Universidade Federal Fluminense
Escola de Engenharia
Departamento de Engenharia Agrícola e Meio Ambiente
PROJETO FINAL EM ENGENHARIA AGRÍCOLA E AMBIENTAL (TER00126)
Guilherme de Moura Araújo
Um caso de Ergometria - Utilização de Molas de Torção para Redução de Torque em
Barras de Proteção Dobráveis para Tratores
Niterói - RJ
2016
Ficha Catalográfica elaborada pela Biblioteca da Escola de Engenharia e Instituto de
Computação da UFF
A663 Araújo, Guilherme de Moura Um caso de ergonometria : utilização de molas de torção para redução de torque em barras de proteção dobráveis para tratores / Guilherme de Moura Araújo. – Niterói, RJ : [s.n.], 2016. 46 f. Projeto Final (Bacharelado em Engenharia Agrícola e Ambiental) – Universidade Federal Fluminense, 2016. Orientador: Marcos Alexandre Teixeira. 1. Trator agrícola. 2. Mola de torção. 3. Prevenção de acidente. I. Título. CDD 631.372
Guilherme de Moura Araújo
Um caso de Ergometria - Utilização de Molas de Torção para redução de Torque em
Barras de Proteção dobráveis para tratores
Trabalho de Conclusão de curso como
parte dos requisitos para o Curso
Engenharia Agrícola e Ambiental da
Universidade Federal Fluminense, como
requisito parcial para a obtenção do grau
de Engenheiro Agrícola.
Orientador: Marcos Alexandre Teixeira, Prof.
Niterói - RJ
2016
DEDICATÓRIA
Gostaria de dedicar este trabalho à minha mãe, à minha namorada e a minha tia Mirtes que
sempre me apoiaram de maneira total e incondicional em cada decisão e momento difíceis
da minha vida.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
(Capes) pela oportunidade de intercambio através do programa Ciência Sem Fronteiras,
progenitor de todo este trabalho, agradeço também aos meus professores: Paul D. Ayers e
Farzaneh Khorsandi, pela oportunidade de pesquisa e conhecimentos transferidos, Marcos
A. Teixeira pela orientação e apoio neste trabalho de conclusão de curso, ao meu amigo e
excelente profissional Scott K. Tucker que dedicou seu tempo e paciência para me ajudar
na discussão e construção de peças para o experimento, aos meus companheiros de
laboratório Dillan, Hayden e Marybeth, e por fim, a todos aqueles que direta ou
indiretamente contribuíram para a elaboração deste trabalho.
“Eu gosto do impossível porque lá a concorrência é menor”
Walt Disney
RESUMO
Diante da realidade de acidentes envolvendo tratores agrícolas e florestais ao redor do
mundo, este trabalho teve por finalidade avaliar a aplicação de normas associadas à um dos
itens de segurança contra capotamentos, no caso: a Barra de Proteção Dobrável (Código 6
da OECD, 2014).
Neste particular, elas facilitam os trabalhos permitindo entrar em espaços confinados,
como pomares, celeiros e galpões, entretanto, muitas apresentam peso excessivo (acima de
20 Kg), e ficam localizadas à grande altura do solo (aproximadamente 1,88 m), o que leva
o operador a preterir recolocar a barra na posição vertical após baixa-la (quando operando
em espaços confinados), invalidando a sua eficácia como prevenção de acidentes por
capotamento.
Neste sentido, este trabalho realizou estudo ergométrico no esforço de elevação de
uma BPD, desenvolvendo instrumentação para validação dos esforços necessários para sua
elevação, comparação aos valores da norma e apresentando soluções para corrigir os
desvios encontrados.
PALAVRAS – CHAVE: Acidentes em tratores, capotamento, barra de proteção dobrável,
mola de torção
ABSTRACT
Facing the reality of accidents involving forestry and agricultural tractors around the
world, this work aimed at evaluating the application of standards that provide for safety
items such as the rollover protection structure (ROPS). (Code 6 – OECD, 2014).
In this particular field, the foldable ROPS ease the work allowing the tractor to access
confined areas, such as orchards, barns, and sheds. However, many of the foldable ROPS
have an excessive weight (approximately 20 Kg – 45 lbs.), and are located at a reasonable
height from the ground (approximately 1.88 m – 6 ft 2 in.), which causes the operator to
refrain from repositioning the bar in the vertical position after lowering it (when operating
in confined spaces), invalidating its effectiveness as rollover accident prevention.
In this sense, this thesis carried out an ergometric study focusing in the effort to raise a
foldable ROPS, developing instrumentation for validation of the necessary efforts for its
elevation, comparison to the values recommended by standards and presenting solutions to
correct any deviations found.
