação) foram pré-estabelecidos. O dimensionamento é realizado,

portanto, de forma a atender os requisitos citados acima e em conformidade com as

normas vigentes atuais. Este trabalho também será realizado em duas fases. A

primeira compreenderá o desenvolvimento e estudo de um sistema responsável pela

elevação de uma carga C, ou ainda, frações limites desta carga, bem como as

premissas de utilização deste equipamento. A segunda parte será focada no estudo e

desenvolvimento da transmissão de potência e torque necessários para o

funcionamento deste equipamento.

2.0 OBJETIVO

O Objetivo deste trabalho é o dimensionamento de um Guindaste de Elevação,

onde os parâmetros H (Altura de Elevação), V (Velocidade de Elevação) e C (Carga

de Elevação) foram pré-estabelecidos, ademais, são apresentados os objetivos para

casa fase deste trabalho.

Para a primeira fase deste trabalho serão abordados os itens a seguir:

Dimensionamento do Cabo de Aço;

Dimensionamento do Tambor (características geométricas e

construtivas);

Estudo de enrolamento do Cabo de Aço no Tambor;

Estudo da velocidade de elevação da carga;

Cálculo da potência requerida;

Especificação do motor elétrico.

Para a segunda fase deste trabalho serão abordados os itens a seguir:

Dimensionamento do redutor;

Verificação da especificação do motor elétrico.

3.0 MATERIAIS E MÉTODOS

Para o desenvolvimento dos cálculos será utilizado o software EES – Engineering

Equation Solver, e a metodologia será conforme as normas técnicas citadas na

bibliografia.

4.0 COMPONENTES MECÂNICOS DA ELEVAÇÃO

4.1 CABO DE AÇO

Os cabos de aço estão presentes na maioria dos equipamentos de elevação

de carga. Outros elementos de sustentação, como por exemplo: correntes de elos

redondos, correntes articuladas e cordas de cânhamo são utilizadas em aplicações

específicas, porém na construção dos equipamentos o cabo de aço é o principal

elemento utilizado.

As características que garantem ao cabo de aço esta grande utilização são:

boa flexibilidade, grande capacidade de carga, durabilidade e padronização.

O elemento de construção dos cabos é o arame de aço. Os arames utilizados

na construção do cabo possuem resistência à ruptura por tração que pode variar de

160 a 220 (Kgf./mm2). Para garantir uma solicitação uniforme para todos os arames, o

entrelaçamento utilizado para a formação do cabo deve seguir uma orientação correta

para evitar desgaste prematuro e sobrecarga em alguns arames.

As principais características construtivas do cabo são:

Número de pernas e número de arames (Seale, Filler e Warrington);

Tipo de Alma (Aço ou Fibra);

Sentido e Tipo de Torção (Direita/Esquerda e Regular/Lang);

Passo;

Lubrificação;

Pré-formação;

Resistência do Cabo.

Durante a especificação do cabo de aço para uma aplicação em um

equipamento de elevação os fatores a serem analisados são:

Escolha da construção e função da aplicação;

Diâmetros indicados para polias e tambores;

Ângulo de desvio máximo de um cabo de aço;

Fator de segurança da aplicação.

A utilização dos cabos de aço nos equipamentos de elevação requer a

utilização de dispositivos e acessórios que devem ser especificados no projeto dos

equipamentos, os principais são: sapatas, manilhas, grampos, soquetes e terminais.

Para maiores detalhes referentes ao projeto e especificação referentes aos

cabos de aço recomenda-se consultar as normas específicas e os catálogos dos

principais fabricantes.

4.2 TAMBOR

O Tambor é o elemento do sistema de elevação que tem a função de

acomodar o cabo de aço entre os cursos mínimo e máximo. Esta condição,

juntamente com o diâmetro especificado para o cabo, determina as características

dimensionais para o tambor.

Os tambores são formados basicamente pelo corpo, onde são executadas as

ranhuras, as paredes laterais e o eixo de apoio. A transmissão do movimento de

rotação para o tambor pode ser feita diretamente pelo eixo de saída do redutor ou

através de uma engrenagem acoplado a uma das paredes laterais (principalmente em

guinchos). Na construção de acionamento direto, normalmente o mancal do lado

acoplado é o próprio mancal de saída do redutor. O mancal do lado oposto ao

acionamento é montado sobre um pedestal fixo à estrutura do equipamento.

Na condição máxima de desenrolamento do cabo devem ser previstas pelo

menos duas espiras ainda enroladas sobre o tambor, desta forma a fixação do cabo

fica isenta da força de tração. A extremidade do cabo é fixa no corpo do tambor

através de grampos parafusados.

