Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO Etec “JORGE STREET” TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO TÉCNICO EM TÉCNICO EM MECATRÔNICA Bancada para Teste de Filtro Arthur Richard Zengaffinen Bianchi Bruno Correa Oliveira Daniel Silva dos Anjos Fernando Pereira Raiz Gustavo Ferreira Lucas Marques Professor(es) Orientador(es): Prof.Ivo São Caetano do Sul / SP 2013 Bancada para Teste de Filtro Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como pré-requisito para obtenção do Diploma de Técnico em Mecatrônica. São Caetano do Sul / SP 2013 Agradecemos primeiramente a Deus e aos nossos familiares que nos momentos mais de difíceis do nosso curso estavam em nosso lado dando o maior apoio e as empresas que nos ajudaram a realizar este trabalho de conclusão do curso, obrigado. RESUMO O projeto realizará o teste de fluxo e estanqueidade em filtros de carcaça plástica. O teste será feito com querosene e seus dados serão mostrados em um manômetro digital e em um manômetro analógico. Palavras-chave: Fluxo, Estanqueidade, Manômetro. LISTA DE FIGURAS Figura 1 –Tubo PPR .................................................................................................. 11 Figura 2 –Conexão T PPR ........................................................................................ 11 Figura 3 –Solda de Tubos/Conexões PPR ................................................................ 11 Figura 4 –Rotor Fechado de Turbobomba ................................................................ 13 Figura 5 –Rotor Aberto de Turbobomba .................................................................... 13 Figura 6 –Bomba Centrífuga ..................................................................................... 14 Figura 7 –Bomba de Engrenagem ............................................................................ 15 Figura 8 –Funcionamento das Engrenagens ............................................................ 15 Figura 9 – Acoplamento no Sistema ......................................................................... 16 Figura 10 – Acoplamento Rígido com Flanges Parafusadas..................................... 17 Figura 11 – Acoplamento com Luva de Compressão ou de Aperto .......................... 17 Figura 12 – Acoplamento de Discos ou Pratos ......................................................... 18 Figura 13 – Acoplamentos Elásticos ......................................................................... 18 Figura 14 – Acoplamento Elástico de Pinos .............................................................. 19 Figura 15 – Acoplamento Perflex .............................................................................. 19 Figura 16 – Acoplamento Elástico de Garras ............................................................ 20 Figura 17 – Acoplamento Elástico de Fita de Aço ..................................................... 20 Figura 18 – Acoplamento de Dentes Arqueados ....................................................... 21 Figura 19 –Junta Universal Homocinética ................................................................. 21 Figura 20 –Junta Homocinética ................................................................................. 22 Figura 21 –Acoplamentos Móveis ............................................................................. 23 Figura 22 – Acoplamento Utilizado............................................................................ 23 Figura 23 –Barras Cruzadas ..................................................................................... 26 Figura 24 –Barra Longitudinal de Reforço ................................................................. 26 Figura 25 –Suporte para Tubulação .......................................................................... 26 Figura 26 –Motor, Acoplamento e Bomba ................................................................. 26 Figura 27 –União com Braçadeiras ........................................................................... 26 Sumário Introdução ................................................................................................................... 8 1 –Fundamentação Teórica......................................................................................... 9 2 –Memorial de Cálculos ........................................................................................... 10 3 –Tubulações / Conexões PPR ............................................................................... 10 4 –Bombas Hidráulicas ............................................................................................. 