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XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação - SEPesq Centro Universitário Ritter dos Reis

XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação SEPesq – 19 a 23 de outubro de 2015

Protótipo automatizado para quebra de Noz Pecan dedicado a pequenos

produtores

Ricardo Manzoni Moreira Graduando em Engenharia Mecânica Centro Universitário Ritter dos Reis [email protected] Otaviano Luis Talgatti Engenheiro Mecânico e Mestre em Engenharia (Ciência e Tecnologia dos Materiais) Centro Universitário Ritter dos Reis [email protected]

Resumo: Esse trabalho trata do projeto e da construção de um protótipo para auxiliar na quebra de Noz Pecan de forma automatizada.O protótipo construído busca apoiar as pessoas que optaram por conciliar a Noz Pecan com outras fontes de renda já existentes em sua propriedade, ou seja, tem a função de ajudar o pequeno produtor na quebra da Noz Pecan. O protótipo atua diretamente nesse ponto da produção, de forma a aumentar o valor agregado da cultura, facilitando a venda do produto ao deixá-lo descascado e pronto para consumo, podendo também utilizar-se da casca para outros fins, como subproduto. Para construção desse equipamento optou-se pela utilização de sistemas pneumáticos, motor elétrico e um circuito eletrônico para controle dos processos. Sua estrutura é feita de aço tubular de forma a obter uma boa rigidez estrutural com baixo peso. Dessa forma, o protótipo automatizado para quebra de Noz Pecan proporciona ao pequeno produtor uma alta rentabilidade na medida em que garante a possibilidade real de vender o produto sem casca e com um valor agregado, poupando esforço físico, tempo e mão de obra adicional decorrente da quebra manual. A máquina vem também favorecer o pequeno agricultor devido a menor perda de nozes danificadas na quebra, bem como os baixos custos de operação, de manutenção e de mão de obra.Com esse protótipo, foi possível concluir, a partir de testes, que 70% das nozes quebradas saíram de forma inteira,20% parcialmente inteiras e 10% da forma picada.

Introdução Contrapondo o costume antigo de cultivo em grandes propriedades rurais, tem-se hoje uma mudança social e cultural que objetiva a intensificação da produção em pequenas propriedades. Nesse contexto, insere-se o cultivo da Noz Pecan, que devido à boa condição climática do Rio Grande do Sul para a cultura, se popularizou principalmente entre os pequenos produtores. O protótipo desenvolvido busca dar suporte as pessoas que optaram por conciliar a Noz Pecan com outras fontes de renda já existentes em sua propriedade.



Passado o período de crescimento da Nogueira, que gira em torno de oito anos, inicia-se o processo de retorno financeiro, possibilitado com a venda da Noz Pecan.

O desenvolvimento do protótipo foi motivado pela constatação, mediante observações, da dificuldade de executar uma tarefa aparentemente simples: quebrar uma Noz Pecan. O contato com a cultura das nogueiras iniciou há aproximadamente sete anos em um pequeno empreendimento familiar no centro do estado do Rio Grande do Sul. Desde então, através de diversas visitas a fornecedores, pequenos produtores e agroindústrias foi observado a oportunidade de projetar um equipamento eletromecânico para a quebra automatizada de nozes, onde surgiria o desafio de construir uma máquina adequada a realidade do pequeno produtor. Todo o processo de cultivar a nogueira ao longo dos anos juntamente com a dificuldade da colheita por meio da catação se torna muito caro e desgastante, para no final do processo vender a noz no seu estado mais bruto e de menor valor agregado, com casca.

Na atualidade, para agregar valor a esse produto temos duas realidades bem distintas: a primeira é a mais onerosa, pois demanda um alto investimento para montar uma planta industrial onde a Noz Pecan, através de várias etapas, chega ao final da linha de produção, sem casca; a segunda é adquirir máquinas pequenas já existentes no mercado, mas que não conseguem fazer todo o processo da retirada da casca bem como não suportam uma pequena produção. Nota-se então a inexistência de um meio-termo, visto que enquanto no primeiro caso é necessário alto investimento e, por consequência, alta produção para justificar a implementação de uma série de máquinas, no segundo caso obtém-se um quebrador de noz para consumo próprio, que não atende a demanda de uma pequena produção, além de não realizar todo o processo.

Dentro desse cenário, observa-se a necessidade da construção de um equipamento com algumas premissas básicas: ser completamente automatizado, ter boa capacidade de produção, ser simples e robusto, ter baixo custo de operação e manutenção, enquadrando-se perfeitamente na necessidade do pequeno produtor, que agora poderá agregar valor ao seu produto, contribuindo, também, para o seu desenvolvimento socioeconômico. Objetivos Temos como o principal objetivo construir um quebrador de Noz Pecan de forma automatizada e com alta eficiência; diminuir o número de noz danificada durante o processo; reduzir o custo de operação, com baixa influência humana; Elaborar um equipamento simples e robusto, que seja fácil de utilizar e de realizar eventuais manutenções, com componentes conhecidos no mercado e de custo acessível. A figura 01 apresenta a noz com casca, já a figura 02 apresenta a noz sem casca.



