vibração em tratores

7/26/2019 Vibrao Em Tratores

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Engenharia na Agricultura, Viosa, v.11, n.1-4, Jan./Dez., 2003 23

VIBRAO EM TRATORES AGRCOLAS: CARACTERIZAO DAS FAIXAS DEFREQUNCIA NO ASSENTO DO OPERADOR1

Haroldo Carlos Fernandes2, Paulo Fernando dos Santos Filho3, Daniel Maral de Queiros2, ArlindoJos Camilo4, Elton Fialho dos Reis3.

RESUMO

Este trabalho foi realizado na Faculdade de Engenharia de Guaratinguet (FEG-UNESP), SP, nolaboratrio de vibrao e acstica e numa rea experimental localizada no municpio deGuaratinguet, com os seguintes objetivos: a) caracterizar a faixa de freqncia que apresenta osmaiores picos de vibrao vertical no assento do operador do trator; e b) analisar o conforto dooperador comparando os nveis de vibrao obtidos, com as principais normas vigentes. Foramutilizados um trator de pneus de 55,2 kW (75 cv) e uma grade destorroadora-niveladora off-set de28 discos. O sistema de aquisio de dados foi constitudo por sensores de vibrao;condicionadores, amplificadores e um conversor analgico-digital instalados em um microcomputadore embarcados no trator ensaiado. Posteriormente os dados foram tratados pelo programa ORIGIN 50.Com base nos resultados obtidos, concluiu-se que: a faixa de freqncia que apresentou os maiorespicos de vibrao vertical foi entre 2 e 4 Hz e os valores de acelerao ponderada globalencontraram-se bem acima dos limites definidos pela norma ISO 2631 para um perodo de 8 horas detrabalho.

Palavras-chave:ergonomia, trator e vibrao

ABSTRACT

Vibration in the Agricultural Tractor : to Characterize the Frequency Range in the OperatorsSeat

A study was carried out at the Faculdade de Engenharia de Guaratinguet FEG-UNESP, SP, in

the acoustics and vibration laboratory as well as in an experimental area located in Guaratinguetcounty. The following objectives were purposed: a) to characterize the frequency range presenting thehighest picks of vertical vibration in the tractor operators seat; b) to analyze the operators comfort, bycomparing the actual levels of vibration with the main current norms. A 55.2 kW (75 hp) tire tractor andan off-set harrow with 28 disks were used. The data acquisition system consisted of some vibrationsensors, conditioners, amplifiers, and a digital-analogical converter set-up to a microcomputer andconnected to the tested tractor. Later, the data were run in the program ORIGIN 50. Based on theresults, the following conclusions were drawn: the frequency range from 2 to 4 Hz presented thehighest picks of vertical vibration; the values of the total weighed acceleration were found to be muchabove those limits determined by the norm ISO 2631 for a 8-working-hours period.

Keywords: ergonomics, data acquisition, tractor and vibration.

1Parte da dissertao de Mestrado do 2 autor. Programa de Ps-graduao em Engenharia Agrcola, DEA/UFV.

2Prof. Adjunto IV DEA/UFV, [email protected]

3Doutorando em Engenharia Agrcola, DEA/UFV Viosa/MG.

4Graduando em Eng. Agrcola e Ambiental - DEA/UFV


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Engenharia na Agricultura, Viosa, v.11, n.1-4, Jan./Dez., 200324

INTRODUO

Ergonomia o estudo sobre orelacionamento entre o homem e seutrabalho, equipamento e ambiente. Este

estudo envolve a aplicao deconhecimentos sobre anatomia, fisiologia epsicologia na soluo dos problemassurgidos deste relacionamento. Numasituao ideal, a ergonomia deve seraplicada s etapas iniciais do projeto de umamquina, ambiente ou local de trabalho,visando sempre ao conforto e seguranado operador (IIDA, 1990).

