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Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã

Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial

PROJETO DE UMA MÁQUINA PARA TRANSPORTE DE COCO

Felipe Alexandre da Cunha Bispo (1) ([email protected]), Allan dos

Anjos Costa Dantas (2) ([email protected]), Vitório Pinheiro(1)

([email protected]), Wesley Sá Aragão(1) ([email protected]) André Luiz

Moraes Costa (1) ([email protected])

(1) Universidade Federal de Sergipe (UFS); Departamento de Engenharia Mecânica

(2) Universidade Federal de Sergipe (UFS); Departamento de Engenharia de Produção

RESUMO: Em Sergipe a produção de coco possui uma grande importância econômica, por isso é

necessário que cada etapa da produção funcione bem. Foi identificado por um produtor local uma

dificuldade no carregamento do caminhão no cocal pois o trabalho era muito desgastante e não havia

disponibilidade de pessoas para fazer, comprometendo a produção. Os requisitos do cliente foram

analisados para desenvolver uma máquina capaz de auxiliar o transporte do coco, no próprio cocal. Esta

deve diminuir o esforço do operador e a quantidade de operadores necessários. Foi utilizada uma

metodologia de projeto e ferramentas da qualidade durante o projeto. No início foram sugeridos vários

conceitos para a máquina, depois os conceitos que menos se adequavam foram eliminados. Foi criado um

protótipo para poder verificar o sistema. Para o dimensionamento usou-se simulações e algoritmos em

programas de mecânica. A máquina obtida apresenta princípio similar a um elevador de cargas, com um

motor a combustão que realiza o trabalho na parte mais desgastante além de diminuir a quantidade

necessária de funcionários.

PALAVRAS-CHAVE: produção de coco, máquina, transporte, operador, esforço e metodologia

de projeto

DESIGN OF A COCONUT ELEVATION DEVICE

ABSTRACT: : In Sergipe the coconut production has a great economic importance, therefore is

vital every step of production must works well. A local producer has identified a difficulty in loading the

truck in coconut plantation because the task was very exhausting and there was no people available to do it,

compromising the production process. The producer’s requirements have been analyzed for developing a

device capable of easing the coconut elevation for loading the trucks. This device should reduce operator

effort and the amount of required laborers. Design methodology and quality tools were used during the

project. Earlier various concepts for the machine have been suggested, then the concepts that are less suited

were eliminated. A prototype was created in order to verify the system. The design process used simulations

and algorithms softwares. The device is similar to a cup elevator attached to a combustion engine that does

the heavy work besides reducing the required number of employees.

KEYWORDS: coconut production, machinery, transportation, operator effort and design

methodology.

XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e

Industrial

Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,

23 a 26 de Setembro de 2014


Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 2

1 INTRODUÇÃO

A produção de coco em Sergipe é segunda a nível nacional. Grande parte dessa produção é

exportada para diversos estados nas demais regiões do Brasil. Umas das etapas da comercialização

é o transporte por caminhões, que têm uma capacidade de carga de 20 toneladas. O carregamento

destes caminhões é feito por operários que carregam cestos com até 50 cocos. Os cestos são

carregados em pontos no cocal e levados nas costas dos operadores que ainda tem que subir uma

escada para colocar os cocos na carroceria do caminhão.

Para identificar a situação citada foi fundamental o contato com um dos produtores da

região. O produtor encontrava dois principais problemas para sua produção que o fez ter interesse

na mudança do sistema tradicional de carregamento. O primeiro é a crescente dificuldade por parte

do produtor em alocar pessoas para aquela função. O segundo é o desgaste sofrido pelos operários

pois o trabalho não atende os parâmetros ergonômicos.

Após essa primeira comunicação com o produtor, percebeu-se a necessidade de desenvolver

um sistema mecânico capaz de substituir o esforço humano total ou parcialmente. O emprego da

metodologia de projeto foi fundamental pra o desenvolvimento da máquina, pois durante o projeto

foram identificados pontos críticos de falhas na máquina.

Na seção 2 são apresentadas as fases de projeto aplicadas. Já a seção 3 foi destinada aos

resultados obtidos no projeto.

2 FASES DO PROJETO

Para iniciar o projeto foi decido a metodologia de projeto que seria utilizada para

desenvolver a máquina. Assim como também quais ferramentas de qualidade seriam aplicadas, que

está mais bem esplanada na fase de projeto correspondente. A Figura 1 apresentada logo abaixo

mostra as fases de projeto empregadas na metodologia. Essa fase de escolha da metodologia e

ferramentas que serão utilizadas corresponde ao planejamento.

