PROJETO DE UMA MÁQUINA PARA TRANSPORTE DE COCO

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PROJETO DE UMA MÁQUINA PARA TRANSPORTE DE COCO
Felipe Alexandre da Cunha Bispo (1) ([email protected]), Allan dos
Anjos Costa Dantas (2) ([email protected]), Vitório Pinheiro(1)
([email protected]), Wesley Sá Aragão(1) ([email protected]) André Luiz
Moraes Costa (1) ([email protected])
(1)
Universidade Federal de Sergipe (UFS); Departamento de Engenharia Mecânica
Federal de Sergipe (UFS); Departamento de Engenharia de Produção
(2) Universidade
RESUMO: Em Sergipe a produção de coco possui uma grande importância econômica, por isso é
necessário que cada etapa da produção funcione bem. Foi identificado por um produtor local uma
dificuldade no carregamento do caminhão no cocal pois o trabalho era muito desgastante e não havia
disponibilidade de pessoas para fazer, comprometendo a produção. Os requisitos do cliente foram
analisados para desenvolver uma máquina capaz de auxiliar o transporte do coco, no próprio cocal. Esta
deve diminuir o esforço do operador e a quantidade de operadores necessários. Foi utilizada uma
metodologia de projeto e ferramentas da qualidade durante o projeto. No início foram sugeridos vários
conceitos para a máquina, depois os conceitos que menos se adequavam foram eliminados. Foi criado um
protótipo para poder verificar o sistema. Para o dimensionamento usou-se simulações e algoritmos em
programas de mecânica. A máquina obtida apresenta princípio similar a um elevador de cargas, com um
motor a combustão que realiza o trabalho na parte mais desgastante além de diminuir a quantidade
necessária de funcionários.
PALAVRAS-CHAVE: produção de coco, máquina, transporte, operador, esforço e metodologia
de projeto
DESIGN OF A COCONUT ELEVATION DEVICE
ABSTRACT: : In Sergipe the coconut production has a great economic importance, therefore is
vital every step of production must works well. A local producer has identified a difficulty in loading the
truck in coconut plantation because the task was very exhausting and there was no people available to do it,
compromising the production process. The producer’s requirements have been analyzed for developing a
device capable of easing the coconut elevation for loading the trucks. This device should reduce operator
effort and the amount of required laborers. Design methodology and quality tools were used during the
project. Earlier various concepts for the machine have been suggested, then the concepts that are less suited
were eliminated. A prototype was created in order to verify the system. The design process used simulations
and algorithms softwares. The device is similar to a cup elevator attached to a combustion engine that does
the heavy work besides reducing the required number of employees.
KEYWORDS: coconut production, machinery, transportation, operator effort and design
methodology.
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e
Industrial
Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,
23 a 26 de Setembro de 2014
1
INTRODUÇÃO
A produção de coco em Sergipe é segunda a nível nacional. Grande parte dessa produção é
exportada para diversos estados nas demais regiões do Brasil. Umas das etapas da comercialização
é o transporte por caminhões, que têm uma capacidade de carga de 20 toneladas. O carregamento
destes caminhões é feito por operários que carregam cestos com até 50 cocos. Os cestos são
carregados em pontos no cocal e levados nas costas dos operadores que ainda tem que subir uma
escada para colocar os cocos na carroceria do caminhão.
Para identificar a situação citada foi fundamental o contato com um dos produtores da
região. O produtor encontrava dois principais problemas para sua produção que o fez ter interesse
na mudança do sistema tradicional de carregamento. O primeiro é a crescente dificuldade por parte
do produtor em alocar pessoas para aquela função. O segundo é o desgaste sofrido pelos operários
pois o trabalho não atende os parâmetros ergonômicos.
Após essa primeira comunicação com o produtor, percebeu-se a necessidade de desenvolver
um sistema mecânico capaz de substituir o esforço humano total ou parcialmente. O emprego da
metodologia de projeto foi fundamental pra o desenvolvimento da máquina, pois durante o projeto
foram identificados pontos críticos de falhas na máquina.
