Contribuição para a melhoria da manutenção de máquina fragmentadora
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Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora Ana Sofia Teixeira Cardoso Dissertação do MIEM Orientador: Professor Doutor Francisco Jorge Teixeira de Freitas Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Opção de Automação Ano Letivo 2013/ 2014
i À minha mãe
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora iii Resumo O tratamento de resíduos sólidos industriais é uma atividade económica em crescimento, e dedica-se a fazer o maior reaproveitamento possível de componentes metálicos e não metálicos, nomeadamente os veículos automóveis em fim de vida. Uma das importantes etapas desta indústria é o processo de fragmentação dos componentes metálicos, que depende essencialmente da existência de máquinas fragmentadoras. Estas máquinas são altamente produtivas e delas depende a rentabilidade económica das empresas. No entanto, estas máquinas requerem paragens periódicas para manutenção que, devido à sua grande morosidade, podem comprometer a atividade da empresa e o seu sucesso económico. Assim, surgiu a necessidade de desenvolver um estudo de uma solução para melhorar o processo de manutenção e aumentar a sua eficiência e produtividade levando assim a um maior aproveitamento económico das máquinas fragmentadoras. Numa primeira fase foi necessário fazer uma análise das soluções existentes e um estudo mais aprofundado das máquinas fragmentadoras alvo de estudo neste trabalho. De seguida começou-se por desenvolver a solução de projeto mecânico para o novo sistema de apoio à manutenção com base nos requisitos impostos, e por fim propor a sua solução de automação. No final desta dissertação concluiu-se que a nova solução desenvolvida para o processo de manutenção consegue cumprir os requisitos especificados e ainda acrescentar certas caraterísticas significativas para todo o processo que resultam num processo com menor complexidade, maior segurança e menor duração, e numa máquina fragmentadora com maior produtividade, eficiência e tempo de vida útil.
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora v Contribution for the improvement in maintenance of a shredder machine Abstract Industrial solid waste treatment is an economic activity in growth and aims at making the highest possible reuse of metallic and non-metallic components, particularly end-of-life motor vehicles. One of the most important stages of this industry is the fragmentation process of the metallic components, which essentially depends on the existence of a shredder machine. These machines are highly productive and the economic profitability of the companies rely on their proper continuous functioning. However, these machines require periodic maintenance shutdowns that due to their long duration can reduce the company’s activity and their economic success. In that way, it emerged the need to develop a study of a novel solution to improve the maintenance process and increase its efficiency and productivity, thus leading to greater economic use of shredder machines. Initially it was necessary to make an analysis of existing solutions and a detailed study of shredder machines. Then it was undertaken the development of the mechanical design of a novel solution for the new maintenance procedure based on the defined requirements and finally it was proposed its automation solution. At the end of this study it was concluded that the new solution for the maintenance process can meet the specified requirements and adds some significant features for the whole process which results in a less complex and shorter process and in a more productive, efficient and with longer lifetime shredder.
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora vii Agradecimentos Agradeço ao meu orientador, Professor Francisco Jorge Teixeira de Freitas, em primeiro lugar pela sua preocupação em encontrar um tema de dissertação que correspondesse às minhas expetativas, e, em segundo lugar, por toda a sua orientação e exigência sempre presente ao longo de toda a dissertação. À Professora Sara Fernandes pela sua pronta disponibilidade, ajuda e incentivo na realização deste trabalho. Ao Professor Marco Parente pela sua paciência e ajuda que foram fundamentais para uma rápida aprendizagem. Ao Sr. Joaquim Silva, técnico de laboratório, pela sua sempre vontade de ajudar e ensinar e, não menos importante, pela sua amizade e boa disposição presentes todos os dias no laboratório. Aos meus pais e ao meu irmão por fazerem tudo o que estava ao seu alcance para conseguir alcançar os meus sonhos, partilhados por eles também, e em especial à minha mãe por nunca me deixar desacreditar no meu valor e nas minhas capacidades e me sempre incutir o espirito de que tudo é possível. Ao Pedro pelo seu constante apoio, carinho e paciência, por me fazer ver, nos momentos mais difíceis, o lado positivo e descomplicado das coisas e por ter sido um dos grandes pontos de força. Por fim a todos os meus amigos e às grandes amizades que levo da faculdade que fizeram com que estes fossem os melhores 5 anos da minha vida académica, e a quem também dedico esta dissertação. Agradeço em especial ao João Malheiro e ao Francisco Penteado por todo o apoio, paciência, alegria constante e grande suporte durante este longo e difícil ano, fundamentais para a concretização esta etapa.
xiv Figura 47. Elevador hidráulico e dimensões globais________________________________________________ 40 Figura 48. Vista em detalhe da coluna com os dois perfis H. _________________________________________ 41 Figura 49. Vista em detalhe da coluna com o reforço da placa e os orifícios para soldadura._______________ 41 Figura 50. Vista em detalhe da soldadura entre os dois perfis _______________________________________ 41 Figura 51. Estrutura do elevador. ______________________________________________________________ 42 Figura 52. Esquema representativo das forças presentes na estrutura ________________________________ 43 Figura 53. Estrutura do elevador e os tirantes. ___________________________________________________ 43 Figura 54. Estrutura com as duas plataformas. ___________________________________________________ 44 Figura 55. Gradis. __________________________________________________________________________ 44 Figura 56. Cilindros hidráulicos. _______________________________________________________________ 45 Figura 57. Corrediça inferior do elevador. _______________________________________________________ 47 Figura 58. Vista em detalhe da orientação das rodas. ______________________________________________ 47 Figura 59. Corrediças inferiores do elevador. _____________________________________________________ 47 Figura 60. Corrediça superior. _________________________________________________________________ 47 Figura 61. Corrediças superiores. ______________________________________________________________ 47 Figura 62. Corrediça superior e inferior com ligação rígida. _________________________________________ 48 Figura 63. Rotor na posição de funcionamento ___________________________________________________ 49 Figura 64. Rotor com as peças das extremidades colocadas _________________________________________ 49 Figura 65. Mesa do elevador __________________________________________________________________ 50 Figura 66. Movimento horizontal de recuo do tubo de acoplamento do rotor. __________________________ 50 Figura 67. Esquema representativo das forças presentes quando o rotor se encontra a 80˚. _______________ 51 Figura 68. Travessão de apoio superior do rotor.__________________________________________________ 52 Figura 69. Guincho__________________________________________________________________________ 52 Figura 70. Esquema representativo das forças aplicadas. ___________________________________________ 53 Figura 71. Tambores. ________________________________________________________________________ 54 Figura 72. Parte da estrutura do elevador submetido a análise. ______________________________________ 57 Figura 73. Representação do encastramento na estrutura. _________________________________________ 58 Figura 74. Representação da carga aplicada do tirante. ____________________________________________ 59 Figura 75. Distribuição das tensões na estrutura. _________________________________________________ 59 Figura 76. Representação dos deslocamentos obtidos na estrutura. __________________________________ 60 Figura 77. Representação do encastramento na estrutura. _________________________________________ 61 Figura 78. Representação da carga horizontal aplicada. ____________________________________________ 62 Figura 79. Representação da carga aplicada do tirante. ____________________________________________ 62 Figura 80. Representação do esforço provocado pelos cabos. _______________________________________ 63 Figura 81. Representação do esforço provocado pelos cilindros hidráulicos. ____________________________ 63 Figura 82. Distribuição das tensões na estrutura. _________________________________________________ 64 Figura 83. Representação dos deslocamentos obtidos na estrutura. __________________________________ 64 Figura 84. Vista em pormenor dos pontos que sofreram maior deslocamento. __________________________ 65 Figura 85. Peça inferior do rotor e o veio que faz a ligação com o elevador. ____________________________ 66 Figura 86. Representação do encastramento no veio. ______________________________________________ 66 Figura 87. Representação das cargas aplicadas no veio. ____________________________________________ 67 Figura 88. Distribuição das tensões no veio ______________________________________________________ 67 Figura 89. Deslocamentos obtidos no veio. ______________________________________________________ 68 Figura 90. Circuito hidráulico do elevador. _______________________________________________________ 70 Figura 91. Circuito hidráulico do movimento de encaixe no guiamento. _______________________________ 72 Figura 92. Circuito hidráulico dos cilindros de auxílio ao movimento de rotação _________________________ 74 Figura 93. Esquema representativo das relações presentes entre sistemas. ____________________________ 76 Figura 94. Esquema representativo das forças presentes quando o rotor se encontra na horizontal. ________ 80 Figura 95. Gradeamento na plataforma. ________________________________________________________ 84 Figura 96. Comando de funcionamento. ________________________________________________________ 85
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora xv Í nd ice de Tabelas Tabela 1. Resumo das principais caraterísticas de cada configuração de rotor. ................................................... 12 Tabela 2. Parâmetros de seleção dos cilindros de hidráulicos de elevação. .......................................................... 45 Tabela 3. Parâmetros de seleção dos cabos de aço .............................................................................................. 46 Tabela 4. Parâmetros de seleção dos cilindros de hidráulicos da mesa do rotor. ................................................. 50 Tabela 5. Parâmetros de seleção dos cilindros de hidráulicos de auxílio à articulação. ....................................... 51 Tabela 6. Parâmetros de seleção dos cabos de aço .............................................................................................. 53 Tabela 7. Parâmetros de seleção do diâmetro do tambor. ................................................................................... 54 Tabela 8. Parâmetros de seleção do comprimento do tambor. ............................................................................ 55 Tabela 9. Parâmetros de seleção do veio do tambor. ........................................................................................... 55 Tabela 10. Parâmetros de seleção dos cilindros de manutenção. ......................................................................... 56 Tabela 11. Propriedades mecânicas do material dos elementos. (Granta Design Limited, 2012) ........................ 58 Tabela 12. Velocidades do tambor e elevador em cada movimento. .................................................................... 77 Tabela 13. Parâmetros de seleção do motor e bomba para o elevador. ............................................................... 78 Tabela 14. Parâmetros de seleção da bomba e motor para o movimento de encaixe no guiamento. ................. 78 Tabela 15. Parâmetros de seleção da bomba e motor para o movimento de auxílio à articulação. .................... 79 Tabela 16. Parâmetros de seleção do servomotor para o sistema tambor. .......................................................... 81 Tabela 17. Resumo dos elementos de sensorização utilizados. ............................................................................. 83 Tabela 18. Varáveis do sistema ............................................................................................................................. 87 Tabela 19. Módulos selecionados para o autómato. ............................................................................................ 87
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| 1.Introdução FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 1 1. Íntrod uça o 1.1 Apresentação O aparecimento do conceito de desenvolvimento sustentável trouxe consigo a criação de novas indústrias, tal como a indústria de tratamento de resíduos sólidos industriais. Esta indústria dedica-se a fazer o maior reaproveitamento possível de componentes metálicos e não metálicos, nomeadamente os veículos automóveis em fim de vida. Segundo o INE (Instituto Nacional de Estatística) o sector “desperdícios e sucata” no ano de 2012 teve um volume de negócios de 762 M€ que, comparativamente ao ano de 2009, representou uma duplicação da faturação. Estes números demonstram o crescimento desta indústria nos últimos anos, bem como a sua importância, nomeadamente atendendo ao clima de recessão em que se vive. (Instituto Nacional de Estatística, 2013) (Instituto Nacional de Estatística, Estatísticas do Comércio 2009, 2010) Para tal crescimento ser possível existe a necessidade de desenvolver meios adequados ao processamento dos componentes, nomeadamente metálicos, já no fim do seu ciclo de vida até chegar à transformação destes em novos componentes metálicos com valor económico suficiente para corresponder à sustentabilidade desejada. Inicialmente há uma fase de desmantelamento dos equipamentos, como as viaturas automóveis ou grandes eletrodomésticos, onde são retirados todos os constituintes não metálicos. Posteriormente existe um processo de fragmentação de forma a reduzir a dimensão destes componentes, que muitas vezes apresentam um grande volume, e a subsequente separação nos diferentes tipos de metais. Os materiais de maior valor acrescentado, tais como ouro, cobre, alumínio, chumbo, zinco são separados, restando os materiais derivados do ferro, em muito maior quantidade, que sendo isentos dos outros materiais metálicos têm por si só um maior valor de
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 2 reutilização. Na indústria siderúrgica realiza-se a sua transformação em novos componentes metálicos ferrosos, mas isentos de contaminantes. Este processo de fragmentação, e subsequente separação dos materiais, depende essencialmente da existência de “máquinas fragmentadoras” que são em geral máquinas de grande dimensão e que constituem um investimento muito grande mas fundamental para a atividade neste ramo do tecido económico. São, em geral, máquinas de muito grande capacidade de transformação de materiais e que, portanto, arrastam por si outros requisitos quer a montante quer a jusante do seu funcionamento, fazendo com que do seu estado, ou não, de funcionamento dependa toda a atividade de uma empresa. Assim sendo, a fiabilidade, as necessidades e requisitos associados à boa manutenção destas máquinas são determinantes no sucesso económico das empresas que as detêm. Uma máquina destas, quando em funcionamento, pode ser um contributo inestimável para o sucesso económico de uma empresa, mas quando inoperacional é uma razão indiscutível para o seu insucesso. Sendo máquinas cujo princípio de funcionamento incide na fragmentação por impacto ultra violento de ferramentas sobre um material a fragmentar, este tema é assim da maior importância para o sucesso de uma empresa do setor. 1.2 Objetivos A presente dissertação tem por objetivo a conceção de uma solução para apoio ao processo de manutenção periódica de uma máquina fragmentadora que consiga tornar mais eficiente essa operação, reduzindo o mais possível o tempo de paragem da máquina de modo a aumentar a sua produtividade e eficiência. Esta dissertação tem como objetivo específico o desenvolvimento de uma solução mecânica, estrutural, e de automação, para a melhoria da manutenção de uma máquina fragmentadora.