12 4.1 –Definição ..................................................................................................... 12 4.2 –Características de Funcionamento .............................................................. 12 4.2.1 –Turbobombas ................................................................................... 12 4.2.2 –Bombas Centrífugas ......................................................................... 13 4.2.3 –Bombas de Deslocamento Positivo .................................................. 14 4.2.4 –Bombas Rotativas ............................................................................ 14 4.2.5 –Bombas Alternativas ......................................................................... 15 4.3 –No Projeto .................................................................................................. 15 5 –Acoplamentos....................................................................................................... 16 5.1 –Conceito ..................................................................................................... 16 5.2 –Classificação .............................................................................................. 16 5.2.1 –Acoplamentos Fixos ......................................................................... 16 5.2.1.1 –Acoplamento Rígido com Flange Parafusada ..................... 17 5.2.1.2 –Acoplamento com Luva de Pressão ou de Aperto ............... 17 5.2.1.3 –Acoplamento de Discos ou Pratos ....................................... 18 5.2.2 –Acoplamentos Elásticos ................................................................... 18 5.2.2.1 –Acoplamento de Pinos ......................................................... 19 5.2.2.2 –Acoplamento Perflex............................................................ 19 5.2.2.3 –Acoplamento Elástico de Garras ......................................... 20 5.2.2.4–Acoplamento Elástico de Fita de Aço ................................... 20 5.2.2.5 –Acoplamento de Dentes Arqueados .................................... 21 5.2.2.6 –Junta Universal Homocinética ............................................. 21 5.2.3 –Acoplamentos Móveis ..................................................................... 22 5.3 –No Projeto.................................................................................. 23 6 –Desenho ............................................................................................................... 24 7 –Painel Elétrico ...................................................................................................... 24 8 –FMEA ................................................................................................................... 24 9 –Planilha de Custos ............................................................................................... 24 10 –Desenvolvimento do Projeto............................................................................... 25 Conclusão ................................................................................................................. 27 Anexo A - Desenho do Projeto ...................................................................................... Anexo B - Desenho do Circuito Elétrico do Projeto ....................................................... Anexo C - Layout do Projeto Elétrico ............................................................................ Anexo D - FMEA ........................................................................................................... Anexo E - Planilha de custos......................................................................................... 8 Introdução Primeiramente foi decidida a ideia que consistia em uma esteira industrial autossustentável movida por energia solar e por geradores localizados em todos os elementos rolantes ao longo da esteira. Não foi possível realizá-lo, pois os geradores solares não fornecem um bom rendimento de energia e não é a todo o momento que terá raios solares incidindo diretamente no painel, e a energia gerada não teria local para ser armazenada. Após o descarte da ideia da esteira, chegamos ao cesto de lixo com compactador, que se baseia em um cesto de lixo que reduziria o volume de lixo, através da compressão do mesmo. Não foi possível realizar por não agradar todos os membros do grupo, tendo em pensamento que não seria útil. Por final resolvemos desenvolver uma bancada de teste de filtro. A ideia deste projeto foi baseada a partir de uma necessidade no mercado