Máquinas de Elevação e Transporte: Cabos e Correntes

Máquinas de Elevação e Transporte

1. Introdução

1.1) Aparelhos de elevação e transporte

1.1.1 Talha

Talha: aparelho de elevação de cargas, usado para grandes alturas de levantamento, empregando cabos de aço ou correntes.

Quanto ao acionamento, podem ser:

• manual
• elétrica

1.1.2 Guincho

Guincho: aparelho de elevação de cargas, usado para grandes alturas de levantamento, empregando tambor, podendo conter ou não uma talha.

Quanto ao acionamento, podem ser:

• manual
• elétrico
• motor a combustão interna

1.1.3 Monovia

Monovia: aparelho de elevação e transporte de cargas constituído de uma talha ligada a um carrinho que corre em um trilho fixo.

Quanto à translação do carro, pode ser:

• manual
• elétrica

1.1.4 Ponte rolante

Ponte rolante: aparelho de elevação e transporte de carga, constituído de uma ou duas (ou mais) vigas principais, ligadas a duas esteiras (ou cabeceiras), que correm sobre um caminho de rolamento. Sobre as vigas principais corre um (ou mais) carro(s), dotado(s) de um (ou mais) sistema(s) de elevação de carga.

Quanto ao deslocamento da ponte, pode ser:

• manual
• com jogo de engrenagens
• elétrica

Quanto à estrutura, pode ser:

• de uma viga principal
• de duas vigas principais

Quanto à seção da viga principal, pode ser:

• perfil laminado
• treliça
• tipo caixão
• alma cheia

Quanto ao elemento de fixação da carga, pode ser:

• com gancho
• com eletroímã
• com caçamba
• com garras
• com pinça

1.1.5 Pórtico rolante

Pórtico rolante: aparelho de elevação e transporte de cargas, constituído de uma ponte rolante com pernas.

Quanto à estrutura, pode ser:

• duas pernas
• de uma perna (semi-pórtico)
• com viga em balanço
• com viga dentro do vão

Quanto às demais classificações, valem as considerações das pontes rolantes.

1.1.6 Ponte de paredes

Ponte de paredes: aparelho de elevação e transporte de cargas, constituído de um carro que corre sobre um único trilho fixado à estrutura da construção civil.

1.1.7 Guindastes

Guindaste: aparelho de elevação e transporte de cargas constituído de uma lança giratória dotada de um sistema de elevação.

Quanto ao acionamento da lança, pode ser:

• manual
• elétrico
• hidráulico
• pneumático

Quanto ao alcance da lança, pode ser:

• alcance fixo
• variável por carro
• variável por inclinação da lança

Quanto ao deslocamento, pode ser:

• fixo
• elétrico
• motor a combustão interna

Quanto à cabine, pode ser:

• cabine fixa à lança
• cabine giratória

1.1.8 Aparelhos de elevação especiais

Exemplos:

• Ponte de processo para siderúrgicas
• Ponte de processo para alto-forno
• Ponte de processo para aciarias
• Guindastes de navios

2. Cabos de aço

2.1) Tipos

2.1.1 Generalidades

Os cabos utilizados em máquinas de elevação e transporte (MET) são de aço e podem ser classificados em dois grupos:

• Cabos fixos: empregados em tirantes de pontes, pênseis, cabos de sustentação, etc.
• Cabos de movimento: estudados a seguir.

2.1.2 Cabos de movimento

Características:

• frequentes mudanças de posição, enrolando-se e desenrolando-se em tambores, ou curvando-se e endireitando-se nas polias.

Aplicações: pontes rolantes, elevadores, escavadeiras, guindastes e outros afins.

Constituição: fios de aço enrolados formam pernas, pernas enroladas em hélice ao redor de uma alma de aço ou de fibra vegetal. A alma de fibra vegetal aumenta a flexibilidade do cabo e serve como reservatório de lubrificante. A alma de aço aumenta a resistência do cabo.