Para muitos tambores de guincho, com grande extensão de cabo, o

enrolamento ocorre em mais de uma camada de cabos. Neste caso ocorre o

enrolamento de cabo sobre cabo, no entanto esta não é a condição para este

trabalho.

4.3 DISPOSITIVOS DESTINADOS AO MANUSEIO DE CARGA

A diversidade de tipos de cargas e materiais a serem movimentados pelos

equipamentos de elevação exige para alguns casos o projeto de dispositivos

especiais. O elemento mais comum é o gancho forjado. Estes componentes são

normalizados e podem ser encontrados nos catálogos dos fabricantes especializados.

4.4 GUINCHOS

Os guinchos utilizados como meio de elevação de carga são conjuntos fixos ou

móveis constituídos por um tambor para o enrolamento do cabo e um sistema de

transmissão para o acionamento do tambor. O acionamento do sistema pode ser

manual ou motorizado.

Os guinchos manuais têm capacidade entre 50 Kgf. e 6000 Kgf. O projeto do

sistema de acionamento deve garantir que a força de acionamento não seja superior

a 25 Kgf. Este equipamento normalmente é aplicado em obras de construção civil.

Os guinchos motorizados podem ser acionados por motor elétrico, hidráulico

ou pneumático. O tipo de acionamento depende das características de aplicação do

equipamento. Para guinchos móveis sobre veículos normalmente é utilizado o

acionamento hidráulico ou pneumático. Na maioria das aplicações industriais o

acionamento elétrico.

Os guinchos são equipamentos utilizados para a elevação de carga

principalmente em locais de difícil acesso, durante os períodos de construção ou

reforma de instalações. Para algumas aplicações os guinchos podem substituir o uso

de máquinas com lança, em função do custo do aluguel da máquina.

5.0 PREMISSAS

Para os dimensionamentos previstos nesta primeira fase do trabalho serão

considerados os dados da tabela 5.0.

Tabela 5.0 – Dados Gerais do Sistema de Elevação de Carga

*A carga de Elevação considerada no cálculo será conforme o item 5.1.

5.1 PREMISSAS PARA O CÁLCULO DA CARGA DE ELEVAÇÃO

A Carga de Elevação será o somatório do peso próprio do Cabo de Aço

mais o peso do guincho, mais a carga nominal.

C = 2500 + Ppc + Pg

Onde:

Ppc é o peso próprio do Cabo de Aço;

Pg é o peso do Guincho utilizado.

5.2 PREMISSAS PARA O CÁLCULO DO DIÂMETRO DO CABO DE AÇO

Conforme a NBR 8400 item 6.7.2.1 o diâmetro do Cabo de Aço deve ser

calculado pela equação:

dc = Q · T

,

Onde:

Q é o coeficiente do grupo no qual está classificado o mecanismo do cabo

(normal ou nãorotativo) e do tipo de levantamento efetuado;

T é o esforço máximo de tração atuante no Cabo de Aço em Dan

(decanewtons).

Para o dimensionamento do cabo o grupo mecanismo considerado é o 5m, de

onde se obtém o valor para Q de 0,425 de acordo com a Tabela 27 - Valores mínimos

de Q da norma NBR 8400.

5.3 PREMISSAS PARA O CÁLCULO DO DIÂMETRO DE ENROLAMENTO

Conforme a NBR 8400 item 6.7.3 a escolha do diâmetro do tambor é feita a

partir da determinação do diâmetro mínimo de enrolamento de um cabo, que é dado

pela equação:

,

Onde:

De é o diâmetro de enrolamento;

Os valores do coeficiente H1, que depende do grupo em que está classificado o

mecanismo, são dados na Tabela 28 da norma NBR 8400.

O valor de H2 é apresentado na Figura 15 - Valores de H2 em função do tipo de

moitão da norma NBR 8400.

6.0 DIMENSIONAMENTO

A Seguir são apresentados os cálculos realizados no software EES.

