UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
INSTITUTO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS E TECNOLÓGICAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
AGRÍCOLA - CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE RONDONÓPOLIS
RELATÓRIO PARCIAL REFERENTE AO PROJETO AGRISUS
1155/13
TITULO: AMOSTRADOR PARA COLETA DE MONOLITOS DE SOLOS DE
VOLUMES VARIADOS
Mestrando: Marcio Venzon
Orientador: Prof. Dr. Tonny J. A. da Silva.
RONDONÓPOLIS, MT, 16/12/2013
1.0 - INTRODUÇÃO.
A experimentação agrícola em condições controladas define o modo de
condução desses experimentos, atualmente realizados para representar o
sistema convencional de cultivo, pois o solo coletado é desagregado, passado
em peneira (aproximadamente 2 a 5 mm de abertura) e posteriormente
colocado em recipientes (vasos). No entanto, esse procedimento dificulta os
estudos com amostras nas condições naturais, por exemplo, solos utilizados
em sistema plantio direto, pois o revolvimento do solo para o acondicionamento
nos vasos alteraria as suas características físicas (estrutura, porosidade,
densidade, agregação, entre outras) (Hillel, 1982). Além disso, afetam a
química do solo em relação a distribuição dos nutrientes, especialmente o
Cálcio e o Fósforo, que se acumulam na superfície do solo nesse sistema,
formando um gradiente de concentração
(Anghinoni, 2007; Gatiboni et al.,
2007). Nesse caso, avaliações conduzidas em solos sob plantio direto, em
condições controladas, devem preservar ao máximo as propriedades físicas
originais, destacando a importância de coletas de amostras com estrutura
indeformada representativas dessas condições (¹).
Há vários trabalhos publicados na literatura, com estudos em vasos,
utilizando solo sob sistema plantio direto, porém os que utilizaram amostras
indeformadas não especificaram o critério adotado para defini-las como tal
(Schlindwein et al., 2003; Diekow et al., 2006; Leite et al., 2006; Gatiboni et
al.,2007; Rheinheimer et al., 2007; Pavinato & Rosolem, 2008) (¹).
O objetivo do trabalho é desenvolver e avaliar um equipamento que
possibilite a coleta de monolitos (amostras de solo indeformadas, com o
mínimo de alteração na sua estrutura), preservando ao máximo o seu estado
natural e possibilitando estudos em vasos conduzidos sob condições
controladas ou a campo, como por exemplo, solos utilizados em lisimetros para
estudos de evapotranspiração, e realizar a validação destes monolitos
comparando os atributos físicos dos solos coletados em relação ao solo
natural.
(¹) Parte do artigo publicado no R. Bras. Ci. Solo, 33:1929-1934, 2009: EQUIPAMENTO PARA COLETA DE AMOSTRAS
INDEFORMADAS DE SOLO PARA ESTUDOS EM CONDIÇÕES CONTROLADAS; Leandro Bortolon, Clesio Gianello, Osmar Conte,
Elisandra, Solange Oliveira & Renato Levien
2.0 – METODOLOGIA.
Para desenvolvimento do protótipo na primeira etapa, foi definido o
modelo do vaso e suas dimensões para iniciar construção do equipamento. O
modelo de vaso escolhido possui custo acessível, bordas para facilitar o
manuseio, e inclinação cônica de sete graus. O equipamento esta sendo
desenvolvido para coletar monólitos de 2 a 10 dm³ no formato cilíndrico e
cônico conforme forma construtiva do vaso selecionado. Os modelos de vasos
escolhidos estão ilustrados na Figura 01.
Figura 01 – Modelos de vasos utilizados no projeto. FONTE: VENZON, 2013
A construção do equipamento teve inicio em setembro de 2013, com a
construção de subconjuntos, tais como, usinagem de eixo, corte e dobra do
chassis, usinagem de canal de chaveta nas engrenagens de transmissão, entre
outros conforme demonstrado nas Figuras 02 a 06.