KEY WORDS: Tractor accidents, tractor rollover, foldable ROPS, coil spring
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - BDP dobrada em posição inferior. ...................................................................... 16
Figura 2 – Estruturas de Proteção ao Capotamento (EPC). ................................................. 20
Figura 3 – Cinto de Segurança. ........................................................................................... 20
Figura 4 – Barras de Proteção Dobráveis (BPD). ................................................................ 21
Figura 5 – Zonas de operação da BPD. ............................................................................... 22
Figura 6 – Esquematização das zonas de operação. ............................................................ 22
Figura 7 – Mola de torção.................................................................................................... 23
Figura 8 - Elementos de dimensão de uma mola de torção. ................................................ 24
Figura 9 - Protótipo utilizado para ensaios laboratoriais. .................................................... 26
Figura 10 – Sistema de medição de torque. ......................................................................... 27
Figura 11 - Aparato de Ensaio para a BPD-1 ...................................................................... 29
Figura 12 - Aparato de Ensaio para a BPD-2 ...................................................................... 29
Figura 13 - Ponto de ocorrência de atrito na BPD. .............................................................. 32
Figura 14 - Conjunto de Molas de Torção ........................................................................... 34
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Elementos de dimensionamento da Mola de Torção.......................................... 33
Tabela 2 - Esforços Resultantes........................................................................................... 33
Tabela 3 - Elementos de dimensionamento da Mola de Torção.......................................... 33
Tabela 4 - Esforços Resultantes........................................................................................... 34
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Rebaixamento da BPD em velocidade lenta ..................................................... 30
Gráfico 2 - Rebaixamento da BPD em velocidade alta ....................................................... 30
Gráfico 3 - Ascensão da BPD em velocidade lenta ............................................................. 31
Gráfico 4 - Ascensão da BPD em velocidade alta ............................................................... 31
Gráfico 5 - Rebaixamento da BPD em velocidade lenta (Com Molas) ............................... 35
Gráfico 6 - Rebaixamento da BPD em velocidade alta (Com Molas) ................................. 35
Gráfico 7 – Ascensão da BPD em velocidade lenta (Com Molas) ...................................... 36
Gráfico 8 - Ascensão da BPD em velocidade alta (Com Molas) ........................................ 36
Gráfico 9 – Comparação após a implementação da mola (velocidade lenta) ...................... 37
Gráfico 10 - Comparação após a implementação da mola (velocidade alta) ...................... 37
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
BPD – Barra de Proteção Dobrável
BPC – Barra de Proteção ao Capotamento
OECD – Sigla em inglês para Organização de Cooperação e Desenvolvimento Econômico
OIT – Organização Internacional do Trabalho
EPC – Estruturas de Proteção ao Capotamento
CG – Centro de Gravidade
SAP – Sistema Agrícola de Produção
CIPATR – Comissão Interna de Prevenção de Acidentes do Trabalho Rural
LISTA DE SÍMBOLOS
S – Tensões provenientes do momento fletor
Q – Torque aplicado
d – Espessura do fio
R – Constante da mola
T – Deflexão (Número de revoluções)
E – Módulo de Elasticidade do Material
n – Número de Espiras
D – Diâmetro Médio da Espira
P – Força
M – Braço de Alavanca
Dinterno – Diâmetro Interno da Mola
SUMÁRIO
1 Introdução .................................................................................................................... 16
2 Objetivo ........................................................................................................................ 17
3 Revisão Bibliográfica ................................................................................................... 18
3.1 Trator e seus sistemas de proteção .......................................................................... 18
3.2 Ergonomia e esforço humano .................................................................................. 22
3.3 Normas Aplicáveis .................................................................................................. 23
3.4 Molas de Torção ...................................................................................................... 23
4 Material e Método ....................................................................................................... 26
4.1 Modelo do trator e da BPD ...................................................................................... 26
4.2 Aparato de Ensaio da BPD ...................................................................................... 27
4.3 Avaliação de Eventuais Desvios / Ações Corretivas ............................................... 27
4.4 Verificar a Eficácia da(s) Solução(ões) Indicada(s) ................................................ 28
5 Resultados e Discussões ............................................................................................... 29
5.1 Aparato de Ensaio da BPD ...................................................................................... 29
5.2 Avaliação de Eventuais Desvios / Ações Corretivas ............................................... 30
5.2.1 Atuação da Mola de Torção............................................................................... 32
5.2.2 Suporte da Mola de Torção ............................................................................... 34
5.3 Verificar a Eficácia da(s) Solução(ões) Indicada(s) ................................................ 34
6 Conclusões .................................................................................................................... 38
7 Bibliografia ................................................................................................................... 39
ANEXO I – Braço Transferidor ....................................................................................... 42
ANEXO II – Suporte da Mola de Torção ........................................................................ 45
1 Introdução
O trator é um dos equipamentos agrícolas essenciais para o trabalhador rural, porém
também é fonte de acidentes e lesões nos trabalhadores, para tal se aplicam as normas de
segurança, que preveem itens de segurança tais como a barra de proteção ao capotamento
(BPC), que também está prevista nas normas brasileiras, ainda sendo comum a adoção de
padrões internacionais, como melhores práticas, a exemplo da NORMA Internacional
(França – Itália): Código 6 – OECD, 2013.