Cabos pré-formados: formados em forma helicoidal de maneira que esta seja a mesma forma que terão após executada (montada) a perna.

Vantagens:

• fios e pernas não apresentam tendência a endireitar-se; cabos não pré-formados geram tensões internas para mantê-los enrolados;
• tensões menores no encurvamento nas polias, gerando menores solicitações;
• menor atrito entre fios e, consequentemente, maior vida do cabo;
• maior flexibilidade devido ao menor atrito entre fios;
• podem ser cortados sem necessidade de amarração muito cuidada — quando um fio se rompe, ele tende a permanecer encostado no cabo, sem se destacar.

Cabos anti-giratórios: além da tendência a se desenvolver, os cabos têm tendência a torcer quando sob solicitação; para que isto não ocorra, utilizam-se cabos com duas camadas de pernas enroladas em sentido inverso.

Comparação do material do cabo de aço:

• carbono = 0,4% a 1%
• manganês = 0,3% a 1%
• silício = 0,15% a 0,3%
• fósforo e enxofre = 0,01% a 0,02%

2.1.2.1 Estrutura

Normais diâmetros dos fios e constante ângulo de inclinação igual no enrolamento. Constituídos de 6 a 8 pernas e uma alma de fibra vegetal ou aço.

Quanto maior for o número de fios por perna, para um mesmo diâmetro de cabo, maior a flexibilidade do cabo, porém menor o diâmetro do fio e mais rápido o rompimento do mesmo.

Cabos de aço de igual passo: passos das camadas de pernas iguais.

Construções mais comuns de cabos de aço: cabo Seale — duas camadas de igual número de fios de diferentes diâmetros, fios da camada externa de diâmetro maior, com maior resistência ao desgaste.

Cabo Warrington: intercala fios maiores com menores na camada externa, de forma a ter uma superfície do cabo mais cilíndrica. É mais flexível que o cabo Seale, porém de menor resistência ao desgaste.

Cabo Fuller: apresenta uma camada intermediária composta de fios de diâmetro reduzido, de forma a aumentar o grau de enchimento do cabo, com boa flexibilidade e resistência maior, num mesmo diâmetro de cabo.

Cabo Warrington-Seale: combina os dois tipos; bem flexível e resistente ao desgaste, recomendado para pontes rolantes e guindastes.

2.1.2.2 Enrolamento

Dois tipos:

• Único: fios e pernas enrolados no mesmo sentido. Vantagem: melhor assentamento nas gargantas, maior vida útil.
• Cruzado: pernas enroladas em sentido contrário ao enrolamento dos fios nas pernas. Vantagem: apresenta menor tendência a torcer.

2.2 Solicitações e vida do cabo de aço

Solicitações num cabo:

• tração devido à carga;
• flexão devido ao encruamento nas polias e tambores.

O dimensionamento é feito através de normas. O cálculo é baseado puramente em análise de resistência e falha, pois vários fatores aumentam as tensões no cabo, entre eles:

• duplo enrolamento dos fios;
• tensões de torção adicionais sob solicitação;
• pressão nos fios no contato com polias e tambores.

2.2.1 Fatores que influenciam na vida do cabo de aço

Devemos conhecer os fatores que influem na vida deste:

A) Número de flexionamentos:

Por definição: um enrolamento em tambor considera-se 1/2 flexionamento completo.

OBS: "S" = coeficiente de segurança.

• Para cabos de enrolamento oposto: S = 1,5 a 2,5.
• Para cabos tipo único: S = 1,5 a 5,0.

B) Carga de tração: pior condição de trabalho — onde está a menor tensão admissível.

C) Qualidade do fio: maior tensão de ruptura -> menor vida.

D) Diâmetro da polia e tambor: maior diâmetro -> maior vida.

E) Forma e material da garganta da polia e tambor: raio ideal = 0,53 a 0,54 do cabo (para maior vida do cabo). Material da garganta mais mole -> maior vida do cabo.