Figura 1. Fases de projeto utilizadas aplicada a metodologia de projeto


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2.1 Projeto Informacional

Nesta fase do projeto é feito o levantamento e análise dos requisitos do cliente. O produtor

dos cocos, que corresponde ao cliente, forneceu a equipe as principais objetivos e limitações da

máquina requeridas por ele. Após reunir os pontos colocados pelo cliente e os observados pela

equipe foi construída a lista de requisitos. Essa lista é fundamental para direcionar as características

do produto projetado. No entanto, é praticamente inviável satisfazer todos requisitos listados. Desta

forma, eles foram divididos em essenciais e desejáveis. Os desejáveis são aqueles que se não forem

satisfeitos provocam uma negação do cliente em relação ao produto. Já os desejáveis são aqueles

que provocam boa impressão perante o cliente, no entanto, não precisam obrigatoriamente ser

alcançados. Dentre os requisitos listados 3 se destacaram, são eles: reduzir a quantidade de pessoas

necessárias ao processo, uma máquina de fácil transporte e que independa do caminhão.

A construção bem elaborada dessa fase do projeto é essencial para a satisfação do cliente ao

obter o produto final. Pois, as demais etapas do projeto retornam a esta de forma a verificar se os

requisitos listados estão sendo com a concepção proposta. Nessa etapa também foram recolhidas

informações como capacidade de carga do caminhão, capacidade de carga do operador e tempo

necessário finalizar o carregamento do caminhão. Essas informações foram necessárias na fase de

dimensionamento da máquina

2.2 Projeto Conceitual

Diante das informações obtidas na fase anterior partiu-se para a criação de conceitos que

pudessem satisfazer os principais pontos levantados. Foi feito um brainstorming a fim de evitar

descartar qualquer possibilidade durante a concepção inicial, nele surgiram algumas ideias. Logo

após, foi avaliado os conceitos que melhor se encaixam nos requisitos do cliente. A partir daí foi

selecionado através de uma tabela com as funções e a avaliação de cada conceito quanto a elas.

Dessa forma a equipe resolveu optar por um dispositivo mecânico, em vez de elétrico.

A Figura 2 mostra o Projeto em sua fase conceitual


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Figura 2. Projeto conceitual

Após a seleção do conceito foi elaborado o organograma de peças e funções. Este

organograma consiste em identificar todas as peças que compõe a máquina como também sua

função. No presente projeto, são observadas as seguintes funções básicas: transporte da máquina,

estrutural, geração e transmissão da potência, e elevação do coco.

2.3 Projeto Preliminar

A avaliação das possíveis falhas do projeto foi analisada neste ponto. Para tal foi utilizado a

ferramenta Fault Tree Effect Analysis (FTA). A árvore de análise de falha consiste num evento

topo, ou falha principal, onde são identificadas as causas imediatas e por fim chega-se a causa

básica da falha principal.

No FTA houve uma avaliação dos grandes problemas globais que deveriam ser evitados. A

análise da equipe resultou em quatro grandes falhas indesejadas:


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I. Ocorrer um acidente com o operador;

II. Não ser possível transportar a máquina;

III. A máquina gerar custos adicionais por quebra ou manutenções inesperadas;

IV. A máquina não realizar o ciclo eficientemente.

Cada FTA apresentou em média 8 níveis, possuindo até 60 possíveis causas de falha no

nível básico, configurando-se até 40 caminhos possíveis desde a causa básica até o evento principal.

A Figura 3 mostra um pequeno excerto da FTA com o evento principal “Máquina não realiza o

ciclo adequadamente”. A ferramenta não teve condições de ter dados percentuais de cada falha

devido à falta de históricos. Depois dos desdobramentos do FTA foi possível identificar algumas

informações primordiais para evitar falhas no produto. Entre elas:

Necessidade de acréscimo de peças e componentes;

Peso da máquina é um elemento crítico para segurança e transporte;

Cuidado na seleção do pneu devido ao terreno;

Garantir que a máquina não tombe, nem o recipiente com os cocos se desprenda, podendo

causar acidentes fatais;

Projetar para evitar ao máximo a queda de um coco;

Avisos de itens críticos necessários nos manuais e colocação de alertas visuais na máquina;

Projetar a máquina para que seus fixadores suportem o caminhão em movimento.

Além dessas informações principais o FTA serviu de base para a construção de um FMEA

de qualidade e em um menor prazo. FMEA é a sigla para Análise de Modos e Efeitos de Falha

(Failure Mode and Effects Analysis). O FMEA é uma forma sistemática de avaliar os possíveis

modos e causas/mecanismo de falha dos sistemas que compõe a máquina. Assim como o FTA, a

FMEA foi dividida nos sistemas da máquina (transmissão, estrutural, movimentação e proteção). A

partir das funções foram analisados os modos de falha, as causas e os efeitos, entre outros detalhes.