Em um caso particular, onde o trator opera em espaços confinados tais como: pomares,
celeiros e galpões, foi difundido o uso das Barras de Proteção Dobráveis (BPD).
Entretanto, muitas destas barras, apresentam peso excessivo (aproximadamente 20 Kg),
e ficam localizadas à grande altura do solo (aproximadamente 1,9 m), o que leva o
operador a preterir retornar a barra na sua posição superior, preferindo trabalhar com esta
em sua posição inferior - como ilustrado na Figura 1 - o que não previne acidentes por
capotamento.
Neste sentido, este trabalho focou no estudo ergométrico para caracterizar o esforço de
elevação de uma BPD, buscando soluções para corrigir eventuais desvios encontrados.
Figura 1 - BDP dobrada em posição inferior1.
1 Fonte: http://www.mytractorforum.com/53-john-deere/65663-2305-wok-lights-rops.html acesso em 07/11/2016
2 Objetivo
Verificar se Barra de Proteção Dobrável (BPD) de modelo específico para microtrator,
atende ao código de normas da Organização de Cooperação e Desenvolvimento
Econômico (Sigla em inglês OECD), em ensaio instrumentado de laboratório, verificando
possíveis desvios e propondo medidas corretivas.
Para tanto cumpre-se observar os seguintes objetivos parciais:
▪ Montar aparato de ensaio da BPD instrumentado;
▪ Ensaia-lo correlacionando os resultados às recomendações da norma Código 6 –
OECD, 2013;
▪ Avaliar se ocorreram desvios;
▪ Avaliar e implementar ações corretivas; e
▪ Verificar a eficácia da solução indicada.
3 Revisão Bibliográfica
3.1 Trator e seus sistemas de proteção
O trator agrícola é a fonte de potência mais importante do meio rural, contribuindo para
o desenvolvimento e avanço tecnológico dos Sistemas Agrícolas de Produção (SAP) como
única forma de garantir os ganhos de escala que se observam no Agribusinees Mundial.
Entretanto estudos recentes realizados pela Organização Internacional do Trabalho
(OIT) mostraram que as atividades agrícolas, em especial a utilização de maquinas
agrícolas, estão entre as três atividades que apresentam os maiores riscos para os
trabalhadores, sendo que um terço dos acidentes ocorridos no meio rural resulta em
incapacidade permanente do trabalhador. (MONTEIRO, 2011)
A utilização intensa de máquinas agrícolas ampliou consideravelmente os riscos a que
estão sujeitos os trabalhadores rurais, e mais de 60% das mortes ocorridas em acidentes de
trabalho no setor agrário são associadas à mecanização agrícola. (Silva & Furlani, 1999).
De acordo com MONTEIRO (2011), as operações com tratores e equipamentos
agrícolas são as operações que oferecem os maiores riscos de acidentes aos trabalhadores.
Dentre estas operações o capotamento é o maior responsável por casos de morte,
contabilizando cerca de 33% dos acidentes resultantes em óbito.
Apesar de não existir estatísticas sistemáticas da ocorrência de acidentes, diversas
citações bibliográficas ao longo dos anos mencionam que é expressivo o índice de
acidentes com tratores2:
a) 70% dos acidentes são relacionados à capotagem (Rodrigues & Silva, 1986 apud
CORRÊA, I.M.; YAMASHITA, R.Y., 2009);
b) Metade dos acidentes fatais na Espanha é devido ao tombamento de tratores
(Márquez, 1995 apud CORRÊA, I.M.; YAMASHITA, R.Y., 2009);
c) 59,8% dos acidentes são capotagem (DEBIASI, 2002 apud CORRÊA, I.M.;
YAMASHITA, R.Y., 2009); 2
Disponível em: http://www.infobibos.com/Artigos/2009_1/Tratores/Index.htm acessado em 07/11/2016
d) 47,8% dos acidentes com tratores são relacionados ao tombamento (Corrêa &
Ramos, 2002 apud CORRÊA, I.M.; YAMASHITA, R.Y., 2009)
e) Acidentes com tratores foram a principal causa de morte (31% dos acidentes rurais)
em Queensland no período de 1990-98, sendo 45,5% devido ao tombamento
(Ferguson, 1999 apud por Pope, 2000 apud CORRÊA, I.M.; YAMASHITA, R.Y.,
2009).
f) Cerca de 250 pessoas morrem todo ano nos EUA em decorrência do envolvimento
de tratores em capotagem, aprisionamento e colisões em estradas (Schenker, 2004
apud CORRÊA, I.M.; YAMASHITA, R.Y., 2009).