Na seção 2 são apresentadas as fases de projeto aplicadas. Já a seção 3 foi destinada aos
resultados obtidos no projeto.
2
FASES DO PROJETO
Para iniciar o projeto foi decido a metodologia de projeto que seria utilizada para
desenvolver a máquina. Assim como também quais ferramentas de qualidade seriam aplicadas, que
está mais bem esplanada na fase de projeto correspondente. A Figura 1 apresentada logo abaixo
mostra as fases de projeto empregadas na metodologia. Essa fase de escolha da metodologia e
ferramentas que serão utilizadas corresponde ao planejamento.
Figura 1. Fases de projeto utilizadas aplicada a metodologia de projeto
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Industrial
2.1
Projeto Informacional
Nesta fase do projeto é feito o levantamento e análise dos requisitos do cliente. O produtor
dos cocos, que corresponde ao cliente, forneceu a equipe as principais objetivos e limitações da
máquina requeridas por ele. Após reunir os pontos colocados pelo cliente e os observados pela
equipe foi construída a lista de requisitos. Essa lista é fundamental para direcionar as características
do produto projetado. No entanto, é praticamente inviável satisfazer todos requisitos listados. Desta
forma, eles foram divididos em essenciais e desejáveis. Os desejáveis são aqueles que se não forem
satisfeitos provocam uma negação do cliente em relação ao produto. Já os desejáveis são aqueles
que provocam boa impressão perante o cliente, no entanto, não precisam obrigatoriamente ser
alcançados. Dentre os requisitos listados 3 se destacaram, são eles: reduzir a quantidade de pessoas
necessárias ao processo, uma máquina de fácil transporte e que independa do caminhão.
A construção bem elaborada dessa fase do projeto é essencial para a satisfação do cliente ao
obter o produto final. Pois, as demais etapas do projeto retornam a esta de forma a verificar se os
requisitos listados estão sendo com a concepção proposta. Nessa etapa também foram recolhidas
informações como capacidade de carga do caminhão, capacidade de carga do operador e tempo
necessário finalizar o carregamento do caminhão. Essas informações foram necessárias na fase de
dimensionamento da máquina
2.2
Projeto Conceitual
Diante das informações obtidas na fase anterior partiu-se para a criação de conceitos que
pudessem satisfazer os principais pontos levantados. Foi feito um brainstorming a fim de evitar
descartar qualquer possibilidade durante a concepção inicial, nele surgiram algumas ideias. Logo
após, foi avaliado os conceitos que melhor se encaixam nos requisitos do cliente. A partir daí foi
selecionado através de uma tabela com as funções e a avaliação de cada conceito quanto a elas.
Dessa forma a equipe resolveu optar por um dispositivo mecânico, em vez de elétrico.
A Figura 2 mostra o Projeto em sua fase conceitual
Industrial
Figura 2. Projeto conceitual
Após a seleção do conceito foi elaborado o organograma de peças e funções. Este
organograma consiste em identificar todas as peças que compõe a máquina como também sua
função. No presente projeto, são observadas as seguintes funções básicas: transporte da máquina,
estrutural, geração e transmissão da potência, e elevação do coco.
2.3
Projeto Preliminar
A avaliação das possíveis falhas do projeto foi analisada neste ponto. Para tal foi utilizado a
ferramenta Fault Tree Effect Analysis (FTA). A árvore de análise de falha consiste num evento
topo, ou falha principal, onde são identificadas as causas imediatas e por fim chega-se a causa
básica da falha principal.
No FTA houve uma avaliação dos grandes problemas globais que deveriam ser evitados. A
análise da equipe resultou em quatro grandes falhas indesejadas:
Industrial
I.
II.
III.
IV.