| 1.Introdução FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 3 1.3 Organização e temas abordados do relatório Este trabalho desenvolve-se fundamentalmente ao longo de três capítulos principais: no capítulo 2 é feita uma abordagem às máquinas fragmentadoras, soluções construtivas e tipos funcionais e uma análise do tema da manutenção no capítulo 3 é proposta nova solução para melhoria da manutenção e a sua solução mecânica, no capítulo 4 é por fim apresentado o desenvolvimento da solução de automação que suporta o funcionamento da solução proposta. A abordagem de uma forma geral às máquinas fragmentadoras teve como intuito ter uma melhor compreensão destas máquinas, nomeadamente no que diz respeito às soluções construtivas existentes, ao seu princípio de funcionamento, às suas caraterísticas principais e ao seu campo de aplicação. Também foi abordada, já com mais detalhe, a máquina de fragmentação alvo deste trabalho, com uma explicação da sua constituição, dos seus pontos fortes e fracos e uma descrição do seu processo de manutenção com os problemas que daí resultam. Na conceção da solução e seu desenvolvimento mecânico foi indispensável delinear quais os requisitos necessários e limitadores para a nova solução, de forma a conseguir traçar um caminho de orientação. Após os elementos principais e os movimentos estarem definidos começou-se por definir cada elemento constituinte da solução e por fim a análise dimensional da estrutura global. No desenvolvimento da solução de automação do sistema, começou-se por dimensionar e escolher os elementos de acionamento de cada movimento. De seguida definiu-se quais os elementos de controlo e comando necessários ao sistema e abordou-se, de uma forma global, o tema da segurança, fazendo uma análise ao sistema e indicando elementos necessários. Por fim, foram desenvolvidos GRAFCET’s de forma a determinar o processo sequencial dos movimentos do sistema e também tendo em vista uma posterior programação, que não foi implementada neste projeto. Como conclusão desta dissertação são apresentadas as conclusões e análises comparativas entre a nova solução e a atual solução do processo de fragmentação, e ainda apontados trabalhos futuros que podem ser desenvolvidos a partir desta dissertação com o objetivo da implementação da solução.
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| 2. Máquinas Fragmentadoras FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 5 2. Ma quinas fragmentadoras No processo de redução da dimensão dos componentes metálicos são utilizadas máquinas fragmentadoras, também designadas por máquinas trituradoras que, através de ações sucessivas de impacto, transformam matérias contínuas em partículas finas. Estas partículas finas são posteriormente separadas de acordo com o tipo de material para, de seguida, serem transformadas em novos produtos. Neste capítulo é feita uma abordagem geral às máquinas fragmentadoras apresentando a sua classificação, segundo a dimensão e aplicação, seguido das soluções construtivas mais comuns neste setor, revelando as principais caraterísticas e aplicações. Por fim é feita uma apresentação em detalhe do tipo de máquina fragmentadora que é objeto de estudo neste trabalho, especificando a sua constituição, o seu princípio de funcionamento, as suas principais caraterísticas e a identificação do maior problema deste tipo de máquinas. 2.1 Classificação das máquinas fragmentadoras A necessidade de capacidades de produção diferentes por parte da indústria e de materiais a serem processados distintos levou à construção de máquinas que respondessem a essas necessidades, conduzindo assim à sua divisão em quatro grupos. As máquinas fragmentadoras podem ser então classificadas segundo o sua dimensão em: Pequenas; Médias; Grandes; Muito grandes. (H. R. Manouchehri, 2007)
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 6 Figura 1. Vista geral de uma máquina fragmentadora (US shredder and casting group). As máquinas de pequena dimensão são geralmente compostas por dois rotores de orientação horizontal, com sentidos de rotação opostos. A potência destas máquinas varia entre 40 e 200 kW e a sua capacidade de produção entre 1,5 e 10 tons/h. Em geral, estas máquinas destinam-se à fragmentação de componentes mais pequenos como pequenos eletrodomésticos, resíduos médicos metálicos, caixotes do lixo, resíduos de oficinas, etc. (UNTHA, 2014) As máquinas de tamanho médio têm apenas um rotor que pode ter orientação horizontal ou vertical e que, vulgarmente, possui martelos nas extremidades com livre rotação que se encontram ligados através de um veio. Contudo, algumas destas máquinas fragmentadoras têm estrelas de fragmentação em vez de martelos. A gama de potência destas máquinas varia entre 350 e 750 kW e com capacidade de produção de 10 até 20 tons/h. A sua aplicabilidade incide, sobretudo, na trituração de equipamentos elétricos, resíduos eletrónicos, componentes em alumínio, tambores de metal, etc. (UNTHA, 2014) As máquinas de grande porte têm potências que podem variar entre 750 kW e 2,5 MW podendo mesmo chegar a 3MW e com uma capacidade de produção de 20 a 125 tons/h. Em geral, destinam-se à fragmentação de carrocerias de veículos automóveis, blocos de motores e light scrap. (Hammel, 2014) As máquinas de muito grande dimensão são as que detêm as potências maiores, desde 3MW até 5,5 MW, bem como a capacidade de produção, que pode ir de 100 até 250 tons/h. Estas máquinas fragmentadoras trituram qualquer resíduo metálico qualquer seja a sua dimensão ou forma. (H. R. Manouchehri, 2007) (Metso, 2014) Atualmente, as máquinas fragmentadoras atingem grandes dimensões físicas e podem ter diferentes soluções construtivas em relação a algumas das suas principais caraterísticas, tais como o número e orientação (vertical ou horizontal) dos rotores, a sua constituição e configuração (com martelos ou estrelas de trituração), ou até mesmo o sistema de alimentação.