Figura 01: Noz com casca. Figura 02: Noz sem casca.

Fonte: Elaborado pelos autores. Fonte: Elaborado pelos autores.

Metodologia Para a fabricação do protótipo optou-se por utilizar atuadores pneumáticos de dupla ação, pois precisam ser comandados em ambos os sentidos. Foi utilizado um motor elétrico de 1/4 hp, para a mesa vibratória e circuito eletrônico analógico montado em protobord para facilitar alterações de programação. Para a composição estrutural e para os mecanismos foram empregados tubos, chapas e caneletas de aço e placa de madeira para a mesa vibratória. A Chapa foi confeccionada de alumínio para cobrir a mesa vibratória de forma a proporcionar baixo atrito no deslizamento das nozes e as rodas feitas de plástico para deslocamento do equipamento. Fios, interruptor e conexões para as partes eletrônicas e pneumáticas. Foi realizado ensaio de compressão nas nozes, considerando o sentido longitudinal para descobrir a força necessária para quebrar a casca. O carregamento foi feito utilizando o modo manual do equipamento EMIC, disponível no laboratório da Faculdade de Engenharia da Uniritter.

Abaixo, detalhamento dos principais componentes utilizados:

Cilindro pneumático dupla ação 12x50mm



Objetivo



Solenoides 5/2 vias retorno por mola

Regulador de pressão,lubrificação e filtro secador

Motor elétrico 1/4hp 220v

Tudo de aço 20x30x1,2mm

Barra chata de aço 32x2mm

Canaleta de aço 2Pol

Rolete 3 estágios 3/8Pol

Dobradiça 1/2Pol

Molas helicoidais

Chapa de madeira 1x0,3x0,025m

Protobord de 6 colunas

Microcontroladores NE556

Microcontrolador CD4017

Potenciômetros de 5k

Capacitores eletrolíticos

Resistências

Diodos

Leds

Relé 12v-5A

Fonte 12v-1A Resultados e Discussões

Analisando as dificuldades da elaboração do projeto e do desenvolvimento da construção para a quebra da Noz Pecan, é estabelecido três classificações principais: noz inteira - aquela que resulta em duas amêndoas; noz pela metade - aquela que resulta em uma amêndoa pela metade e noz picada - aquela que resulta em pedaços menores que meia amêndoa. Após isso, foi iniciada a análise de alguns parâmetros importantes: como quebrar a Noz Pecan; de que forma a máquina será alimentada com noz; de que forma a noz sairá do processo e quais mecanismos e sistemas serão utilizados. Para se entender a melhor forma de quebrar a Noz Pecan, devemos atentar para sua geometria predominante, podendo denominá-las empiricamente de oval, com seu eixo longitudinal levemente alongado. É necessário obter a menor perda possível no processo de quebra e isso se reflete em quebra-lá de uma forma a não esmagar a amêndoa e, ao mesmo tempo, facilitar a separação entre a amêndoa e casca. Primeiramente, surgiu a ideia básica que seria imitar uma quebra manual, apertando uma noz contra a outra até trincar a casca e posteriormente desmembrar suas partes para obter a castanha. Foram realizados inúmeros testes usando cerca de 5kg de noz, quebradas uma a uma, aplicando força no sentido transversal ao seu eixo principal e



usando anteparos planos de forma a simular uma prensa. Devido à diferença de tamanho entre as nozes, mesmo que pequena no sentido transversal foi possível perceber a ineficiência desse método de quebra, além da dificuldade de calibrar o equipamento, ou seja, o quanto devemos prensar a Noz Pecan para quebrar a casca sem danificar a amêndoa. Entre os principais problemas do método foram destacados dois: a quebra da noz ao meio, separando-a em dois hemisférios e o esmagamento da amêndoa junto à casca. Como nenhum processo tem eficiência de 100%, também se considera importante que a parcela de noz que sai da máquina parcialmente quebrada deva ser de fácil quebra manual, em um segundo estágio. Em ambos os problemas, perdemos valor agregado do produto, pois a venda seria destinada a noz picada e, além disso, foi notada certa dificuldade de terminar o processo manualmente devido aos hemisférios remanescentes serem muito rígidos para a quebra manual e a casca ter ficado presa na amêndoa durante a prensagem. Foi necessário, então, encontrar outra forma de quebra. A figura 03 apresenta a noz prensada com a casca, já a figura 04 apresenta a noz dividida em dois hemisférios.

Figura 03: Resultado quebra transversal Figura 04: Resultado quebra transversal

Fonte: Elaborado pelos autores. Fonte: Elaborado pelos autores.