F) Diâmetro dos fios do cabo: fio mais fino -> vida do cabo menor (maior tendência a esmagar e seccionar o fio).

G) Galvanização: utilizam-se cabos galvanizados em ambientes de trabalho muito corrosivos. Cabo galvanizado possui menor resistência intrínseca, porém maior vida útil devido à proteção contra corrosão.

H) Lubrificação:

Função do lubrificante:

• diminuir atrito entre fios;
• diminuir desgaste dos fios;
• evitar ou retardar a corrosão.

O lubrificante, inicialmente na alma do cabo de aço, migra para a superfície do cabo. A alma sem lubrificante tende a armazenar umidade, iniciando o processo de corrosão interna.

Solução: manter o cabo sempre bem lubrificado. Melhor lubrificação = maior vida do cabo.

2.2.2 Cuidados com o cabo de aço

Deve-se observar num cabo em movimento:

• corrosão;
• abrasão;
• soltamento de fios exteriores (principalmente nos cabos do tipo único).

Fios soltos devem ser considerados fios quebrados.

Quebra dos fios: o cabo deve ser rejeitado se o número de fios quebrados ultrapassar um limite definido por norma (tabela 2.1).

Defeitos provenientes de má montagem (ver figura 2.8 nas fontes). Cabos nos quais gerou-se um laço durante o desenrolamento da bobina devem ser rejeitados para serviço.

2.2.3 Uniões e fixações dos cabos de aço

A) Amarração por grampos ou clips.

Limite de tração acima do qual os cabos começam a escorregar está na tabela 2.2. Número de grampos em função do diâmetro dos cabos está na tabela 2.3.

B) Fixação por fios trançados (figura 2.10): exige muita mão de obra e habilidade. Comprimento de trançagem = 25 × diâmetro do cabo.

C) Fixação por chumbamento: chumbamento com liga de chumbo e antimônio ou de zinco.

D) Fixação por meio de cunha: fácil desmontagem; o cabo é preso pelo efeito de cunha.

2.3 Dimensionamento

O diâmetro mínimo do cabo necessário é dado em função do grupo do equipamento e da máxima tração no cabo, seguindo a fórmula:

D.min = K * √FC

Onde:

• D.min [mm] = diâmetro mínimo do cabo de aço;
• FC [kgf] = carga de tração no cabo;
• K [mm/√kgf] = coeficiente que considera o grupo do equipamento (tabela 2.4).

[Deve-se ter um coeficiente de segurança para aparelhos de elevação, da ordem de 4,5 a 8,3]

Este coeficiente de segurança é calculado da seguinte forma:

S = F.rup / FC

Onde:

• S = coeficiente de segurança (adimensional);
• F.rup = carga de ruptura mínima efetiva do cabo, dada nos catálogos de fabricantes de cabo de aço.

Observações:

• Cálculos válidos para cabos com σ_rup = 160 kgf/mm².
• Para cabos com σ_rup = 180 kgf/mm², utilizar os mesmos valores de K, D e S aumentados em 1/8 (aprox.).
• Para cabos com σ_rup = 130 kgf/mm², utilizar valores de K na ordem de 10% maiores.

Correntes

Grande aplicação em transportadores; pequeno emprego em máquinas de elevação (limitado a pequenos guindastes e pontes manuais).

Em comparação a cabos de aço, apresentam:

Desvantagens:

• mais sensíveis ao choque e à soldagem;
• menor elasticidade;
• quebram sem aviso;
• são mais ruidosas.

Vantagens:

• exigem diâmetros de tambor e polias menores;
• menos sensíveis à corrosão.

3.1 Tipos

3.1.1 Correntes de elos

Empregadas em pequenas máquinas de elevação e talhas. Podem ser de malha normal, malha cerrada e malha reforçada.

Material: aço ABNT 1010.

3.1.2 Corrente de galha

Normalizadas pela DIN 8150. Empregada em máquinas de elevação de grandes capacidades (até 20 t), pequena altura, pequena potência e baixa velocidade (até 0,5 m/s). Relação de transmissão vai até 1:10.