| 2. Máquinas Fragmentadoras FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 7 2.2 Tipos de soluções construtivas Nos dias de hoje, as máquinas fragmentadoras, dependendo da sua configuração, podem ter o rotor na posição horizontal ou vertical, tal como mostra a Figura 2 com máquinas fragmentadoras de diferentes construtores. As máquinas fragmentadoras de rotor vertical têm como aplicação a fragmentação de materiais eletrónicos (computadores, impressoras, eletrodomésticos, resíduos industriais, etc), enquanto as máquinas de rotor horizontal são mais aconselhadas para a fragmentação de “light scrap”, chapas finas, como é o caso dos automóveis, e de resíduos mistos. (H. R. Manouchehri, 2007) (Kubota, 2014) Legenda: 1rotor 2bigorna 3grelha de saída do material fragmentado 4porta de rejeição A. zona de alimentação P. zona de saída do material fragmentado Figura 2. Máquinas Fragmentadoras com diferentes orientações do rotor. (H. R. Manouchehri, 2007) 2.2.1 Rotor vertical As máquinas fragmentadoras de rotor vertical, de uma forma geral, têm o rotor localizado na sua parte central e o sistema de alimentação de material na parte superior. (Figura 3) Esta disposição, aliada à força gravítica e com a presença de elementos no rotor que permitem a fragmentação do material, origina um fluxo direcional do extremo superior até ao extremo inferior da máquina. A fragmentação dá-se ao longo do mesmo, entre as paredes da máquina e os elementos de fragmentação, com uma redução em contínuo do tamanho das partículas. Este princípio de funcionamento permite um tamanho final das partículas bastante uniforme e de forma globular eliminando praticamente a necessidade de grelhas de calibragem. Uma das principais caraterísticas destas máquinas fragmentadoras é a necessidade de menor energia para a fragmentação comparativamente com as máquinas de rotor
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 14 rotor de uma configuração global cilíndrica, constituindo unidades com uma massa total do rotor entre 20 e 30 tons; Figura 12. Rotor horizontal de martelos Figura 13. Martelos 4. Carcaça: a carcaça é construída em chapa de aço de grande espessura e contém na parte interior uma bigorna, as grelhas para a saída dos resíduos triturados, uma porta de rejeição para as peças que não conseguiram ser fragmentadas pelo rotor, e é ainda revestida interiormente por placas de desgaste, que evitam o desgaste da carcaça resultante do impacto dos fragmentos no seu interior. Para a realização da manutenção e possibilidade de acesso ao rotor é necessário que a carcaça seja composta por partes que articulam com grande amplitude. Figura 14. Carcaça do rotor Figura 15. Grelhas de saída dos fragmentados 6. Unidade de despoeiramento: realiza a aspiração das poeiras criadas pela fragmentação do material metálico bem como os fumos libertados durante a fragmentação. Geralmente encontra-se na parte superior; 7. Tapetes de escoamento com tela vibratória: tapete que, normalmente, se encontra na parte inferior da máquina de forma a recolher os fragmentos que, de seguida, são encaminhados para a etapa seguinte, a triagem. Este tapete incorpora uma tela vibratória para acelerar o arrefecimento dos fragmentos uma vez que estes saem a temperaturas altas, evitando assim a sua soldadura. Estas altas temperaturas resultam dos sucessivos impactos durante o processo de fragmentação onde estão envolvidas forças elevadas e um grande desgaste por parte dos elementos do rotor;
| 2. Máquinas Fragmentadoras FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 15 8. Absorsor de vibrações: os impactos e as grandes forças e velocidades envolvidas no processo de fragmentação induzem, inevitavelmente, altas vibrações à estrutura da máquina, que são transmitidas à base. Assim, surge a necessidade da existência de um absorsor de forma a evitar que tais vibrações se transmitam, por um lado, à infraestrutura, e por outro levem à degradação acelerada da máquina; 9. Cabine de controlo: contém uma consola de comando para se conseguir um controlo e comando total da máquina. (H. R. Manouchehri, 2007) Figura 16. Absorsor de vibrações Figura 17. Cabine de controlo Figura 18 Esquema representativo de uma máquina fragmentadora com rotor horizontal de martelos (Alton S. Newell, 1985)
|2. Máquinas Fragmentadoras FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 16 2.3.2 Princípio de funcionamento As máquinas fragmentadoras de rotor de eixo horizontal, que possuem os martelos como elemento de fragmentação, têm um princípio de funcionamento idêntico, independentemente da configuração do rotor que possuem. A Figura 19 ajuda a perceber melhor esse princípio de funcionamento. Figura 19. Máquina fragmentadora de rotor horizontal com martelos. (Shredder Plant, 2014) O material metálico a fragmentar é colocado na rampa de alimentação da máquina e, de seguida, é prensado pelo rolo de prensagem de doseamento, de forma a reduzir o seu volume, oferecer rigidez ao material e dosear controladamente a alimentação evitando atolamentos. Esta maior rigidez do material a fragmentar vai permitir a absorção de parte da energia que o martelo detém no momento de impacto deste com o material, garantindo assim que o processo de fragmentação ocorra mais eficazmente. A elevada velocidade de rotação que esta máquina possui, cerca de 600 a 700 rpm, origina elevadas velocidades lineares periféricas nos elementos que se encontram mais próximo do perímetro do rotor, nomeadamente nos martelos. Por exemplo, para uma velocidade rotacional de 600 rpm e um diâmetro de rotor de 1200 mm atingem-se velocidades lineares nos martelos de 270 a 300 km/h. Estas elevadas velocidades rotacionais aliadas à força inercial centrífuga fazem com que os martelos tomem a posição máxima, chocando com o material metálico, cortando-o em fragmentos de maior ou menor dimensão dependendo da velocidade de alimentação. É através da velocidade de alimentação do material que se consegue ter um controlo sobre a dimensão dos fragmentos: maior velocidade de alimentação origina fragmentos maiores, menor velocidade de alimentação origina fragmentos de menor dimensão.
| 2. Máquinas Fragmentadoras FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 17 Os fragmentos resultantes saem através das grelhas que se situam na parte inferior e superior de forma a selecionar o tamanho dos fragmentos. O material metálico que o rotor, por alguma razão, não conseguiu fragmentar sai para o exterior pela porta de rejeição que se encontra na parte superior da máquina. Para se ter uma ideia da capacidade de produção deste tipo de máquina fragmentadoras, são apresentados de seguida cálculos assumindo valores de velocidade de rotação e de dimensão pretendida dos fragmentos. 𝜔=600 𝑟𝑝𝑚=10𝑟𝑜𝑡/𝑠=1 𝑟𝑜𝑡 𝑒𝑚 100 𝑚𝑠 Assumindo que o rotor tem 6 conjuntos de martelos por plano, pode-se concluir que em cada rotação se têm 6 martelos a cortar material. 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑎 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑎𝑔𝑒𝑚 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑚𝑎𝑟𝑡𝑒𝑙𝑜 𝑛𝑎 𝑏𝑖𝑔𝑜𝑟𝑛𝑎: 100𝑚𝑠 6=16,66 𝑚𝑠 Se pretendermos fragmentos a ser cortados de 2 em 2 mm, então terá que se avançar o material esses 2mm, durante o tempo entre cada martelo, o que resulta numa velocidade de alimentação de: 𝑣𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜=2𝑚𝑚 16,66 𝑚𝑠=0,12 𝑚𝑚/𝑚𝑠 =120 𝑚𝑚/𝑠 Se considerarmos que um automóvel tem um comprimento nominal de 3m e 1 tonelada de massa então pode-se calcular de uma forma muito aproximada e rápida a capacidade de produção para estes valores: 𝑣𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜=7 200 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛≈𝑚𝑎𝑖𝑠 𝑑𝑒 2 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑚ó𝑣𝑒𝑖𝑠 𝑛𝑢𝑚 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢çã𝑜=2 𝑡𝑜𝑛/𝑚𝑖𝑛=120 𝑡𝑜𝑛/ℎ=120 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑚ó𝑣𝑒𝑖𝑠 /ℎ Com esta analogia da capacidade de produção para automóveis consegue-se melhor compreender a grande produtividade e eficácia destas máquinas. Através da capacidade de produção pode-se concluir que se trata de uma máquina fragmentadora de classe grande (segundo a classificação do capítulo 2.1 Classificação das máquinas fragmentadoras).
|2. Máquinas Fragmentadoras FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 18 2.3.3 Principais caraterísticas As máquinas fragmentadoras têm vindo a ser melhoradas de forma progressiva, com o objetivo de aumentar a sua produtividade e obter o máximo retorno económico. Estas são máquinas que trabalham a grandes velocidades periféricas e possuem elementos constituintes com elevada massa. Tais atributos resultam em caraterísticas importantes da máquina, enunciadas de seguida: Energia: as grandes potências envolvidas resultam num consumo energético associado a estas máquinas bastante elevado; Controlo: devido à possibilidade dos materiais a fragmentar poderem ter muito elevada capacidade de resistência ao impacto, a máquina pode entrar em situação de saturação. Nestes casos, a máquina pode entrar em condição limite de funcionamento e ações de controlo de emergência são necessárias ser previstas; Vibrações: a rigidez e massa associadas às altas velocidades podem gerar na estrutura da máquina elevadas vibrações, em volta de frequências próprias de vibração estrutural, que devem ser reduzidas o mais possível para que não sejam transmitidas às fundações da máquina fragmentadora; Operação periódica de manutenção: do funcionamento por impacto da máquina resultam elevados choques entre os fragmentos e as partes da máquina com as quais entram em contacto. Daqui resultam danos em todos estes componentes estruturais, nomeadamente os martelos, a bigorna, as placas estruturais e as capas de proteção. Todos estes componentes têm que ser substituídos periodicamente. O procedimento de manutenção da máquina é, no entanto, um processo demorado e delicado devido mais uma vez à dimensão, à massa e à localização dos componentes da máquina que necessitam ser substituídos; Segurança: o processo de manutenção, uma vez que é realizado no interior da máquina fragmentadora, conduz a problemas delicados de segurança para os operários;
| 2. Máquinas Fragmentadoras FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 19 2.3.4 Manutenção do equipamento Os problemas existentes na operação de manutenção periódica das máquinas de fragmentação são um dos pontos de grande preocupação porque têm um impacto muito negativo na produtividade e eficiência da máquina. A necessidade deste processo resulta do elevado desgaste dos elementos da máquina aquando do impacto com o material metálico no momento da fragmentação, que acontece devido às grandes velocidades, forças e rigidez dos materiais envolvidos. Este desgaste provoca desequilíbrios a nível de momento de inércia no rotor resultando em instabilidades que são transmitidas à estrutura da máquina, diminuindo assim a sua vida útil. Outra das consequências é a diminuição da produtividade da máquina. O desgaste dos martelos faz com que estes não cortem corretamente o material podendo atingir, quando o desgaste é elevado, a fase de ausência de fragmentação (inexistência de contato entre o martelo e o material). Assim, é necessária a substituição destes elementos para garantir a estabilidade da máquina e a sua adequada eficácia. Os elementos (os martelos, as “capas”, os veios sobre os quais articulam e as placas de desgaste) podem ser substituídos ou, quando o desgaste do elemento de corte não é muito grande, pode ser invertido, mudando o lado de ataque ao material. Atualmente, o procedimento de manutenção dos elementos do rotor consiste em retirar, com a ajuda de um sistema hidráulico, cada um dos veios onde articulam os martelos e estão suportadas as “capas”, libertando assim cada uma destas peças (Figura 20). Estas peças têm de ser individualmente retiradas na vertical com o auxílio de um guincho, devido à sua elevada massa (cerca de 50 a 80 kg). Isto significa que, em cada momento, as operações têm que ser realizadas somente sobre o veio que está orientado para o nível mais superior do rotor, como se pode ver na Figura 20. Cada veio onde as peças estão acomodadas é extraído passo a passo, de modo a permitir a remoção de peça por peça, e um de cada vez. Todo este procedimento tem de ser repetido 6 vezes, um para cada veio. Este processo é realizado no interior da máquina, dentro da carcaça do rotor, uma vez que a movimentação deste para o exterior é bastante complexa. Tal facto deve-se à grande dimensão do rotor (cerca de 1,20 m de diâmetro e 2,10 m de comprimento) e à sua elevada massa (cerca de 20 a 30 toneladas).
