1 Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMA PRENSA DE ALUMÍNIO COMPACTA Adilson Baptista Bernardo Campinas – São Paulo – Brasil Dezembro de 2008 2 Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMA PRENSA DE ALUMÍNIO COMPACTA Adilson Baptista Bernardo Monografia apresentada à disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas da Universidade São Francisco, sob a orientação do Prof. Guilherme Bezzon, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação. Orientador: Prof. Guilherme Bezzon Campinas – São Paulo – Brasil Dezembro 2008 3 PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMA PRENSA DE ALUMÍNIO COMPACTA Adilson Baptista Bernardo Monografia defendida e aprovada em 13 de Dezembro de 2008 pela Banca Examinadora assim constituída: Prof Ms/Dr Guilherme Bezzon USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP. Prof Ms/Dr Sergio Adriani David USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP. Prof João Hermes Clerici USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP. 4 A diferença entre um homem de sucesso e outro orientado para o fracasso é que um está aprendendo a errar, enquanto o outro está procurando aprender com os seus próprios erros. (Confúcio) 5 À meus pais Isolda de Lourdes Guedini e João Baptista Bernardo, sem os quais não chegaria até aqui. À minha noiva e futura esposa, Milena Elias Jorge, pelo seu amor, compreensão e incentivo; fatores importantes que possibilitaram a conclusão deste trabalho. À minha irmã Priscila e aos meus amigos que foram companheiros nesse momento importante. Serei eternamente grato à todos vocês. tão 6 .Agradecimentos Agradeço primeiramente a Deus pela proteção e fortalecimento por mais essa conquista. Agradeço ao Professor Guilherme Bezzon, meu orientador, que acreditou e incentivou-me para a conclusão deste trabalho, a todos os professores que foram importantes para meu estudo. Agradeço principalmente à minha família e minha noiva pelo incentivo, carinho e compreensão, pelos momentos de ausência; tudo isso foram fatores importantes que incentivaram os meus estudos. Não poderia de deixar de agradecer aos meus grandes amigos Flavio Strazza, Rafael Bissoto, Rafael Tenca e Anderson Ruiz, pela grande ajuda não só neste trabalho, como no decorrer da minha formação acadêmica. 7 SUMÁRIO Lista de Figuras ........................................................................................................................ 9 Lista de Tabelas ...................................................................................................................... 10 Lista de Equações ................................................................................................................... 11 Lista de Equações ................................................................................................................... 11 Resumo .................................................................................................................................... 12 Resumo .................................................................................................................................... 12 Abstract ........................................................................................ Erro! Indicador não definido. 1 Introdução ........................................................................................................................ 13 1.1 Objetivos ..................................................................................................................... 13 1.2 Justificativa.................................................................................................................. 13 2 Revisão Bibliográfica ....................................................................................................... 14 2.1 Alumínio...................................................................................................................... 14 2.2 História de sucesso ...................................................................................................... 15 2.3 Reciclagem .................................................................................................................. 17 2.3.1 Conceitos básicos .................................................................................................17 2.3.2 Por que reciclar? ...................................................................................................18 2.3.3 Fluxo da reciclagem..............................................................................................19 2.3.4 Seleção de lixo......................................................................................................21 3 Materiais e métodos ......................................................................................................... 22 3.1 Materiais...................................................................................................................... 22 3.1.1 Hidráulica .............................................................................................................22 3.1.2 Vantagens de Acionamento Hidráulico................................................................23 3.1.3 Cilindros ...............................................................................................................24 3.2 Métodos....................................................................................................................... 25 3.2.1 Esquemas de produção .........................................................................................25 4 Máquina Compactadora de Alumínio ........................................................................... 27 4.1 Desenho do diagrama .................................................................................................. 27 4.2 Dimensionamento........................................................................................................ 28 4.3 Levantamento dos dados de processo ......................................................................... 29 4.4 Desenvolvimento......................................................................................................... 29 4.5 Redimensionamento do Motor Elétrico ...................................................................... 33 4.6 Cálculo da Tubulação.................................................................................................. 