A Norma Regulamentadora de Segurança e Saúde no Trabalho na Agricultura,
Pecuária, Silvicultura, Exploração Florestal e Aquicultura – NR 31 (Portaria No. 86, de
03/03/05 - DOU DE 04/03/053), no parágrafo 31.7, referente à Comissão Interna de
Prevenção de Acidentes do Trabalho Rural (CIPATR) determina que o empregador rural
ou equiparado deverá promover treinamento em segurança e saúde no trabalho para os
membros da CIPATR antes da posse, de acordo com o conteúdo mínimo estabelecido
(item 31.7.20.1). Dentre os itens presentes neste conteúdo vale ressaltar:
▪ Proteção de máquinas equipamentos;
▪ Noções de ergonomia.
Além disso, a NR, no parágrafo 31.10 referente à Ergonomia estabelece que é vedado o
levantamento e o transporte manual de carga com peso suscetível de comprometer a saúde
do trabalhador (item 31.10.2).
Por fim, no parágrafo 31.12, que trata das máquinas e equipamentos agrícolas,
determina que todos os tratores agrícolas devem ser equipados com diversos dispositivos
de segurança que garantem a integridade física do operador desde que usados de maneira
correta, dentre estes equipamentos podemos citar as estruturas de proteção ao capotamento
(EPC), (Figura 2) que usadas em conjunto com o cinto de segurança, (Figura 3), protegem
o operador de ser esmagado pelo trator quando este vier a tombar.
3 Disponível em: http://www.trtsp.jus.br/geral/tribunal2/ORGAOS/MTE/Portaria/P86_05.html acessado em 07/11/2016
Figura 2 – Estruturas de Proteção ao Capotamento (EPC)4.
Figura 3 – Cinto de Segurança5.
No Brasil, a primeira norma a abordar o tema de maneira mais direta é a ABNT NBR
ISO 5700:20096 (Em vigor desde 8 de janeiro de 2009), referente à Métodos de ensaio
estático e condições de aceitação para Estruturas de proteção na capotagem (EPC) –
posteriormente complementada por ABNT NBR ISO 12003-1:2011 (15 de março de 2011)
e ABNT NBR ISO 12003-2:2011 (11 de março de 2011), as duas últimas referentes à
procedimentos para ambos os ensaios estático e dinâmico da estrutura de proteção na
capotagem (EPC) de tratores agrícolas e florestais de rodas com bitola estreita,
distinguindo-se apenas no local de montagem da EPC (Montagem dianteira vs. Montagem
traseira).
4 Fonte: http://www.diadecampo.com.br/zpublisher/materias/Materia.asp?id=23419&secao=Agrotemas 5 Fonte: http://diarionline.com.br/static/arquivo/2016-01/cinto-de-seguranca.foto-enerson-cletion--da0f.jpg 6 Disponível em: http://www.inmetro.gov.br/barreirastecnicas/PDF/guide_agricultural_machinery_portugues.pdf
acessado em 07/11/2016
Entretanto as EPCs nem sempre são uma alternativa viável pelo fato de elevarem o
custo do produto (trator), e dificultarem o trabalho em locais fechados e com limitações de
altura; a exemplo de: edificações para confinamento animal, galpões e pomares. Em vias
de solucionar este problema foram propostas e implementadas pela indústria agrícola
Barras de Proteção Dobráveis (BPD), como apresentado na Figura 4.
Figura 4 – Barras de Proteção Dobráveis (BPD)
7.
Contudo, foi verificado que fatalidades ocasionadas por capotamento continuam
existindo mesmo em tratores que possuem BPD, no que a explicação apresentada pela
comunidade é bastante simples: As BPD são consideravelmente pesadas (aprox. 20 kg),
isto aliado ao fato de que elas se localizam a uma altura razoável do solo (1,88 m)
constituem um enorme empecilho ao trabalhador na hora de posicionar a barra em posição
vertical (dobrada para cima), portanto os trabalhadores acabam trabalhando com a barra
dobrada sempre em posição inferior, impedindo-a de executar sua função em casos de
acidente por capotamento.