Ferreira et al., em 1988, citados porVitria (2000), afirmaram que, no Brasil, apreocupao com o trabalhador ,relativamente, recente. Somente a partir

dcada de 70 que a ergonomia passou apreocupar os profissionais, sendo o setorautomobilstico o primeiro a procurar ajustaro projeto dos veculos ao padro mdio demedida do homem brasileiro.

De acordo com Schlosser e Debiasi(2002), os conhecimentos sobre ergonomiaprovocaram novos conceitos, os quaislevaram os fabricantes a oferecer modelosde tratores com melhores rendimentos, nosentido de localizao de comandos einstrumentos.

Os nveis de vibrao excessivos, emtratores agrcolas, geram uma sensaoincmoda no operador, aumentando suafadiga fsica e mental. O conforto do tratorpara o operador, geralmente , geralmente,verificado por meio de anlises subjetiva ouobjetiva. A anlise subjetiva mais simplese consiste na avaliao do conforto por meiode uma ou mais pessoas, que tenhamexperincia na rea. A anlise objetiva incluia determinao das amplitudes e direes, afreqncia e durao com que as vibraesocorrem.

Os efeitos das freqncias podem seravaliados, utilizando-se um sistema defreqncias ponderadas, semelhantes sescalas utilizadas em acstica. Geralmente,a acelerao usada para determinar oconforto, durante a operao do trator,sendo trs importantes fatores levados emconsiderao, isto , intensidade, freqncia

e direo da vibrao (LI e SOMAYAJULA,1994).

A vibrao mecnica consiste nomovimento de um ponto material ou umcorpo, que oscila em torno de uma posio

de equilbrio. A maioria das vibraes emmquinas ou estruturas indesejvel, emvirtude do aumento de tenso e perdas deenergia que as acompanham. Devem,portanto, ser eliminadas ou reduzidas tantoquanto possvel por meio de projetosadequados.

Na prtica, as vibraes consistem deuma mistura complexa de diversas ondas,com freqncias e direes diferentes. Apartir da anlise desses componentes, possvel calcular o nvel mdio dasvibraes. Esse nvel mdio pode ser usadopara estimar o impacto dessas ondas nocorpo humano (DUL e WEERDMEESTER,1995).

Segundo Arbetsmiljoinstituted et al.(1990), a intensidade da vibrao dependeda estrutura do solo, do projeto da mquina(suspenso, pneus, localizaes do assentoe cabine), da velocidade, da tcnica dedirigir, dentre outros.

Sanders e McCormick, em 1987, citadospor Prasad et al.(1995), descrevem duasprincipais vibraes em tratores, isto ,senoidais e aleatrias. As vibraessenoidais e regulares so possveis depredizer, enquanto as aleatrias eirregulares no possibilitam essa predio.

Os efeitos das vibraes sobre o corpohumano podem ser, extremamente, graves.Alguns desses so: viso turva, perda deequilbrio, falta de concentrao e, atmesmo, danificao permanente dedeterminados rgos do corpo (GERGES,1992).

Os efeitos da vibrao dependem

tambm da freqncia do movimento, aoqual o trabalhador est exposto.Freqncias abaixo de 1 Hz causam enjos,enquanto as freqncias entre 3 e 8 Hzafetam os intestinos e a coluna vertebral eaquelas entre 15 e 24 Hz podem interferir naviso, diminuindo a fixao e a percepovisual (BERASATEGUI, 2000).


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Em virtude da complexidade da estruturado organismo humano, composta pordiversos ossos, articulaes, msculos ergos, as reaes deste sistema svibraes mecnicas no ocorrem demaneira uniforme, pois, cada parte podetanto amortecer quanto amplificar essasondas. Essas amplificaes ocorrem,quando partes do corpo passam a vibrar namesma freqncia. Segundo Iida (1990), aeste fenmeno d-se o nome deressonncia.