33 4.7 Seleção dos componentes............................................................................................ 35 5 Custos sócio-econômicos.................................................................................................. 41 8 6 Resultados......................................................................................................................... 42 7 Considerações finais ........................................................................................................ 43 8 Referências Bibliográficas............................................................................................... 44 9 Referências Consultadas ................................................................................................. 45 9 Lista de Figuras Figura 1: Índice de reciclagem de latas de alumínio ................................................................ 17 Figura 2: Reciclagem das latas de Alumínio [3] ...................................................................... 20 Figura 3: Cilindro hidráulico em corte [5] ............................................................................... 25 Figura 4: Linha de separação e prensagem de latas [6]............................................................ 26 Figura 5: Diagrama Hidráulico Máquina Otimizada................................................................ 28 Figura 6: Diagrama de uma bomba simples ............................................................................. 32 Figura 7: Diagrana de uma bomba dupla ................................................................................. 32 Figura 8: Ábaco para Cálculo do Diâmetro Interno da Tubulação [5]..................................... 34 Figura 9: Projeto da Máquina Compactadora de Alumínio Otimizada (imagem de cortesia da empresa ZM Hidráulica)................................................................................................... 35 Figura 10: Máquina Compactadora de Alumínio Otimizada Finalizada (imagem de cortesia da empresa ZM Hidráulica)................................................................................................... 37 Figura 11: Maquina Compactadora de Alumínio sem Otimização (imagem de cortesia da empresa ZM Hidráulica)................................................................................................... 38 Figura 12: Diagrama hidráulico da máquina compactadora não otimizada ............................. 39 10 Lista de Tabelas Tabela 1: Aspectos econômicos, sócias e ambientais............................................................... 19 Tabela 2: Cilindros Hidráulicos Vickers [5]............................................................................. 30 Tabela 3: Lista de Peças da Unidade Hidráulica Otimizada .................................................... 36 Tabela 4: Dados Técnicos da Máquina Compactadora de Alumínio Otimizada ..................... 37 Tabela 5: Dados Técnicos da Máquina Compactadora de Alumínio sem Otimização ............ 40 Tabela 6: Dados sócio-econômicos [7] .................................................................................... 41 11 Lista de Equações A= A = Área (cm 2 ) D = Diâmetro (cm) D ² xπ 20² xπ = ≅ 314,16cm² 4 4 P = Pr essão (bar ) F 50000 P= = ≅ 159,15bar A 314,16 F = Força ( kgf ) A = Área (cm ) A = 314,16cm² V = 10cm / s Q = Vazão (l / m) QxP 188,5 x160 N= = ≅ 70,8CV 426 426 QxP 188,5 x 40 N= = ≅ 17,70CV 426 426 QxP 28 x160 N= = ≅ 10,5CV 426 426 (Equação 2)..............31 2 A = Área (cm 2 ) V = Velocidade (cm / s ) C 140 t= = = 14 s V 10 (Equação 1)..............30 (Equação 3) .....................................................31 t = tempo ( s ) C = Curso (cm) V = Velocidade (cm / s ) (Equação 4)............31 N = Potência (cv) Q = Vazão (l / m) P = Pr essão (bar ) (Equação 5) ..................32 N = Potência (cv) Q = Vazão (l / m) P = Pr essão (bar ) (Equação 6)..........................33 N = Potência (cv) Q = Vazão (l / m) P = Pr essão (bar ) (Equação 7) .......................33 12 Resumo As máquinas compactadoras de alumínio têm como principal objetivo a prensagem de material reciclado, obtendo-se fardos, facilitando assim o transporte e aumentando a agilidade do processo até o cliente final. Esse trabalho tem como objetivo principal o projeto e desenvolvimento de uma máquina otimizada para a compactação de alumínio, demonstrar suas vantagens como: custo operacional, manutenção, dimensionamento reduzido e menor custo de mercado, proporcionando com isso maior facilidade na venda para pequenas e médias empresas. A máquina consiste em receber latinhas de alumínios já separadas e selecionadas através de um funil e fazer a prensagem do material em vários ciclos até atingir sua forma determinada. Essa prensagem é realizada através de um sistema hidráulico, sendo utilizados dois cilindros devidamente calculados, atingindo a força necessária para a compactação do alumínio. Esse processo possibilita um melhor armazenamento, evitando o acúmulo de materiais, proporcionando maior agilidade de materiais compactados, facilitando o transporte e a comercialização desses materiais. PALAVRAS-CHAVE: Prensa, Alumínio, Compactação de Alumínio 13 1 INTRODUÇÃO O processo de compactação de alumínio tem se tornado cada vez mais uma atividade com importantes características sociais ambientais e econômicas, mobilizando uma mão de obra até pouco tempo carente e que atualmente obtém suas necessidades financeiras através desse processo. O Alumínio por ser um material com alto poder de reciclabilidade vem ganhando espaço e abrindo novos mercados para as máquinas de compactação. Pode-se tomar como exemplo, as latinhas de alumínio, que podem ser encontradas por toda a parte em grande quantidade. Com isso, as máquinas compactadoras tem como principal objetivo a prensagem do alumínio, obtendo-se fardos, facilitando assim o transporte e aumentando a agilidade do processo até o cliente final. Outro fator extremamente importante é a redução de refugos, ponto primordial para empresas que visam melhor qualidade de trabalho, além de facilitar uma melhor organização, utilizando o espaço para outros fins. O projeto a ser apresentado visa tornar a máquina compactadora o mais compacta possível, tornando-a com um custo mais competitivo e facilitando uma melhor comercialização. 