1. INTRODUÇÃO

A análise deste trabalho é sobre um guindaste hidráulico telescópico, cuja

energia requerida para seu funcionamento é fornecida pelo próprio motor do veículo.

Sabe-se que este tipo de equipamento tem grandes vantagens e eficiência de

utilização, devido a sua grande capacidade de elevação de carga a grandes alturas.

2. PROPOSTA

O objetivo geral do projeto é o de estudar a possibilidade de fabricação de um

equipamento semelhante ao do mercado, que teria capacidade de carga de até 70

toneladas, com altura de elevação da lança telescópica até 42m, podendo alcançar

58m se considerarmos o JIB (parte fixa do guindaste em forma treliçada). Para isso,

iremos esquematizar o sistema hidráulico e demonstrar o seu funcionamento com a

realização de cálculos dimensionais e através de dados técnicos que constam em

catálogos específicos para a determinação dos componentes hidráulicos.

3. MODELO E ESPECIFICAÇÕES

A figura exemplifica o guindaste proposto

Figura 1 – Guindaste Telescópico

Para iniciarmos o dimensionamento do sistema hidráulico, tomamos como:

Figura 2 – Dimensões do guindaste telescópico

TABELA 1 - DIMENSÕES PADRÃO DO GUINDASTE TELESCÓPICO

COMPRIMENTO mm 13500

LARGURA mm 2800

ALTURA mm 3540

Algumas outras especificações se fazem necessárias para o projeto do

guindaste telescópico, a fim de se obter o equacionamento do sistema hidráulico e

assim garantir as capacidades de elevação e solicitação de cargas propostas para o

projeto.

TABELA 2 - PESOS NOMINAIS

PESO BRUTO TOTAL KG 450000

PESOS POR EIXO

EIXO DIÂNTEIRO KG 18000

EIXO TRASEIRO KG 27000

Figura 3 – Capacidade Total de Levantamento da Lança

Com base nos dados apresentados, foi observada a necessidade do

dimensionamento de quatro atuadores, sendo três deles cilindros de atuação linear e

um cilindro de atuação rotativa, como mostra o esquema do sistema hidráulico a seguir:

Figura 4 – Esquema do Sistema Hidráulico

Transmissão Hidráulica

Para determinar as reações principais, a carga que os pistões deverão suportar, é

necessária colocar os braços nas posições mais desfavoráveis possíveis.

Determinando-se a força sobre o cilindro hidráulico, o dimensionamento, que

basicamente define os diâmetros da haste e principalmente do êmbolo. Com as

posições extremas definem-se os cursos necessários dos cilindros hidráulicos

existentes.

Com a movimentação necessária de fluido e velocidade de deslocamento define-

se a vazão necessária. Além dos cilindros, precisa especificar outros equipamentos

como: Bomba hidráulica, válvulas, depósito de óleo e mangueiras. No caso do sistema

de transmissão, basicamente define-se uma tomada de força para o acionamento da

bomba.

4. DIMENSIONAMENTO

Visando o dimensionamento do guindaste telescópico, é necessário o

dimensionamento dos quatro atuadores, três cilindros de atuação linear e um cilindro

de atuação rotativa, a fim de obter a seguinte performance operacional:

Figura 5 – Performance Operacional

4.1. DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA HIDRÁULICO

O dimensionamento é feito basicamente a partir da posse de uma pressão de

operação definida pela bomba, com uma subtração referente à perda de carga e às

reações sobre o cilindro. Existe a necessidade de que os cilindros tenham uma

pressão adequada à de operação da bomba. Caso contrário, levarão ao

funcionamento incorreto ou ao não funcionamento do equipamento.

Foi considerado a massa do braço do guindaste para o dimensionamento do

sistema hidráulico responsável pela elevação do mesmo. A carga do braço do

guindaste totalmente recolhido foi estipulada em 5000 kg, e a massa de cada braço

recolhido dentro do principal de 1000 kg.

A mangueira usada para esse tipo de equipamento é 721 mangueira de super-

alta pressão SAE 100R12. Fizemos uma sugestão de mangueira, mas caso quem

projete deseje usar outro tipo pode haver alterações nas características operacionais

do equipamento.

No catálogo mangueiras da Parker 4403-1 BR, verificamos as pressões

comerciais existentes. Dentre os modelos existentes, escolhemos as da série 721C

que de possuem pressão de trabalho de 28 MPa.