automotivo de empresas de filtros. Já existem maquinas capazes de realizar testes em filtros, porém são maquinas de alto custo e de difícil encontra-las no mercado. Tema e delimitação. É um projeto que se enquadra na área de produção automotiva, na parte de qualidade e garantia dos filtros de combustível. Por esse motivo que desenvolveremos uma bancada onde testará o filtro, verificando o fluxo e a estanqueidade. Objetivo – geral O objetivo geral é realizar um projeto de conclusão de curso da área de mecatrônica, onde será feito um projeto que atenda à necessidade na área automobilística na parte de garantia de filtros automotivos de carcaça plástica. Objetivo – específico O projeto será desenvolvido com a finalidade de testar filtros de combustível automotivo. Será realizado o teste de fluxo e estanqueidade, a fim de verificar se algum filtro está com vazamento. 9 Justificativa Este projeto tem como finalidade facilitar a detecção de defeitos em filtros de combustível, reduzindo o índice de problemas ocorridos em automóveis decorrente do mesmo, pois, o prejuízo que ocasionar no automóvel será de valor alto. Metodologia Nosso projeto será realizado com base em pesquisas feitas com engenheiros, professores e empresas especializadas no assunto. 10 1 – Fundamentação Teórica. O filtro automotivo é um elemento que filtra o combustível, impedindo que impurezas comprometam a vida útil do motor. A chegada dessas impurezas no motor pode ocasionar também o travamento do sistema, aumentando o custo de manutenção do motor. 2 – Memorial de Cálculos. Premissas e Parâmetros de Projeto: A máquina projetada terá fins laboratoriais e industriais. No tocante ao dimensionamento do projeto, foram considerados os parâmetros abaixo relacionados. Equipamentos Necessários para o Teste. Para a obtenção das informações necessárias para os testes de estanqueidade e fluxo, utilizaremos sensores de pressão e vazão de acordo com o limite de pressão do sistema (no caso 20 Bar). Para obter as informações para a estanqueidade mediremos a pressão de saída, e caso haja uma queda de pressão considerável estará comprovado que o filtro está danificado. Já para obter as informações necessárias para o teste de fluxo utilizaremos a vazão oferecida pela bomba e a medição realizada pelo manômetro. 3 – Tubulação/Conexões PPR Em nosso projeto iremos utilizar tubulação de polipropileno (PPR) devido sua boa resistência à corrosão ao querosene, entre outros combustíveis. Essa tubulação é destinada ao uso pneumático, mas atende também a área de hidráulica onde se utiliza pressões baixas (em nosso caso, estamos nos restringindo a no máximo 20 BAR de pressão). Sua emenda é feita através de solda, o que garante maior resistência do que a rosca, porém aumenta o gasto e o tempo de manutenção do sistema caso haja algum problema de rompimento e/ou vazamento. 11 Imagem 1 – Tubo PPR Imagem 2 – Conexão T PPR Imagem 3 – Solda de Tubos/conexões PPR 12 4 – Bombas Hidráulicas 4.1 – Definição São Máquinas Hidráulicas Operatrizes, isto é, máquinas que recebem energia potencial (força motriz de um motor ou turbina), e transformam parte desta potência em energia cinética (movimento) e energia de pressão (força), cedendo estas duas energias ao fluído bombeado, de forma a recirculá-lo ou transportá-lo de um ponto a outro. Portanto, o uso de bombas hidráulicas ocorre sempre que há a necessidade de aumentar-se a pressão de trabalho de uma substância líquida contida em um sistema, a velocidade de escoamento, ou ambas. 4.2 – Características de Funcionamento As Bombas são como máquinas operatrizes hidráulicas que conferem energia ao fluido com a finalidade de transportá-lo por escoamento de um ponto para outro obedecendo às condições do processo. As bombas transformam o trabalho mecânico que recebem para seu funcionamento em energia. Elas recebem a energia de uma fonte motora qualquer e cedem parte dessa energia ao fluido sob forma de energia de pressão, cinética ou ambas. Isto é, elas aumentam a pressão do líquido, a velocidade ou ambas essas grandezas. A energia cedida ao líquido pode ser medida através da equação de Bernoulli. A relação entre a energia cedida pela bomba ao líquido e a energia que foi recebida da fonte motora, fornece o rendimento da bomba. 