Este trabalho consiste em um estudo de caso baseado no código de normas da
Organização de Cooperação e Desenvolvimento Econômico (Sigla em inglês OECD) que
propôs, produziu e ensaiou um modelo de conjunto de molas de torção, com o objetivo de
7 Fonte: http://www.covermytractor.com/v/vspfiles/photos/categories/6984.jpg acessado em 21/08/2016
auxiliar os operadores de trator na tarefa de posicionar a BDP do trator na posição vertical
com o intuito de prevenir fatalidades ocasionadas por capotamento de tratores.
3.2 Ergonomia e esforço humano
Entendendo ergometria como: “o estudo do relacionamento entre o homem e o seu
trabalho, equipamento e ambiente, e particularmente a aplicação dos conhecimentos de
anatomia, fisiologia, e psicologia na solução dos problemas surgidos desse relacionamento.
(Ergonomics Research Society, citado por ITIRO LIDA, 2005)
Neste trabalho em questão estudamos a relação entre os operadores de tratores e a
força necessária para manusear a BPD em uma zona de operação especifica que é definida
pela OECD. A Figura 5 e a Figura 6 abaixo identificam as zonas de operação. Podemos
observar que cada zona recomenda uma diferente força máxima a ser aplicada.
Figura 5 – Zonas de operação da BPD8.
8 Fonte: https://circabc.europa.eu/sd/a/98dc692a-dae1-
4245-abe8-
3d2896432231/06_11_OECD_proposal%20foldable%20R
OPS.pdf acessado em 05/11/2016
Figura 6 – Esquematização das zonas de operação.
3.3 Normas Aplicáveis
Até a presente data deste trabalho de dissertação, ainda não existe no Brasil nenhuma
legislação direcionada especificamente aos estudos ergométricos referente as Barras de
Proteção Dobráveis (BPD). Portanto, fez-se uso das recomendações previstas no código 6
(Códigos padrões para Testes oficiais em Tratores Agrícolas e Florestais) da OECD
(2013), que determina as forças máximas aceitáveis que um operador deve realizar no ato
de levantar e abaixar a BPD dos tratores.
De acordo com o código 6 as forças máximas aceitáveis para cada zona citada
anteriormente no item 0 são (conforme zonas apresentadas na Figura 5):
• Zona I: 100 N
• Zona II: 75 N
• Zona III: 50 N
3.4 Molas de Torção
Molas de torção são molas enroladas de forma helicoidal (Figura 7) com hastes em
suas pontas. As hastes podem ter conformação diversa a depender de sua finalidade.
(ELISMOL, 2014).
Figura 7 – Mola de torção
A principal função das molas de torção é armazenar e liberar energia angular,
característica desejada para realizar a correção nos esforços da BDP. (AYERS, P., 2014).
O dimensionamento das molas de torção (Figura 8) é majoritariamente delineado pelas
tensões provenientes do momento fletor atuante. Para tal se aplicam as seguintes equações:
S =32 x 10−6 x Q
πd3 (1)
Q = R. T (2)
R =109 x E.d4
3888 n.D (3) P =
Q
M (4)
Onde:
S: Tensões provenientes do momento fletor (MPa);
Q: Torque aplicado (N.m);
d: Espessura do fio (m);
R: Constante da mola (N.m.º-1);
T: Deflexão (º);
E: Módulo de elasticidade do material (MPa);
n: Número de espiras;
D: Diâmetro médio da espira (m);
P: Força (N);
M: Braço de alavanca (m).
Figura 8 - Elementos de dimensão de uma mola de torção9.
9 Fonte: Ayers, P. (2014).
Diâmetro Interno
Espessura do fio
Deflexão
Existem diversos critérios para a seleção de uma mola de torção, a depender das
necessidades do projetista e da disponibilidade do mercado em atendê-lo. Ayers (2014),
propõe os seguintes elementos como essenciais para a seleção de uma mola de torção:
▪ Comprimento e diâmetro interno da espira;
▪ Torque máximo suportado;
▪ Constante da mola (N.m.º-1);
▪ Número de espiras;
▪ Direção da mão;
▪ Espessura do fio;
▪ Material da mola.
4 Material e Método
4.1 Modelo do trator e da BPD
Para fins de ensaios laboratoriais foi utilizado um protótipo de trator (carcaça)
fabricante Deere and Co.10, esse protótipo serve como base para os modelos 4120, 4320,
4520 e 4720 conforme apresentado na Figura 9.
Figura 9 - Protótipo utilizado para ensaios laboratoriais (Ayers et al., 2012).