TABELA 3 - CARGA MÁXIMA E PRESSÃO DE OPERAÇÃO

Cilindro Carga Máxima (N) Pressão de

Operação (MPa)

Eficiência

A 49050 28 0.8

B 39240 28 0.8

C 29430 28 0.8

D 19620 28 0.8

Para a área do êmbolo

𝐴 =𝐹

𝑃

A = área

F = carga na posição critica

P = pressão de operação

Como os cilindros possuem determinada eficiencia, η, o dimensionamento é

feito pela seguinte equação:

𝐴 =𝐹

𝑃 × η

Para se obter então o diâmetro dos êmbolos do cilindro:

𝐷 = √4 × 𝐴

𝜋

Precisamos também da velocidade de avanço. Quando obtemos ela, então é

possível se obter a vazão pela seguinte fórmula:

𝑄 = 𝑣 × 𝐴

Outro fator que precisamos para o dimensionamento é o curso do cilindro

hidráulico. Isso se consegue a partir da observação e medição na posição vertical,

quando os cilindros estão totalmente esticados e também da posição recolhida,

quando os cilindros também estão recolhidos.

Velocidade de Trabalho

Considerando o tempo de elevacao da lanca sendo de 75 segundos e o

comprimento total da lanca sendo de 42 m. Calcula-se a velocidade de trabalho como

sendo de 0,56 m/s.

Cilindro A:

A maior carga nesse cilindro ocorre na posição horizontal e tem o valor de

aproximadamente 49050 N. Com uma eficiência de 0,8 e pressão de operação de 280

bar, o diâmetro do embolo A encontrado é de aproximadamente:

𝐴𝐴 =49050

28 × 106= 0,00175 𝑚2

𝐴𝐴 =49050

(28 × 106) × 0,8= 0,00219 𝑚2

𝐷𝐴 = √4 × 0,00219

𝜋= 0,053 𝑚

Cilindro B:

A maior carga nesse cilindro ocorre na posição horizontal e tem o valor de

aproximadamente 39240N. Com uma eficiência de 0,8 e pressão de operação de 280

bar, o diâmetro do embolo B encontrado é de aproximadamente:

𝐴𝐵 =39240

28 × 106= 0,0014 𝑚2

𝐴𝐵 =39240

(28 × 106) × 0,8= 0,00175 𝑚2

𝐷𝐵 = √4 × 0,00175

𝜋= 0,047 𝑚

Cilindro C:

A maior carga nesse cilindro ocorre na posição horizontal e tem o valor de

aproximadamente 29430N. Com uma eficiência de 0,8 e pressão de operação de 280

bar, o diâmetro do embolo C encontrado é de aproximadamente:

𝐴𝐶 =29430

28 × 106= 0,0011 𝑚2

𝐴𝐶 =29430

(28 × 106) × 0,8= 0,0013 𝑚2

𝐷𝐶 = √4 × 0,00219

𝜋= 0,041 𝑚

Cilindro D:

A maior carga nesse cilindro ocorre na posição horizontal e tem o valor de

aproximadamente 19620N. Com uma eficiência de 0,8 e pressão de operação de 280

bar, o diâmetro do embolo D encontrado é de aproximadamente:

𝐴𝐷 =19620

28 × 106= 0,0007 𝑚2

𝐴𝐷 =19620

(28 × 106) × 0,8= 0,000876 𝑚2

𝐷𝐷 = √4 × 0,000876

𝜋= 0,0334 𝑚

Cilindro de Rotação (Cremalheira):

O sistema de giro do equipamento será do tipo cremalheira. Para a

movimentação da desta há um cilindro hidráulico. Devido a esse fator há a

necessidade do cálculo da força necessária para esse cilindro. A força exercida pelo

cilindro da cremalheira é devida a carga máxima, ou seja, na posição vertical, somada

ao peso do equipamento. Sabendo-se que há um atrito entre a parte inferior do mastro

e a base, a força pode ser calculada de acordo com a equação:

𝐹 = 𝐹𝑛 × 𝜇

Para este equipamento em análise, 𝜇 é devido ao atrito entre uma superfície

considerada bronze e outra de aço, cujo valor é de 0,18. Consideramos como carga

máxima 27000kg que é o peso do eixo traseiro que está sobre a cremalheira.

𝐹 = (27000 × 9,81) × 0,18 = 47676 𝑁

A força, portanto, aplicando o coeficiente de atrito, é de 4860kg,

correspondendo a 47676N. Estabelecida a carga nesse cilindro e a uma eficiência de

0,8, pressão de operação de 280 bar, o diâmetro encontrado é de aproximadamente:

𝐴 =47676

(28 × 106) × 0,8= 0,00213 𝑚2

𝐷 = √4 × 0,00213

𝜋= 0,052 𝑚

Com respeito ao curso, no caso, para ter um movimento de 360º, precisa do

pinhão. Como ainda não definimos o sistema de giro, sabe-se que o cilindro deverá

ter fixação por pés.

Com respeito ao curso de cada um:

Figura 6 – Alturas de Levantamento

𝐶𝑢𝑟𝑠𝑜 = 58 − 11,2 = 46,8 𝑚

Bomba Cilindros Lineares:

Para especificação da bomba, há necessidade do conhecimento da vazão

máxima a ser entregue. Devido a isso, procede-se com o cálculo das vazões para os

cilindros hidráulicos, verificando aquele que apresenta maior vazão.