|2. Máquinas Fragmentadoras FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 20 A complexidade das operações de manutenção decorre sobretudo da grande dimensão e massa quer das peças, que necessitam ser substituídas, quer dos veios, e do facto de o rotor estar na posição horizontal e no interior da máquina. Outro dos problemas presentes que também contribuem para a dificuldade da operação é a coaxialidade dos veios do rotor na operação de manutenção, dado o seu extenso comprimento. Esta coaxialidade resume-se à colocação correta do veio nos orifícios a ele destinados no rotor, e conseguir aliar ainda a colocação dos martelos e capas no mesmo veio, de forma a existir uma coaxialidade de todas as peças. Este procedimento de manutenção obriga toda a máquina, e a empresa, a parar por um período de 3 a 4 dias, tendo um impacto negativo na rentabilidade da máquina fragmentadora dada a capacidade de produção diária, como referido no capítulo 2.3.2 Principio de funcionamento. Caso seja necessário realizar uma operação de manutenção por mês, e esta demore 4 dias, pode representar cerca de 15% de imobilização da produção. Por esta razão o procedimento de manutenção é tendencialmente retardado o mais possível, de forma existir o menor número de quebras de produção. A segurança é, também, um outro ponto importante que se pretende analisar. Tal como foi referido, o processo de remoção ou colocação das peças a substituir é realizado no interior da máquina, ou seja, o operário tem de permanecer dentro da carcaça da máquina. Tratando-se esta de uma máquina com grande atravancamento e sem quaisquer proteções de segurança no seu interior, impõe-se inevitavelmente grandes ações de segurança que necessitam ser resolvidas. Pode-se, assim, destacar este ponto, a manutenção do equipamento, como um ponto de extrema importância e que causa grandes impactos negativos em todo o processo de fragmentação. O facto de ser um processo bastante complexo e moroso resulta num adiamento da decisão de paragem da máquina, o que por vezes faz com que o rotor seja levado ao limite da sua produção e estabilidade resultando assim numa deterioração mais acelerada da máquina. A questão da segurança acrescenta ainda mais preocupação a este Figura 20. Sistema hidráulico de remoção dos veios para manutenção do rotor (Shredder Plant, 2014)
| 2. Máquinas Fragmentadoras FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 21 ponto, sendo por isso necessário encontrar uma nova solução para o processo de manutenção que diminua ou até mesmo elimine os problemas que o atual processo acarreta. Figura 21. Operador durante processo de manutenção.
|2. Máquinas Fragmentadoras FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 22
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 23 3. Conceça o de uma s oluça o alternat iva para o proc es so de manu tença o Tendo em atenção as dificuldades e tempos associados ao processo de manutenção periódica das partes degradáveis da máquina, pretende-se conceber uma solução alternativa para este processo de modo a facilitar a tarefa de manutenção do rotor, que consiste na substituição dos martelos, das capas e dos veios onde estes articulam. 3.1 Requisitos Avançam-se com os seguintes requisitos para encontrar uma solução de forma a se conseguir uma maior eficácia do sistema de manutenção, menores tempos mortos de produção e, por conseguinte, uma maior produtividade da máquina: 1. Obter uma redução do tempo despendido na manutenção da máquina para cerca de 1/3 do tempo atual, ou seja, passar de 3 dias para 1 dia de interrupção de funcionamento da máquina; 2. Reduzir a complexidade do processo que envolve retirar os martelos e as capas de proteção do rotor; 3. Aumentar a segurança dos trabalhadores durante a operação de manutenção; 4. Compatibilizar o sistema com o funcionamento da máquina fragmentadora, não exigindo operações de instalação e desinstalação de equipamentos. 5. Eventual custo acrescido do sistema alternativo de manutenção ser facilmente recuperável pelos proveitos associados a menores paragens de produção.
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 30 8. Movimento linear descendente: depois de o rotor se encontrar na posição horizontal é necessário um pequeno movimento descendente, de cerca de 150 mm, para o encaixe correto do rotor dentro da máquina fragmentadora. Este movimento é conseguido, à semelhança do primeiro, com a sincronização do guincho e do elevador, de forma a criar uma translação vertical; (Figura 36) Figura 36. Movimento descendente.
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 31 3.2.2 Procedimento de Manutenção O equipamento descrito no ponto anterior, que permite que o rotor seja colocado na posição vertical, abre novas possibilidades à forma de se encarar o procedimento de manutenção do rotor, ou seja, a substituição dos martelos, capas de proteção e veios de articulação. Esta orientação vertical do rotor, no entanto, colide com a necessidade de se retirarem os veios de articulação dos martelos, que são de grande extensão (de um extremo ao outro do rotor, ou seja, cerca de 2,10 m). Com estes veios a operação de manutenção seria quase impossível, uma vez que se necessitaria de uma grande altura para retirá-los e implicaria que os componentes a substituir fossem retirados de baixo para cima, procedimentos completamente impossíveis. Assim, propõe-se uma alteração significativa na conceção do rotor de modo a que estes veios articulados deixem de ser contínuos e da dimensão do rotor, mas passem a ser seccionados para a dimensão de cada secção de martelos. 3.2.2.1 Nova conceção de rotor A solução para o sistema de movimentação de rotor foi desenvolvida considerando uma nova conceção de rotor. Esta solução é totalmente nova, concebida para que o procedimento de manutenção seja menos complexo e o peso do próprio rotor seja menor, comparativamente com as configurações convencionais. O rotor, apresentado na Figura 37, tem a dimensão de 1200 mm de diâmetro, 2100 mm de comprimento e uma massa aproximada de 17 toneladas. Para melhor compreender a sua estrutura a Figura 38 mostra a secção em corte do rotor pelo seu eixo de revolução. Esta estrutura é composta por discos divididos em três setores idênticos que se encontram encaixados entre duas peças centrais através de uma geometria que permite esse perfeito encaixe. Os veios que suportam os martelos são seccionados estando posicionados entre cada um dos setores de cada disco, sendo que cada nível (cada plano composto por martelos) possui 6 veios. A solidez de toda a estrutura é conseguida através de seis tirantes que vão de um extremo ao outro do rotor e cruzam quer as placas, quer as peças centrais.
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 32 Figura 37. Nova conceção de rotor. Figura 38. Vista em corte ao centro do rotor Esta nova conceção de rotor implica que o procedimento de manutenção ocorra por níveis a partir do nível mais superior até o nível mais inferior. A Figura 39 permite compreender melhor como esta operação de manutenção, por níveis, se desenvolve com a estrutura do rotor. A substituição dos martelos faz-se nível a nível, ou seja, todos os martelos que se encontram no mesmo plano horizontal são substituídos na mesma operação de manutenção. Para se conseguir esta manutenção por níveis, os veios são seccionados, como foi referido, e os setores são deslocáveis de forma a criar espaço entre o nível superior e o nível em que se pretende retirar o martelo. A deslocação destes setores é conseguida através do deslizamento sobre os tirantes, que permitem a consolidação do rotor e, por esta mesma razão, é colocado em cada tirante uma extensão roscada de forma a garantir sempre o guiamento das placas ao longo do seu deslocamento.
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 33 Figura 39. Vista em corte do rotor na sua posição de manutenção. 3.2.2.2 Operações de manutenção Este novo procedimento permite que as operações de manutenção sejam realizadas com maior facilidade por um operador. Estas operações são auxiliadas por 6 macacos hidráulicos compactos que são colocados entre os setores dos discos do rotor, implicando a sequência de operações: 1. Colocação dos macacos hidráulicos: no nível que se deseja substituir os martelos são colocados os 6 macacos hidráulicos pelos operadores, tendo sido previamente folgados os tirantes que atravessam o rotor de um extremo ao outro e colocadas as respetivas extensões roscadas. Cada conjunto de 2 macacos é colocado em cada um dos setores que compõem cada nível. (Figura 40);
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 34 Figura 40. Macaco hidráulico (cor de laranja) colocado no interior do rotor. 2. Movimentação ascendente: após a colocação dos macacos hidráulicos estes vão avançar elevando assim todos os setores que se encontram acima, criando então o espaço necessário para a substituição dos martelos, capas de proteção e veios (Figura 41). Este movimento ascendente das partes do rotor é possível porque todos os componentes elevados deslizam nos tirantes, ou seja, como os tirantes se encontram folgados os componentes encontram-se livres para translação vertical. Figura 41. Posição final dos macacos, após movimento ascendente. 3. Substituição dos martelos, capas de proteção e veios; 4. Movimento descendente: depois da substituição dos elementos é necessário voltar a colocar os componentes na posição inicial, ou seja fazer o movimento inverso do ponto 2. Neste movimento, os macacos hidráulicos recuam em simultâneo, descendo os componentes, colocando-os na posição inicial novamente; (Figura 42)
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 35 Figura 42. Movimento descendente. Para cada nível do elevador é necessário repetir este procedimento do ponto 1 ao ponto 4, para assim se conseguir a substituição de todos os martelos, capas de proteção e veios. A substituição dos martelos é efetuada da parte superior para a parte inferior do rotor, dividindo-se em duas partes, a substituição dos martelos das primeiros quatro níveis superiores faz-se com o operador na plataforma superior, e a substituição dos restantes é realizada com o operador na plataforma inferior. (Figura 43) Figura 43. Vista geral da solução com as plataformas. Esta divisão das operações em duas plataformas deve-se ao facto de que nos níveis inferiores, quando os cilindros tiverem que elevar grande parte do rotor, o rotor não aguentar as forças que vão estar a ser exercidas nos níveis abaixo, uma vez que não existe reação suficiente da estrutura. (Figura 44). Para resolver esse problema existem dois
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 36 batentes na posição mais inferior do rotor que irão ajudar a suportar o esforço descarregado pelos cilindros nos níveis inferiores. (Figura 45) Figura 44. Esquema representativo das forças exercidas pelo cilindro hidráulico. Figura 45. Rotor na sua posição mais inferior e respetivos batentes.