Figura 02 – Corte e dobra do chassis. FONTE: VENZON, 2013
A estrutura principal, chassis ilustrado na Figura 02, foi confeccionado
com chapa de aço SAE 1020 com espessura de 3/16”. O perfil da seção
transversal selecionado para confecção do chassis, foi o formato conhecido
como “U” enrijecido, que foi fabricado com o uso de dobradeira hidráulica. Esse
forma construtiva aumenta a rigidez do conjunto, facilita e permite a fixação da
tampa lateral que possibilitará enclausuramento do sistema de transmissão, e
também o acesso relativamente rápido para eventuais manutenções e
regulagens do referido sistema.
Figura 03 – Eixos e materiais diversos utilizados.
FONTE: VENZON, 2013
Figura 04 – Confecção do canal de chaveta das engrenagens de transmissão.
FONTE: VENZON, 2013
Os canais de chaveta realizados nas duas engrenagens de trasmissão,
ilustrado na figura 04, foram confeccionados utilizando uma plana limadora e
ferramentas de corte fabricadas em aço rapido com 10% de cobalto. A
finalidade desses canais é garantir a união dos eixos as engrenagens e
transmitir o torque do motor hidráulico para os conjuntos de forma sincronizada,
sem perdas por escorregamento. As chavetas utilizadas foram construidas em
aço SAE 1045 com secção retangular de 8 x 10mm.
Figura 05 – Furação do chassis para fixação dos mancais e rolamentos.
FONTE: VENZON, 2013
A furação do chassis (Figura 05) onde será fixado os mancais de
rolamento e eixos de transmissão foram realizados com o auxilio de uma
fresadora ferramenteira com mesa de coordenadas, e a ferramenta de corte
utilizada para abertura das furações com diâmetro de 30mm e 60mm, para os
respectivos mancais, foi do tipo bailarina conjugada com bits de aço rapido com
10% de cobalto. As demais furações foram realizadas com brocas helicoidais
de aço rapido, com os diâmetros necessários.
Figura 06 – Engrenagens utilizadas na transmissão.
FONTE: VENZON, 2013
A trasmissão de movimento e torque provido do motor hidráulico
principal será realizada com engrenagens de 15 e 24 dentes fabricadas em aço
de baixo teor carbono, e interligadas por corrente normalizada ASA 40. As
engrenanges de 15 e 24 dentes serão citadas no projeto como engrenagens
motriz e motora, respectivamente. A utilização de engrenagens para
transmissão dos movimentos possibilita sincronismo e precisão uma fez que
não temos perdas por escorregamento como é o caso do sistema de
trasmissão por polias e correias, este conjunto de engrenagens nos fornece
uma relação de transmissao de 1:0,6.
Após a construção dos subconjuntos iniciou-se a montagem para
formação dos conjuntos principais, como por exemplo, o cabeçote móvel,
ilustrado pela Figura 07.
Figura 07 – Cabeçote móvel.
FONTE: VENZON, 2013
O Cabeçote movel é o conjunto responsavel pela usinagem do solo,
realizando três movimentos, sendo: 1) movimento de rotação da ferramenta de
corte (broca); 2) Movimento de Translação, e; 3) Avanço e recuo da ferramenta
de corte (broca) para determinação da profundidade de corte. Esses três
movimentos estão ilustrados na Figura 08.
Figura 08 – Detalhes dos principais movimentos realizados pelo equipamento.
FONTE: VENZON, 2013
No primeiro momento, imaginau-se construir um equipamento, com
motores elétricos, geradores de energia, sistemas eletrônicos de controle de
velocidade. Porém ao analisar melhor a aplicação do equipamento e sua
finalidade, decidiu-se por susbtituir o sistema elétrico pelo sistema hidráulico,
mantendo o mesmo principio de funcionamento. O sistema hidráulico é
comumente encontrado nas máquinas agricolas, onde hoje a grande maioria
dos tratores por exemplo, possuem sistemas hidráulicos acoplandos o que
facilita a operação do equipamento proposto.
Outro ponto tambem analisado é que o equipamento desenvolvido será
utilizado em campo sobre situações adversas e os sistemas elétricos e
eletrônicos como estava sendo proposto, possuem grandes sensibilidade as
interperes (chuvas e umidade), o que dificultaria a sua utilização nessas
condições, não sendo necessário proteções adicionais, aumentando os custos
de construção e elevada manutenção.