Ocorrer um acidente com o operador;
Não ser possível transportar a máquina;
A máquina gerar custos adicionais por quebra ou manutenções inesperadas;
A máquina não realizar o ciclo eficientemente.
Cada FTA apresentou em média 8 níveis, possuindo até 60 possíveis causas de falha no
nível básico, configurando-se até 40 caminhos possíveis desde a causa básica até o evento principal.
A Figura 3 mostra um pequeno excerto da FTA com o evento principal “Máquina não realiza o
ciclo adequadamente”. A ferramenta não teve condições de ter dados percentuais de cada falha
devido à falta de históricos. Depois dos desdobramentos do FTA foi possível identificar algumas
informações primordiais para evitar falhas no produto. Entre elas:
 Necessidade de acréscimo de peças e componentes;
 Peso da máquina é um elemento crítico para segurança e transporte;
 Cuidado na seleção do pneu devido ao terreno;
 Garantir que a máquina não tombe, nem o recipiente com os cocos se desprenda, podendo
causar acidentes fatais;
 Projetar para evitar ao máximo a queda de um coco;
 Avisos de itens críticos necessários nos manuais e colocação de alertas visuais na máquina;
 Projetar a máquina para que seus fixadores suportem o caminhão em movimento.
Além dessas informações principais o FTA serviu de base para a construção de um FMEA
de qualidade e em um menor prazo. FMEA é a sigla para Análise de Modos e Efeitos de Falha
(Failure Mode and Effects Analysis). O FMEA é uma forma sistemática de avaliar os possíveis
modos e causas/mecanismo de falha dos sistemas que compõe a máquina. Assim como o FTA, a
FMEA foi dividida nos sistemas da máquina (transmissão, estrutural, movimentação e proteção). A
partir das funções foram analisados os modos de falha, as causas e os efeitos, entre outros detalhes.
Na FMEA também é informado sobre a gravidade da falha para cada item analisado. Um número de
prioridade de risco (NPR) informa justamente numa escala predeterminada a gravidade daquele
item no caso de falha. A Figura 4 mostra um pequeno trecho da FMEA da máquina.
As principais saídas do FMEA foram:
 Lista de prioridades de simulação com software e/ou protótipo;
 Lista de itens que devem conter nos manuais da máquina e alertas que deve conter na
máquina;
 Lista de peças críticas, ou seja, que necessitam um dimensionamento com maior fator de
segurança e cálculos auditados.
Industrial
Figura 3. Trecho de uma das FTA elaboradas no projeto.
Industrial
Figura 4. Trecho da FMEA elaborada no projeto.
Industrial
2.4
Detalhado
Nesta fase do projeto foi feito em um primeiro momento um protótipo para a averiguar o
comportamento do projeto até então desenvolvido em uma situação mais real. Também nesta fase
do projeto foi utilizado as saídas do FMEA e todas as informações das etapas anteriores para
dimensionar cada peça e simular a máquina. No final desta fase a máquina estará pronta para ser
fabricada.
2.4.1 Protótipo
O protótipo foi feito visando verificar o comportamento do sistema de correntes, sua
sincronia, o tempo de descarga o coco, além de outras possíveis falhas de projeto. Sua fabricação
foi baseada em um projeto simplificado que mantinha as principais funções da máquina sem muita
mudança. A escala escolhida par o protótipo foi baseada no tamanho de uma fruta similar ao coco, o
dicuri, ficando em 1:5
A Figura 5 mostra uma foto do protótipo feito
Figura 5. Protótipo
Industrial
A partir do protótipo concluiu-se que era necessário adicionar um sistema de trilhos para
guiar a caixa no percurso. Também percebeu-se a necessidade de um sistema de regulagem fina
para poder fazer ajustes de sincronia entre as correntes que suportam a caixa.