A BPD utilizada possui serial de identificação número 00544, opera desde -40º até
+90º. É importante frisar que o modelo escolhido foi aprovado com êxito no
enquadramento SAE J2194, (ex: testes de resistência à impactos longitudinais,
transversais e verticais), uma vez que a OECD requere este enquadramento para que
os testes do código 6 (mencionados no item 3.3) possam ser validados.
10 A menção de marcas não constitui recomendação por parte do autor.
4.2 Aparato de Ensaio da BPD
As determinações do torque inicial existente no protótipo ensaiado e o torque
resultante posterior a implementação das ações corretivas foram realizadas através do
sistema de medição de torque proposto por Khorsandi et al. (2016).
O sistema de medição é composto por um motor de engrenagem reversível, medidor
de torque, acelerômetro de três eixos, data logger, plataforma, braço transferidor (uma
descrição do aparato pode ser visto no ANEXO I), controlador de velocidade, interruptor e
bateria.
A Figura 10 a seguir demonstra de maneira esquemática o sistema proposto:
Figura 10 – Sistema de medição de torque (Khorsandi et al., 2016).
4.3 Avaliação de Eventuais Desvios / Ações Corretivas
Conforme mencionado no item 3.3 as normas vigentes (Código 6 – OECD) levam em
consideração a força máxima exercida pelo operador para manusear a BPD, contudo o
sistema adotado para medição de esforços na BPD fornece os resultados na grandeza
torque (Força x Braço).
0°
90°
Entretanto, isso não é problema se a geometria da BPD estiver bem definida.
Constatou-se que a distância entre o Centro de Gravidade (CG) da BPD e o exato local em
que a rótula está posicionada é de 60 cm. Logo, ao dividir-se o valor do torque medido pela
distância encontrada o resultado será a força atuante para manusear a BPD.
Portanto, visando solucionar a problemática estabelecida no item 1 deste trabalho de
dissertação foram propostas soluções que visassem reduzir o torque necessário para erguer
a BPD do trator e consequentemente a força exercida pelo operador. Sendo prevista a
necessidade de diminuição do esforço de levantamento da BPD, foram consideradas as
possíveis soluções como segue:
▪ Mola de torção;
▪ Mola a gás.
Ao comparar-se o custo de implementação das soluções verificou-se que a primeira
opção apresentava custo significativamente inferior à segunda opção. Portanto optou-se
por implementar a segunda opção apenas caso os resultados proveniente da primeira
solução não fossem satisfatórios.
4.4 Verificar a Eficácia da(s) Solução(ões) Indicada(s)
De acordo com a bibliografia adotada como diretriz para este trabalho de dissertação
(Código 6 – OECD) a força máxima exercida por um operador ao manusear a BPD varia
entre 50N e 100 N a depender da zona de atuação (item 3.3). Com isso obtemos torques
máximos admitidos iguais a:
TorqueMax1= 75N x 0,60 m = 45,0 N. m (5)
TorqueMax2= 100N x 0,60 m = 60,0 N. m (6)
TorqueMax3= 50N x 0,60 m = 30,0 N. m (7)
Após a implementação da solução proposta, o conjunto foi novamente submetido a
ensaios de medição de torque, com o intuito de verificar a eficácia da solução proposta.
5 Resultados e Discussões
5.1 Aparato de Ensaio da BPD
O motor (modelo Groschop PM801-PL73) é montado sobre uma plataforma metálica
anexada à secção fixa da BPD (Figura 11). Sua função é fornecer torque para um braço
transferidor (cujo detalhamento pode ser visto no ANEXO I) que se encontra fixado à parte
superior da BPD (parte móvel).
Ao receber o torque proveniente do motor o braço transferidor faz com que a BDP se
mova para cima e para baixo. Enquanto isso, o acelerômetro de três eixos ortogonais
realiza medições do ângulo entre a BDP e uma linha imaginária Normal, e o medidor de
torque (modelo Omegadyne TQ420-2K) afere o torque aplicado pelo braço transferidor
para movimentar a BPD. Todas essas informações são armazenadas no data logger
(modelo Campbell Scientific CR23X) para posterior análise.
O controlador de velocidade (modelo IronHorse GSD1) é utilizado para controlar a
velocidade de operação do motor (RPM).
O interruptor possui a função de controlar a direção de giro do motor (Figura 12).
E por fim, a bateria (12 V – DC) possui a função de fornecer potência ao motor.
Figura 11 - Aparato de Ensaio para a BPD-1
Figura 12 - Aparato de Ensaio para a BPD-2
5.2 Avaliação de Eventuais Desvios / Ações Corretivas
Foram realizadas quatro repetições em duas velocidades distintas (4 RPM – dita lenta
e 10 RPM – dita rápida) para medir o torque atuante no manuseio da BPD, duas repetições
se referem ao rebaixamento da barra, (Gráfico 1 e Gráfico 2) e as outras duas referem-se ao
levantamento da BPD (Gráfico 3 e Gráfico 4).