O tabela abaixo faz um comparativo dos equipamentos que seriam
utilizados no equipamento proposto (elétrico) com o equipamentos de função
similiar utilizados no sistema hidráulico .
TABELA 01- Quadro comparativo entre equipamentos eletricos x Hidráulicos de funções
similares.
Sistema Eletrico
Sistema Hidráulico
Motores Elétricos
Motores Hidráulicos
Inversores de Frequencia para controle de
Reguladores de Fluxo para controle de
velocidade
velocidades
Motor de Passo e caixas de transmissão para
Atuador Hidráulico Linear de dupla ação.
realizar
a
profundidade
de
corte
da
ferramenta
Gerador
Elétrico
para
fornecer
energia
eletrica ao sistema
Bomba Hidráulica para fornecer energia
hidráulica
ao
sistema.
A
principio
será
utilizado o sistema hidraulico já existente em
tratores.
União rotativa Elétrica
União Rotativa Hidráulica
Desta forma, ilustramos nas Figuras 09 a 18 os equipamentos
hidráulicos que estão sendo utilizados.
Figura 09 – Comando hidráulico triplo.
FONTE: VENZON, 2013
Verifica-se na Figura 09 o comando hidráulico triplo de três alavancas,
sendo duas com três possição fixas com centro aberto que será utilizada para
acionamento dos motores elétricos, possibilitando com isso acionar o motor no
sentido horário e anti-horário ou mantê-lo desligado com a alavanca na
possição central. A terceira alavanca tambem é de três possições porém é
mantida no centro por ação mecânica de molas, que será utilizada para avanço
de recuo do atuador hidráulico. O comando possue ainda conexões de
entradas e saida de 3/8’ e valvula limitadora de pressão na entrada para
garantir que o sistema trabalhe com uma pressão máxima, que no caso foi
limitada a 180PSI para guarantir a integridade física do conjunto hidráulico.
Essa regulagem é obtida com o uso de manômetros e bancadas de testes para
equipamentos hidráulicos.
Figura 10 – União rotativa quatro vias independente.
FONTE: VENZON, 2013
A união rotativa hidráulica ilustrada na Figura 10 possui quatro vias
independentes com conexões de entrada e saída de 3/8”BSP. Construída com
corpo em alumínio, rotor em aço inox e rolamentos com lubrificação
permanente, possui sistema de fixação por flange e sua forma construtiva
permite trabalhar em sistemas hidráulicos com temperatura de até 121ºC,
pressão de 280 bar e rotação máxima de 580 RPM.
Figura 11 – Bomba hidráulica (sendo utilizado como motor hidráulico).
FONTE: VENZON, 2013
Para a transmissão dos movimentos foram utilizadas bombas hidráulicas
(Figura 11) ligadas de forma inversa, trabalhando como motores hidráulicos.
Esses equipamentos estão sendo utilizados com o objetivo de reduzir gastos,
uma vez que havia disponível na universidade (UFMT) dois equipamentos. No
decorrer dos testes será avaliada a eficiência dos mesmos, e a necessidade de
substituí-los por motores hidráulicos, uma vez que bombas hidráulicas
operando como motor possuem algumas limitações, e também por não
conhecermos as características construtivas das bombas existentes, tais como,
rotação de trabalho, torque transmitido, vazão necessária, etc.
Figura 12 – Atuador hidráulico linear de dupla ação.
FONTE: VENZON, 2013
Atuador linear de dupla ação (Figura 12), construído com dimensões
exclusivas para o projeto, com corpo em aço carbono com diâmetro externo de
50mm e haste em aço carbono SAE 1080 com tratamento superficial em cromo
níquel com diâmetro de 20mm e curso de 350mm. A fixação é realizada por
quatro parafusos M10x1,5 posicionados na parte traseira do atuador. A
fabricação foi necessária uma vez que não encontramos no comércio
atuadores com as dimensões e curso necessário.