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 37 3.3 Análise da solução proposta Um dos pontos de extrema importância na análise da solução é o tempo despendido no procedimento de manutenção. Existem duas ocasiões relevantes no procedimento em que se verifica que o tempo total de manutenção neste sistema é substancialmente menor que o tempo total do processo atual. A primeira é no facto do processo de manutenção ser de uma complexidade muito menor que o atual, todas as operações realizadas pelo operador são sobre um plataforma e ao nível deste e não no interior da máquina sobre o rotor. A diminuição da complexidade deve-se ainda ao fim da necessidade de retirar todas as peças e à eliminação dos problemas de coaxialidade dos veios que alojam os martelos, conduzindo assim a uma redução significativa no tempo. A segunda situação prende-se com a capacidade de se conseguir simultaneidade na manutenção do rotor e dos restantes componentes (grelhas e placas de desgaste do interior da fragmentadora), reduzindo assim o tempo total de manutenção apenas para o tempo das operações mais morosas. Outro dos aspetos importantes a analisar na solução é o espaço de trabalho dos operadores e a sua inerente segurança no processo de manutenção. Os problemas de segurança presentes atualmente foram praticamente eliminados com a movimentação do rotor para o exterior da máquina. Além disso o espaço de trabalho foi melhorado com a criação de uma plataforma em torno do elevador hidráulico. Esta plataforma é vantajosa quer para os operadores, quer para a colocação de todos componentes e ferramentas necessárias ao processo de manutenção. O sistema de movimentação do rotor apresentado cumpre um outro requisito: toda a estrutura de auxílio à manutenção é compatível com o normal funcionamento da máquina fragmentadora não necessitando de operações de instalação e desinstalação de equipamentos. Requisito esse também importante principalmente numa solução desta dimensão e complexidade. Os únicos componentes necessários colocar e retirar são apenas as peças dos extremos do rotor que não são de grande dificuldade de montagem. A existência da plataforma e o facto de o rotor se encontrar na posição vertical são mais duas vantagens deste sistema. Uma dessas vantagens é a possibilidade de existirem mais operadores no mesmo espaço já que há um aumento da área de trabalho (acesso livre de 360˚ ao rotor), o que contribui também para a redução do tempo de manutenção. A outra vantagem é a diminuição dos esforços por parte dos operadores na substituição das peças. Uma vez que o rotor, ao se encontrar no elevador, poderá ser deslocado de forma que a peça que se pretende substituir fique ao nível do operador, facilitando-se o processo de substituição. A análise ao sistema para movimentação do rotor para o exterior da máquina fragmentadora permite concluir que a solução apresentada alcança todos os requisitos enumerados no capitulo 3.1 Requisitos e ainda acrescenta eficiência ao processo para além do especificado. Para além disso, esta nova solução tem uma caraterística muito importante
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 38 e vantajosa: flexibilidade do processo de manutenção. Ou seja, uma vez que o tempo despendido na manutenção é agora menor e há a possibilidade de escolha dos martelos a substituir, há uma maior flexibilidade do momento de paragem da máquina para o processo de manutenção, permitindo assim que a eficiência da máquina seja mantida de uma forma constante.
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 39 3.4 Desenvolvimento do sistema 3.4.1 Elevador hidráulico: estrutura e componentes O elevador hidráulico presente na solução foi concebido com base nos elevadores hidráulicos telescópicos. Estes são constituídos por cilindros hidráulicos de simples efeito que estão ligados a um sistema de roldanas e cabos para alcançarem um efeito duplicativo do curso. O princípio de funcionamento consiste na movimentação da haste principal do cilindro (seta azul), que tem no seu extremo uma roldana onde articula um cabo com um dos extremos fixo. O deslocamento da corrediça, que está associado ao outro extremo do cabo, vem assim duplicado: h + h (seta castanha) (Figura 46). Ou seja, para um deslocamento h da haste do cilindro hidráulico dá-se um deslocamento 2xh na corrediça. Esta é a grande vantagem destes elevadores de efeito telescópico. Figura 46. Esquema das forças e deslocamentos presentes num elevador hidráulico telescópico A escolha por um elevador deste tipo deve-se exatamente à sua grande vantagem, que nesta solução em que é necessário um grande curso, cerca de 6 000 mm, ainda se torna mais importante. 3.4.1.1 Estrutura O elevador hidráulico tem de largura de cerca de 2m de forma a conseguir envolver o rotor com diâmetro de 1,2 m e ainda conseguir ter espaço suficiente para a manutenção do mesmo. Quanto ao comprimento de 4 m, esta é uma dimensão imposta pelo sistema de tambor e cabos devido à dimensão do tambor e ao travessão que é colocado no rotor para acomodar os cabos. Quanto à altura do elevador, inicialmente a altura considerada foi de 10
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 46 3.4.1.3 Cabos de elevação O elevador telescópico, como já foi referido anteriormente, possui um sistema de cabos e roldanas aliado ao cilindro hidráulico. O dimensionamento dos cabos de aço seguiu os passos descritos na Tabela 3. Considerou-se que a força necessária é uniformemente distribuída pelos dois cabos, em cada cilindro (k distribuição= 0,5). Tabela 3. Parâmetros de seleção dos cabos de aço Fórmulas utilizadas Dados de entrada F≈400 kN K distribuição 1= 0,5 Parâmetros de seleção F cabo= 200kN F cabo=F máx x K distribuição Características selecionadas Tipo: HD 8Kx26 Ø cabo = 15 mm F min rotura =237 kN (Oliveira e Sá, 2014) F min rotura > 200kN 3.4.1.4 Guiamentos As duas corrediças existentes no elevador, corrediça inferior e superior, foram construídas para que o guiamento do rotor ao longo do elevador ocorresse em perfeitas condições. A corrediça inferior (Figura 57) trata-se de uma peça que desliza entre duas colunas através de oito rodas, duas em cada extremo da mesa com orientações distintas: paralelas e perpendiculares à superfície de guiamento. (Figura 58). A existência destas duas orientações ajuda na diminuição dos esforços aplicados à estrutura do elevador, resultantes dos esforços aplicados na corrediça, sobretudo na orientação perpendicular ao guiamento. O conjunto das duas corrediças inferiores é o suporte para o veio que alberga a mesa do rotor (Figura 59). Este veio possibilita uma ligação rígida entre as duas corrediças auxiliando na sincronização dos movimentos. 1 K distribuição : Coeficiente de distribuição da força.
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 47 Figura 57. Corrediça inferior do elevador. Figura 58. Vista em detalhe da orientação das rodas. Figura 59. Corrediças inferiores do elevador. O guiamento superior (Figura 60) é semelhante à estrutura do guiamento inferior, possuindo igualmente oito rodas, duas em cada extremo com as mesmas orientações, já referidas. Este guiamento tem na sua estrutura um batente para o travessão (a sua funcionalidade foi explicada no capitulo 3.2.1 Movimentação do rotor) e uma geometria que permite o encaixe do travessão, assegurando assim o seu guiamento (Figura 61). Figura 60. Corrediça superior. Figura 61. Corrediças superiores. No momento em que o rotor atinge a posição vertical, independentemente da posição no elevador (mais no topo ou mais na base), o batente da corrediça superior tem de se encontrar na mesma posição que o travessão do rotor para este ir ao seu encontro. De
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 48 forma a garantir, a todo o momento, a posição correta da corrediça superior, as duas corrediças (superior e inferior) encontram-se rigidamente ligadas mantendo sempre a mesma distância entre as duas. (Figura 62) Figura 62. Corrediça superior e inferior com ligação rígida.
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 49 3.4.2 Extremidades do rotor A movimentação do rotor através desta solução necessita de dois elementos, um em cada extremidade do rotor, para se conseguir a ligação entre o rotor e o sistema de movimentação. (Figura 63 e Figura 64) Figura 63. Rotor na posição de funcionamento Figura 64. Rotor com as peças das extremidades colocadas O elemento do extremo esquerdo do rotor na Figura 64 (cor azul), já anteriormente referido como a mesa do elevador, está associado às corrediças inferiores e permite a ligação entre o rotor e o elevador. A sua estrutura apresenta-se na Figura 65. É constituído por duas partes (1) e (2), que se encontram ligadas através de dois cilindros hidráulicos (3), e por mais dois outros cilindros hidráulicos (4) ligados rigidamente à estrutura do elevador. A mesa do elevador possui ainda um contrapeso de forma a auxiliar o movimento de rotação do rotor realizado pelo guincho.
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 50 Figura 65. Mesa do elevador Os cilindros hidráulicos (3) fazem o avanço do tubo de acoplamento entre a mesa e o rotor, com um deslocamento máximo de 200 mm. Este avanço é necessário para o encaixe do travessão no guiamento e a colocação ou libertação da mesa do rotor. (Figura 66) Figura 66. Movimento horizontal de recuo do tubo de acoplamento do rotor. Os passos seguidos para o seu dimensionamento encontram-se apresentados na Tabela 4 e a massa suportada por cada cilindro foi calculada segundo a expressão (3): 𝑚𝑚á𝑥.𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜=𝑚𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟+𝑚𝑡𝑟𝑎𝑣𝑒𝑠𝑠ã𝑜 (3) Tabela 4. Parâmetros de seleção dos cilindros de hidráulicos da mesa do rotor. Fórmulas utilizadas Dados de entrada F≈185 kN p = 200 bar Parâmetros de seleção Ø êmbolo ≈ 109 mm F=p × A Caraterísticas selecionadas Ø êmbolo ≈ 125 mm L = 200 mm
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 51 Os cilindros hidráulicos (4), que se encontram nas laterais da mesa, são de auxílio à articulação comandam os últimos graus do movimento para a posição vertical, que correspondem ao momento em que o guincho deixa de conseguir fazer força, bem como os primeiros 10˚ no movimento de retorno do rotor para a máquina, auxiliando ainda o resto do movimento, como foi explicado em detalhe no capítulo 3.2.1 Movimentação do rotor. Para o dimensionamento destes cilindros primeiro calculou-se a força máxima necessária (Figura 67), usando os 10˚ como referência do momento em que o guincho deixa de conseguir comandar o movimento, e posteriormente seguiram-se os passos apresentados na Tabela 5. para o dimensionamento de cada um dos cilindros. Figura 67. Esquema representativo das forças presentes quando o rotor se encontra a 80˚. Neste movimento final realizado pelos cilindros hidráulicos, estes encontram-se a realizar o movimento de recuo da haste, ou seja, é a câmara secundária que está ligada à linha P exercendo assim a força necessária para deslocar o rotor para a posição vertical. Tabela 5. Parâmetros de seleção dos cilindros de hidráulicos de auxílio à articulação. Fórmulas utilizadas 𝐴2=𝐹𝑚á𝑥 𝑝𝑚á𝑥 Dados de entrada F máx. = 150 kN p = 200 bar Ø haste= 70 mm Parâmetros de seleção Ø êmbolo ≈ 120,205 mm 𝐴2=𝜋 4×(∅𝑒𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜 2−∅ℎ𝑎𝑠𝑡𝑒 2) Caraterísticas selecionadas Ø êmbolo ≈ 125 mm L = 900 mm
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 52 O travessão de apoio superior do rotor na Figura 64 (cor azul-esverdeado), permite a ligação entre o rotor e o sistema de cabos - ver Figura 68. É composta por uma única parte apresentando ranhuras onde são acomodados os cabos ligados ao tambor que vão permitir a rotação do rotor. Figura 68. Travessão de apoio superior do rotor. 3.4.3 Sistema guincho e cabos A movimentação do rotor para a vertical através da rotação do mesmo é conseguida pela existência de um guincho dotado de um tambor duplo e cabos (Figura 69). Este sistema é composto por quatro cabos, ligados ao rotor no seu extremo mais afastado do elevador, e a cada cabo corresponde um tambor que vai enrolar ou desenrolar o cabo a uma determinada velocidade.Figura 69 Figura 69. Guincho
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 53 Apenas dois cabos seriam necessários para a rotação do rotor mas, por razões de segurança, ou seja, de forma a garantir que na movimentação do rotor para o exterior da máquina o rotor não cai caso um dos cabos entre em rutura, foram acrescentados mais dois cabos (redundância). Para o dimensionamento dos cabos de aço foi necessário calcular a força que o cabo exerce nas condições de máxima solicitação (Figura 70). Figura 70. Esquema representativo das forças aplicadas. Os passos para o dimensionamento encontram-se apresentados na Tabela 6. Este dimensionamento foi calculado para o sistema considerando apenas dois cabos (situação de máxima solicitação). Tabela 6. Parâmetros de seleção dos cabos de aço Fórmulas utilizadas Dados de entrada K distribuição = 0,5 F Max =220 kN Parâmetros de seleção F cabo= 110 kN F cabo=F max.*K distribuição Caraterísticas selecionadas Tipo: HD 24xK7 Ø cabo = 13 mm F min rotura =150 kN (Oliveira e Sá, 2014) F min rotura > 110 kN Os tambores (Figura 71) encontram-se fixos na estrutura do elevador e decidiu-se construir cada tambor a partir de maquinagem de um tubo mecânico soldado em duas flanges, uma em cada extremo.
