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Elementos Flexiveis: Cabos

Elementos de Maquinas - ME446

Prof. Jose Maria Barbosa

História do Cabo de Aço (fonte: SIVA)

Idade da Pedra Redes de pesca com Cabos de fibra vegetal;

5.000 atrás Egípcios fabricavam Cabos para fins ornamentais;

1.816 à 1.840 Desenvolvimento dos Cabos de Aço de conformação próxima aos atuais;

1.834 Primeiro Cabo de Aço com as mesmas características básicas dos atuais;

1.854 Patenteamento: Arames de Aço de alta resistência;

História do Cabo de Aço

1.884 Surgimento da perna Seale;

1.889 Surgimento da perna Filler / provável

surgimento da perna Warrington;

1.920 à 1.925 Pré-formação;

Anos 50 Primeiros Cabos de Aço nacionais;

Anos 70 Grande desenvolvimento dos Cabos de

Aço nacionais.

Algumas aplicações

Cabos de Aço e Seus Componentes

Termos e definições (NBR 6327 - 2006)

Arame: Fio de aço obtido por trefilação.

Perna: Conjunto de arames torcidos em forma de hélice, podendo ou não ter um núcleo ou alma constituído por um arame, outro material metálico ou fibra.

Cabo de aço: Conjunto de pernas dispostas em forma de hélice, podendo ou não ter uma alma de material metálico ou de fibra.

Cabo de aço polido: Cabo de aço constituído por arames de aço sem qualquer revestimento.

Cabo de aço galvanizado: Cabo de aço constituído por arames galvanizados. Podem ser galvanizados na bitola final (sem retrefilação posterior) ou em uma bitola intermediária e retrefilados posteriormente.


Alma: Núcleo em torno do qual as pernas são dispostas em forma de hélice. A alma poder ser constituída em fibra natural ou artificial, podendo ainda ser formada por uma perna ou um cabo de aço independente.

Alma de fibra (AF): Símbolo usado para designar a alma constituída de fibra. O símbolo AF é normalmente empregado para designar alma de fibra natural no Brasil.

Alma de fibra artificial (AFA): Símbolo usado para designar a alma constituída de fibra artificial.

Alma aço de cabo independente (AACI): Símbolo usado para designar a alma constituída de cabo

independente

Alma aço (AA): Símbolo usado para designar a alma constituída de uma perna.


Construção: Termo genérico usado para indicar o número de pernas, o número de arames de cada perna, a sua disposição e o tipo de alma.

Composição dos cabos: Maneira como os arames estão dispostos nas pernas.

Cabos compostos com arames de mesmo diâmetro: Designação utilizada para indicar que na composição das pernas os diâmetros são aproximadamente iguais. O processo de fabricação deste cabo envolve normalmente uma ou mais operações de fechamento da perna..

Cabos compostos com arames de diâmetro diferentes: Designação utilizada para indicar que na composição das pernas existem arames com diâmetros diferentes. As composições mais conhecidas são Seale, Filler e Warrington.

Cabo pré-formado: Cabo constituído de pernas, nas quais a forma helicoidal é dada antes do fechamento do cabo.

Passo do cabo: Comprimento correspondente a uma volta completa de uma perna ao redor da alma.


Filler: Na composição das pernas existem arames principais e arames finos, que servem de enchimento para a boa acomodação dos outros arames.

Os arames de enchimento não entram no cálculo da carga de ruptura dos cabos, nem estão sujeitos ao atendimento de requisitos que os arames principais devem satisfazer.


Seale: Na composição das pernas existem pelo menos duas camadas adjacentes com mesmo número de arames.

Todos os arames de uma mesma camada possuem o mesmo diâmetro.


Warrington: Na composição das pernas existe pelo menos uma camada constituída de arames de dois diâmetros diferentes e alternados.


Torção regular: O torcimento dos arames da camada externa da perna tem sentido oposto ao torcimento das pernas do cabo.

O sentido de torção das pernas pode ser tanto da esquerda para a direita (torção regular à direita) como da direita para a esquerda (torção regular à esquerda).


