Considerações gerais a respeito de Considerações gerais a respeito de ferramentas de preparo de solosferramentas de preparo de solos

Efeitos dinâmicosEfeitos dinâmicos Dois tipos de mecanismos afetam as forças Dois tipos de mecanismos afetam as forças

requeridas para mover o solo, chamados de requeridas para mover o solo, chamados de necessidade de acelerar continuamente necessidade de acelerar continuamente novas massas de solo durante o preparo do novas massas de solo durante o preparo do solo e a alteração ds tensões para grandes solo e a alteração ds tensões para grandes taxas de corte, as quais tem importância para taxas de corte, as quais tem importância para as forças inerciais em altas velocidades.as forças inerciais em altas velocidades.

Forças inerciaisForças inerciais

d

x'

x

zca

PW

c

m

R

Fa

qv

v'

a

ø

x = x' + a = x'.[1+tan(x = x' + a = x'.[1+tan().cot().cot()])] v' = x’/(t.cos(v' = x’/(t.cos() = ) =

= x/(t.cos(= x/(t.cos().[1+tan().[1+tan().cot().cot()] =)] == v/{cos(= v/{cos().).

[1+tan([1+tan().cot().cot()]})]} Para cada intervalo de tempo t, uma massa Para cada intervalo de tempo t, uma massa

M é adicionada ao solo sendo elevado pelo M é adicionada ao solo sendo elevado pelo corte da ferramenta. corte da ferramenta.

A força Fa requerida para atingir a A força Fa requerida para atingir a aceleração desta massa com a velocidade v' aceleração desta massa com a velocidade v' da cunha do solo é calculada pela variação da cunha do solo é calculada pela variação da Lei de Newton, relacionando a força da Lei de Newton, relacionando a força resultante com a taxa de mudança do resultante com a taxa de mudança do momento.momento.

Fa = v'.M/t = v'.Fa = v'.M/t = v'..x.d.w/t = v’..x.d.w/t = v’.v.d.w = v.d.w = vv22.d.w/{cos(.d.w/{cos().[1+tan().[1+tan().cot().cot()]})]}

Esta força de aceleração pode ser adicionada Esta força de aceleração pode ser adicionada no balanço de forças, atuando na cunha de no balanço de forças, atuando na cunha de solo, fornecendo a seguinte expressãosolo, fornecendo a seguinte expressão

P = (P = (g.dg.d22.N.N+ c.d.Nc + ca.d.Nca + q.d.Nq ++ c.d.Nc + ca.d.Nca + q.d.Nq +

+ + .v.v22.d.Na).w.d.Na).w Na = {tan(Na = {tan()+cot()+cot()}/{[cos()}/{[cos() + ) +

sin(sin().cot().cot()].[1+tan( )].[1+tan( ).cot().cot()]})]}

A validade desta análise pode ser verificada A validade desta análise pode ser verificada por meio dos resultados práticos obtidos por por meio dos resultados práticos obtidos por Wismer e Luth (1971) para lâminas planas Wismer e Luth (1971) para lâminas planas (caso bidimensional) em areia. A (caso bidimensional) em areia. A velocidade horizontal da ferramenta foi velocidade horizontal da ferramenta foi variada de 0.25 a 2.5 m/s.variada de 0.25 a 2.5 m/s.

Determinação dos esforços em uma ferramenta larga Determinação dos esforços em uma ferramenta larga em solo arenoso com diferentes velocidadesem solo arenoso com diferentes velocidades

ExperimentalModelo12.6 cm9.8 cm30o

v (m/s)

H (N)

80

100

120

140

0 1 2 3

w = d = a =

Alterações nas tensões do soloAlterações nas tensões do solo

Espera-se que a tensão em um solo argiloso Espera-se que a tensão em um solo argiloso exiba consideráveis mudanças com a exiba consideráveis mudanças com a velocidade de deslocamento da ferramenta. velocidade de deslocamento da ferramenta. Wismer e Luth (1972) demonstraram este Wismer e Luth (1972) demonstraram este efeito com a aplicação de uma lâmina plana efeito com a aplicação de uma lâmina plana em um solo argiloso, operando com em um solo argiloso, operando com velocidades na faixa de 0,05 a 3 m/s. velocidades na faixa de 0,05 a 3 m/s.

Forças de tração em um solo argiloso em Forças de tração em um solo argiloso em função da velocidade parafunção da velocidade paraíndice de cone diferentesíndice de cone diferentes

0 1 2 30.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

v (m/s)

H (

kN

)

.05 .1 .2 .5 1 2 5

v (m/s) - esc. log

H totalIC=289kPa

Forcas inerciais

IC=186 kPa

IC=289 kPa

IC=186 kPa

,

Ferramentas com formas complexasFerramentas com formas complexas

Quando as ferramentas de preparo do solo Quando as ferramentas de preparo do solo não possuem uma forma simples, deve-se não possuem uma forma simples, deve-se fazer aproximações utilizando os modelos fazer aproximações utilizando os modelos mecânicos já mencionados, como guia, mecânicos já mencionados, como guia, mesmo porque, tratamentos analíticos mesmo porque, tratamentos analíticos exatos não são disponíveis em geral. exatos não são disponíveis em geral.