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 54 Figura 71. Tambores. O seu dimensionamento apresenta-se na Tabela 6 e foi realizado tendo em conta o tipo de cabo e diâmetro. A razão de diâmetro tambor cabo (R øtambor/øcabo) foi escolhida tendo em conta que a R øtambor/øcabo mínima é 27. (Oliveira e Sá, 2014) Tabela 7. Parâmetros de seleção do diâmetro do tambor. Fórmulas utilizadas Dados de entrada R ø tambor/ø cabo = 27 ø cabo =13mm Parâmetros de seleção ø tambor=350,5 mm Ø tambor= R x ø cabo Caraterísticas selecionadas DIN 2448 20 Mn V6 Ø exterior tambor = 355,6 mm Espessura = 36 mm (Pinhol) Para calcular o comprimento do tambor seguiram-se os passos descritos na Tabela 8.
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 55 Tabela 8. Parâmetros de seleção do comprimento do tambor. Fórmulas utilizadas Dados de entrada h = 9500 mm n voltas livres2 = 2 p/cabo n voltas fixas3 =2 p/cabo n voltas enrolar4= h/(π x ø tambor) n voltas enrolar = 8,6 ≈9 Parâmetros de seleção L tambor = 218, 805 mm L tambor= n voltas livres + n voltas fixas+ n voltas enrolar Caraterísticas selecionadas L tambor =300 mm Para o veio do tambor o material escolhido foi o Aço ao Carbono St52 (F. Ramada, 2012) e o seu dimensionamento encontra-se apresentado na Tabela 9. Tabela 9. Parâmetros de seleção do veio do tambor. Fórmulas utilizadas Dados de entrada σ Rotura5 = 500 MPa τ Azul6 = 15,5 MPa G7= 75,8 GPa θ adm 8= 0,25 ˚/m F elevação= 216,784 kN ø tambor= 350,5 mm (após maquinagem) 𝑇𝑡𝑎𝑚𝑏𝑜𝑟=𝐹𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎çã𝑜×∅𝑡𝑎𝑚𝑏𝑜𝑟 2 T tambor = 37991,46 Nm Parâmetros de seleção d’T = 242, 9 mm d’R = 67,22 mm Torção: 𝑑𝑇 ′=√16×𝑇𝑡𝑎𝑚𝑏 𝜋×𝜏𝑎𝑧𝑢𝑙 3 Rigidez: 𝑑𝑅 ′=√32×𝑇𝑡𝑎𝑚𝑏 𝜋×𝐺×𝜃𝑎𝑑𝑚 3 Caraterísticas selecionadas d =250 mm d’T >229, 661 mm 2 n voltas livres = número de voltas necessárias no tambor sem cabo enrolado; 3 n voltas fixas = número de voltas necessárias no tambor com cabo permanentemente enrolado; 4 n voltas enrolar = número de voltas necessárias enrolar no tambor para cumprir a o movimento; 5 Tensão de rotura; 6 Resistência de pré-dimensionamento à torção; 7 Módulo de rigidez de um material; 8 Critério de rigidez;
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 62 As cargas aplicadas na estrutura foram quatro: Força horizontal provocada pelo rotor no instante inicial de rotação – corresponde à solicitação máxima que a estrutura do elevador vai sofrer (representada pelas setas amarelas na Figura 78); Figura 78. Representação da carga horizontal aplicada. Esforço dos tirantes no lado oposto da estrutura – estes elementos ajudam a compensar os esforços da primeira carga; a força está decomposta numa componente horizontal e outra vertical (ver Figura 79); Figura 79. Representação da carga aplicada do tirante. Esforço provocado pelos cabos – corresponde ao esforço provocado pelos cabos no guincho e que é transmitido à estrutura do elevador, decomposta numa força horizontal e noutra vertical (ver Figura 80)
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 63 Figura 80. Representação do esforço provocado pelos cabos. Esforço provocado pelos cilindros de auxílio à articulação – corresponde ao esforço máximo transmitido pelos cilindros hidráulicos ao munhão e consequentemente à estrutura. (ver Figura 81) Figura 81. Representação do esforço provocado pelos cilindros hidráulicos. 3.5.2.3 Resultados e análise As quatro cargas horizontais aplicadas na estrutura do elevador têm amplitude de 60 kN totalizando assim 240 kN de carga total, carga esta que é um majorante do valor real máximo da carga (F= 216 kN). As cargas relativas aos cilindros têm uma amplitude de 230 kN na componente horizontal e 55 kN na componente vertical totalizando a carga total de 430 kN e 130 kN respetivamente, majorantes da carga real. Quanto à carga correspondente ao esforço do cabo, a sua componente horizontal total é de igual valor à carga total horizontal já referida, e a sua componente vertical é de 65 kN totalizando assim 130 kN de carga total, majorante da carga real, de cerca de 125 kN. A distribuição de tensões obtidas na estrutura pode ser observada na Figura 82 e a representação dos deslocamentos na Figura 83 e Figura 84. Todas as figuras encontram-se com a representação dos deslocamentos numa escala de 100:1.
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 64 Figura 82. Distribuição das tensões na estrutura. A análise da distribuição de tensões permite concluir que a tensão máxima a que a estrutura vai estar sujeita é de 143 MPa, sendo bastante inferior à tensão de limite elástico do ferro (210 MPa), ou seja, a estrutura nunca se vai deformar plasticamente. Figura 83. Representação dos deslocamentos obtidos na estrutura.
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 65 Figura 84. Vista em pormenor dos pontos que sofreram maior deslocamento. A análise à representação dos deslocamentos na estrutura permite concluir que quando o elevador se encontra com carga, essa carga provoca um deslocamento no sentido oposto e de mesmo valor que o deslocamento que o elevador possui sem carga, fazendo com que a estrutura deixe de estar deformada. Os resultados da simulação permitem, também, identificar uma zona onde os deslocamentos são superiores, com um deslocamento máximo de 2,32 mm. Esta zona corresponde à travessa que suporta os cilindros hidráulicos, que poderá ser reforçada de forma a diminuir este deslocamento. Uma vez que toda a estrutura possui 12 000 mm de altura e 4 000 mm de comprimento, os deslocamentos presentes na estrutura são pouco significativos e por isso admissíveis neste contexto.
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 66 3.5.3 Análise à mesa do elevador A peça inferior do rotor, ou seja, a peça que faz a ligação entre o rotor e o elevador através de um veio, vai estar sujeita a grandes esforços provenientes, mais uma vez, do rotor no instante inicial de rotação. O veio de ligação, Figura 85, tem de ser capaz de suportar todo esse esforço e por isso foi também alvo de uma análise estrutural. Figura 85. Peça inferior do rotor e o veio que faz a ligação com o elevador. 3.5.3.1 Propriedades mecânicas O material utilizado para o elemento em análise tem as suas propriedades mecânicas apresentadas na Tabela 11. 3.5.3.2 Condições fronteira e cargas aplicadas As condições fronteira aplicadas foram encastramento nos dois extremos do veio, como representado na Figura 86, que são as zonas de fixação do veio ao elevador. Figura 86. Representação do encastramento no veio. Os esforços a que o veio é submetido são transmitidos por meio de dois rolamentos que estão colocados entre o veio e a peça do rotor. Assim foram colocadas duas cargas de igual amplitude na posição dos rolamentos, como se pode observar na Figura 87
|3. Conceção de uma solução alternativa para o processo de manutenção FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 67 Figura 87. Representação das cargas aplicadas no veio. 3.5.3.3 Resultados e análise Na simulação considerou-se a solicitação máxima que o rotor provoca no veio, que apenas tem componente horizontal com amplitude de 145,357 kN. Assim aplicaram-se as duas cargas com amplitude de 100 kN de forma a totalizar 200 kN de carga total, por majoração do valor real máximo da carga. A Figura 88 apresenta a distribuição de tensões no veio e a Figura 89 apresenta os deslocamentos obtidos. Ambas as imagens encontram-se com a representação dos deslocamentos numa escala de 100:1. Figura 88. Distribuição das tensões no veio
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 68 Figura 89. Deslocamentos obtidos no veio. A análise da representação das tensões permite constatar que a tensão máxima a que o veio estará sujeito é de 69,62 MPa. Uma vez que a tensão de limite elástico de um aço é superior a 200 MPa pode-se concluir que o veio nunca entrará no regime plástico, ou seja, nunca sofrerá uma deformação permanente. Na análise da representação dos deslocamentos verifica-se que o centro do veio é a parte que sofre maior deslocamento, atingindo um máximo de 1,92 mm, o que se pode concluir que se está perante um fenómeno de flexão. Contudo este deslocamento encontrase no regime elástico e não é um valor crítico, uma vez que se está a tratar de peças com dimensões bastante grandes (3000 mm de comprimento), sendo portanto um deslocamento que se pode considerar admissível.
|4. Acionamentos e comando do sistema FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 69 4. Acionamentos e co mando do sistema Este capítulo apresenta uma solução de comando do sistema recorrendo a diversos elementos de forma tornar o sistema o mais eficaz possível, sem necessidade de esforço humano e sem despender demasiado tempo. Uma vez que o sistema apresentado neste trabalho é constituído em maioria por acionamentos hidráulicos e apenas por um mecanismo eletromecânico, este capítulo iniciase pela apresentação de todos os circuitos hidráulicos necessários ao sistema. Posteriormente, é descrito detalhadamente o dimensionamento e apresentada a escolha dos vários elementos de acionamento e comando de cada mecanismo. Sendo a segurança um tema importante em qualquer máquina, foram apontadas algumas situações perigosas possíveis de ocorrer no sistema e apresentadas medidas preventivas para diminuir a probabilidade de ocorrerem, bem como evitar os danos decorrentes. Por fim, uma vez que neste trabalho não é desenvolvida a parte de programação, construíram-se os GRAFCET’s dos modos de funcionamento do sistema e fez-se a seleção do autómato programável adequado à aplicação.