1.1 Objetivos Esse trabalho tem como principal objetivo desenvolver o projeto e concepção de uma prensa de alumínio simples e compacta, obtendo com isso um valor competitivo no mercado, para atender não só as grandes empresas como também as médias e pequenas. 1.2 Justificativa Hoje no mercado de trabalho cada vez mais, há necessidade de reciclar material, reduzir espaços e obter produtos baratos com a mesma finalidade. Especialmente em se tratando de um produto como o alumínio, que apresenta um grande giro no mercado. Observando-se essa necessidade, surgiu o interesse em realizar um estudo buscando não alterar a funcionalidade da máquina, mas tornar um equipamento compacto e com valores acessíveis, fazendo atingir as expectativas que o mercado necessita. 14 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Nos dias atuais cada vez mais observa-se a necessidade de reciclar materiais, o mundo vem usando sem controle produtos com embalagens que necessitam de processamento adequado. O alumínio tem uma característica muito importante, sua reciclabilidade, sendo capaz de ser processado infinitas vezes sem perder suas qualidades no processo de reaproveitamento, o que não se observa com outros materiais. O exemplo mais comum é o da lata de alumínio para bebidas, cuja sucata transforma-se novamente em lata após a coleta e refusão, sem que haja limites para seu retorno ao ciclo de produção. Esta característica possibilita uma combinação única de vantagens para o alumínio, destacando-se, além da proteção ambiental e economia de energia, o papel multiplicador na cadeia econômica. A reciclagem de alumínio é feita tanto a partir de sobras do próprio processo de produção, como de sucata gerada por produtos com vida útil esgotada. De fato, a reciclagem tornou-se uma característica intrínseca da produção de alumínio, pois as empresas sempre tiveram a preocupação de reaproveitar retalhos de chapas, perfis e laminados, entre outros materiais gerados durante o processo de fabricação. 2.1 Alumínio Leveza, resistência, versatilidade, reciclabilidade, sendo que ao contrario de outros materiais, pode ser produzido infinitas vezes sem perder suas qualidades nos processos de reaproveitamento. Essas características fazem do alumínio um material moderno e dos mais importantes atualmente, a ponto de ser quase impossível imaginarmos o nosso dia-a-dia, sem ele. Jovem, se comparado com outros metais conhecidos e utilizados desde a antiguidade, ele substitui, com vantagens inegáveis, materiais mais pesados e menos duráveis. Entra na composição de quase tudo o que faz parte da vida dos habitantes deste planeta, agregando valor, funcionalidade e também beleza a produtos tão simples quanto utensílios domésticos ou tão complexos quanto naves espaciais. O alumínio não é encontrado em estado nativo, ele é obtido a partir de um minério chamado bauxita. Para produzi-lo é necessário separar os elementos que compõem a bauxita da alumina. Chega-se à alumina através de um pó branco e fino, que passa por um processo de refinamento. Depois de uma série de processos químicos chega-se ao alumínio primário. O 15 alumínio secundário é produzido através da reciclagem dos produtos compostos pelo alumínio em geral, tais como: janelas, panelas, peças automotivas e principalmente as latas de alumínio. A produção de alumínio secundário ( reciclagem ) evita a extração da bauxita, pois para cada 1 tonelada de alumínio reaproveitado, deixa-se de retirar do solo 5 toneladas do minério. Outra grande vantagem é que para produzir 1 tonelada de latas de alumínio secundário é gasto apenas 750kW/h, enquanto que a mesma quantidade produzida com o uso do alumínio primário, gasta 17.600kW/h, o que representa uma economia de 95% de energia, seu principal insumo de produção. Sua historia se confunde com a da ciência e da tecnologia contemporâneas e é permeada pela persistência e ousadia de cientistas e empreendedores. A lata de alumínio é o maior exemplo disto, cuja sucata irá transformar-se após a coleta e refusão em lata novamente. Além disto o alumínio ao ser reaproveitado gera uma economia muito grande em energia elétrica, sem contar a economia com a extração de reservas naturais. Estas características possibilitam uma série de vantagens para o alumínio, o que faz com que este seja o material com o maior índice de reciclagem no Brasil. Segundo a ABAL – Associação Brasileira do Alumínio, o ciclo de vida da lata, ou seja, o período que ela leva para sair da indústria e retornar como matéria prima é de apenas 45 dias em média. De certa forma este dado também ajuda a explicar o alto índice de reciclagem do alumínio. Porém o dado mais forte, é o alto valor agregado ao material. Hoje o alumínio é um dos materiais cuja sucata obtém o maior preço de compra no mercado. [1] As condições e a qualidade do material obtido tem uma diferença muito grande dos outros materiais recicláveis. Por todas as características citadas, e principalmente pelo valor pago na sucata existe uma espécie de malha de coleta informal na qual supõem-se que trabalhem mais de 150.000 pessoas. Existem muitas pessoas que encontram no alumínio a possibilidade de um ganho extra. Quanto mais curto for o ciclo de vida de um produto de alumínio, mais rápido será o seu retorno a reciclagem. Com isso as máquinas compactadoras de alumínio, devido a sua agilidade no processo de fabricação, tem um papel importante mercado industrial. 2.2 História de sucesso A história desta mágica embalagem é resultado de muitas pesquisas, perseverança, tecnologia e, até mesmo, de sorte. 