Torção Lang: O sentido da torção da camada externa dos arames nas pernas é igual ao do torcimento das pernas no cabo.

O sentido de torção das pernas pode ser tanto da esquerda para a direita (torção Lang à direita) como da direita para a esquerda (torção Lang, à esquerda).

Cabos de Aço e Seus Componentes

Matéria Prima:• Arame de Aço

• Corda de Sisal

ou de Polietileno

• Lubrificante

Especificações do Cabo de Aço

Diâmetro Nominal eTorção (Regular ou

Lang)Acabamento (Polido, Galvanizado, Inox e

Revestido )

Construção (Nº de Pernas, Nº de Fios e Composição)

Resistência a Tração dos Arames (MPS, PS, IPS, EIPS)Tipo de Alma

(Fibra ou Aço)

Nº de Arames e Composição

Processo de Fabricação

Fabricação do Arame - Trefilação

• Deformação a frio por encruamento;

• Patenteamento (tratamento térmico intermediário);

• Aumento da resistência a tração;

• Redução da ductibilidade;

• Aço: Alto Carbono (SAE 1020 a 1070)Alto Carbono (SAE 1030) para Cabosde elevadores.

Fieira

Fio Máquina Arame

Ø 5,5 a 12 mm Ø 0,18 a 5,5 mm

Fabricação da Perna

Arame Central

Arames

Perna

Fabricação do Cabo

Cabo de

Aço

Alma

Pernas

Arames

Pernas

Fabricação da Perna e do Cabo

Tipos de Acabamentos dos Arames

POLIDO

• Não Possuem Acabamento Superficial

• Usados em Cabos para Escavadeiras, Pontes Rolantes, Guinchos, etc.

Tipos de Acabamentos dos Arames

GALVANIZADO

• Os Arames são Revestidos com uma Camada de Zinco

• Maior Proteção contra Corrosão

• Usados em Cabos para Marinha, Pesca, Tirantes Estruturais, Plataformas Offshore

• Etc.

Classificação / Construção

6 x 7 + AF1 + 6

6 x 19 + AF1 + 6 + 12

6 x 19 + AFSeale

1 + 9 + 9

6 x 19 + AFComum

1 + 6 + (6 + 6)

6 x 25 + AFFiller

1 + 6 + 6 + 12

6 x 41 + AFWarrington-Seale

1 + 8 + (8 + 8) + 16

6 x 41 + AACIWarrington-Seale

1 + 8 + (8 + 8) + 16

Classificação 6x7Pernas de 7 arames ou menos

Classificação 6x19Pernas de 16 à 26 arames

Classificação 6x37Pernas de 27 à 49 arames

* Fonte: NBR-6327

Composição dos Arames nas Pernas

19 19

ComumComum1919

SealeSeale25 25

FillerFiller

41 41 Warrington-Warrington-

SealeSeale

Tipos de Alma / Resistência

Tipos de Alma (Parte interna do Cabo de Aço)

AF ou AFA ( Alma de Fibra) Maior Flexibilidade e Menor Resistência à Tração

AA ou AACI (Alma de Aço) Menor Flexibilidade e Maior Resistência à Tração

Acabamento do Cabos de Aço Polidos, Galvanizados, Inoxidáveis e Revestidos

Resistência dos Fios Componentes

DENOMINAÇÃO AMERICANA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (kgf/mm²)

P.S. (Plow Steel) (Aço de arado) 160/180 (1448/1655 MPa)

I.P.S. (Improved Plow Steel) 180/200 (1655/1930 MPa)

E.I.P.S. (Extra Improved Plow Steel) 200/220

E.E.I.P.S. (Extra Extra Improved Plow Steel) min. 220

Tipos de Alma (Parte interna do Cabo de Aço)

AF ou AFA ( Alma de Fibra) Maior Flexibilidade e Menor Resistência à Tração

AA ou AACI (Alma de Aço) Menor Flexibilidade e Maior Resistência à Tração

Acabamento do Cabos de Aço Polidos, Galvanizados, Inoxidáveis e Revestidos

Resistência dos Fios Componentes

DENOMINAÇÃO AMERICANA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (kgf/mm²)