Entretanto, Marquez, em 1990, citado porSchlosser e Debiasi (2002) afirma que ocorpo suporta as vibraes, mediantecontrao e relaxamento contnuos dosistema muscular, o que, depois de um certotempo, produz um desequilbrio no sistemade auto-regulao, o qual atinge at mesmo

o sistema muscular digestivo.Delgado, em 1991, citado por Lima

(1998), relata que os operadores de tratores,na Espanha, tm uma propenso aproblemas de coluna vertebral, emconseqncia do tipo do trabalho realizado.Cerca de 70 % dos operadores, com idadecompreendida entre 20 e 29 anos, possuemproblemas de coluna devido a vibraesmecnicas, as quais podem afetar tambm oabdmen e estmago.

Schlosser e Debiasi (2002) afirmaram

que a coluna vertebral dos operadores demquinas uma das partes do corpo maisatingidas pelas doenas ocupacionaisoriundas da operao de tratores agrcolas.De acordo com o autor, o NATIONALSAFETY COUNCIL, nos EUA, diagnosticouum total de 400.000 leses de coluna,ocasionadas pelo trabalho nesse pas, queincapacitam o acidentado para o trabalho.Somando-se a isto, o custo econmico doproblema pode atingir cerca de 6,6 bilhesde dlares, ou seja, aproximadamente 6000dlares por pessoa, contabilizando-se o

tratamento mdico e aposentadoria.Mathias (1989) analisou o conforto do

sistema trator-carreta, utilizando as curvasda norma ISO-2631. As medidas devibraes foram obtidas, experimentalmente,no assento do tratorista. Da anlise dosdados, constatou-se que o tempo necessriopara que as atividades do tratorista no

sejam prejudicadas pela fadiga limitado a7 horas.

Um trabalho realizado por Pessina, em1986, citado por Berasategui (2000),objetivou relacionar as vibraes sobre osassentos de tratores agrcolas, durante a

etapa de transporte, com a velocidade dedeslocamento e o engate de implementos. Otrator deslocou-se sobre uma pista agrcolaacidentada e outra normalizada paraensaios de assento constituda de tbuas demadeiras normalmente, denominada depista ISO 5007. As velocidades utilizadas noexperimento foram 12, 15, 17, e 20 km/h.Vale ressaltar que a velocidade mximapermitida em tratores agrcolas 40 km/h. Oautor concluiu que: o nvel de aceleraomdia eficaz cresceu com o aumento navelocidade de deslocamento, sobretudo em

direo vertical; as aceleraes verticais, noassento do tratorista, predominaram sobreas longitudinais e laterais; os implementosde arrasto geraram nveis maiores deacelerao, no assento do tratorista, do queos implementos suspensos; e a freqnciadominante do trator foi 2,5 Hz.

No Brasil, a Associao Brasileira deNormas Tcnicas desenvolveu a NBR 12319(ABNT, 1992), concernente medio davibrao transmitida ao operador de tratoresagrcolas de rodas e mquinas agrcolas.Alm dos mtodos para medir e registrar avibrao do corpo humano, esta norma fixatambm as condies de operao damquina e as caractersticas da pistaartificial opcional de ensaios.

A primeira norma ISO 2631 (1978)reconhece quatro parmetros fsicos davibrao, ou seja, intensidade, direo,freqncia e durao, que afetam o corpohumano e que devem ser avaliados(BERASATEGUI, 2000).

Portanto, este trabalho objetivou:

Caracterizar a faixa de freqncia, queapresenta os maiores picos de vibraovertical no assento do operador do trator.

Analisar o conforto do operador,comparando os nveis de vibrao obtidoscom os previstos nas principais normasvigentes.


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MATERIAL E MTODOS

O experimento foi conduzido no municpiode Guaratinguet, SP, cuja altitude mdia 537 m, longitude 22o 52 40 W (Gr) elatitude 22o48 43 S.

O trator encontrava-se lastrado com otanque, radiador, reservatrios de fludos delubrificao e hidrulicos cheios. Os pneusutilizados no ensaio eram de tamanhopadronizado para o trator, conformeespecificao do fabricante. A profundidadedas garras atendia norma NBR 12319(ABNT, 1992), segundo a qual aprofundidade no deve ser menor que 65 %da profundidade das garras dos pneusnovos.

Caractersticas do motor

Marca/modelo: Perkins 4000.