16 O Brasil tem uma das três maiores reservas de bauxita do mundo. A produção de latas de alumínio no Brasil teve inicio em 1989. Após 18 anos, ultrapassou a marca de 10 bilhões de unidades. Todo esse sucesso teve uma razão: as inúmeras vantagens que o alumínio oferece. O alumínio é perfeito para embalar bebidas porque supre várias necessidades, tanto do distribuidor, quanto do consumidor. Por ser leve e resistente, o alumínio pode ser carregado com grande economia, à medida que agiliza a carga e descarga do material. A tampa representam 23% do peso total da lata e sendo fabricada com uma liga de alumínio mais resistente e que não sofre oxidação. A lata, além de poder ser facilmente pintada e rotulada, é uma barreira perfeita contra luz e água, mantendo inalterados a qualidade e o sabor da bebida. Além disso, a lata não ocupa muito espaço – seis latas ocupam o mesmo espaço de três garrafas – e podem ser empilhadas. O alumínio faz com que a bebida gele mais rápido e conserva a temperatura por mais tempo. Depois de pronta, a lata de alumínio passa por um rigoroso controle de qualidade, sendo que um dos testes é feito utilizando-se um feixe de luz de alta intensidade capaz de detectar qualquer defeito. Pode-se considerar como o melhor tipo de embalagem para bebidas, devido à sua leveza, resistência e por propiciar menores custos com transportes e estocagem. Hoje 74 latas são produzidas com 1 kg de alumínio, enquanto que em 1992, 64 latas e em 1972, 49 latas. As linhas de enchimento dos fabricantes de bebidas passaram das 30 mil latas/hora para 120 mil latas/hora nos últimos anos. Em média, 74 latinhas de alumínio vazias correspondem a 1 kg e com uma chapa de alumínio de 1 metro de comprimento por 1,72m de largura, podem ser produzidas 99 latinhas. O ciclo de vida da lata de alumínio – espaço entre a produção e o retorno aos centros de reciclagem, leva em média 30 dias. A reciclagem das latas de alumínio preserva os recursos naturais, energia, reduz a coleta de lixo, gera emprego e contribui com programas sociais. Segundo a ABAL – Associação Brasileira de Alumínio, estima-se que mais de 130 mil pessoas vivem da coleta de latas para reciclagem, recebendo em média, três salários mínimos por mês. Somente a reciclagem de alumínio no Brasil, envolve cerca de 5 mil empresas.[1] O Brasil reciclou 78% de todas as latas de alumínio para bebidas cervejas, refrigerantes, sucos, consumidos durante o anos de 2000. Este foi o maior índice do Brasil desde 1990, quando iniciou as estatísticas. Conforme a ABAL – Associação Brasileira de Alumínio – está taxa significa que 102,8 mil toneladas de latas de alumínio já usadas, voltaram ao ciclo de produção. Brasil, Japão e Argentina são os maiores recicladores de alumínio do mundo, conforme apresentado na Figura 1. 17 Figura 1: Índice de reciclagem de latas de alumínio 2.3 Reciclagem 2.3.1 Conceitos básicos A idéia de se aproveitar resíduos não é nova. Ela tem, contudo se estabelecido de forma expressiva, não só por razões econômicas, mas também como forma de minimizar os impactos no meio ambiente. Segundo as definições, reciclagem consiste em um processo de transformação de materiais, previamente separados, de forma a possibilitar a sua recuperação. Reciclar é um termo que usa-se desde os anos 70, quando tornou-se maior a preocupação ambiental, reforçada em função do racionamento do petróleo. Reciclar significa fazer retornar ao ciclo de produção, materiais que foram usados e descartados. Este procedimento é adotado por países com poucos recursos naturais, por países em crise energética e por países pobres, mas, basicamente, é uma exigência do mundo moderno, que se convence de não ser mais possível desperdiçar e acumular de forma poluente materiais recuperáveis. [2] Um dos grandes problemas dos tempos modernos a ser enfrentado pelas organizações é o gerenciamento de resíduos sólidos urbanos. A garantia da limpeza pública, a preservação 18 do meio ambiente e a saúde pública resultam de um sistema de gerenciamento de resíduos que necessita de espaços adequados, equipamentos específicos e que envolvem pessoas em diversas atividades. No Brasil, grande parte dos resíduos sólidos gerados não chega a ser coletado e o destino final para aqueles coletados é, na maioria dos municípios, o “lixão”. O acelerado crescimento das cidades dificultou o suprimento de infra-estrutura básica necessária à população. Dentre os serviços considerados precários encontra-se o sistema de limpeza pública. A problemática dos resíduos torna-se tanto mais complexa quanto maior for o volume de lixo produzido. Através da aplicação de técnicas de tratamento, obtém-se uma redução do volume de lixo a ser aterrado. Dentre essas técnicas destaca-se a reciclagem, por propiciar diversos benefícios ambientais, sociais e econômicos. A reciclagem vem sendo adotada em vários países e está começando a ser difundida e adotada no País. 2.3.2 Por que reciclar? A reciclagem do alumínio oferece muitas vantagens. Os benefícios da atividade podem ser medidos pela economia de energia elétrica e da bauxita (minério que origina o alumínio primário) e pelo aspecto social, tendo como base a geração de renda promovida pela atividade e o número de famílias atendidas por projetos sociais ligados à reciclagem. Para devolver o alumínio ao mercado, a reciclagem economiza 95% da energia elétrica que seria utilizada na produção do metal a partir da bauxita. O volume de alumínio reciclado no Brasil em 2006 economizou cerca de 1.976 GWh/ano de energia elétrica ao País, o suficiente para abastecer, por um ano inteiro, uma cidade com mais de um milhão de habitantes, como Campinas (SP). Além disso, poupou 700 mil toneladas de bauxita (minério do qual se obtém o alumínio), que seriam extraídas das reservas naturais brasileiras. A atividade injeta recursos nas economias locais, cria novos empregos e gera renda para aproximadamente 170 mil pessoas em uma série de atividades que vão desde a coleta até a transformação final da sucata em novos produtos. Leva desenvolvimento e aumenta a oferta de empregos no país, sem falar da criação de novas atividades e da maior demanda da indústria de base, com máquinas e equipamentos especiais necessários para a reciclagem do alumínio. No aspecto ambiental, a reciclagem do alumínio diminui o volume de lixo gerado, poupando espaço nos aterros sanitários. Também estimula a consciência ecológica, 19 incentivando também a reciclagem de outros materiais, por meio de programas de educação ambiental. Atualmente, a reciclagem de alumínio tem beneficiado instituições e escolas que convertem os valores obtidos na venda da sucata para comprar alimentos e equipamentos. A cada 1.000 kg de alumínio reciclado significam 5.000 kg de minério bruto (bauxita) poupados. A Tabela 1 mostra os benefícios que a reciclagem de alumínio traz para os aspectos econômicos, sociais e ambientais. Tabela 1: Aspectos econômicos, sócias e ambientais Econômicos e Sociais Ambientais Assegura renda em áreas carentes, constituindo fonte permanente de Favorece o desenvolvimento da consciência ambiental, promovendo um ocupação e remuneração para mão-de-obra não qualificada. comportamento responsável em relação ao meio ambiente, por parte das empresas e dos cidadãos. Injeta recursos nas economias locais, através da criação de empregados, Incentiva a reciclagem de outros materiais, multiplicando ações em recolhimento de impostos e desenvolvimento do mercado. virtude do interesse que desperta por seu maior valor agregado. Estimula outros negócios, por gerar novas atividades produtivas Reduz o volume de lixo gerado, contribuindo para a solução da questão do (máquinas e equipamentos especiais). tratamento de resíduos resultantes do consumo. 