A vazão teórica pode ser calculada em l/min com a equação:

𝑄 =𝐴𝑒𝑓𝑒𝑡𝑖𝑣𝑎 . 𝑣

𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎× 60000

Sendo assim, a vazão em cada cilindro hidráulico é dada pelos seguintes

valores.

𝑄𝐴 =0,00219 × 0,56

0,8× 60000 = 91,98 𝑙/𝑚𝑖𝑛

𝑄𝐵 =0,00175 × 0,56

0,8× 60000 = 73,5𝑙/𝑚𝑖𝑛

𝑄𝐶 =0,00130 × 0,56

0,8× 60000 = 54,6 𝑙/𝑚𝑖𝑛

𝑄4 =0,000876 × 0,56

0,8× 60000 = 36,8 𝑙/𝑚𝑖𝑛

Com todas as vazões calculadas podemos então calcular a potência da bomba

responsável pelo braço do guindaste. A equação a ser utilizada para o cálculo da

potência e o seguinte:

𝑁 =𝑃 × 𝑄

360

Para uma correta seleção da bomba hidráulica deve-se levar em consideração

a vazão de todos os cilindros hidráulicos envolvidos no processo, para isso tem-se

que a potência total da bomba é dada pelo somatório das potencias dos cilindros:

∑ 𝑁 =𝑃𝐴 × 𝑄𝐴

360+

𝑃𝐵 × 𝑄𝐵

360+

𝑃𝐶 × 𝑄𝐶

360+

𝑃𝐷 × 𝑄𝐷

360

∑ 𝑁 =280 × 91,98

360+

280 × 73,5

360+

280 × 54,6

360+

280 × 36,8

360= 199,84 𝑊

Sendo assim, a mínima potência necessária para a bomba é de 199,84 W.

Para a seleção da bomba foi necessária a conversão da vazão de L/min para

cm3/rev.

𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠 = 𝑄𝑇 × 1000

𝑛

Considerando o QT, como a soma de todos os cilindros A, B, C e D, tem-se a

vazão total 256,88 L/mim. Com este valor podemos encontrar a cilindrada da bomba:

𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠 = 𝑄𝑇 × 1000

𝑛→ 𝐶 =

256,88 × 1000

2400→ 𝐶 = 107 𝑐𝑚3/𝑟𝑒𝑣

Como foi encontrado a cilindrada da bomba como sendo de 107 cm³/ver temos

que o sistema não necessita trabalhar com a pressão máxima de 28 Mpa, mas sim

com pressões inferiores. Sendo assim podemos selecionar uma bomba que trabalha

com pressão máxima continua de 24,5 MPa. Nota-se que neste caso pegamos uma

bomba com cilindrada superior tendo em vista que a bomba mais próxima da de 107

cilindradas. A bomba foi selecionada no seguinte catalogo: Bombas de Engrenagem

Vista Hydraulics. O modelo da bomba é o VHP365.

Figura 7 – Dados do Catalogo Bombas de Engrenagem Vista Hydraulics

Bomba para o atuador rotativo:

Esta bomba será utilizada para fornecer pressão ao sistema rotativo do

guindaste:

𝑄4 =0,00213 × 0,56

0,8× 60000 = 89,46 𝑙/𝑚𝑖𝑛

Utilizando a vazão calculada anteriormente podemos calcular a potência da

bomba:

𝑁4 =280 × 89,46

360 = 69,58 𝑊

Então foi calculada a cilindrada da mesma bomba:

𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠 = 𝑄4 × 1000

𝑛→ 𝐶 =

89,46 × 1000

2400→ 𝐶 = 28,99 𝑐𝑚3/𝑟𝑒𝑣

Figura 8 – Dados do Catalogo Bombas de Engrenagem Vista Hydraulics

A partir da cilindrada encontrada pelos cálculos que é de 28,99 podemos

selecionar uma bomba com uma cilindrada próxima. Portanto, a bomba selecionada

para o rotativo foi a bomba VHP315 com 30 cilindradas.

Válvulas Reguladoras de Pressão:

Figura 9 – Válvula Reguladora de Pressão

Regula o fluxo de oleo tanto na ida como na voilta para o fluido escoar

lentamente nos dois sentidos.

Válvula Direcional de 4/2 vias:

Figura10– Válvula Direcional 4/2 Vias

Válvula 4 vias de trabalho por 2 posições de comando, acionamento manual

por alavanca, retorno por molas, pressão máxima de operação de 210 bar, vazão

nominal de 40 l/min, temperatura de operação de -10 a 70 °C e conexões de engate

rápido anti-vazamento.

Alavanca Manual com Posição Flutuante 4/3 vias:

Figura 11 – Alavanca Manual com Posição Flutuante 4/3 Vias

É a alavanca que comanda o braço do guindaste.