Ano de fabricao: 1999.

Tipo: Diesel, injeo direta, 4 tempos.

Cilindros: 4, verticais em linha.

Cilindrada: 4000 cm3.

Relao de compresso: 16:1Potncia no motor a 2.200 rpm: 55,2 kW

(75 cv).

Transmisso de potnciaEmbreagem: independente, 2 discos

secos, 254/305 mm de dimetro,acionamento mecnico por pedal.

Caixa de cmbio: sincronizada, com 12marchas para frente e 4 para trs.

Diferencial: com bloqueio mecnicoacionado por pedal.

Barra de trao: oscilante.

Tomada de potncia35 mm, com 6 estrias.Potncia mxima (2.200 rpm): 49,25 kW

(67 cv).Potncia a 540 rpm (1680 rpm no motor):

45,5 kW (62,0 cv).

Outros dadosTrao dianteira auxiliar.

Rodagem diagonal: Rodagem dianteira12,4-24 R1, com presso de insuflao de

96,5 kPa (14psi); traseira 18,4-30 R1 compresso de 110,3 kPa (16 psi), em boascondies.

Massa sem lastro: 2553 kg.

Massa com lastro: 3673 kg.

Sem cabine e estrutura de proteocontra capotamento, com toldo.

O implemento utilizado foi uma gradedestorroadora-niveladora off-set, com 28discos de 0,5m x 0,0035m (20x3,5 mm) emassa aproximada de 666 kg. A largura detrabalho foi 2,6 m.

Para o teste, utilizou-se um assento desuspenso mecnica traseira, commecanismos de ajuste para frente e paratrs e altura com alavanca de giro.

O solo foi classificado como Latossolo

Vermelho Amarelo de textura franco-argilosa, de acordo com o levantamento dereconhecimento dos solos do estado de SoPaulo (MINISTRIO DA AGRICULTURA,Boletim do Servio Nacional de Pesquisas,1960). Antes da gradagem, foi realizadauma arao com um arado de discos de 3 x26, profundidade de 0,18 m. A gradagemfoi realizada no sentido longitudinal daarao.

A massa do operador do trator foi 69,4kg, valor este que se encontra na faixa entre65 5 kg, recomendada pela norma NBR12319 (ABNT, 1992). A massa do operadorfoi registrada, pois, poderia interferir nasmedies de vibrao.

As velocidades utilizadas nos testesforam 1,39 m.s-1; 1,67 m.s-1 e 1,95 m.s-1para 1a, 2ae 3a marchas, respectivamente.A velocidade real foi determinada, medindo-se, com um cronmetro digital, o tempogasto para percorrer 30 m. A rotao domotor do trator foi de 1800 rpm, em todostestes.

A medio da vibrao foi realizada, paratrs diferentes velocidades do sistema trator-implemento, sendo que, para cadavelocidade, foi realizada uma passada como tempo total de 60 s. A freqncia deaquisio foi de 400 pontos por segundo,gerando 24.000 pontos de vibrao, paracada velocidade.


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A grandeza primria usada paradescrever a intensidade da vibrao foi aacelerao, expressa em m.s-2. Asdeterminaes dos nveis de vibrao forambaseadas nas normas ISO 2631 (ISO,1997)e NBR 12319 (ABNT, 1992) e nametodologia de Berasategui (2000) eMathias (1989).

Para anlise no domnio da freqncia,foram utilizados os programas ORIGIN 50 eSIMAS-PC. O SIMAS-PC um programa demanipulao e anlise de sinais, que fazinterface com placa CAD10/26 utilizada naaquisio de dados.

Para coleta dos sinais de vibrao, foraminstalados dois acelermetros piezoeltricos,um no assento do tratorista e outro na basedo assento. Os acelermetros usados noexperimento foram do tipo 91091 e o 2323

da VEB-ROBOTRON. Para transformar voltsem m/s2, utilizaram-se as relaes 2,36mV.s-2.m-1 do acelermetro 91091 e 2,07mV.s-2.m-1 do acelermetro 2323, sendo osdados extrados das cartas dos sensores.Para caracterizar o ganho do amplificador,

foi utilizada uma mesa calibradora da VEB-ROBOTRON, com o sinal conhecido deacelerao e freqncia.