P.S. (Plow Steel) (Aço de arado) 160/180 (1448/1655 MPa)

I.P.S. (Improved Plow Steel) 180/200 (1655/1930 MPa)

E.I.P.S. (Extra Improved Plow Steel) 200/220

E.E.I.P.S. (Extra Extra Improved Plow Steel) min. 220

Resistência à Abrasão x Flexibilidade

Construção

6 x 7

6 x 19Seale

6 x 19Comum

6 x 25Filler

6 x 36Warrington - Seale

6 x 37Comum

6 x 41Warrington - Seale

min. Flexibilidade max.max. Resistência à Abrasão min.

Torção dos Cabos

REGULARDIREITA

REGULARESQUERDA

LANGDIREITA

LANGESQUERDA

Torção dos Cabos

Torção LANG:

O Fios são enrolados nas pernas no mesmo sentido que as pernas são enroladas na alma. Tem maior resistência à fadiga e desgaste superficial.

Torção REGULAR:

O Fios são enrolados nas pernas no sentido contrário que as pernas são enroladas na alma. Tem maior resistência ao desenrolamento e maior facilidade de manuseio.

Pré-formação

Cabo comPré-formação

Cabo sem

Pré-formação

Passo

Passo

6x7 = no Máximo 8 x Ø do Cabo

6x19 e 6x37 = no Máximo 7,25 x Ø do Cabo

*Fonte: NBR 6327

Construção

• Desgaste Interno Ocasionado pelo Atrito no Cruzamento dos Arames

• Menor Resistência a Fadiga

2 Operações ou mais

• Maior Flexibilidade• Maior Resistência a Compressão

Lateral

• Maior Resistência a Fadiga• Maior Uniformidade na Distribuição da

Carga entre os Arames

1 Operação

Tipo de Serviço x Fator de Segurança

Cabos guia estático ___________________________________ 3-4

Esteios _____________________________________________ 4-5

Guinchos ____________________________________________ 5

Máquinas de terraplenagem _____________________________ 5

Serviços gerais de levantamento de carga __________________ 5-6

Laços (Lingas) ________________________________________ 5-6

Planos inclinados (montados sobre trilhos) __________________ 6

Pontes rolantes _______________________________________ 6-8

Guindastes - Torres de perfuração (tipo petróleo) _____________ 6-8

Talhas elétricas e pneumáticas ___________________________ 7

Pontes rolantes de fornos siderúrgicos _____________________ 8

Elevadores de baixa velocidade 16 a 100m/min ______________ 7-8

Elevadores de alta velocidade 101 a 470m/min ______________ 9-11

Cordoalhas

7 Fios

19 Fios

37 Fios

Inspeção dos Cabos de Aço

• Determinação do trecho crítico;

• Medida do diâmetro;

• Verificação do número de fios partidos;

• Verificação de desgaste por abrasão nos arames externos;

• Verificação de corrosão;

• Verificação de deformações ou amassamentos ao longo do cabo.