Constituição:

• pinos de aço ABNT 1020;
• tálas (duas ou mais) de aço ABNT 1020.

3.1.3 Corrente Zöbel

Empregada em transmissões de potência de média velocidade (até 3,5 m/s). Relação de transmissão vai até 1:10.

Constituição:

• pinos de aço ABNT 1020 cementados (fixados às tálas externas de aço);
• tálas de aço ABNT 1040;
• buchas de aço ABNT 1020 cementado (fixadas às tálas internas).

3.1.4 Corrente de rolos

Empregada em transmissões de potência, velocidades e cargas elevadas (até 11 m/s). Grande utilização em talhas, empilhadeiras e máquinas agrícolas operatrizes.

Constituição: tálas de aço ABNT 1050 ou aço-liga; pinos, buchas e rolos de aço cromo-níquel, cementados e retificados após tratamento. Rolos colocados sobre buchas — menor atrito, maior rendimento. Pode haver uma ou mais filas de rolos.

3.2 Polias e tambores para correntes

3.2.1 Polia lisa para correntes de elos

Empregada como polia louca ou polia de mudança de direção.

Material: ferro fundido, sem usinagem da garganta.

[DP = 20 × d.elo] (trabalho normal).

[DP = 25 a 30 × d.elo] (trabalho motorizado).

Rendimento aproximado devido ao atrito entre elos, elos e garganta e mancal de polia de:

• η = 0,96 para mancal de escorregamento;
• η = 0,98 para mancal de rolamento.

3.2.2 Polia dentada para corrente de elos calibrados

Empregadas para transmissão de momento em talhas, guindastes e pontes rolantes manuais e em pequenos dispositivos motorizados com baixa velocidade (< 0,5 m/s).

Material: ferro ou aço fundido sem usinagem da garganta.

Rendimento aproximado devido ao atrito entre elos e nervuras da polia:

• η = 0,93 para mancal de escorregamento;
• η = 0,96 para mancal de rolamento.

Número mínimo de dentes: 4 (mais, se possível).

Ângulo de abraçamento mínimo: 180° (para garantir a transmissão do momento torçor).

Necessitam de lubrificação bem cuidada.

Diâmetro da polia é dado por:

DP = √[ (t / sen(90º/z))² + (d.fio / cos(90º/z))² ]

Onde:

• DP = diâmetro da polia [mm];
• t = passo da corrente [mm];
• z = número de dentes;
• d.fio = diâmetro do arame do fio [mm].

Para z > 16 temos DP ≈ t quando d.fio < 6 mm (condição prática).

3.2.3 Engrenagem para corrente de galha

Dois tipos:

• pino: se assenta no fundo do dente;
• tála: se assenta nas bordas da engrenagem.

Rendimento aproximado: η = 0,95.

Material:

• ferro fundido GE22.91;
• aço fundido STG45.81;
• aço carbono ST50.11.

Diâmetro da engrenagem:

D0 = t / sen(180º / z)

3.2.4 Tambor para correntes de elos

DT = 20 a 30 vezes o diâmetro do fio da corrente.

Ranhuras para corrente em qualquer posição ou na vertical.

Passo das ranhuras deve permitir afastamento entre elos da corrente de duas espiras consecutivas de 2 a 3 mm.

Número de espiras:

Ze = L / (π * DT) + z

Onde:

• Ze = número de espiras;
• L = comprimento da corrente a enrolar [mm];
• DT = diâmetro do tambor [mm];
• z = número de dentes (ou referência de passo).

Comprimento útil do tambor:

Lt = Ze * Tr

Onde:

• Lt = comprimento útil do tambor [mm];
• Tr = passo das ranhuras [mm].

3.3 Dimensionamento

3.3.1 Corrente de elos

Distribuição de esforços internos é complexa. O cálculo é aproximado.