2.3.3 Fluxo da reciclagem A reciclagem do alumínio segue fluxos diferentes, de acordo com o tipo de sucata. As fases se modificam na coleta e no retorno da sucata ao mercado, dependendo do produto a ser reciclado. Como exemplo, a Figura 2 apresenta uma ilustração com o fluxo de reciclagem da lata de alumínio, que serve como referência para os demais produtos. 20 Figura 2: Reciclagem das latas de Alumínio [3] 1 e 2 - O consumidor compra o produto embalado nas latas de alumínio nos pontos de venda. Depois de usada, a lata de alumínio vazia é levada aos postos de coleta ou vendida aos compradores; 3 - Nesses, locais as latas são processadas e prensadas em fardos; 4 - Em seguida, são enviadas para o Centro de reciclagem; 5 - Após a limpeza, retirada de verniz, tinta e óleo, as latas usadas são transformadas em alumínio líquido; 6 - Transferido em cadinhos para a área de refusão, o alumínio liquido é solidificado em forma de placas; 7 - As placas passam por um processo chamado laminação e as chapas resultantes são acondicionadas em grandes bobinas também de alumínio; 8 - As chapas são, então usadas como matéria-prima na fabricação de novas latas de alumínio; 9 - Na fábrica de bebidas, as latas de alumínio passam novamente pelo processo de enchimento; 10 - Mais uma vez, as latas de alumínio voltam aos pontos de venda. 21 2.3.4 Seleção de lixo Um número crescente de empresas passou a reciclar materiais e sobras de produção. A reciclagem é um dos passos iniciais dos sistemas de gestão ambiental por não exigir investimento muito pesado e trazer benefícios rápidos. Na LATASA, fabricante de latas de alumínio, a reciclagem possibilita uma enorme economia de matéria-prima e energia elétrica. Para cada lata reciclada a empresa poupa o equivalente ao consumo de uma televisão durante três horas. Os empresários estão descobrindo que poluir significa desperdiçar, não ter eficiência e perder a competitividade – condição indispensável para o crescimento na economia moderna. Para recuperar suas embalagens a LATASA - fabricante de latas de alumínio, instalou postos em supermercados para a troca de latas por vales compra. Para apoiar o Programa, em março de 1993, a empresa lançou o Projeto Escola. Através do projeto, escolas públicas e particulares trocam latas de alumínio vazias por equipamentos como: ventiladores de teto, televisores, videocassetes, microcomputadores e outros. [4] 22 3 MATERIAIS E MÉTODOS Para definir-se qual tecnologia de comando empregar em uma máquina compactadora é preciso primeiro conhecer todas as etapas de funcionamento, assim como a complexidade do sistema. A elaboração do diagrama de comando e atuação resulta na definição da lógica de funcionamento, entretanto, é preciso escolher qual a tecnologia de comando aplicar. Esta definição passa pelas características de aplicação do mecanismo de compactação, como a possibilidade de interligação com sistemas eletrônicos, pelos recursos técnicos e financeiros disponibilizados, pela análise do ambiente de instalação, entre outros. 3.1 Materiais 3.1.1 Hidráulica O acionamento de uma máquina compactadora é realizado através de cilindros hidráulicos acionados por uma unidade hidráulica, capazes de transmitir força e velocidade. A Hidráulica tem ocupado um lugar de grande destaque como meio de acionamento e controle de movimento de máquinas e equipamentos nos mais diversos ramos de atividades industriais. As leis da Física sobre fluidos são semelhantes às da mecânica sólida e ainda mais simples do que as referentes à eletricidade, vapores ou gases. A engenharia em geral, e a hidráulica em particular, têm sido aplicadas para facilitar e otimizar atividades que antes exigiam a força do homem. A versatilidade e simplicidade de controle bem como as dimensões reduzidas de seus componentes fizeram da Hidráulica uma das mais importantes formas de acionamento de máquinas. O projeto de um sistema Hidráulico para atendimento das necessidades de operação de um equipamento requer uma série de cuidados para se obter o melhor desempenho possível em termos de segurança dos operadores e materiais, economia no consumo de energia, e precisão na operação. 23 Quando compara-se a hidráulica industrial, em relação aos equipamentos mecânicos, pneumáticos e elétricos, percebe-se uma grande vantagem pois um fluido confinado é um dos meios mais versáteis de modificar o movimento e transmitir força. E tão rígido quanto o aço, porém infinitamente flexível. Pode assumir instantaneamente, todas as formas possíveis e introduzir-se em qualquer objeto que resista ao seu avanço. Pode-se dividir em partes, cada qual realizando um trabalho de acordo com sua dimensão e novamente, se reagrupar para trabalhar como um só corpo. Pode-se movimentar rapidamente em um ponto e lento em outro, apresentando alto índice de exatidão e flexibilidade, mantendo a capacidade de transmitir um máximo de força em um mínimo espaço e peso. 3.1.2 Vantagens de Acionamento Hidráulico - Velocidade variável – A maior parte dos motores elétricos tem uma velocidade constante e, isso é aceitável quando temos que operar uma máquina a uma velocidade constante. O atuador ( linear ou rotativo ) de um sistema hidráulico, entretanto, pode ser acionado a velocidades variáveis, desde que se varie o deslocamento da bomba ou se utilize uma válvula reguladora de vazão. - Reversibilidade – Sem desligar a máquina, bastando apenas alterar a posição do êmbolo da válvula direcional, ocorre a inversão do movimento do atuador. Esta inversão pode também ser obtida com o emprego de bombas reversíveis. Nos demais equipamentos, tais como motores elétricos, há necessidade de desligá-los para se obter a inversão. - Proteção contra sobrecargas – A válvula de segurança protege o sistema hidráulico de danos causados por sobrecargas. Quando a carga excede o limite da válvula, desvia-se o fluxo da bomba ao tanque, com limites definidos ao torque ou à força. A válvula de segurança permite também, ajustar uma maquina à força ou ao torque especificado, tal como numa operação de travamento. - Dimensões reduzidas – Como a força e velocidade dos atuadores dependem apenas de pressão e vazão respectivamente, o peso e o tamanho dos componentes hidráulicos são reduzidos em relação aos equivalentes equipamentos elétricos e mecânicos da mesma potência. - Proteção contra sobrecarga – Se um motor elétrico for sobrecarregado, pode se danificar ou seu fusível se queimar, da mesma forma equipamentos mecânicos não podem ser bruscamente parados ou ter seu movimento de rotação invertido. Num sistema hidráulico a pressão é proporcional à carga, se a mesma exceder os limites de trabalho, a válvula de 24 segurança abrir-se á impedindo qualquer dano ao sistema. A válvula de segurança também se abre quando o atuador pára, não havendo necessidade de se desligar a máquina. 