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 70 4.1 Circuitos hidráulicos 4.1.1 Elevador O elevador hidráulico, do tipo telescópico, constituído por dois cilindros hidráulicos de simples efeito que fazem o seu movimento, tal como já foi referido no capítulo 3.4.1 Elevador hidráulico: estrutura e componentes. O comando do movimento dos atuadores é realizado em fonte de caudal para o avanço. O circuito hidráulico respetivo encontra-se na Figura 90. Figura 90. Circuito hidráulico do elevador. Os elementos presentes no circuito hidráulico são: grupo hidráulico: agregado de 2 bombas de cilindrada fixa (de cilindrada igual) – (B1.1 e B1.2); 2 atuadores lineares de simples efeito: ø200 – 3 000 (C1.1 e C1.2); 2 electroválvulas direcionais 2/2 normalmente fechadas (V1.7 e V1.8): o Y1 e Y2 – movimento de recuo;
|4. Acionamentos e comando do sistema FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 71 2 válvulas limitadoras de pressão (V1.3 e V1.4); 2 válvulas de segurança (V1.1 e V1.2); 2 válvulas anti queda (limitadoras de caudal) (V1.9 e V1.10); 2 válvulas reguladoras de caudal (V1.5 e V1.6); 2 transdutores de posição ( T1.1 e T1.2). O movimento de recuo da haste dá-se à custa da carga gravítica, o controlo de velocidade deste movimento é assegurado pelas válvulas reguladoras de caudal (V1.5 e V1.6) colocadas em comando secundário (meter-out). A sincronização do movimento de avanço e recuo dos dois cilindros é identificada através dos dois transdutores de posição (T1.1 e T1.2) que permitem uma medição rigorosa do deslocamento da haste. 4.1.2 Movimento de encaixe no guiamento O movimento de encaixe no guiamento superior é conseguido através de dois cilindros de duplo efeito, como foi referido no capítulo 3.4.2 Extremidades do rotor. Estes atuadores realizam para além deste movimento vertical um movimento horizontal, movimento esse que permite o encaixe ou a libertação da mesa do elevador do veio principal do rotor. A existência da deslocação horizontal dos atuadores levou à escolha de cilindros de duplo efeito. O comando deste movimento é realizado em fonte de caudal para o avanço e o seu respetivo circuito hidráulico encontra-se na Figura 91.
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 78 Os passos para o dimensionamento quer das bombas quer dos motores elétricos encontram-se nas tabelas seguintes. Os motores elétricos escolhidos foram do fabricante Siemens. Tabela 13. Parâmetros de seleção do motor e bomba para o elevador. Bomba Hidráulica Fórmulas utilizadas 𝑄𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠.=𝑣𝑚á𝑥𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜×𝐴ê𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜 Q = 3,762 l/min 𝑝𝑎𝑣𝑎𝑛ç𝑜=𝐹 𝐴ê𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜 = 130 bar Dados de entrada v máx. cilindro= 2 mm/s ø êmbolo =200 mm n =1500 rpm F=410 kN Parâmetros de seleção Cg =2,508 cm3/rot Q= 3,762 l/min @200 bar 𝐶𝑔𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎=𝑄𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑛 ×1000 Motor Elétrico Fórmulas utilizadas 𝑃𝑎𝑐𝑐 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎=𝑄×𝑝𝑎𝑣𝑎𝑛ç𝑜 Dados de entrada 𝑄= 3,762 l/min número bombas = 2 Parâmetros de seleção P necess.= 1,627 kW P nominal = 2,2 kW 𝑃𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠.=𝑃𝑎𝑐𝑐 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 ×𝑛 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎𝑠 Caraterísticas selecionadas Motor 1LA7106-4AA92 P=2,20 kW n = 1500 rpm Tabela 14. Parâmetros de seleção da bomba e motor para o movimento de encaixe no guiamento. Bomba Hidráulica Fórmulas utilizadas 𝑄𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠.=𝑛𝑐𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠×(𝑣𝑚á𝑥𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜×𝐴ê𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜) Q =5,879 l/min 𝑝𝑎𝑣𝑎𝑛ç𝑜=𝐹 𝐴ê𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜 = 150 bar Dados de entrada v máx. cilindro= 4 mm/s ø êmbolo =125 mm n =1500 rpm F=185 kN n cilindros = 2 Parâmetros de seleção Cg =3,92 cm3/rot Q= 5,879 l/min @200 bar 𝐶𝑔𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎=𝑄𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑛 ×1000
|4. Acionamentos e comando do sistema FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 79 Motor Elétrico Fórmulas utilizadas 𝑃𝑎𝑐𝑐 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎=𝑄𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜×𝑝𝑎𝑣𝑎𝑛ç𝑜 Dados de entrada 𝑄= 5,879 l/min número bombas = 1 Parâmetros de seleção P neces.= 2,329 kW P nominal = 3,0 kW 𝑃𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠.=𝑃𝑎𝑐𝑐 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 ×𝑛 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎𝑠 Caraterísticas selecionadas Motor 1LA7107-4AA92 P=3,0 kW n = 1500 rpm Tabela 15. Parâmetros de seleção da bomba e motor para o movimento de auxílio à articulação. Bomba Hidráulica Fórmulas utilizadas 𝑄𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠.=𝑛𝑐𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠×(𝑣𝑚á𝑥𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜×𝐴ê𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜) Q =5,85 l/min 𝑝𝑎𝑣𝑎𝑛ç𝑜=𝐹 𝐴𝑒𝑚𝑏ô𝑙𝑜−𝐴ℎ𝑎𝑠𝑡𝑒 = 170 bar Dados de entrada v máx. cilindro= 3,98 mm/s ø êmbolo =125 mm ø haste =70 mm n = 1500 rpm F = 150 kN n cilindros = 2 Parâmetros de seleção Cg =3,9 cm3/rot Q =5,85 l/min @250 bar 𝐶𝑔𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎=𝑄𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑛 ×1000 Motor Elétrico Fórmulas utilizadas 𝑃𝑎𝑐𝑐 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎=𝑄𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜×𝑝𝑎𝑣𝑎𝑛ç𝑜 Dados de entrada Q =5,85 l/min número bombas = 1 Parâmetros de seleção P necess.= 1,73 kW P nominal = 2,2kW 𝑃𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠.=𝑃𝑎𝑐𝑐 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 ×𝑛 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎𝑠 Características selecionadas Motor 1LA7106-4AA92 P=2,2 kW n = 1500 rpm
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 80 No guincho existe variação de velocidade ao longo do movimento de rotação. Por esta razão o motor escolhido foi um servomotor com redutor e freio mecânico da SEW. O guincho é auxiliado no movimento de articulação do rotor, como já foi referido no capítulo 3.4.2 Extremidades do rotor, pelos cilindros hidráulicos presentes na mesa do elevador mas também pelo contrapeso existente na mesma mesa. O esforço realizado pelo guincho vem então reduzido. Para o seu cálculo teve-se em conta as forças representadas no esquema da Figura 94, obtendo-se um valor aproximado de 160 kN. Figura 94. Esquema representativo das forças presentes quando o rotor se encontra na horizontal. A seleção do servomotor foi feita através do software de ajuda que a SEW disponibiliza, onde é possível selecionar de acordo com a aplicação, neste caso o guincho. O conjunto servomotor e redutor escolhido apresenta-se na Tabela 16 e é composto por redutor com dois andares.
|4. Acionamentos e comando do sistema FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 81 Tabela 16. Parâmetros de seleção do servomotor para o sistema tambor. Servomotor com redutor Dados de entrada vmáx guincho = 14 mm/s vmin guincho = 4 mm/s Felevação = 160 kN Øtambor = 350,5 mm Parâmetros de seleção (obtidos pela SEW) Mmáx,start= 26,471 kNm Mamáx = 24,024 kNm M máx start: binário máximo inicial necessário; M amáx: binário máximo necessário em ciclo continuo; Caraterísticas selecionadas Servomotor com redutor K167 R97 DRE132MC4 i = 843 Potência entrada = 7,5 kW nsaída= 1,7 rpm Msaída=37,645 kNm i: razão de transmissão do redutor;
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 82 4.3 Elementos de Comando e Sensorização 4.3.1 Elemento de comando e controlo do servomotor Para o controlo e comando do servomotor será utilizado um servodrive, a sua seleção foi inerente à escolha do servomotor, recaindo no MOVIDRIVE B MDX61B. As suas caraterísticas de relevo para esta aplicação são: Opção de resistência de frenagem; Equipado de origem com controlo de posição e sequência de movimentos através do sistema integrado IPOS Plus®; Slot para carta de comunicação opcional para integração em sistemas Ethernet, PROFIBUS, INTERBUS, CANopen; Interface RS485 para comunicação entre PLC/IPC, e ainda a opção de converter sinais RS232 em RS485; Opção de adicionar um cartão de entradas/saídas DIO11B que expande as entradas, digitais e analógicas, e saídas da unidade base MOVIDRIVE. 4.3.2 Detetores de fim de curso No movimento linear dos dois cilindros hidráulicos ,que realizam o encaixe da peça superior do rotor no guiamento bem como o movimento de colocar e retirar a peça inferior do rotor, foi necessário a introdução de dois detetores de fim de curso magnéticos (dois para cada cilindro). Estes detetores vão identificar a presença da haste do cilindro nos seus extremos de posição, totalmente avançada ou totalmente recuada, identificando assim o momento de paragem. 4.3.3 Transdutor de pressão Os dois cilindros que auxiliam o movimento de rotação do rotor para a vertical, tal como já foi referido no capítulo 4.1.3 Movimento de auxílio à articulação, vão conter no seu circuito hidráulico um transdutor de pressão na linha de alimentação da câmara secundária. Estes transdutores têm como função identificar o momento em que os cabos, devido à posição angular do rotor, deixam de estar tensionados e passarão então os cilindros a ter o comando do movimento. A escolha por um transdutor de pressão, excluindo outros tipos, deve-se ao facto de ser praticamente impossível identificar o momento, quer a nível de deslocamento quer a nível de tempo, em que os cabos começam a deixar de fazer força. Assim, a melhor forma é através da pressão presente nos cilindros hidráulicos, quando esta começar a diminuir significa que os cabos começaram a perder força.