Figura 13 – Reguladores de fluxo hidráulico (vista Frontal). FONTE: VENZON, 2013
Foi utilizado reguladores de fluxo (Figura 13) bidirecionais, pois, sua
forma construtiva permite regular a vazão do fluido em ambos os sentidos. Os
reguladores possuem manopla de fácil operação e um controle preciso do fluxo
realizado por um parafuso de ajuste com multi-voltas. Dois reguladores são
destinados ao controle de velocidade dos motores, possibilitando variar as
rotações de trabalho conforme as necessidades de operação ou conforme as
características físicas de cada solo coletado. O terceiro regulador tem a
finalidade de controlar a velocidade máxima de avanço do atuador linear (na
profundidade), controlando desta forma a velocidade de avanço da ferramenta
de corte (broca). Esses reguladores estão ligados em série ao sistema (Figura
14), recebendo na sua entrada o fluxo de óleo oriundo do comando hidráulico,
e sua conexão de saída é conectada diretamente no elemento realizador de
trabalho, neste caso, motor ou atuador.
FIgura 14 – Conexões das mangueiras aos reguladores de fluxo hidráulico. .
FONTE: VENZON, 2013
Figura 15 – Motor hidráulico e união rotativa com mangueiras instaladas. .
FONTE: VENZON, 2013
Figura 16 – União rotativa com mangueiras instaladas. .
FONTE: VENZON, 2013
Figura 17 – Comando hidráulico e reguladores de fluxo instalados. .
FONTE: VENZON, 2013
Figura 18 – Cabeçote móvel com motor hidráulico e mangueiras instaladas.
FONTE: VENZON, 2013
Durante o mês de outubro, foram realizadas a montagem e construção
das peças necessárias para os primeiros testes com o equipamento. Ilustramos
algumas etapas e detalhes construtivos nas Figuras 19 a 27.
Figura 19 – Pré montagem do equipamento,
FONTE: VENZON, 2013
Figura 20 – Sistema de transmissão.
FONTE: VENZON, 2013
Figura 21 – Motor hidráulico com acoplamento elástico.
FONTE: VENZON, 2013
Figura 22 – Cabeçote móvel, chassis com sistema de Transmissão.
FONTE: VENZON, 2013
Figura 23 – Cabeçalho de três pontos para fixação no trator.
FONTE: VENZON, 2013
Figura 24 – Sistema de levante de três pontos do trator a ser utilizado nos testes.
FONTE: VENZON, 2013
Figura 25 – Detalhes das partes que equipamento.
FONTE: VENZON, 2013
Figura 26 – Rasgos oblongos para alteração do diâmetro do monolito e
consequentemente do volume de solo coletado. FONTE: VENZON, 2013
Figura 27 – Vista geral do equipamento no primeiro teste.
FONTE: VENZON, 2013
2.1- AVALIAÇÕES PRELIMINARES EM LABORATÓRIO.
Após a conclusão da fabricação das peças, montagem dos conjuntos e
posteriormente a montagem final do equipamento, iniciou-se os primeiros
testes no início do mês de novembro de 2013.
Os testes iniciais foram realizados visando certificar o principio de
funcionamento, onde foram verificados os seguintes itens:
1. Sistemas de transmissão realizados por engrenagens e corrente;
2. Movimentos dos motores hidráulicos;
3. Ligações de mangueiras hidráulicas e fluxo de óleo;
4. Funcionamento do comando hidráulico triplo;
5. Regulagem de vazão realizada pelos reguladores de fluxo;
6. Avanço e recuo do atuador linear;
7. Rotação e alinhamento do eixo responsável pela transmissão dos
movimentos para a ferramenta de corte (broca);
8. Ajuste e limitação de pressão de todo o sistema hidráulico através da
válvula limitadora de pressão instalada na entrada do comando;
9. Ajustes e alinhamentos dos acoplamentos elásticos instalados em
cada motor;
10. Rigidez e operacionalidade do conjunto
Durante a realização dos testes citados anteriormente, alguns problemas
foram identificados e alguns ajustes foram necessários. Verifica-se situações
em que necessitam de melhorias e testes, uma vez que o equipamento em
desenvolvimento é um protótipo.