Na FMEA também é informado sobre a gravidade da falha para cada item analisado. Um número de

prioridade de risco (NPR) informa justamente numa escala predeterminada a gravidade daquele

item no caso de falha. A Figura 4 mostra um pequeno trecho da FMEA da máquina.

As principais saídas do FMEA foram:

Lista de prioridades de simulação com software e/ou protótipo;

Lista de itens que devem conter nos manuais da máquina e alertas que deve conter na

máquina;

Lista de peças críticas, ou seja, que necessitam um dimensionamento com maior fator de

segurança e cálculos auditados.


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Figura 3. Trecho de uma das FTA elaboradas no projeto.


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Figura 4. Trecho da FMEA elaborada no projeto.


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2.4 Detalhado

Nesta fase do projeto foi feito em um primeiro momento um protótipo para a averiguar o

comportamento do projeto até então desenvolvido em uma situação mais real. Também nesta fase

do projeto foi utilizado as saídas do FMEA e todas as informações das etapas anteriores para

dimensionar cada peça e simular a máquina. No final desta fase a máquina estará pronta para ser

fabricada.

2.4.1 Protótipo

O protótipo foi feito visando verificar o comportamento do sistema de correntes, sua

sincronia, o tempo de descarga o coco, além de outras possíveis falhas de projeto. Sua fabricação

foi baseada em um projeto simplificado que mantinha as principais funções da máquina sem muita

mudança. A escala escolhida par o protótipo foi baseada no tamanho de uma fruta similar ao coco, o

dicuri, ficando em 1:5

A Figura 5 mostra uma foto do protótipo feito

Figura 5. Protótipo


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A partir do protótipo concluiu-se que era necessário adicionar um sistema de trilhos para

guiar a caixa no percurso. Também percebeu-se a necessidade de um sistema de regulagem fina

para poder fazer ajustes de sincronia entre as correntes que suportam a caixa.

2.4.2 Dimensionamento

Após as verificações feitas no teste com protótipo foi dado início ao dimensionamento,

começando pelas principais partes, que têm maior influência no dimensionamento de outras. Como

pré-requisitos gerais do dimensionamento se tem:

Capacidade de carga de 70 cocos

Velocidade de subida da caixa de 10 cm/s

Possibilidade de ser carregada e manuseada por no máximo 3 operadores

Caixa

Essa foi a primeira parte a ser dimensionada, para seu funcionamento ela deve ter como pré-

requisitos suportar o peso dos cocos, leveza e baixo custo. Desse modo peça é formada de uma

estrutura de tubos metálicos com vãos fechados por telas de arame como mostra a Figura 6 abaixo

Figura 6. Caixa

O dimensionamento foi feito através do programa de simulação CAD Solid Works™. com

uma simulação por componente estrutural, escolhida por conta da redução do tempo de simulação e

descontinuidades, aumentando a possibilidade de convergência no método.


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Figura 7. Simulação caixa

O menor coeficiente de segurança da caixa ficou de acordo com o decido no FMEA. Os

dados das dimensões das telas e tubos foram retirados dos padrões usados nas empresas brasileiras.

Correntes de elevação da caixa e pino da caixa

As correntes foram selecionadas conforme a sua utilização e os catálogos de empresas

brasileiras.

O pino que liga a caixa às correntes foi dimensionado levando em conta as dimensões da

corrente, a flexão e o cisalhamento com auxílio do programa de cálculo EES. Seu dimensionamento

é crítico pois compromete tanto a segurança quanto o funcionamento da máquina, como foi visto

através do FMEA. O coeficiente de segurança mínimo encontrado foi de 3, que foi considerado

satisfatório.

Motor

A princípio foi pensado um conceito de polias ativadas manualmente para dar

movimentação a caixa, porém foi decidido a utilização de um motor ao invés por questões

ergonômicas.

O Motor foi selecionado conforme a velocidade com que a caixa deve subir e a força

necessária para levantar os cocos. Também foi levada em conta a escolha do tipo de sistema de

acionamento feita nas etapas anteriores.

Foi escolhido um motor estacionário de 100cc com torque máximo de 5,7 Nm e potência

máxima de 2,1kW. O conjunto do motor vem com uma embreagem centrífuga, necessária ao

projeto para que o recipiente seja recarregado sem precisar o desligamento do motor.


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Reduções

Como a velocidade de saída do motor é muito maior que a velocidade determinada para a

subida da caixa foi necessário conceber um sistema de redução. Por conta de uma melhor

adequação ao projeto e menor custo foi escolhido um sistema cm base em polias. As polias e

correias foram dimensionadas de acordo com a metodologia sugerida por Fachon (2011). Para

proteção e aumento da vida útil as polias de redução ficam protegidas por uma caixa.