Os sinais analgicos de sada do sensorforam condicionados e amplificados por umcircuito eletrnico (HUMAN-RESPONSE

VIBRATION METER robotron M 1300) e,posteriormente, enviados para um conversoranalgico-digital (modelo LYNX CAD 10/26;12 bits; +10V e 10V e taxa de conversoA/D 40 kHz) usado como interface com umcomputador PC-XT. Os equipamentos foramalimentados por uma bateria de 12 V, ligadaa um inversor de tenso (12V-DC/ 110V-AC).

Para transportar o sistema de aquisiono trator, construiu-se uma estrutura de ferroe madeira que foi montada no pra-lama dotrator e fixada, por parafusos, na coluna de

proteo. As vibraes transmitidas pelaestrutura ao sistema foram amenizadas porespumas. A Figura 1 apresenta umesquema geral dos sensores, sistema deaquisio de dados e trator.

Sistema de

aquisio

Acelermetro91091 (entre o

tratorista e oassento)

Acelermetro

2323 (base doassento)

Figura 1. Esquema geral representativo dos sensores, sistema de aquisio de dados etrator.


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RESULTADOS E DISCUSSO

A Figura 2 apresenta a anlise baseadana densidade espectral de potncia PSD em(m.s-2)2.Hz-1 dos nveis de acelerao, paraas trs marchas ensaiadas. A faixa defreqncia de 2 a 4 Hz apresentou osmaiores picos de vibrao vertical noassento do trator, para operao degradagem, o que constitui uma preocupaopara os tratoristas, considerando que o valorencontrado est na faixa de freqncia deressonncia, que afeta a coluna vertebral.

Robin, em 1987, citado por Nagaoka(2001), relata que as pesquisas realizadascom tratores agrcolas indicaram que asvibraes com freqncias compreendidasno intervalo de 2 a 4 Hz apresentam os

maiores picos. Morrison e Harrington, em1961, citados por Barger et al. (1963),verificaram que a freqncia real de umtrator independe da velocidade de

deslocamento e que a freqnciapredominante est em torno de 3 Hz.Segundo esses autores, normalmente, emum estudo de distribuio de freqncia, afreqncia predominante ser,aproximadamente, igual freqncianatural.

Para que o tratorista possa usufruir oconforto dinmico, ele dever estar isoladoou suspenso em um assento, que tenhauma freqncia natural diferente dafreqncia natural do trator (BARGER et al.1963).

A Figura 3 apresenta os valores deacelerao eficaz, em bandas de 1/3 deoitava. Os valores de acelerao ponderada,em bandas de 1/3 de oitava, soapresentados na Figura 4, enquanto aFigura 5 apresenta o grfico da relao

entre a acelerao eficaz ponderada globale a velocidade de deslocamento do trator,com a respectiva linha de tendncia.

Figura 2.Representao esquemtica da densidade espectral de potncia para trsmarchas em estudo.

2 4 6 8 10

Terceira Marcha

Terceira Marcha

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0.01

0.1

1Segunda Marcha

Freqncia (HZ)

PSD

(m.s

-)

.HZ-1

0


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A maior acelerao eficaz em bandas de1/3 de oitava encontrada foi de 1,2 m.s-2,para terceira marcha, na freqncia decentro 3,15 Hz, enquanto para a segunda eprimeira marchas os valores foram 0,6 m.s-2

e 0,5 m.s

-2

, respectivamente. Observou-seuma atenuao nos nveis de aceleraovertical, na faixa considerada crtica entre 4e 8 Hz, para todas as velocidades, o queressalta a importncia do sistema desuspenso do assento (Figura 3 e 4). Todasas velocidades testadas apresentaram omaior pico de acelerao, na mesma bandade freqncia, caracterizando aindependncia da freqncia dominante emrelao variao da velocidade.