Após a realização desses primeiros testes funcionais do equipamento,
realizamos o teste de coleta de solo e o desempenho do equipamento atuando
no solo, agora sobre ação de forças externas realizando trabalho, também
verificando a eficiência de corte da ferramenta (broca) em relação ao solo.
Os testes de eficiência da ferramenta de corte (broca) estão
apresentados nas figuras 28 e 29, onde, em duas condições distintas, sendo a
primeira em solo arenoso extremamente compactado com presença de
cascalhos e a segunda, em solo arenoso e descompactado. Ambos os solos
apresentavam com baixa umidade.
Figura 28 – Primeiro teste, solo compactado, arenoso, com presença de cascalho.
FONTE: VENZON, 2013
Figura 29 – Primeiro teste, solo arenoso, descompactado.
FONTE: VENZON, 2013
A caracterização do solo, quanto a teor de área, silte e argila, nível de
compactação, e teor de água, não foram determinados durante a realização
dos primeiros testes, pois o objetivo era analisar a eficiência da ferramenta de
corte e do conjunto, visando ainda nesta fase, realizar melhorias mecânicas no
protótipo. Esses testes foram realizados no pátio ao lado da oficina mecânica
onde esta sendo construído o equipamento, sendo um solo não cultivado e
com alto tráfego de máquinas e equipamentos.
Concluído os testes e avaliando os resultados, verifica-se a necessidade
realizar ajustes, as quais estão relacionadas abaixo:
1. Para o solo compactado a ferramenta de corte (broca) não foi
eficiente, suas arestas de corte precisam ser redimensionadas,
por exemplo, alteração no ângulo de corte em relação ao solo.
2. Com relação ao solo descompactado, o helicoide construído para
realizar o transporte do solo não apresentou os resultados
esperados.
3. O motor hidráulico utilizado para realizar a transmissão de
movimento e torque para a ferramenta de corte, não possui força
e velocidade suficiente para tal finalidade.
Diante dos testes preliminares realizados, as próximas etapas do
desenvolvimento do equipamento será a substituição do motor de acionamento
da ferramenta de corte e o desenvolvimento de novas ferramentas de corte,
com modificações nas arestas de corte e ângulos de atuação para possibilitar a
realização de testes futuros.
3.0- RELATÓRIO FINANCEIRO PARCIAL.
Para o desenvolvimento do projeto o foi aprovado o valor total de R$
12.000,00 (doze mil reais) sendo pagos em duas parcelas. Até o dia 04/11/13 o
valor gasto com o projeto conforme notas fiscais enviadas e recebidas pela
Fundação Agrisus é de R$ 8.899,12 (oito mil, oitocentos e noventa e nove reais
com doze centavos), permanecendo um saldo de R$ 3.100,88 (três mil e cem
reais com oitenta e oito centavos). Na tabela 02 consta um resumo dos gastos
até 04/11/13.
TABELA 02- RESUMO DOS GASTOS COM O PROJETO AGRISUS 1155/13.