2.4.2 Dimensionamento
Após as verificações feitas no teste com protótipo foi dado início ao dimensionamento,
começando pelas principais partes, que têm maior influência no dimensionamento de outras. Como
pré-requisitos gerais do dimensionamento se tem:
 Capacidade de carga de 70 cocos
 Velocidade de subida da caixa de 10 cm/s
 Possibilidade de ser carregada e manuseada por no máximo 3 operadores
 Caixa
Essa foi a primeira parte a ser dimensionada, para seu funcionamento ela deve ter como prérequisitos suportar o peso dos cocos, leveza e baixo custo. Desse modo peça é formada de uma
estrutura de tubos metálicos com vãos fechados por telas de arame como mostra a Figura 6 abaixo
Figura 6. Caixa
O dimensionamento foi feito através do programa de simulação CAD Solid Works™. com
uma simulação por componente estrutural, escolhida por conta da redução do tempo de simulação e
descontinuidades, aumentando a possibilidade de convergência no método.
Industrial
Figura 7. Simulação caixa
O menor coeficiente de segurança da caixa ficou de acordo com o decido no FMEA. Os
dados das dimensões das telas e tubos foram retirados dos padrões usados nas empresas brasileiras.
 Correntes de elevação da caixa e pino da caixa
As correntes foram selecionadas conforme a sua utilização e os catálogos de empresas
brasileiras.
O pino que liga a caixa às correntes foi dimensionado levando em conta as dimensões da
corrente, a flexão e o cisalhamento com auxílio do programa de cálculo EES. Seu dimensionamento
é crítico pois compromete tanto a segurança quanto o funcionamento da máquina, como foi visto
através do FMEA. O coeficiente de segurança mínimo encontrado foi de 3, que foi considerado
satisfatório.
 Motor
A princípio foi pensado um conceito de polias ativadas manualmente para dar
movimentação a caixa, porém foi decidido a utilização de um motor ao invés por questões
ergonômicas.
O Motor foi selecionado conforme a velocidade com que a caixa deve subir e a força
necessária para levantar os cocos. Também foi levada em conta a escolha do tipo de sistema de
acionamento feita nas etapas anteriores.
Foi escolhido um motor estacionário de 100cc com torque máximo de 5,7 Nm e potência
máxima de 2,1kW. O conjunto do motor vem com uma embreagem centrífuga, necessária ao
projeto para que o recipiente seja recarregado sem precisar o desligamento do motor.
Industrial
 Reduções
Como a velocidade de saída do motor é muito maior que a velocidade determinada para a
subida da caixa foi necessário conceber um sistema de redução. Por conta de uma melhor
adequação ao projeto e menor custo foi escolhido um sistema cm base em polias. As polias e
correias foram dimensionadas de acordo com a metodologia sugerida por Fachon (2011). Para
proteção e aumento da vida útil as polias de redução ficam protegidas por uma caixa.
 Estrutura
A estrutura foi dimensionada por simulações de elementos feitas no CAD Solid Works™. A
simulação escolhida foi a que utiliza componentes estruturais, dessa forma a simulação possui mais
chances de convergir e é feita mais rapidamente. O coeficiente de segurança mais baixo é 9.9 que
está dentro dos parâmetros requeridos pelo FMEA. Apesar do alto coeficiente de segurança o tubo
não foi diminuído para dar uma segurança ao operador, além ajudar na montagem e fabricação.
Figura 8. Simulação da estrutura
2.5
Encerramento do Projeto
Corresponde a etapa final de todo o projeto. Nele ocorre uma revisão de todas etapas
anteriores.
Como o objetivo do presente trabalho é fornecer informações para construção da máquina, a
etapa final comtempla a elaboração de manuais tanto de fabricação quanto de manutenção do
Industrial
produto. Desta forma, seguindo as recomendações contidas nos manuais seria possível construir a
máquina em um ambiente simples, como também, promover a manutenção da mesma.