Foi testada a quebra no sentido longitudinal, baseado na teoria do barrilamento e com a expectativa de a noz ser implodida de dentro para fora devido a pressão de compressão. Deu-se inicio então aos testes de quebra com essa nova orientação e logo no



inicio constatou-se outro problema que consistiu na dificuldade de ordenar e manter a noz ordenada durante a quebra, visto que nessa posição ela tem dificuldade de equilíbrio. Para os ensaios, foi construído um pequeno suporte para deixá-la no sentido adequado. Logo nas primeiras nozes quebradas com esse método, ficou evidente a superioridade da eficiência obtida e para efeito de comparação, quebrou-se aproximadamente 2kg de noz, uma a uma. Essas nozes permaneceram com a amêndoa inteira, quase que na totalidade dos testes. Foram detectados alguns problemas pelo fato da casca ficar ainda presa na amêndoa, mas de fácil separação manual. Os testes iniciais foram feitos utilizando uma morsa com a função de prensa e em baixa velocidade de aperto, podendo ser considerada uma carga estática e posteriormente utilizamos o equipamento de ensaio universal no modo de compressão. Optou-se então pelo método de quebra no sentido longitudinal. Levou-se algumas nozes, para o laboratório da Faculdade de Engenharia da Uniritter, para ser realizado ensaio de compressão afim de estimar a força necessária para a quebra da casca e posteriormente dimensionar o cilindro pneumático a ser usado.Destaca-se aqui, que o mecanismo de quebra adotado consiste em dois batentes:o primeiro é fixo na estrutura e possui regulagem de avanço ou recuo através de um parafuso;o segundo é preso a haste do cilindro pneumático,que quando acionado, desloca-se em direção ao batente fixo prensando a noz.A figura 05 apresenta o resultado da quebra no sentido longitudinal.

Figura 05:Resultado da quebra longitudinal

Fonte: Elaborado pelos autores.

O próximo parâmetro definido foi à forma de alimentação do equipamento, pois para ser automatizado o funcionário deve carregar a máquina uma só vez no inicio do processo. Como o processo de quebra da noz se da de forma longitudinal, a alimentação deve ser dedicada a posicionar a noz corretamente e no tempo certo. Sabendo que o posicionamento natural da noz consiste em ficar "deitada" sobre uma superfície plana, foi tida a ideia de implementar uma mesa vibratória montada em determinado ângulo, para que as nozes



escorregassem até chegar em um mecanismo que, no momento adequado, libere a passagem de uma noz por vez. Para teste da mesa vibratória foi feita uma simulação manual usando moldes em cartolina. Esse sistema se mostrou eficiente e confiável, bastando apenas adotar um meio de aumentar ou diminuir a amplitude das vibrações para regular a velocidade com que as nozes escorregam na mesa vibratória. Essa amplitude pode ser alterada movimentando o contra peso no eixo excêntrico do motor elétrico fixado na mesa e usado para essa função. A partir do momento em que a noz sai da mesa vibratória e entra no mecanismo de quebra por meio de canaletas, com a finalidade de manter a orientação correta, considera-se a máquina alimentada. Então é acionado o mecanismo de quebra e logo após isso é acionado o mecanismo de despejo da noz já quebrada. A figura 06 mostra o detalhamento da máquina.

Figura 06:Detalhamento da máquina.

Fonte: Elaborado pelos autores



Esse despejo consiste na rotação de todo o mecanismo de quebra, de forma a percorrer um ângulo de aproximadamente 100 graus em relação à posição inicial. Devido à forma geométrica desse componente, essa rotação lança a noz já quebrada para um recipiente posicionado logo abaixo. A figura 07 mostra os batentes do mecanismo de quebra, a haste do cilindro e a articulação do mecanismo.

Figura 07:Detalhe do mecanismo de quebra.


No final do processo, temos a casca da Noz Pecan e sua respectiva amêndoa no mesmo recipiente. Devido às diferenças de tamanho entre as nozes, ocorre ocasionalmente de a amêndoa ainda ficar levemente colada na casca após a quebra, bastando agitar o recipiente no sentido vertical para desmembrá-las. A figura 08 apresenta o resultado obtido no final do processo.

Figura 08:Resultado obtido no final do processo.