Estudos similares sobre a vibrao emtratores, em diferentes terrenos e condies

de operacionais, caracterizaram aacelerao vertical como sendo a maissignificativa. Matthews (1966) analisou osnveis de acelerao em um trator lastrado,movimentando-se sobre pastagem, eencontrou aceleraes de 3 m.s-2 (vertical),1,2 m.s-2(longitudinal) e 2,0 m.s-2(lateral).

Mehta et al. (2000) observaram vriosvalores de acelerao vertical, longitudinal elateral no assento do trator, em diferentesoperaes agrcolas. Comparando-os com anorma ISO 2631-1 (ISO, 1985), observaram

que os maiores nveis de acelerao, paracada implemento, encontram-se no eixovertical.

A norma ISO 2631 (ISO, 1997) defineuma zona de segurana, por meio dainterseo das curvas, numa faixa entre 4 e8 horas de exposio diria, a qualrepresenta a jornada da maioria dostrabalhadores. A mxima aceleraoponderada, estabelecida por esta norma de 1,25 m/s2, para exposio durante 4horas, e entre 0,8 e 0,9 m/s2para exposiodurante 8 horas.

Os valores calculados para aceleraoponderada global encontram-se bem acimados limites estabelecidos para umaexposio durante 4 horas de trabalho. Paraterceira marcha a acelerao ponderadaglobal foi 2,638 m.s-2;enquanto parasegunda marcha foi 2,089 m.s-2 e paraprimeira marcha foi 1,727 m.s-2 (Figura 5).

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,0

0

1,2

5

1,6

0

2,0

0

2,5

0

3,1

5

4,0

0

5,0

0

6,3

0

8,0

0

10,0

0

12,5

0

16,0

0

20,0

0

25,0

0

31,5

0

40,0

0

50,0

0

63,0

0

80,0

0

Freqncia embandas de 1/3 oitava (Hz)

Aceleraoeficaz(m/s2)

Terceira Marcha

Segunda Marcha

Primeira Marcha

Figura 3.Nveis de acelerao eficaz vertical em bandas de 1/3 oitava.


8/9


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,0

0

1,2

5

1,6

0

2,0

0

2,5

0

3,1

5

4,0

0

5,0

0

6,3

0

8,0

0

10,0

0

12,5

0

16,0

0

20,0

0

25,0

0

31,5

0

40,0

0

50,0

0

63,0

0

80,0

0

Freqncia em bandas de 1/3 oitava (Hz)

Aceleraopon

derada(m/s2)

Terceira Marcha

Segunda M archa

Primeira M archa

Figura 4. Nveis de acelerao eficaz ponderada vertical em bandas de1/3 oitava.

y = 1,6268x - 0,5654

R2= 0,9861

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

1,20 1,40 1,60 1,80 2,00

Velocidade de deslocamento (m/s)

Aceleraoeficazponderad

a

global(m/s

2)

Figura 5. Acelerao eficaz ponderada global para as trs velocidades em estudo.

CONCLUSES

De acordo com os resultadosexperimentais, concluiu-se:

Os maiores picos de vibrao vertical noassento do operador, para a operao degradagem, foram encontrados na faixaentre 2 e 4 Hz, dada pela densidadeespectral de potncia para as trsmarchas avaliadas.

Os valores calculados para aceleraoponderada global encontram-se bemacima dos limites determinados para umaexposio durante 4 horas de trabalho,de acordo com a norma ISO 2631 (ISO,

1997). Para terceira marcha, aacelerao ponderada global foi de 2,638m.s-2, enquanto para a segunda marchafoi 2,089 m.s-2 e para primeira marcha foi1,727 m.s-2.

Os resultados obtidos neste trabalhoressaltam a importncia dodesenvolvimento de tecnologias, visandoum maior conforto para o operador detratores. O atual sistema de suspensodo assento requer melhorias, sendo,portanto, necessrios futuros estudosconcernentes suspenso e projeto demolas, que sintonizem certas faixas defreqncias.


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