4.2.1 – Turbobombas As turbobombas são caracterizadas por possuírem um órgão rotatório dotado de pás (rotor) que, devido a sua aceleração, exerce forças sobre o líquido. Essa aceleração não possui a mesma direção e o mesmo sentido do movimento do líquido em contato com as pás. A descarga gerada depende das características da bomba, do número de rotações e das características do sistema de encanamentos. O rotor, também chamado impulsor ou impelidor, comunica à massa líquida aceleração, adquirindo energia cinética para a transformação da energia mecânica. É um disco de formato cônico dotada de pás, que pode ser fechado ou aberto. É fechado quando, além do disco onde se fixam as pás, existe uma coroa circular 13 também presa às pás. Pela abertura dessa coroa, o líquido penetra no rotor. Usa-se para líquidos sem substâncias em suspensão. Já o rotor aberto, é caracterizado quando não existe essa coroa circular anterior. Usa-se para líquidos contendo pastas, lamas, areia, esgotos sanitários e para outras condições. O difusor ou recuperador faz a transformação da maior parte da elevada energia cinética com que o liquido sai do rotor, em energia de pressão. Esta transformação é operada de acordo com o teorema de Bernoulli, pois o difusor sendo, em geral, de seção gradativamente crescente, realiza uma contínua e progressiva diminuição da velocidade do liquido que por ele escoa, com o simultâneo aumento da pressão, de modo a que esta tenha valor elevado e a velocidade seja reduzida na ligação da bomba ao encanamento de recalque. O difusor pode ser de tubo reto troncônico (bombas axiais) ou de caixa com forma de caracol ou voluta (nos demais tipos de bombas, chamado simplesmente de coletor ou caracol). Imagem 4 – Rotor fechado de turbobomba Imagem 5 – Rotor aberto de turbobomba 4.2.2 – Bombas Centrífugas São o tipo mais simples e mais empregado das turbobombas. Nelas, a energia fornecida ao líquido é primordialmente do tipo cinética, sendo posteriormente convertida em grande parte em energia de pressão. A energia cinética pode ter origem puramente centrífuga ou de arrasto, ou mesmo uma combinação das duas, dependendo da forma do impelidor. A conversão de grande parte da energia cinética em energia de pressão é realizada fazendo com que o fluido que sai do impelidor passe em um conduto de área crescente. As bombas deste tipo possuem pás cilíndricas (simples curvatura), com geratrizes paralelas ao eixo de rotação, sendo estas pás fixadas a um disco e a uma coroa circular (rotor fechado) ou a um disco apenas (rotor aberto, para bombas de água suja, na indústria de papel, etc.), conforme é mostrado na figuras. 14 O uso normal das bombas centrífugas é feito sob pressões de até 16 kgf/cm² e temperaturas de até 140°C. Entretanto, existem bombas para água quente até 300°C e pressões de até 25kgf/cm² (bombas centrífugas de voluta). É o caso das bombas CZ da Sulzer-Weiser, mostrada abaixo. Imagem 6 – Bomba Centrífuga 4.2.3 – Bombas de Deslocamento Positivo As bombas de deslocamento positivo possuem uma ou mais câmaras, em cujo interior o movimento de um órgão propulsor comunica energia de pressão ao líquido, provocando o seu escoamento. Assim, proporciona as condições para que se realize o escoamento na tubulação de aspiração até a bomba e na tubulação de recalque até o ponto de utilização. A característica principal desta classe de bombas é que uma partícula líquida em contato com o órgão que comunica a energia tem aproximadamente a mesma trajetória que a do ponto do órgão com o qual está em contato. As bombas de deslocamento positivo podem ser Alternativas ou Rotativas. 4.2.4 – Bombas Rotativas Nas bombas rotativas, o líquido recebe a ação de forças provenientes de uma ou mais peças dotadas de m movimento de rotação que, comunicando energia de pressão, provocam seu escoamento. A ação das forças se faz segundo a direção que é praticamente a do próprio movimento de escoamento do líquido. A descarga e a pressão do líquido bombeado sofrem pequenas variações quando a rotação é constante. Existe uma grande variedade de bombas rotativas que encontram aplicação não apenas no bombeamento convencional, mas principalmente nos sistema de lubrificação, nos comandos, controles e transmissões hidráulicas e nos sistemas automáticos com válvulas de sequencia. 15 4.2.5 – Bombas Alternativas Nas bombas alternativas, o líquido recebe a ação das forças diretamente de um pistão ou êmbolo ou de uma membrana flexível (diafragma). Elas podem ser acionadas pela ação do vapor ou por meio de motores elétricos ou também por motores de combustão interna. São bombas de deslocamento positivo porque exercem forças na direção do próprio movimento do líquido. No curso da aspiração, o movimento do êmbolo tende a produzir o vácuo no interior da bomba, provocando o escoamento do líquido. É a diferença de pressões que provoca a abertura de uma válvula de aspiração e mantém fechada a de recalque. No curso de descarga, o êmbolo exerce forças sobre o líquido, impelindo-o para o tubo de recalque, provocando a abertura da válvula de recalque e mantendo fechada a de aspiração. A descarga é intermitente e as pressões variam periodicamente em cada ciclo. Estas bombas são autoescorvantes e podem funcionar como bombas de ar, fazendo vácuo se não houver líquido a aspirar. 