ITEM
1
2
3
4
5
6
7
DESCRIÇÃO / MATERIAIS
Vasos Plásticos
Mancais e Rolamentos
Engrenagens e Corrente
Eixos e tubo
Perfil U dobrado e Chapa Cortada
Mão de Obra de Usinagem e Solda
Mancais e Rolamentos
FORNECEDOR
Bazar Myllena
Israel Rolamentos
Mercadão Agrícola
Castanheira
RondoFerro
Rondotorno
Israel Rolamentos
VALOR (R$)
R$ 18,96
R$ 174,00
R$ 60,00
R$ 111,00
R$ 165,00
R$ 3.000,00
R$ 56,00
NF Nº
075
15.297
2.077
1.981
8.488
171
015.914
DATA
05/09/13
04/09/13
04/09/13
04/09/13
06/09/13
06/09/13
05/10/13
8
9
Eletrodo
Chapa e tarugo Tecnil
Amigão Borrachas
Marcos Sperling
R$ 50,00
R$ 110,00
11.423
2.131
05/10/13
07/10/13
10
11
Acoplamento, parafusos
Cilindro Hidráulico
Amigão Borrachas
Hidroni
R$ 77,52
R$ 300,00
10.926
7.991
17/09/13
23/09/13
12
13
Chapa dobrada
União Rotativa
Ferraço
Ciklone
R$ 20,00
R$ 1.737,32
6273
2.224
26/09/13
04/10/13
14
15
Chapa de aço e tarugo
Chapa cortada e Dobrada
Marcos Sperling
Ferraço
R$ 145,00
R$ 150,00
2.178
6822
19/10/13
10/10/13
16
Gedeoli
R$ 50,00
13.858
24/10/13
Hidroni
R$ 1.450,00
1.750
22/10/13
18
Tubo de Aço
Comando Hidráulico e Válvula
Regulador
Chapa dobrada
Ferraço
R$ 20,00
7379
25/10/13
19
20
Adaptador hidráulico
Ferro chato, aço laminado
Amigão Borrachas
Shopping do aço
R$ 135,00
R$ 110,00
11.791
7621
26/10/13
28/10/13
17
21
22
Chapa dobrada e Cortada
Parafuso, Disco de corte, Eletrodo
Ferraço
Mundial Parafuso
R$ 60,00
R$ 82,32
7462
11819
28/10/13
29/10/13
23
24
Luva de Ferro
Mangueiras e conexões Pneumáticas
Amigão Parafusos
Amigão Parafusos
R$ 17,00
R$ 800,00
11819
11984
29/10/13
04/11/13
VALOR TOTAL GASTO ATÉ 04/11/2013
R$ 8.899,12
4.0- CRONOGRAMA.
Durante a apresentação e submissão da proposta visando apoio
financeiro da Fundação Agrisus, foi enviado um cronograma das atividades que
seriam desenvolvidas ao decorrer dos anos de 2013 e 2014. Abaixo segue uma
copia desse cronograma, onde a letra “X” dentro dos respectivos meses
representa o programado e realizado e as cores facilitam a visualização da
situação atual tendo como referência o inicio de mês de dezembro de 2013.
Jun/13
Jul/13
Ago/13
Set/13
Out/13
Nov/13
Dez/13
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Abr/14
Mai/13
X
Mar/14
Abr/13
Crédito Mestrado
Fev/14
Mar/13
Prog
Atividades
Jan/14
Status
CRONOGRAMA.
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Real.
Prog
Pesquisa e atualização bibliográfica
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Real.
Elaboração dos Desenhos e Projetos
Prog
Real.
Construção do primeiro protótipo
Prog
Real.
Realização dos primeiros testes, com
Prog
o
Real.
objetivo
de
melhoramento
e
pesquisa de novos materiais.
Melhorias no protótipo
Prog
X
X
Real.
Analise dos resultados obtidos
Prog
X
Real.
Melhorias no projeto e construção do
Prog
Equipamento definitivo
Real.
Escrita e discussão dos resultados
Prog
X
Real.
Apresentação
do
trabalho
de
dissertação
Prog
Real.
LEGENDA:
Atividades concluídas
Atividades em andamento
Atividades em atrasado
Atividades não iniciadas
Prog
Programado
Real. Realizado
X
Com relação a atividade em atraso, referente a realização dos
desenhos, a mesma foi paralisada por priorizar a realização dos testes e
ensaios preliminares diversos, das peças e conjuntos, que estão sendo
modificados visando melhorar a eficiência do equipamento. Com isso evitamos
retrabalhos, pois todos os desenhos que já estivessem prontos e que por
algum motivo fossem modificados haveria a necessidade de modificá-los
novamente. Portanto essa etapa envolvendo a realização dos desenhos será
realizada após a definição do funcionamento do equipamento, o que deverá
ocorrer entre os meses de fevereiro e março de 2014. As demais atividades
estão conforme o planejamento realizado.
___________________________
Marcio Venzon
Mestrando e coordenador do Projeto.
___________________________
Prof. Dr. Tonny J. A. da Silva.
Orientador e coordenador do Curso de Pós Graduação
UFMT/ICAT/Rondonópolis