3.1.3 Cilindros Os cilindros hidráulicos são atuadores lineares. Por serem lineares, pode-se dizer, que o trabalho de um cilindro é realizado em linha reta. O cilindro hidráulico mais usado é o modelo de dupla ação, ou seja, é operado pelo fluido hidráulico em ambos os sentidos. Isso significa que se pode obter força em qualquer dos sentidos do movimento. Um cilindro de dupla ação é classificado também como cilindro diferencial, por possuir áreas desiguais expostas à pressão, durante os movimentos de avanço e retorno. Essa diferença de área é devida à área da haste, que é fixada ao pistão. Nesses cilindros, o movimento de avanço é mais lento que o de retorno, porém exerce uma força maior. Qualquer cilindro de duplo efeito pode se tornar um de simples ação drenando o lado inativo para o reservatório. Conforme Figura 3 as peças essenciais de um cilindro são: um tubo, um pistão, uma haste, tampas e retentores adequados. Os tubos geralmente são de aços sem costura com acabamento muito fino na superfície interna. O pistão, de ferro fundido ou de aço, incorpora retentores para reduzir o vazamento entre este e a parede do tubo. Os anéis de pistão do tipo automotivo são usados quando se pode admitir um pouco de vazamento. Os pórticos do cilindro são localizados nas tampas, que são fixas rigidamente às extremidades do tubo, por meio de tirantes e porcas. O retentor da haste é do tipo de cartucho, no qual estão montados o retentor propriamente dito e um anel limpador para eliminar impurezas da haste. O cartucho facilita a substituição dos retentores. 25 Figura 3: Cilindro hidráulico em corte [5] 3.2 Métodos 3.2.1 Esquemas de produção O esquema apresentado na Figura 4 é um esquema básico e as mudanças na linha de equipamentos poderão variar de acordo com os fabricantes. O esquema apresentado normalmente apresenta capacidade média de 100 toneladas/mês. Para capacidades menores a separação poderá ser feita em esteiras simples e o material ser prensado em prensas horizontais, sabendo que a prensa ideal é a vertical que por prensar as latas em pelo menos duas direções, faz com que o fardo fique mais compactado, não necessitando de nenhum outro tipo de insumo para a sua confecção. 26 Figura 4: Linha de separação e prensagem de latas [6] 1 - As latas são colocadas na esteira de entrada. 2 - As latas passam por uma peneira rotatória que faz a separação de pedras e outros contaminantes menores. 3 - As latas passam por uma peneira vibratória onde é feita a separação de outros contaminantes, bem como a inspeção visual do material. 4 - A esteira de alimentação tem uma dupla função, alimentar a prensa e separar as latas de alumínio das de aço. 5 - O material é prensado e está pronto para ser vendido aos transformadores. 27 4 4.1 MÁQUINA COMPACTADORA DE ALUMÍNIO Desenho do diagrama A primeira fase do projeto hidráulico consiste no desenho do diagrama. È preciso inicialmente fazer um levantamento das necessidades da máquina em função dos requisitos do projeto, tais como: - Seqüência de movimentos - Sistema de comando - Condições de trabalho e ambiente - Requerimentos de segurança ( operador e equipamento ) - Espaço existente para instalação hidráulica. Para se obter um diagrama hidráulico funcional, que atenda as necessidades da máquina, com precisão de operação e baixo consumo de energia é importante conhecer os componentes hidráulicos existentes bem como suas aplicações. È importante salientar que cada equipamento deve ser analisado individualmente e a solução encontrada em termos de circuito hidráulico deve ser adequada para ele. Para atender as necessidades de movimento de um determinado equipamento, existem varias possibilidades de circuito, portanto deve-se analisar as opções e escolher a mais adequada, levando em conta, custo de instalação, performance obtida, segurança na operação, e simplicidade de comando. Conforme levantamento das necessidades foi possível desenvolver o diagrama hidráulico como mostra a Figura 5, a lista de peças vide tabela 3 pág. 36. 28 Figura 5: Diagrama Hidráulico Máquina Otimizada 4.2 Dimensionamento Após o desenho do diagrama é feito o dimensionamento dos componentes que formam o circuito hidráulico. As necessidades do equipamento são os parâmetros a serem seguidos no dimensionamento. Portanto é necessário conhecer: - Carga ou peso deslocado por cada atuador. - Velocidade de deslocamento em cada movimento. - Tempo ou velocidade. 29 4.3 Levantamento dos dados de processo Dados da máquina compactadora de alumínio – Fornecido pelo cliente: Capacidade da máquina – Força de prensagem 50 toneladas Velocidade – 10 cm/s Curso do pistão – 1400mm 4.4 Desenvolvimento Cilindro Hidráulico São dimensionados em função da força máxima a ser desenvolvida. Quando a pressão máxima não é fornecida, deve ser adotado um valor, levando-se em conta: - Quanto maior a pressão, menor será o diâmetro do cilindro e conseqüentemente dos demais componentes do circuito. - Pressões máximas dos cilindros hidráulicos. Portanto o ideal é sempre adotar pressões menores e trabalhar com cilindros hidráulicos maiores, a fim de que a unidade hidráulica tenha uma durabilidade maior. A Tabela 2 apresenta os diâmetros comerciais de cilindros hidráulicos Vickers. 