Um modelo principal será frequentemente Um modelo principal será frequentemente utilizado em adaptações. utilizado em adaptações.

Será considerado somente o ângulo da parte Será considerado somente o ângulo da parte inferior da ferramenta para sua inferior da ferramenta para sua representação, porque este ângulo é quem representação, porque este ângulo é quem governa a forma de ruptura do solo. governa a forma de ruptura do solo.

Evidências desta hipótese são encontradas Evidências desta hipótese são encontradas em experiências de campo e laboratório.em experiências de campo e laboratório.

ExemploExemplo

Negi et al. (1976), McKyes e Ali \Negi et al. (1976), McKyes e Ali \cite{McKAli} (1977), mostraram que a cite{McKAli} (1977), mostraram que a força de uma ferramenta comprimindo o força de uma ferramenta comprimindo o solo na extremidade de uma haste longa solo na extremidade de uma haste longa permanece essencialmente constante para permanece essencialmente constante para diferentes ângulos da haste, pernanecendo diferentes ângulos da haste, pernanecendo também sem alterações o ângulo da também sem alterações o ângulo da ponteira da haste.ponteira da haste.

Aproximação do ângulo de Aproximação do ângulo de ataque para ferramentas curvasataque para ferramentas curvas

Ruptura dosolo

Ferramenta curva

a

Angulo de ataque efetivo

Ferramentas aladasFerramentas aladas

Ferramentas aladas e de utilização em Ferramentas aladas e de utilização em grandes profundidades como subsoladores, grandes profundidades como subsoladores, apresentam quase todo o trabalho de corte apresentam quase todo o trabalho de corte devido a ponteira, sendo o solo mobilizado devido a ponteira, sendo o solo mobilizado em toda a largura de corte da ponteira e em toda a largura de corte da ponteira e também em toda a profundidade de trabalho também em toda a profundidade de trabalho como se fosse uma ferramenta com a largura como se fosse uma ferramenta com a largura igual a da ponteira em toda sua extensão.igual a da ponteira em toda sua extensão.

Ferramenta alada com ângulo de ataque Ferramenta alada com ângulo de ataque diferente para a ponteira e para a hastediferente para a ponteira e para a haste

h

z xAnguloda haste

w

Angulode abertura

Ponteira

Espaçamento das hastes em Espaçamento das hastes em ferramentas estreitasferramentas estreitas

A partir da superfície do solo, os sulcos A partir da superfície do solo, os sulcos deixados por uma haste individual podem deixados por uma haste individual podem ser observados mas, a quantidade de solo ser observados mas, a quantidade de solo mobilizado abaixo da superfície é mobilizado abaixo da superfície é desconhecido. desconhecido.

Solo mobilizado por uma ferramenta Solo mobilizado por uma ferramenta estreitaestreita

w

Superficie do canal

Solo mobilizado

BaixasVelocidades

Altas Velocidades

Altas velocidades da ferramenta podem resultar Altas velocidades da ferramenta podem resultar em sulcos profundos mencionado, sem no em sulcos profundos mencionado, sem no entanto, apresentar considerável alteração na área entanto, apresentar considerável alteração na área de solo mobilizado. de solo mobilizado.

Esta área mobilizada pode ser determinada Esta área mobilizada pode ser determinada teoricamente pelo uso de um modelo matemático teoricamente pelo uso de um modelo matemático que leva em consideração o modelo aproximado que leva em consideração o modelo aproximado de ruptura do solo através de linhas retas de ruptura do solo através de linhas retas formando uma cunha de solo. formando uma cunha de solo.

Vista lateral do corte de soloVista lateral do corte de solo

A0d A1

Ad

e

w s

Ad

Ad = d.Sp-A1 = d.Sp - 1/4.(Sp-w)Ad = d.Sp-A1 = d.Sp - 1/4.(Sp-w)22.tan(.tan()) tan(tan() = d.s) = d.s A fração de volume de solo entre duas A fração de volume de solo entre duas

hastes que não é mobilizada pode ser hastes que não é mobilizada pode ser avaliada da seguinte forma: avaliada da seguinte forma:

A1/d.Sp = 1/4(Sp -w)A1/d.Sp = 1/4(Sp -w)22.tan(.tan()/d.Sp = )/d.Sp = = 1/4.(Sp-w) = 1/4.(Sp-w)/Sp.s/Sp.s

O conhecimento destes valores é de grande O conhecimento destes valores é de grande interesse para o projeto de equipamentos de interesse para o projeto de equipamentos de hastes. Com a perfeita disposição das hastes hastes. Com a perfeita disposição das hastes sobre a estrutura da máquina será obtido o sobre a estrutura da máquina será obtido o mínimo esforço de tração com o máximo mínimo esforço de tração com o máximo trabalho de mobilização do solo. trabalho de mobilização do solo.