4.3 – No Projeto Em nosso projeto, utilizaremos uma bomba hidráulica de engrenagem (deslocamento positivo rotativo). Imagem 7 – Bomba de engrenagem Imagem 8 – Funcionamento das engrenagens 16 5 – Acoplamentos 5.1 – Conceito Acoplamento é um conjunto mecânico, constituído de elementos de máquina, empregado na transmissão de movimento de rotação entre duas árvores ou eixosárvore. Imagem 9 – Acoplamento no sistema 5.2 – Classificação Os acoplamentos podem ser fixos, elásticos e elásticos móveis. 5.2.1 – Acoplamentos fixos Os acoplamentos fixos servem para unir árvores de tal maneira que funcionem como se fossem uma única peça, alinhando as árvores de forma precisa. Por motivo de segurança, os acoplamentos devem ser construídos de modo que não apresentem nenhuma saliência. 17 5.2.1.1 – Acoplamento rígido com flanges parafusadas Esse tipo de acoplamento é utilizado quando se pretende conectar árvores, e é próprio para a transmissão de grande potência em baixa velocidade. Imagem 10 - Acoplamento rígido com flanges parafusadas 5.2.1.2 – Acoplamento com luva de compressão ou de aperto Esse tipo de luva facilita a manutenção de máquinas e equipamentos, com a vantagem de não interferir no posicionamento das árvores, podendo ser montado e removido sem problemas de alinhamento. Imagem 11 - Acoplamento com luva de compressão ou de aperto 18 5.2.1.3 – Acoplamento de discos ou pratos Empregado na transmissão de grandes potências em casos especiais, como, por exemplo, nas árvores de turbinas. As superfícies de contato nesse tipo de acoplamento podem ser lisas ou dentadas. Imagem 12 - Acoplamento de discos ou pratos 5.2.2 – Acoplamentos elásticos Esses elementos tornam mais suave a transmissão do movimento em árvores que tenham movimentos bruscos, e permitem o funcionamento do conjunto com desalinhamento paralelo, angular e axial entre as árvores. Imagem 13 – Acoplamentos elásticos Os acoplamentos elásticos são construídos em forma articulada, elástica ou articulada e elástica. Permitem a compensação de até 6 graus de ângulo de torção e deslocamento angular axial. 19 5.2.2.1 – Acoplamento elástico de pinos Os elementos transmissores são pinos de aço com mangas de borracha. Imagem 14 – Acoplamento elástico de pinos 5.2.2.2 – Acoplamento perflex Os discos de acoplamento são unidos perifericamente por uma ligação de borracha apertada por anéis de pressão. Esse acoplamento permite o jogo longitudinal de eixos. Imagem 15 – Acoplamento perflex 20 5.2.2.3 – Acoplamento elástico de garras As garras, constituídas por tocos de borracha, encaixam-se nas aberturas do contradisco e transmitem o movimento de rotação. Imagem 16 – Acoplamento elástico de garras 5.2.2.4 – Acoplamento elástico de fita de aço Consiste de dois cubos providos de flanges ranhuradas, nos quais está montada uma grade elástica que liga os cubos. O conjunto está alojado em duas tampas providas de junta de encosto e de retentor elástico junto ao cubo. Todo o espaço entre os cabos e as tampas é preenchido com graxa. Apesar de esse acoplamento ser flexível, as árvores devem estar bem alinhadas no ato de sua instalação para que não provoquem vibrações excessivas em serviço. Imagem 17 – Acoplamento elástico de fita de aço 21 5.2.2.5 – Acoplamento de dentes arqueados Os dentes possuem a forma ligeiramente curvada no sentido axial, o que permite até 3 graus de desalinhamento angular. O anel dentado (peça transmissora do movimento) possui duas carreiras de dentes que são separadas por uma saliência central. Imagem 18 – Acoplamento de dentes arqueados 5.2.2.6 – Junta universal homocinética Esse tipo de junta é usado para transmitir movimento entre árvores que precisam sofrer variação angular, durante sua atividade. Essa junta é constituída de esferas de aço que se alojam em calhas. Imagem 19 – Junta universal homocinética 22 A ilustração anterior é a de junta homocinética usada em veículos. A maioria dos automóveis é equipada com esse tipo de junta. Imagem 20 – Junta homocinética 5.2.3 – Acoplamentos móveis São empregados para permitir o jogo longitudinal das árvores. Esses acoplamentos transmitem força e movimento somente quando acionados, isto é, obedecem a um comando. Os acoplamentos móveis podem ser: de garras ou dentes, e a rotação é transmitida por meio do encaixe das garras ou de dentes. Geralmente, esses acoplamentos são usados em aventais e caixas de engrenagens de máquinas-ferramenta convencionais. 