Pontos Críticos para Inspeção

Número Máximo Admissível de Arames Rompidos num Cabo em Serviço

COMPOSIÇÃO DO CABO

TORÇÃO E 18x7 6x19

COMPRIMENTO Não 6x19W 6x41F 6x37

DE INSPEÇÃO 6x7 Rotativo 6x19S 6x25F 6x41WS 6x43F

Lang

1 Passo ou 6xØ 1 2 2 3 8 10

Lang

5 Passos ou 30xØ 2 4 5 6 17 20

Regular

1 Passo ou 6xØ 2 5 6 8 25 30

Regular

5 Passos ou 30xØ 5 10 12 16 50 60

COMPOSIÇÃO DO CABO

TORÇÃO E 18x7 6x19

COMPRIMENTO Não 6x19W 6x41F 6x37

DE INSPEÇÃO 6x7 Rotativo 6x19S 6x25F 6x41WS 6x43F

Lang

1 Passo ou 6xØ 1 2 2 3 8 10

Lang

5 Passos ou 30xØ 2 4 5 6 17 20

Regular

1 Passo ou 6xØ 2 5 6 8 25 30

Regular

5 Passos ou 30xØ 5 10 12 16 50 60

Arames Rompidos

Formação de Nós

Métodos para Lubrificação em Serviço

Relação do tipo de Cabo e diâmetro da Polia ou Tambor

Tipo Diâmetros Diâmetros

de Cabo Recomendados Mínimos

6x7 72xØ do Cabo 42xØ do Cabo

6x19 SEALE 51xØ do Cabo 34xØ do Cabo

6x19 COMUM 39xØ do Cabo 26xØ do Cabo

6x25 FILLER 39xØ do Cabo 26xØ do Cabo

6x41 W - S 31xØ do Cabo 20xØ do Cabo

Tipo Diâmetros Diâmetros

de Cabo Recomendados Mínimos

6x7 72xØ do Cabo 42xØ do Cabo

6x19 SEALE 51xØ do Cabo 34xØ do Cabo

6x19 COMUM 39xØ do Cabo 26xØ do Cabo

6x25 FILLER 39xØ do Cabo 26xØ do Cabo

6x41 W - S 31xØ do Cabo 20xØ do Cabo

Dimensionamento/Seleção de Cabos

dw: Diametro do fio;

D: Diametro Polia;

Er: Modulo de Young do Cabo.

D/dw

= 400; Tabela 17-24 => Diâmetros mínimos

sugeridos;

D/dw

= 800 -- 1000; Elevadores e guinchos de

minas;


• Dois mecanismos de falha–Falha estática;–Fadiga superficial;

• O dimensionamento é baseado em forças de tração admissíveis;


Tensão de flexão no Cabos

M=E Iρ

M=σ Ic; c=

d w2

σ=E cρ ;

σ=E r d wD

ρ=D2


Fb : Força de flexão equivalente no cabo;

Am

: Área de metal do cabo;

Esta força deve ser adicionada à força de tração!

F b=σ Am=E rd w AmD

Carga Equivalente de Flexão

Percentagem de perda de resistência devido a D/d

Dados obtidos de dados de testes padrão para as classes de cabos 6x19 e 6x17 Dados obtidos de dados de testes padrão para as classes de cabos 6x19 e 6x17

Deve ser aplicada à resistência última do cabo.Deve ser aplicada à resistência última do cabo.


Falha estática – Cargas estáticas

• Peso morto;

• Cargas devido a partidas e paradas;• Cargas de choque• Atrito em polias e tambores;


F u: Carga última;

Ft : Carga de trabalho atuante;

Definição dos Fatores de Segurança para Cargas Estáticas

ns=F uF t

ns=F u−F bF t

Fatores de segurança mínimos para cabos

Dados de cabos

Pressão admissível máxima de cabos sobre as polias

Propriedades úteis de cabos

Vida x Razão de pressão na polia

Podemos ver deste gráfico que uma vida longa pode ser obtida com razões da ordem de 0,001

Pressão do Cabo na Polia

Podemos estimar a pressão de contato como p=2 FdD

.

obtemos S u=2000Fd D

.

Usando pSu

=0,001 ,

Su é a resistência

última à tração do fio, o que não é muito disponível....

Pressão do Cabo na Polia

F f=( p /S u)S uDd

2

Generalizando, a força de tração para uma vida específica é

Forças dinâmica nos cabos (fadiga)

Como um exemplo, para um içador,

F t=(Wm +w l)(1+ag )

W : carga estáticam : número de cabosw : peso por comprimento do cabo ,l : comprimento suspenso da cordaa : aceleração máxima

F f=( p /Su)Sud D

2n f=

F f−F bF t

Resumo: forças em cabos

F b=σ Am=E rd w AmD

F f=( p /S u)S uDd

2

F t=(Wm +w l)(1+ag )

n f=F f−F bF t

ns=F u−F bF t

IPS:1655<S u<1930 MPaPS:1448<S u<1665 MPaMPS:1241<S u<1448 MPa

IPS: 240<S u<280 kpsiPS: 210<S u<240 kpsiMPS:180<S u<210 kpsi

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