Avaliação do desempenho de Avaliação do desempenho de máquinas de preparo do solomáquinas de preparo do solo

IntroduçãoIntrodução

A mobilização do solo provocada por diferentes A mobilização do solo provocada por diferentes tipos de ferramentas proporciona alterações tipos de ferramentas proporciona alterações significativamente diferenciadas no perfil do solo, significativamente diferenciadas no perfil do solo, sua estrutura e propriedades mecânicas.sua estrutura e propriedades mecânicas.

O desempenho destas ferramentas está diretamente O desempenho destas ferramentas está diretamente relacionado com a finalidade que se destina o solo relacionado com a finalidade que se destina o solo após o preparo.após o preparo.

Ação das ferramentasAção das ferramentas

Relação Ferramenta - SoloRelação Ferramenta - Solo

C ondiçãoIn ic ia l

Form ato M ov im ento

Forças

Ferram enta

M anejo do so lo

C ondiçãoF ina l do

so lo

F = f (FF = f (Fff, M, Mff, S, Sii))

SSff = g (F = g (Fff, M, Mff, S, Sii))

ii

ff

ff

f

ii

ff

ff

dSS

gdM

M

gdF

F

gdS

dSS

fdM

M

fdF

F

fdF

Ff = formato da ferramenta

Mf = movimento da ferramenta

Si = condição inicial do solo

Se mantivermos as condições de solo Se mantivermos as condições de solo constanteconstante

E não alteráramos o movimento da E não alteráramos o movimento da ferramentaferramenta

Estudando vários formatos para esta Estudando vários formatos para esta ferramenta de preparo de solo, verificamos ferramenta de preparo de solo, verificamos que a condição final do solo e a força que a condição final do solo e a força necessária para isto são funções desta necessária para isto são funções desta alteração de formato.alteração de formato.

f

SMff

f

SMf

dFF

gdS

dFF

fdF

if

if

,

,

neste caso somente o formato da ferramenta neste caso somente o formato da ferramenta deve ser descrito quantitativamente, os deve ser descrito quantitativamente, os demais parâmetros não. demais parâmetros não.

Se parâmetros de projeto forem medidos Se parâmetros de projeto forem medidos numericamente então teremos uma relação numericamente então teremos uma relação única entre F e Fúnica entre F e Ff f e entree entre SSff e F e Fff

A diferença entre a condição inicial do solo A diferença entre a condição inicial do solo e a sua condição final é a medida da e a sua condição final é a medida da manipulação do solo.manipulação do solo.

Avaliação do desempenho da Avaliação do desempenho da ferramentaferramenta

Determinar as condições iniciais e finais do Determinar as condições iniciais e finais do solosolo

determinar as forças envolvidas no processo determinar as forças envolvidas no processo de alteração destas condiçõesde alteração destas condições

Descrição das condições do soloDescrição das condições do solo

De forma quantitativaDe forma quantitativa– geométricageométrica

– matemáticamatemática

Parâmetros a serem avaliadosParâmetros a serem avaliados

Densidade do soloDensidade do solo Porosidade do soloPorosidade do solo Macro e micro porosidadeMacro e micro porosidade Resistência a penetraçãoResistência a penetração Infiltração de água no perfil do soloInfiltração de água no perfil do solo Permeabilidade do soloPermeabilidade do solo Coesão e atrito interno do soloCoesão e atrito interno do solo

cont.cont.

AgregadosAgregados Índice de rugosidadeÍndice de rugosidade Grau de empolamentoGrau de empolamento Perfil do soloPerfil do solo

– superficial superficial – sub-superficialsub-superficial

Determinação das forçasDeterminação das forças

Dinamômetros de engate de três pontosDinamômetros de engate de três pontos Dinamômetro de traçãoDinamômetro de tração Dinamômetro para determinar o esforço Dinamômetro para determinar o esforço

específico em cada ferramentaespecífico em cada ferramenta Instrumentação direta da ferramentaInstrumentação direta da ferramenta

AgregadosAgregados Via secaVia seca

– porcentagem de agregadosporcentagem de agregados

– módulo de finuramódulo de finura

– diâmetro médio geométricodiâmetro médio geométrico

n

i

Wi

WiWi

1

100.%

100

% acumuladaMF

n

ii

n

iii

W

dWant

DMG

1

1

log*log

OndeOnde Wi = peso retido em cada classe de Wi = peso retido em cada classe de

tamanhotamanho di = tamanho médio de cada classedi = tamanho médio de cada classe peneiras utilizadapeneiras utilizada

– 101,60 72,20 50,80 25,4 19,05 12,07 101,60 72,20 50,80 25,4 19,05 12,07 – 6,35 3,36 1,68 6,35 3,36 1,68

EmpolamentoEmpolamento

100*100*1

f

fi

i

f

V

VEmp

O tamanho dos agregados também é função da largura da ferramenta conforme demostrado por Gill e McCreery (1960). No estudo realizado com arados de aiveca de diferentes larguras a uma profundidade fixa. O resultado apresentado na figura deixa claro que ferramentas estreitas produzem agregados de menor diâmetro.

DMG