A escolha dos sistemas a serem usados levou em consideração a ideia de simplicidade e confiabilidade do equipamento, bem como facilidade de conserto e substituição de componentes, que podem ser executados pelo próprio operador, reduzindo assim o custo de manutenção. Foram adotados três atuadores pneumáticos para realizar as funções da máquina quebradora de noz. O cálculo do volume de ar utilizado pelos sistemas foi feito de forma refinada, com a finalidade de utilizar apenas um compressor pequeno de 24 litros de armazenamento, vazão de 70l/min. e potência 1,5hp, que provavelmente o pequeno produtor já possui em sua propriedade. Para a mesa vibratória foi adotado um motor monofásico de apenas 1/4 hp de potência. A parte de controle foi desenvolvida de forma analógica, ou seja, sem o uso de microprocessadores programáveis, objetivando simplicidade e facilidade de modificação da programação por parte do usuário. A implementação foi feita em uma protobord para facilitar os ajustes e uma possível modificação do algoritmo de controle. Destaca-se aqui, o baixo consumo de energia contribuindo também para a sustentabilidade do projeto. A figura 09 mostra o circuito de controle.

Figura 09:Circuito de controle.




Conforme ensaios de compressão realizados em equipamento de teste universal EMIC- no laboratório da Faculdade de Engenharia da Uniritter, obtemos uma força média aproximada de 55Kgf para a quebra da noz no sentido longitudinal e com base nesse dado, dimensionamos para o mecanismo de quebra um cilindro pneumático com camisa de 40mm de diâmetro. O quadro 01 representa os teste de compressão.

Quadro 01:Resultado do teste de compressão.

Amostra Força (Kgf)

1 47

2 56

3 43

4 76

5 65

6 57

7 62

8 34

9 51

10 60

Média 55

Desvio Padrão 12,02

Fonte: Elaborado pelos autores. Definiu-se como 6,0bar a pressão ideal de trabalho da linha pneumática. Dimensionou-se para o controle de alimentação de noz no mecanismo de quebra, um cilindro pneumático com camisa de diâmetro 12 mm e para o mecanismo de despejo da noz, um de camisa com diâmetro de 16 mm. O quadro 02 mostra a relação entre a força exercida pelos cilindros e a pressão de trabalho.

Quadro 02:Força exercida pelos cilindros na pressão de trabalho. Pressão (Bar) 5,0 6,0

Cilindro do mecanismo de quebra 62,8Kgf 75,36Kgf

Cilindro do mecanismo de alimentação 5,65Kgf 6,78Kgf

Cilindro do mecanismo de despejo 10,04Kgf 12,05Kgf

Fonte: Elaborado pelos autores, com base nos testes realizados.

O equipamento funciona de forma sequencial com o uso de um temporizador independente para cada etapa, ou seja, as nozes são quebradas uma a uma e somente após o despejo da noz já quebrada é adicionada outra noz no inicio do processo. Existe somente um sensor de toque localizado na canaleta de posicionamento da noz que serve



para detectar sua entrada.Todas as demais funções são temporizadas de forma a prevenir uma parada inesperada da máquina ao ocorrer algum problema em uma das etapas. A máquina funciona, então, em um "loop" parando apenas quando o sensor de toque não for acionado pela queda da noz na canaleta de posicionamento. Ordem de funcionamento: Espera noz Queda da noz Sensor de toque Timer Ajuste de posição Timer Quebra noz Timer Despejo Timer Espera noz

Conclusão Após a construção da máquina quebradora de Noz Pecan realizou-se diversos testes práticos e verificou-se que os objetivos iniciais foram atingidos. A automatização do processo mostrou-se eficiente e a simplicidade dos mecanismos foi consolidada com o uso de atuadores pneumáticos. Obteve-se 70% de noz inteiras, portanto sem danos, e 20% de noz pela metade o que caracteriza uma alta eficiência na quebra. O circuito de controle mostrou-se adequado a proposta do equipamento e com a possibilidade de alteração da programação conforme o que for necessário. A estrutura metálica e as rodas para locomoção mostraram-se adequadas as funções exercidas. Mediu-se uma produtividade de aproximadamente 4kg de noz por hora de funcionamento com um consumo aproximado de 0,7KW/h. A figura 10 mostra a eficiência do equipamento, testado com 30 nozes.

Figura 10:Amostra de eficiência com 30 nozes.




Referências

COSTABEBER, José Antônio; CAPORAL, Francisco Roberto. Possibilidades e alternativas do desenvolvimento rural sustentável no MERCOSUL. Santa Maria: Editora da UFSM/ Pallotti, 2003, p. 157-194. HIBBELER, R. C. Mecânica para Engenharia - Estática: Pearson Prendice Hall, 10º edição, 2005. MARINS, Ailson. Tecnologia Pneumática: Circuitos Pneumáticos e Comandos Eletropneumáticos. São Paulo:Salto - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia, 2009. SOARES DE LIMA, Sandra. O cultivo de Noz Pecan no município de Itaqui-Rs. Porto Alegre: UFRGS, 2011. Trabalho de Conclusão de Curso - Faculdade de Ciências Econômicas. WAQUIL, Paulo Dabdab; MIELE, Marcelo; SCHULTZ, Glauco. Mercado e Comercialização de Produtos Agrícolas. Porto Alegre: Editora da UFRGS, 2010.

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