23 Imagem 21 – Acoplamentos móveis 5.3 – No Projeto Em nosso projeto utilizaremos um acoplamento elástico de garras idêntico ao da imagem abaixo. Imagem 22 – Acoplamento utilizado 24 6 – Desenho Apêndice A 7 – Painel elétrico Apêndice B Apêndice C 8 – FMEA Apêndice D 9 – Planilha de custos Apêndice E 25 10 – Desenvolvimento do Projeto Segundo observação feita pelo professor, procuramos por algum patrocínio ou alguma empresa que nos auxiliasse na elaboração do nosso projeto de conclusão de curso e encontramos 2 empresas. Uma nos forneceu a tubulação e as conexões PPR que utilizamos na parte hidráulica e outra nos forneceu o galpão e auxílio para a montagem do mesmo. No desenvolver da bancada nos deparamos com três problemas, ressaltados pelo dono da empresa que nos forneceu o galpão, o primeiro era que a bancada não estava estruturada. Solucionamos o problema colocando barras de ferro cruzadas, fazendo com que suas pernas ficassem fixas (Imagem 22). O segundo problema foi que a chapa de metal estava se curvando a medida que colocávamos peso sobre ela. Resolvemos isso reforçando-a com tubos quadrados (o mesmo utilizado para se fazer as pernas da bancada) soldados longitudinalmente nas chapas superior e inferior (Imagem 23). O terceiro foi um problema de vibração na tubulação que interferia em um registro mais preciso da pressão no circuito. Foi resolvido com a criação de suportes para a tubulação, onde serão fixados na bancada e irá prender a tubulação por meio de braçadeiras de parafuso (Imagem 24). Outro problema também já resolvido foi o da bomba, onde usávamos uma bomba rotativa (comunmente usado para bombear água) e por não utilizarmos água como fluído bombeado ocorreu uma perda significante de pressão (pressão alvo: 20 Bar / Pressão máxima obtida: 1,8 Bar) e houve vazamento em larga escala por razões não encontradas (não foi possível analisar o retentor da bomba). Com isso resolvemos utilizar uma bomba própria para hidráulica e que nos fornecesse o limite de pressão desejado ou acima e conseguimos uma bomba de engrenagem. A Partir desta alteração teríamos de conseguir também um acoplamento (utilizado acoplamento elástico de garras) e um motor com potencia suficiente para mover a bomba. (Imagem 25). O fabricante da tubulação PPR nos informou ocorrências em que as uniões da tubulação estavam rompendo e como solução, resolvemos reforçá-lo com braçadeiras de parafuso. Esta solução deu bons resultados para o fabricante que testou e confirmou que solucionava o problema (Imagem 26). 26 Imagem 23 – Barras cruzadas Imagem 24 – Barra longitudinal de reforço Imagem 25 – Suporte para tubulação Imagem 26 – motor, acoplamento e bomba Imagem 27 – União com braçadeiras. 27 Conclusão Após todo o trabalho realizado para concluir o projeto, tivemos a oportunidade de por em prática nosso aprendizado ao longo do curso de mecatrônica sobre materiais na área de mecânica, hidráulica e elétrica, além da experiência que nos foi passado por profissionais que trabalham na área. Aprendemos também itens fundamentais para o exercício de nossa carreira com a qual escolhemos, assim como: estratégias de planejamento, execução e conclusão de um projeto bem como superar e prevenir eventuais falhas e reduzir custos. 28 Referências . http://www.ebah.com.br/content/ABAAAACakAK/bomba-hidraulica-aki (Bomba Hidráulica) http://mundomecanico.com.br/wp-content/uploads/2011/01/Acoplamentos.pdf (Acoplamentos) 29 Apêndice A (os apêndices e anexos devem conter uma folha de abertura com o título do mesmo) 30 O(s) capítulo(s) seguinte(s) deve(m) conter todo o planejamento do projeto. Parte elétrica/eletrônica/eletropneumática: Entradas e Saídas Diagrama em Blocos Pesquisa de Componentes/Tecnologias Previsão de Custos Parte Lógica: Fluxograma do Processo Parte Mecânica: Croqui Desenho Pesquisa de Material Folhas de Processo (mecânica e mecatrônica) Previsão de Custos Cronograma Geral (divisão tempo/tarefa e identificação do autor da tarefa) para as atividades do próximo semestre (desenvolvimento do projeto). Observação importante: Cada habilitação ou até mesmo, cada projeto, pode ter uma estrutura específica do escopo do projeto. O que foi apresentado aqui é uma estrutura geral para projetos que contém hardware, software e parte mecânica. Portanto, a definição da estrutura do escopo deve ser analisada com o professor orientador do TCC.