Projeto de Guindaste de Elevação

Altura de Elevação = H

H = 35 [m]

Velocidade de Elevação = V

V = 17,5 [m/mim]

Carga de Elevação com o Guincho mais peso próprio do cabo = C em kg

C = 2500 + Ppc + Pg

Peso prório do cabo em kg

Ppc = tabela · H

tabela = 2,1

Peso do guincho em kg

Pg = tabela2

Pg = 1,5

Cálculo do Diâmetro do cabo de aço = dc

dc = Q · T

Q será conforme a norma NBR 8400

Q = 0,425

T é a força em daN - decanewtons

T = C · 0,9807 [daN]

Cálculo do Diâmetro de Enrolamento

De = H1 · H2 · dc

De adotado = 550 mm

H1 conforme norma NBR 8400

H1 = 25

H2 conforme norma NBR 8400

H2 = 1

Rotações do Tambor em rpm

N =

V · 2000

550

2 ·

Perímetro do Tambor

Pe = 2 · · 550

2000

Número de ranhuras no tambor

Nr = H

Pe

Passo normatizado de acordo com PB-1447 para dc = 22 mm

Passo = 25 [mm]

Largura do Tambor

Lt = 25 · Nr + 2 · at

at é a distancia entre a ranhura final/ inicial e a extremidade do Tambor

at = 75 [mm]

Lt adotado = 700 mm

Espessura da parede do Tambor

H3 = E – hl

hl = 8,5 Norma NBR 11375

E = 25

Compressão e Flexão no Local do Enrolamento do Cabo

ce = –0,85 · C

H3 · Passo

Flexão do Tambor devido a Força no Cabo e Peso Próprio do Tambor

A Tensão de Flexão no Tambor será Cálculada conforme abaixo

f = Mmáx

Wf

Wf é o módulo de resistência a flexão

Wf = · ( di + 2 · H3 ) 4 – di 4

32 · ( di + 2 · H3 )

di = 550 – 2 · hl – 2 · H3

Cálculos dos Esforços Solicitantes

Peso do Tambor = Pt

Pt =

E · 2 · · 550

2 · Lt · 7,85

10 6

R1 · 0,9 – C · 0,725 = Pt · 0,45

R1 + R2 = C + Pt

Cálculo do Momento Fletor Máximo

Mmáx = R1 · 175

Torção no tambor devido ao cabo

Mt = C · 550

2

W f é o módulo de resistência a torção

Wt = 2 · Wf

Tensão de Torção

t = Mt

Wt

Tensão combinada

comb = ce2 + f

2 – ce · f + t2

Tensão de ruptura para o aço

rup = 42

Tensão admisível

adm = 0,2 · rup

Fator de Segurança da parede do tambor

Fst = adm

comb

Cálculo da Potência

Pm = Ks · Kv · C · V

Ec · 6,12 · 103

Ks é o fator de serviço para motores de

corrente alternada

Ks = 1,1

Kv é o fator de correção de voltagem

para motores de corrente alternada

Kv = 1

Ec é a eficiência mecânica do levantamento

(np - engrenamentos, mp - roldanas)

Ec = 0,97np

· 0,99mp

np = 2

mp = 1

7.0 RESULTADOS

Abaixo alguns resultados adotados neste dimensionamento:

De – Diâmetro de Enrolamento do Tambor = 550 mm;

Lt – Largura do Tambor = 700 mm;

dc - Diâmetro do Cabo de Aço = 22 mm;

H3 - Espessura de parede do Tambor = 16,5 mm;

Nr – Número de Ranhuras do Tambor = 22.

8.0 ESTUDO DE ACOMODAÇÃO DO CABO NO TAMBOR

Conforme a Tabela 1 - Dimensões das ranhuras da norma NBR 11375, é

apresentado um estudo de acomodação do cabo de aço no tambor conforme abaixo:

Figura 8.1 – Acomodação do Cabo no Tambor

Figura 8.2 – Enrolamento do Cabo de Aço e reações de apoio

9.0 ESPECIFICAÇÃO DO MOTOR ELÉTRICO

O motor selecionado para uso no equipamento é conforme a norma ABNT EB-

620/79, especificado abaixo:

Regime Tipo – S3;

Classe de partida - 150;

Polos – 8;

Fator de duração do ciclo – 40%;

Carcaça – 180L

Potência Nominal – 14,5 CV

Rotação – 900 RPM.

10.0 BIBLIOGRAFIA

NORMA NBR 8400 CÁLCULO DE EQUIPAMENTO PARA LEVANTAMENTO E

MOVIMENTAÇÃO DE CARGAS;

NORMA ABNT EB-620/79 - MÁQUINAS ELÉTRICAS GIRANTES – MOTORES

ASSÍNCRONOS TRIFÁSICOS DE ANÉIS PARA REGIME INTERMITENTE;

NORMA NBR 11375 TAMBOR PARA CABO DE AÇO;

http://www.cimafbrasil.com.br – Acesso em 10/12/2012.

http://www.neade.com.br - Acesso em 10/12/2012.

11.0 ANEXOS

A – Cabo de Aço

B – Gancho

C – Modelo Teórico do Guindaste