Estrutura

A estrutura foi dimensionada por simulações de elementos feitas no CAD Solid Works™. A

simulação escolhida foi a que utiliza componentes estruturais, dessa forma a simulação possui mais

chances de convergir e é feita mais rapidamente. O coeficiente de segurança mais baixo é 9.9 que

está dentro dos parâmetros requeridos pelo FMEA. Apesar do alto coeficiente de segurança o tubo

não foi diminuído para dar uma segurança ao operador, além ajudar na montagem e fabricação.

Figura 8. Simulação da estrutura

2.5 Encerramento do Projeto

Corresponde a etapa final de todo o projeto. Nele ocorre uma revisão de todas etapas

anteriores.

Como o objetivo do presente trabalho é fornecer informações para construção da máquina, a

etapa final comtempla a elaboração de manuais tanto de fabricação quanto de manutenção do


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produto. Desta forma, seguindo as recomendações contidas nos manuais seria possível construir a

máquina em um ambiente simples, como também, promover a manutenção da mesma.

3 RESULTADOS

O sistema resultante do projeto é um sistema mecânico de elevação que realiza o ciclo de

subida de descida de forma contínua. Por utilizar como força motriz um motor estacionário à

gasolina o sistema supriu um ponto importante dos requisitos essenciais do cliente, eliminando de

forma significativa o esforço do operador.

A estrutura da máquina é feita em tubos e a caixa é feita de tubos e telas de forma que a

máquina pode ser transportada por três funcionários. A Figura 9 representa a concepção final do

projeto feita no CAD Solid Works™.

O princípio de funcionamento da máquina é simples. Quando a caixa está na posição inferior

é o momento de carrega-la com os cocos. Após ser atingida a capacidade da máquina o movimento

de subida é acionado pela alavanca, a qual aumenta a aceleração do motor. Os cocos ficam contidos

no recipiente até o momento que a chapa de contenção termina. Neste ponto, os cocos começam a

cair por gravidade devido à inclinação da caixa. O tempo gasto para percorrer a parte que não

contem a chapa deve ser igual ou maior ao tempo necessário para que todos os cocos caiam.

No entanto ainda havia uma situação que gerava grande esforço por parte do operador. Era

necessário levar os cocos dos montes onde são agrupados nos cocais até a máquina. A forma antiga,

levando em cestos nas costas, era bastante cansativa. Como também eles podiam desta forma levar

uma capacidade maior do que a suportada pela máquina. Pensando nisso, foi proposto um

equipamento auxiliar que solucionasse essas duas situações. A partir disso surgiu o carrinho auxiliar

no qual os cocos são colocados e levados do monte até a máquina. Este não só reduz o esforço, pois

é empurrado, como também limita a quantidade, pois apresenta o mesmo volume do recipiente da

máquina. A representação esquemática do carrinho é visualizada na Figura. 10.


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Figura 9. Representação no Solid Works™ da máquina de transporte de coco, sistema de

correntes.

Figura 10. Representação do carrinho de transporte auxiliar.


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4 CONCLUSÕES

Durante a construção do presente trabalho foi notado a importância social da produção de

coco na região de Sergipe. Várias famílias dependem de forma direta ou indireta da produção do

coco. A introdução da máquina no cocal permite ao produtor fornecer uma melhor condição de

trabalho ao operador (mais ergonômica). Outro ponto interessante para o produtor é a capacidade de

tornar o seu processo mais eficiente, implicando diretamente na redução de tempo para o

carregamento.

A aplicação da metodologia de projeto na construção da máquina de coco foi fundamental

do ponto de vista de reduzir ao máximo as falhas do projeto. Deixar bem claros quais são os

requisitos do cliente é essencial para que o produto final cumpra com as funções traçadas. As

ferramentas FTA e FMEA permitem detectar falhas antes que as mesmas aconteçam como também

visualizar qual componente da máquina deve ser alterado de forma a reduzir os riscos da máquina.

O protótipo também teve grande importância pois permitiu visualizar como o sistema funcionaria

em um ambiente real e detectar possíveis erros de projeto.

A concepção final da máquina mostrou-se bastante viável. Ela trata de uma máquina com

componentes fáceis de encontrar no mercado local ou de fácil fabricação. Atendeu aos requisitos

essenciais de forma satisfatória. Apresenta um baixo custo de fabricação e também de manutenção,

os componentes envolvidos foram pensados de modo que os reparos fossem realizados no próprio

ambiente de trabalho. Pode ser citado aqui o exemplo do motor, de pequeno porte, quatro tempos

bastante utilizado no ambiente rural. A máquina permite reduzir o número de funcionários

empregado no transporte, na situação original são necessárias 5 pessoas para realizar o trabalho. Já

utilizando a máquina, seria necessário apenas 3. De forma que uma pessoa ficaria responsável por

encher os carrinhos enquanto outras 2 levariam até o caminhão de modo que os 3 poderiam também

revessar as funções entre si.

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