Considerando σ_rup = 24 kgf/mm² referente à seção transversal da corrente e S = 4 (coeficiente de segurança) temos σ_adm = 6 kgf/mm².

Capacidade de carga:

Fmax = σ_adm * 2 * A

Onde:

• Fmax = força máxima admissível na corrente [kgf];
• σ_adm = tensão admissível do material [kgf/mm²];
• A = área da seção transversal.

A = π * d.elo² / 4

ou, rearranjando: Fmax = 3 * π * d.elo² (forma aproximada apresentada no material).

3.3.2.1 Cálculo das tálas

A) Tração

F.max = zt * (g1 - dfp) * st * σ_adm

Onde:

• Fmax = força máxima aplicável da corrente [kgf];
• zt = número de tálas em ação;
• g1 = largura da tála na região do pino [mm];
• dfp = diâmetro do furo para o pino [mm];
• st = espessura da tála [mm];
• σ_adm = tensão admissível do material (ex.: para tálas de aço ABNT 1020 com σ_rup = 40 kgf/mm² e S = 5, σ_adm = 40 / 5 = 8 kgf/mm²).

Sabendo-se a tensão atuante na tála: σ = Fmax / (zt * (g1 - dfp) * st).

B) Esmagamento na região do pino.

P = Fmax / (zt * dfp * st)

Onde:

• P = pressão atuante na tála/pino [kgf/mm²];
• Padm = pressão admissível do material do pino ≈ 10 kgf/mm² (valor de referência).

3.3.2.2 Cálculo dos pinos

Existem dois casos:

1) Corrente transmite força não proveniente de uma roda dentada (tração nas tálas).

O máximo momento fletor atuante é dado por:

Mf = Fmax / 2 * st

A tensão atuante no pino é dada por:

σ = Mf / Wf = 32 * Fmax / (π * dfp³ * 2) (expressão apresentada no material).

Onde Wf = módulo de resistência à flexão [mm³].

2) Corrente transmite força proveniente de roda dentada.

O máximo momento fletor é dado por:

Mf = f' * st * (zt + 1) / 4

Onde:

• f' = força aplicada no dente da roda (parcela de Fmax que solicita a corrente). Esta força está em função da tolerância de fabricação da roda dentada e da corrente.

A tensão atuante no pino é dada por:

σ = Mf / Wf = 32 * f' * st * (zt + 1) / (4 * π * dfp³)

Observação: simplificando os números, a expressão pode ser apresentada como:

σ = 8 * f' * st * (zt + 1) / (π * dfp³)

Simbologia

• A = área da seção transversal [mm²]
• d.elo = diâmetro do fio do elo da corrente [mm]
• dfp = diâmetro do furo para o pino [mm]
• De = diâmetro da engrenagem [mm]
• Dp = diâmetro da polia
• Dt = diâmetro do tambor
• Fmax = força máxima na corrente / tála / pino [kgf]
• f' = força máxima aplicada no dente da roda [kgf]
• g1 = largura da tála na região do pino [mm]
• L = comprimento da corrente a enrolar [mm]
• Lt = comprimento útil do tambor [mm]
• mf = momento fletor atuante no pino [kgf·mm]
• P = pressão atuante na tála/pino [kgf/mm²]
• Padm = pressão admissível do material do pino [kgf/mm²]
• st = espessura da tála [mm]
• S = coeficiente de segurança [adimensional]
• T = passo da corrente [mm]
• Tr = passo das ranhuras [mm]
• Wf = módulo de resistência à flexão [mm³]
• z = número de dentes
• ze = número de espiras
• zt = número de tálas em ação
• σ = tensão atuante na tála/pino [kgf/mm²]
• σ_adm = tensão admissível do material [kgf/mm²]
• σ_rup = tensão de ruptura do material [kgf/mm²]

Fim do documento. Para referências de tabelas e figuras (tabela 2.1, 2.2, 2.3, 2.4; figuras 2.8, 2.10), consultar normas e catálogos técnicos mencionados no material original.