Gráfico 1 - Rebaixamento da BPD em velocidade lenta
Gráfico 2 - Rebaixamento da BPD em velocidade alta
-20
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60 80 100
Torque (N.m)
Ângulo (Graus)
REBAIXAMENTO LENTO
Torque Teorico
Torque Medido
Maximo Permitido
-20
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60 80 100
Torque (N.m)
Ângulo (Graus)
REBAIXAMENTO RÁPIDO
Torque Teorico
Torque Medido
Maximo Permitido
Gráfico 3 - Ascensão da BPD em velocidade lenta
Gráfico 4 - Ascensão da BPD em velocidade alta
Após a realização dos ensaios de torque verificou-se que o torque necessário por um
operador para erguer a BDP ultrapassou excessivamente os limites impostos pelo código 6
da OECD.
-20
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60 80 100
Torque (N.m)
Ângulo (Graus)
ASCENSÃO LENTA
Torque Teorico
Torque Medido
Maximo Permitido
-20
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60 80 100
Torque (N.m)
Ângulo (Graus)
ASCENSÃO RÁPIDA
Torque Teorico
Torque Medido
Maximo Permitido
OBS: Ao realizar uma analise gráfica notamos que há uma relevante discrepância
entre os valores de torque previstos pela teoria e os valores de torque provenientes dos
ensaios laboratoriais. Segundo Ayers et al. (2016), uma explicação plausível para essa
discrepância é a existência de atrito entre a superfície da BPD e os pinos de união entre as
partes fixas e móveis da BDP (Rótula). A Figura 13 ilustra o ponto de ocorrência do atrito:
Figura 13 - Ponto de ocorrência de atrito na BPD11.
5.2.1 Atuação da Mola de Torção
Para realizar o dimensionamento das molas de torção foi implementado um modelo
em planilha eletrônica e sua resolução ocorreu com o auxilio do pacote computacional
Solver (Excel).
Como input do modelo foram consideradas as seguintes restrições:
▪ Restrição 1: 0,0254 m ≤ Dinterno ≤ 0,0381 m (1,0 e 1,5 pol. respectivamente);
▪ Restrição 2: 0,166 rev. ≤ T ≤ 0,375 rev. (60º e 135º respectivamente);
▪ Restrição 3: 0,0015875 m ≤ d ≤ 0,0079375 m (1⁄16 e 5⁄16 pol. respectivamente);
▪ Restrição 4: 0,06477 m ≤ Comprimento da Mola ≤ 0,1190625 m (2,5 e 4,5
pol. respectivamente);
▪ Restrição 5: M ≥ 0,3048 m (12 pol.);
▪ Restrição 6: Q ≥ 11,30 N.m (100 pol. lbs.).
11 Fonte: Khorsandi et al. (2016).
Parte Superior (móvel)
Parte Inferior (fixa)
Rótula
Ponto de ocorrência
de atrito
O output do modelo forneceu os elementos de dimensionamento da mola (Tabela 1) e
os esforços resultantes (Tabela 2).
Elemento Valor Unidade
Diâmetro Médio (D) 3,81 cm
Deflexão (T) 105 °
Braço de Alavanca (M) 30,48 cm
Número de espiras (n) 16,40 -
Constante da Mola (R ) 0,13 N.m.°-1
Módulo de Elasticidade (E) 207 GPa
Espessura do fio (d) 6,20 mm
Tabela 1 - Elementos de dimensionamento da Mola de Torção
Esforços Valor Unidade
Tensão Momento Fletor (S) 564,40 MPa
Torque (Q) 13,15 N.m
Força (P) 4,32 N
Tabela 2 - Esforços Resultantes
Entretanto verificou-se que não existem modelos comerciais compatíveis com os
elementos indicados pelo modelo. Optou-se então pela compra do conjunto que mais se
assemelha-se aos elementos indicados, atentando-se para que o conjunto escolhido não
extrapolasse nenhuma das restrições impostas pelo modelo.
A Tabela 3 e a Tabela 4 ilustram os novos valores resultantes do dimensionamento do
conjunto de molas de torção.