30 Tabela 2: Cilindros Hidráulicos Vickers [5] Consultando-se a Tabela 2, adotou-se o cilindro hidráulico TV, que possui as seguintes características técnicas: Diâmetro – 200mm Haste – 140mm Curso – 1400mm Fixação 11 – Articulação Macho Cálculo da área do cilindro D ² xπ 20² xπ = ≅ 314,16cm² 4 4 Área do cilindro = 314,16cm² A= A = Área (cm 2 ) D = Diâmetro (cm) (Equação 1) 31 Cálculo da pressão de trabalho Selecionado o diâmetro do cilindro e da haste, recalcula-se a pressão de trabalho no avanço e no retorno. F 50000 P= = ≅ 159,15bar A 314,16 P = Pr essão (bar ) F = Força (kgf ) (Equação 2) A = Área (cm 2 ) Pressão de trabalho = 160bar Cálculo de vazão necessária A vazão necessária para o cilindro é calculado em função da sua área e da velocidade do movimento. Conforme velocidade informada e área calculada tem-se: A = 314,16cm² V = 10cm / s A = Área (cm 2 ) V = Velocidade (cm / s ) (Equação 3) Q = Vazão (l / m) Q = VxA = 10 x314,16 = 3141,60cm 3 / s = 188496cm 3 / min = 188,5L / min Vazão = 188,5 L/min Cálculo do tempo de avanço Para o cálculo do tempo de avanço é considerado o diâmetro maior e a velocidade de avanço. C 140 t= = = 14 s V 10 t = tempo ( s ) C = Curso (cm) V = Velocidade (cm / s ) (Equação 4) Tempo = 14 s Calculo do Motor Elétrico A potência necessária para acionamento da bomba é função da vazão fornecida e da pressão máxima do sistema. 32 QxP 188,5 x160 N= = ≅ 70,8CV 426 426 N = Potência (cv) Q = Vazão (l / m) P = Pr essão (bar ) (Equação 5) Potência do motor elétrico = 70 CV Conforme cálculo acima nota-se a necessidade de um motor elétrico com uma potência muito elevada, o que inviabiliza todo o equipamento por tratar-se de um componente com custo extremamente elevado. Tendo em vista o problema, nota-se que a unidade hidráulica se torna inviável para o cliente e não havendo como reduzir a vazão, adota-se o uso de uma bomba dupla como mostra a Figura 6 e Figura 7. A bomba dupla é constituída em dois conjuntos rotativos e com um único eixo comum, com isso é possível reduzir a potência do motor elétrico. 1º CASO Figura 6: Diagrama de uma bomba simples 2º CASO Figura 7: Diagrana de uma bomba dupla 1º Caso – Bomba simples com vazão fixa e uma válvula limitadora de pressão, conforme a Figura 6. Geralmente quando se tem uma vazão e pressão alta, a potência do motor elétrico sobe, inviabilizando o projeto. 2º Caso – Bomba dupla de palhetas fixa com dupla vazão, uma válvula limitadora de pressão e válvula de descarga, conforme a Figura 7. 33 Nesse caso, o emprego da bomba dupla é exclusivamente para a redução da potência do motor elétrico. Utiliza-se as duas vazões para o avanço do cilindro hidráulico, ao chegar no final de curso começa a sofrer resistência e a pressão de trabalho começa a subir, com isso a válvula de descarga tem a função de descarregar para o tanque a maior vazão. Sua pressão é regulada menor que a da válvula de alivio. A bomba de menor vazão por sua vez é usada para exercer o trabalho com uma regulagem pré-determina na válvula de alivio. 4.5 Redimensionamento do Motor Elétrico Avanço sem carga Para o avanço sem carga utiliza-se duas vazões e uma pressão baixa. QxP 188,5 x 40 N= = ≅ 17,70CV 426 426 N = Potência (cv) Q = Vazão (l / m) P = Pr essão (bar ) (Equação 6) Avanço com carga Para o avanço com carga utiliza-se apenas a menor vazão e a pressão é ajustada conforme a necessidade, sendo que a pressão regulada é maior que o avanço sem carga. QxP 28 x160 N= = ≅ 10,5CV 426 426 N = Potência (cv) Q = Vazão (l / m) P = Pr essão (bar ) (Equação 7) Obs: Utiliza-se a maior potência do motor elétrico 17,70 CV Adotou-se motor elétrico padrão e com margem de segurança ≈ 20CV -1750 RPM. 4.6 Cálculo da Tubulação Conforme cálculos de vazão, é possível determinar o diâmetro interno da tubulação para a linha de pressão, sucção e retorno. Observa-se na Figura 8 que a vazão é igual e adotou-se a velocidade média do fluido como forma de cálculo. 34 Figura 8: Ábaco para Cálculo do Diâmetro Interno da Tubulação [5] Portanto, conforme Ábaco para cálculos de diâmetros internos da tubulação apresentado na Figura 8 temos: Diâmetro Interno ( Sucção ) – 2 ½” Diâmetro Interno ( Retorno) – 1 ½” Diâmetro Interno ( Pressão ) – 1” Após realizados todos os cálculos e dimensionamento é possível projetar a máquina conforme mostra a Figura 9: 35 Figura 9: Projeto da Máquina Compactadora de Alumínio Otimizada (imagem de cortesia da empresa ZM Hidráulica) 4.7 Seleção dos componentes Essa fase do projeto é muito importante, pois são definidos os fabricantes e os modelos dos equipamentos utilizados na unidade hidráulica. É importante utilizar peças que tenham um prazo de entrega coerente com a data de conclusão e entrega do equipamento, portanto devem-se analisar os prazos junto aos fornecedores. Baseado no projeto, dimensionamentos e consultas à catálogos de fornecedores, foi possível fazer a seleção dos componentes conforme Tabela 3. 36 Tabela 3: Lista de Peças da Unidade Hidráulica Otimizada ITEM QUANT. DESCRIÇÃO MODELO MARCA A B C D E F G H I J K L M N O P Q R 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1 1 2 Reservatório Visor de Nível Filtro de Ar Bomba Dupla de Palhetas Acoplamento Flange de Ligação Motoro Elétrico Válvula Descarga Válvula Retenção Válvula Reguladora Pressão Bloco Manifold Válvula Direcional Válvula Direcional Válvula Reguladora Vazão Válvula Reguladora Vazão Válvula Retenção Filtro de Retorno Pressostato 500 Litros VB-127-T2 FA-76-40/2 2520VQ AE-80 FLMB-09 20CV-1750RPM RCG-06 CV1-16 CG-06 DHF 0172 DG5V-8-2C DG4S4-012C FN-10 DGMFN-5-Y-A2W-B2W DGMPC-5-ABK-BAK FRT-300 061B500166 Metalsan HDA HDA VICKERS VULKAN HDA WEG VICKERS VICKERS VICKERS DELTA VICKERS VICKERS VICKERS VICKERS VICKERS HDA DANFFONS 1 1 1 1 Cilindro Hidráulico Cilindro Hidráulico TV11-NZ-0-N-7-K-A-1400 TV09-EL-0-N-7-K-A-350 VICKERS VICKERS 37 Na Figura 10 abaixo, encontra-se uma máquina compactadora de alumínio otimizada finalizada e pronta para produzir. Figura 10: Máquina Compactadora de Alumínio Otimizada Finalizada (imagem de cortesia da empresa ZM Hidráulica) Após testes e verificações finais, foi possível elaborar uma planilha com os dados técnicos mostrados na Tabela 4 a seguir: Tabela 4: Dados Técnicos da Máquina Compactadora de Alumínio Otimizada Peso da máquina 3.500 kg Força de prensagem 50 toneladas Pistão ( prensagem ) 200 x 140 x 1400mm Pistão ( fechamento ) 63 x 35 x 350 mm Pressão de trabalho 160 bar Vazão da bomba 188,50 L/m Velocidade de avanço ( pistão de prensagem ) 10 m/s Motor Elétrico 20 CV - 1750 RPM Produtividade 1500 a 1800 kg/hora Tamanho do fardo 400 x 300 x 170 a 180mm Peso aproximado do fardo 15 a 17 kg Investimento total estimado do equipamento R$ 280.000,00 38 Podemos observar na Figura 11 a máquina compactadora de alumínio não otimizada. Observa-se que a máquina tem sua estrutura maior com cilindros hidráulicos com diâmetros maiores, com isso a máquina compactadora de alumínio não otimizada torna-se para o cliente uma máquina com custo elevado. Figura 11: Maquina Compactadora de Alumínio sem Otimização (imagem de cortesia da empresa ZM Hidráulica) Observa-se na Figura 12 que o digrama hidráulico possui válvulas regenerativas, bomba variável, o que torna a unidade hidráulica mais complexa com um custo maior. 