3
RESULTADOS
O sistema resultante do projeto é um sistema mecânico de elevação que realiza o ciclo de
subida de descida de forma contínua. Por utilizar como força motriz um motor estacionário à
gasolina o sistema supriu um ponto importante dos requisitos essenciais do cliente, eliminando de
forma significativa o esforço do operador.
A estrutura da máquina é feita em tubos e a caixa é feita de tubos e telas de forma que a
máquina pode ser transportada por três funcionários. A Figura 9 representa a concepção final do
projeto feita no CAD Solid Works™.
O princípio de funcionamento da máquina é simples. Quando a caixa está na posição inferior
é o momento de carrega-la com os cocos. Após ser atingida a capacidade da máquina o movimento
de subida é acionado pela alavanca, a qual aumenta a aceleração do motor. Os cocos ficam contidos
no recipiente até o momento que a chapa de contenção termina. Neste ponto, os cocos começam a
cair por gravidade devido à inclinação da caixa. O tempo gasto para percorrer a parte que não
contem a chapa deve ser igual ou maior ao tempo necessário para que todos os cocos caiam.
No entanto ainda havia uma situação que gerava grande esforço por parte do operador. Era
necessário levar os cocos dos montes onde são agrupados nos cocais até a máquina. A forma antiga,
levando em cestos nas costas, era bastante cansativa. Como também eles podiam desta forma levar
uma capacidade maior do que a suportada pela máquina. Pensando nisso, foi proposto um
equipamento auxiliar que solucionasse essas duas situações. A partir disso surgiu o carrinho auxiliar
no qual os cocos são colocados e levados do monte até a máquina. Este não só reduz o esforço, pois
é empurrado, como também limita a quantidade, pois apresenta o mesmo volume do recipiente da
máquina. A representação esquemática do carrinho é visualizada na Figura. 10.
Industrial
Figura 9. Representação no Solid Works™ da máquina de transporte de coco, sistema de
correntes.
Figura 10. Representação do carrinho de transporte auxiliar.
Industrial
4
CONCLUSÕES
Durante a construção do presente trabalho foi notado a importância social da produção de
coco na região de Sergipe. Várias famílias dependem de forma direta ou indireta da produção do
coco. A introdução da máquina no cocal permite ao produtor fornecer uma melhor condição de
trabalho ao operador (mais ergonômica). Outro ponto interessante para o produtor é a capacidade de
tornar o seu processo mais eficiente, implicando diretamente na redução de tempo para o
carregamento.
A aplicação da metodologia de projeto na construção da máquina de coco foi fundamental
do ponto de vista de reduzir ao máximo as falhas do projeto. Deixar bem claros quais são os
requisitos do cliente é essencial para que o produto final cumpra com as funções traçadas. As
ferramentas FTA e FMEA permitem detectar falhas antes que as mesmas aconteçam como também
visualizar qual componente da máquina deve ser alterado de forma a reduzir os riscos da máquina.
O protótipo também teve grande importância pois permitiu visualizar como o sistema funcionaria
em um ambiente real e detectar possíveis erros de projeto.
A concepção final da máquina mostrou-se bastante viável. Ela trata de uma máquina com
componentes fáceis de encontrar no mercado local ou de fácil fabricação. Atendeu aos requisitos
essenciais de forma satisfatória. Apresenta um baixo custo de fabricação e também de manutenção,
os componentes envolvidos foram pensados de modo que os reparos fossem realizados no próprio
ambiente de trabalho. Pode ser citado aqui o exemplo do motor, de pequeno porte, quatro tempos
bastante utilizado no ambiente rural. A máquina permite reduzir o número de funcionários
empregado no transporte, na situação original são necessárias 5 pessoas para realizar o trabalho. Já
utilizando a máquina, seria necessário apenas 3. De forma que uma pessoa ficaria responsável por
encher os carrinhos enquanto outras 2 levariam até o caminhão de modo que os 3 poderiam também
revessar as funções entre si.
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Industrial
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