Elemento Valor Unidade
Diâmetro Médio (D) 5,56 cm
Deflexão (T) 65 °
Braço de Alavanca (M) 30,48 cm
Número de espiras (n) 12,50 -
Constante da Mola (R ) 0,30 N.m.°-1
Módulo de Elasticidade (E) 207 MPa
Espessura do fio (d) 7,94 mm
Tabela 3 - Elementos de dimensionamento da Mola de Torção
Esforços Valor Unidade
Tensão Momento Fletor (S) 402,7 MPa
Torque (Q) 19,79 N.m
Força (P) 6,49 N
Tabela 4 - Esforços Resultantes
5.2.2 Suporte da Mola de Torção
O suporte da Mola de Torção (detalhamento da peça pode ser visto no ANEXO II)
possui a função de não comprometer o diâmetro interno e posicionamento da mola durante
o período em que ela se encontra submetida aos esforços provenientes da BPD, tendo sido
dimensionado como parte dos trabalhos para assegurar o atendimento da norma.
5.3 Verificar a Eficácia da(s) Solução(ões) Indicada(s)
Após a compra e a implementação do conjunto de molas (Figura 14) foram realizados
novos testes de verificação de torque. Os resultados apresentam-se nos gráficos abaixo:
Figura 14 - Conjunto de Molas de Torção instalado no protótipo.
Gráfico 5 - Rebaixamento da BPD em velocidade lenta (Com Molas)
Gráfico 6 - Rebaixamento da BPD em velocidade alta (Com Molas)
-20
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60 80 100
Torque (N.m)
Ângulo (Graus)
REBAIXAMENTO LENTO
Torque Teorico
Torque Medido
Maximo Permitido
-20
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60 80 100
Torque (N.m)
Ângulo (Graus)
REBAIXAMENTO RÁPIDO
Torque Teorico
Torque Medido
Maximo Permitido
Gráfico 7 – Ascensão da BPD em velocidade lenta (Com Molas)
Gráfico 8 - Ascensão da BPD em velocidade alta (Com Molas)
Por fim, podemos traçar um panorama entre os resultados obtidos antes e depois da
implementação do conjunto de molas de torção (Gráfico 9 e Gráfico 10):
-20
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60 80 100
Torque (N.m)
Ângulo (Graus)
ASCENSÃO LENTA
Torque Teorico
Torque Medido
Maximo Permitido
-20
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60 80 100
Torque (N.m)
Ângulo (Graus)
ASCENSÃO RÁPIDA
Torque Teorico
Torque Medido
Maximo Permitido
Gráfico 9 – Comparação após a implementação da mola (velocidade lenta)
Gráfico 10 - Comparação após a implementação da mola (velocidade alta)
-20
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60 80 100
Torque (N.m)
Ângulo (Graus)
COMPARAÇÃO ASCENSÃO LENTA
Torque Teorico
Torque sem Mola de Torção
Torque com Mola de Torção
Maximo Permitido
-20
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60 80 100
Torque (N.m)
Ângulo (Graus)
COMPARAÇÃO ASCENSÃO RÁPIDA
Torque Teorico
Torque sem Mola de Torção
Torque com Mola de Torção
Maximo Permitido
6 Conclusões
Após a realização dos ensaios com o conjunto de molas de torção anexado à BPD
verificou-se que houve uma redução necessária e suficiente do torque requerido para
erguer a BPD, de tal maneira que o conjunto de molas possibilitou o enquadramento do
equipamento BPD aos valores como preconizados na norma reguladora dos testes em
tratores agrícolas e florestais escolhida (Código 6 – OECD).
Como mencionado anteriormente (item 3.3) ainda não existem no Brasil normas
direcionadas especificamente à testes em Barras de Proteção Dobráveis, mesmo com o
grande número acidentes contabilizados. A literatura disponível no exterior é de fácil
interpretação, grande aplicabilidade e fácil reprodução dos testes, tornando-se uma
excelente alternativa para as poucas referências encontradas no país, no que o autor
recomenda que ela seja adotada pelos fabricantes nacionais, refletindo um desejo de
adoção de boas práticas, e – assim – antecipando-se à eventual obrigatoriedade por futura
ocasião da revisão das normas válidas no Brasil.
Por fim, o autor recomenda para futuros trabalhos estudos relacionados a produção dos
conjuntos de molas de torção em escala industrial, propondo que sejam avaliadas
fabricação de molas específicas (otimizadas) para cada tipo de trator, e que possam ser
incorporadas ao design do equipamento.
7 Bibliografia
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ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR ISO 5700:2009:
Tratores agrícolas e florestais – Estruturas de Proteção na Capotagem (EPC) -
Método de ensaio estático e condições de aceitação. Rio de Janeiro, 2009.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR ISO 12003-1:2011:
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tratores de rodas de bitola estreita - Parte 1: EPC montada na dianteira. Rio de
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ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR ISO 12003-2:2011:
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TO PROTECT OPERATORS DURING TRACTOR ROLLOVERS. Detroit: ISTVS
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ANEXO I – Braço Transferidor
ANEXO II – Suporte da Mola de Torção
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