39 Figura 12: Diagrama hidráulico da máquina compactadora não otimizada Normalmente as empresas buscam máquinas que atendam as suas necessidades com um menor custo. Observa-se na Tabela 5 que a máquina compactadora não otimizada tem 40 valores maiores como: força de prensagem, produtividade, tamanho do fardo; em relação a máquina compactadora otimizada projetada Hoje as empresas tem reduzido cada vez mais os refugos, afim de obter junto a concorrência um custo melhor em seu produto final, com isso a máquina compactadora de alumínio otimizada representa uma relação custo-benefício vantajosa para as empresas. Após analise foi possível observar que as compactadoras de alumínio não tem um regime de trabalho continuo, sendo assim não haveria necessidade de um alto investimento, abrindo mercado para as máquinas compactas. Tabela 5: Dados Técnicos da Máquina Compactadora de Alumínio sem Otimização Peso da máquina 10150 kg Força de prensagem 80 toneladas Pistão ( prensagem ) 200 x 140 x 1400mm – ( 2 peças ) Pistão ( fechamento ) 100 x 56 x 450 mm Pressão de trabalho 130 bar Vazão da bomba 129,50 L/m – 74 cm3/r Velocidade de avanço ( pistão de prensagem ) 4,8 m/s Motor Elétrico 40 CV - 1750 RPM Produtividade 700 a 900 kg/hora Tamanho do fardo 500 x 400 x 170 a 180mm Peso aproximado do fardo 20 a 25 kg Investimento total estimado do equipamento R$ 720.000,00 41 5 CUSTOS SÓCIO-ECONÔMICOS Conforme levantamento em empresas revendedoras de materiais recicláveis no ano de 2007, foram extraídos os seguintes dados apresentados na Tabela 6 abaixo: Tabela 6: Dados sócio-econômicos [7] Venda de lata a granel 0,50 a 0,80 R$ / kg Compra de lata a Granel 1,50 a 1,80 R$ / kg Venda de lata selecionada e prensada 3,50 a 4,00 R$ / kg Transporte lata granel p/ carreta 4 a 5 ton. Transporte lata Prensadas p/ carreta 19 ton. Latas de alumínio vazia 13,5 g Média de vendas mensal de latas prensadas 150 a 250 ton. / mês 42 6 RESULTADOS O Start-up da nova máquina compactadora de alumínio ocorreu dentro do período programado, porém foi necessário realizar alguns ajustes como regulagem de pressão e vazão. Devido ao perfeito funcionamento do equipamento foi possível observar que a temperatura do óleo atingiu as expectativas, trabalhando conforme especificação do fabricante. Outro fator importante a ser destacado é a redução dos componentes e o aumento da velocidade da unidade hidráulica da máquina otimizada em relação a máquina não otimizada. Utilizou-se uma bomba dupla e duas válvulas de pressão para sincronizar os movimentos reduzindo a potência do motor elétrico, podendo assim aumentar a vazão da bomba aumentando sua velocidade, enquanto que a unidade hidráulica da máquina não otimizada, utilizou-se apenas uma bomba, sendo variável, que tem um custo de mercado maior que a bomba dupla utilizada na máquina otimizada, com isso, foi possível observar que todos os componentes e o motor elétrico estavam super dimensionados. Observações importantes foram levantadas junto ao usuário, devido a grande satisfação de produção e pequeno espaço físico ocupado, além do seu custo, tornam está maquina compactadora de alumínio otimizada um grande atrativo para as pequenas, medias e grandes empresas na área da reciclagem. 43 7 CONSIDERAÇÕES FINAIS O campo da reciclagem do alumino é amplo e proporciona diversos benefícios. A reciclagem serve como meio de sobrevivência para muitos, desde simples catadores que recolhem pequenas quantidades por dia ou mesmo por mês, e revertem a latinhas em dinheiro que atenderá as necessidades básicas de sua família, até as grandes empresas que lucram muito com a reciclagem do alumínio. Outro aspecto importante na reciclagem se refere ao meio ambiente, e é através de projetos e programas de conscientização, que a sociedade diminuirá as agressões ao meio ambiente evitando que toneladas e toneladas de alumínio e outros materiais como ( papelão, vidro, resíduos, químicos ) fiquem expostos contaminando o solo. A reciclagem das latas de alumínio tem crescido consideravelmente nos últimos anos, gerando diversos benefícios no setor econômico, político e social. 44 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Associação Brasileira de Alumínio - ABAL. Apresenta informações gerais do alumínio. Disponível via URL em: http://www.abal.org.br . Acesso em: 15 de nov. de 2007 [2] WIEBECK, Hélio, PIVA. O lixo pode ser um tesouro., São Paulo, p.14, 1992. [3] Alcan Embalagens – Alumínio do Brasil Ltda. Apresenta informações gerais do alumínio. Disponível via URL em: http://www.alcan.com.br . Acesso em: 15 de nov. de 2007. [4] LATASA, Reynolds Latasa. Apresenta informações gerais de reciclagem e alumínio. Disponível via URL em: http://www.latasa.com.br . Acesso em: 18 de nov. de 2007. [5] VICKERS, Manual de Hidráulica Industrial Vickers 935100.11 ed., São Paulo, 2002. [6] Recicláveis. Apresenta textos sobre reciclagem em latas de alumínio. Disponível via URL em: http://www.reciclaveis.com.br. Acesso em: 18 de nov. de 2007. [7] RECICLA. Comercio de lixo Reciclável Ltda. Rod. João Leme dos Santos, 1955. Sorocaba / SP: O que fazemos. Disponível via URL em: http://www.reciclaresiduos.com.br . Acesso em: 21 de nov. de 2007. 45 9 REFERÊNCIAS CONSULTADAS Novelis do Brasil Ltda. Apresenta informações gerais do alumínio. Disponível via URL em: http://www.novelis.com.br . Acesso em: 15 de nov. de 2007. Associação Brasileira dos Fabricantes de Latas de Alta Reciclabilidade - Abralatas. Apresenta informações gerais de latas de alumínio. Disponível via URL em: http://www.abal.org.br . Acesso em: 15 de nov. de 2007. Goldpress Máquinas e Reciclagem. Apresenta máquinas para reciclagem. Disponível via URL em: http://www.goldpress.com.br. Acesso em: 28 de outubro de 2007. Associação Brasileira da Indústria de Máquinas e Equipamentos – ABIMAQ. Disponível via URL em: http://www.abimaq.org.br . Acesso em: 15 de nov. de 2007. Alutech. Linha de Produção. Disponível via URL em: http://www.alutech.com.br. Acesso em: 15 de nov. de 2007.