|4. Acionamentos e comando do sistema FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 83 4.3.4 Transdutores de deslocamento No movimento do elevador foi necessário colocar dois transdutores de deslocamento, um em cada cilindro hidráulico. A função destes transdutores é medir o movimento de cada atuador de modo a se poder fazer um controlo rigoroso do deslocamento, conseguindo assim colocar o elevador na posição pretendida, mas também obter-se uma monotorização do elevador, obtendo em cada momento a posição efetiva deste. A escolha do tipo de transdutor de deslocamento recaiu num transdutor de cabo devido, sobretudo devidos a uma questão económica, com um alcance de 3 000 mm. 4.3.5 Codificador No movimento em que existe um movimento de rotação de cerca de 10˚ realizado apenas pelo sistema de cabos, foi necessário incluir um codificador na peça inferior do rotor. Este codificador vai permitir saber o momento em que o rotor se encontra a 10˚ da posição horizontal, e assim enviar o comando de paragem ao servomotor e aos cilindros hidráulicos. Além disso, vai possibilitar ter conhecimento a todo o momento da posição de rotação a que se encontra o rotor permitindo assim ter uma monitorização completa de todo o processo. Tabela 17. Resumo dos elementos de sensorização utilizados. Detetor de fim de curso Transdutor de pressão Transdutor de deslocamento Codificador Tipo de sensorização Local Cilindros hidráulicos C2.1 e C2.2 Cilindros hidráulicos C3.1 e C3.2 Cilindros hidráulicos C1.1 e C1.2 Peça inferior do rotor Quantidade 4 1 2 1 Gama - 300 bar 3 000 mm 90 graus Sinal Digital Analógico Analógico Analógico
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 84 4.4 Segurança A segurança é um dos elementos imprescindíveis de abordar numa máquina. A solução desenvolvida, por si só, é uma alternativa mais segura ao procedimento atual, uma vez que um dos objetivos é eliminar os vários problemas de segurança que o processo de manutenção atual incorpora. Contudo, existem algumas situações perigosas para os operadores durante o funcionamento do sistema. Aquando da movimentação do rotor para o exterior da máquina fragmentadora, existe a possibilidade de resíduos metálicos, que ficaram presos em certas partes do rotor, caírem por cima da plataforma que serve de espaço de trabalho aos operadores. De forma a eliminar o risco de tais situações perigosas torna-se essencial a construção de um gradeamento em volta da plataforma inferior limitando o acesso a toda a máquina durante o seu funcionamento. (Figura 95) A inexistência de gradeamento na plataforma superior deve-se ao facto do seu acesso é apenas permitido através da plataforma inferior, assim sendo, estando limitado o acesso à plataforma inferior naturalmente está limitado o acesso à superior. A plataforma superior poderá ter um gradeamento de pouca altitude para evitar descuidos e desequilíbrios por parte dos operadores para a plataforma inferior. Para aumentar ainda mais a segurança, a porta do gradeamento deverá garantir a imobilização do sistema aquando da sua abertura, e não deverá permitir a iniciação de movimentos enquanto esta se mantiver aberta e com operadores na plataforma. Figura 95. Gradeamento na plataforma.
|4. Acionamentos e comando do sistema FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 85 4.5 GRAFCET O GRAFCET foi a metodologia usada para descrever o processo sequencial dos vários movimentos do sistema. O GRAFECT geral bem como os que correspondem a cada movimento encontram-se em anexo, ANEXO E: GRAFCET’S de programação. O GRAFCET do sistema foi estruturado de forma a que a todo o momento todas as variáveis estejam a ser verificadas. Em qualquer momento o movimento pode ser interrompido, abortado ou ativado o estado de emergência. Este sistema tem apenas um modo de funcionamento, o modo manual, funcionando por comando sensitivo, ou seja, é obrigatório premir um botão monoestável (mover), que quando premido continuamente aciona os elementos responsáveis pelo movimento selecionado. A interrupção do movimento dá-se quando o botão é largado. Na Figura 96 encontra-se representado um protótipo de consola de comando de funcionamento do sistema, para melhor se compreender o funcionamento do mesmo. Figura 96. Comando de funcionamento.
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 86 Para iniciar o movimento do rotor é necessário escolher primeiro, através do seletor, a sequência que se pretende: de “avanço”, sequência de movimentos que colocam o rotor na vertical dentro do elevador, ou de “recuo”, sequência de movimentos que colocam o rotor na horizontal dentro da máquina fragmentadora. De seguida é necessário validar a sequência escolhida através da botoneira “confirmar” e o movimento apenas se inicia quando é premida a botoneira “mover”. Se, em algum momento, o operador desejar inverter o sentido do movimento terá que premir a botoneira “abortar”, levando o sistema à condição de imóvel. Só de seguida é que é possível selecionar a sequência oposta e repetir todos os passos já referidos para assim iniciar o movimento novamente. Para o movimento de posicionamento do rotor ao nível de trabalho do operador, movimento 5 10 , é necessário ativar a botoneira “modo de posicionamento”, selecionar o movimento que pretende, “subida” ou “descida”, através do seletor para esse fim e de seguida validar através da botoneira “confirmar”. O movimento só se inicia quando é premida a botoneira “mover”. Com este procedimento pretende-se limitar as potenciais falhas de operação que um utilizador possa ter deste sistema, dada a sua perigosidade de funcionamento. A emergência compreende todas as variáveis relacionadas com situações de emergência e segurança, como a botoneira de emergência, a abertura da porta do gradeamento, falha de alimentação, etc. 10 Os números dos movimentos são os referidos no capítulo 3.2.1 Movimentação do rotor
|4. Acionamentos e comando do sistema FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 87 4.6 Autómato programável A escolha do autómato programável foi feita com base nos requisitos do sistema, nomeadamente no número de variáveis presentes e na exigência do tempo de resposta. A Tabela 18 exibe o número de variáveis digitais e analógicas que o sistema apresenta, de onde se conclui-se que o sistema não requer grandes exigências no seu controlo, uma vez que o seu funcionamento é manual (atuação de botoneiras), e não obriga a tempos de resposta reduzidos. Assim sendo, o autómato necessário será de gama baixa/intermédia. Tabela 18. Varáveis do sistema Variáveis do sistema Entradas Digitais 24 Saídas Digitais 8 Entradas Analógicas 5 A escolha do PLC recaiu no autómato programável Twido da Schneider, tratando-se de um autómato modular constituído pelos módulos descritos na Tabela 19, que foram escolhidos com base no número de entradas e saídas necessárias. Tabela 19. Módulos selecionados para o autómato. Módulos do Twido Referência TWDLMA40TDK ABE7H20E100 TM2DRA16RT TM2AMI8HT Designação Base modular Base de ligações passivas para entradas digitais Módulo de saídas digitais Módulo de entradas analógicas Caraterísticas 40 Entradas/saídas 16 Entradas 16 Saídas a relé 8 Entradas Quantidade 1 2 1 1
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 94
|Anexo A: Listagem dos componentes hidráulicos FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 95 Atuadores Código Designação C1.1 Cilindro hidráulico de simples efeito ø 200 - 3000 C1.2 Cilindro hidráulico de simples efeito ø 200 - 3000 C2.1 Cilindro hidráulico de duplo efeito ø 125 x ø 100200 C2.2 Cilindro hidráulico de duplo efeito ø 125 x ø 100200 C3.1 Cilindro hidráulico de duplo efeito ø 125 x ø 100900 C3.2 Cilindro hidráulico de duplo efeito ø 125 x ø 100900 Válvulas Código Designação V1.1 Válvula de segurança V1.2 Válvula de segurança V1.3 Válvula limitadora de pressão regulada para 200 bar V1.4 Válvula limitadora de pressão regulada para 200 bar V1.5 Válvula estranguladora bidirecional V1.6 Válvula estranguladora bidirecional V1.7 Electroválvula direcional 2/2 normalmente fechada V1.8 Electroválvula direcional 2/2 normalmente fechada V1.9 Válvula anti queda V1.10 Válvula anti queda V2.1 Válvula de segurança V2.2 Válvula limitadora de pressão regulada para 250 bar V2.3 Válvula de descarga V2.4 Válvula limitadora de pressão regulada para 50 bar V2.5 Electroválvula direcional 4/3 de centro fechado V2.6 Válvula de retenção pilotada V2.7 Válvula reguladora de caudal de 2 orifícios V2.8 Electroválvula direcional 4/2 normalmente fechada V2.9 Válvula anti queda V2.10 Válvula anti queda
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 96 Válvulas Código Designação V3.1 Válvula de segurança V3.2 Válvula limitadora de pressão regulada para 200 bar V3.3 Válvula de descarga V3.4 Válvula de retenção simples regulada para 5 bar V3.5 Válvula reguladora de caudal de 2 orifícios V3.6 Electroválvula direcional 4/2 normalmente fechada V3.7 Válvula anti queda V3.8 Válvula anti queda V3.9 Válvula anti queda V3.10 Válvula anti queda V3.11 Válvula de retenção dupla com fuga V3.12 Válvula de descarga V3.13 Válvula limitadora de pressão
|Anexo B: Motores elétricos FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 97 ANEXO B: Motores elétricos
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 98
|Anexo C: Listagem de variáveis FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 99 ANEXO C: Listagem de variáveis
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 100
|Anexo C: Listagem de variáveis FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 101 Entradas digitais Código Designação Monitorização do nível do óleo Monotorização do filtro M1 Monitorização do Motor do circuito hidráulico 1 M2 Monitorização do Motor do circuito hidráulico 2 M3 Monitorização do Motor do circuito hidráulico 3 Monitorização do Pressóstato do circuito hidráulico 1 Monitorização do Pressóstato do circuito hidráulico 2 Monitorização do Pressóstato do circuito hidráulico 3 FDC3.1 Detetor de Fim de curso de recuo do cilindro C3.1 FDC3.2 Detetor de Fim de curso de avanço do cilindro C3.1 FDC3.3 Detetor de Fim de curso de recuo do cilindro C3.2 FDC3.4 Detetor de Fim de curso de avanço do cilindro C3.2 S1 Seleção de sequência de avanço S2 Seleção de sequência de recuo S3 Seleção de sequência em “0” S4 Seleção do movimento de subida S5 Seleção do movimento de descida S6 Seleção do movimento em “0” BM Botoneira “mover” BA Botoneira “abortar” BP Botoneira “Modo de Posicionamento” BE Botoneira de emergência BC Botoneira “confirmar” SS Sensor de Segurança
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 102 Saídas digitais Código Designação Solenoide Y1 da electroválvula V1.7 Solenoide Y1 da electroválvula V1.8 Solenoide Y1 da electroválvula V2.4 Solenoide Y2 da electroválvula V2.4 Solenoide Y3 da electroválvula V2.5 Solenoide Y1 da electroválvula V3.6 Solenoide Y2 da electroválvula V3.6 Solenoide Y3 da electroválvula V3.3 Entradas analógicas Posição Designação T1.1 Transdutor de deslocamento do cilindro C1.1 T1.2 Transdutor de deslocamento do cilindro C1.2 T3.1 Transdutor de pressão do cilindro C3.1 T3.2 Transdutor de pressão do cilindro C3.2 CFC Codificador
|Anexo D: Autómato Twido FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 103 ANEXO D: Autómato Twido
| Contribuição para a melhoria da manutenção de Máquina Fragmentadora FEUP | Ana Sofia Teixeira Cardoso 110 Movimento 6 e 7: movimento linear ascendente e movimento angular Movimento 8: movimento linear descendente