Resumo

Na tentativa de aliviar o problema da escassez de equipamentos nos nossos laboratórios na maioria das nossas instituições de ensino superior, foi construído um laboratório de 30 toneladas prensa hidráulica foi projetada, construída e testada com materiais de origem local. Os principais parâmetros do projeto incluíram a carga máxima (300 kN), a distância que a resistência da carga precisa percorrer (curso do pistão: 150 mm), a pressão do sistema, a área do cilindro (diâmetro do pistão = 100 mm) e a vazão volumétrica do fluido de trabalho. Os principais componentes da prensa projetada incluem o arranjo do cilindro e do pistão, a estrutura e o circuito hidráulico.

A máquina foi testada quanto ao desempenho com uma carga de 10 kN fornecida por duas molas de compressão constantes de 9 N/mm cada, dispostas em paralelo entre as placas superior e inferior, e foi considerada satisfatória. Um parafuso de aço preso na placa inferior de uma prensa hidráulica é submetido a altas forças de impacto. Este parafuso tem um diâmetro principal de 14 mm e passo de 2 mm.

Tem 300 mm de comprimento e a porca carrega uma energia de impacto de 4500 n-mm. O parafuso usado é mostrado na figura 1b. A rosca é cortada para todo o diâmetro de 14 mm. Usando os princípios do DFM, projete um parafuso melhor que possa reduzir a tensão da área da raiz para 245 mpa, a partir da tensão padrão da área da raiz de 290 mpa. Mostre os cálculos.

1. Introdução 

O desenvolvimento da engenharia ao longo dos anos tem sido o estudo da busca por meios cada vez mais eficientes e convenientes de empurrar e puxar, girar, impulsionar e controlar cargas, que variam de alguns quilogramas a milhares de toneladas. Prensas são amplamente utilizadas para isso. 

Prensas, conforme definidas por Lange, são máquinas-ferramentas que exercem pressão. Elas podem ser classificadas em três categorias principais: prensas hidráulicas, que operam com base nos princípios da pressão hidrostática; prensas de parafuso, que utilizam parafusos de potência para transmitir potência; e prensas mecânicas, que utilizam a ligação cinemática de elementos para transmitir potência.

Em prensas hidráulicas, a geração, transmissão e amplificação de força são obtidas por meio de fluido sob pressão. O sistema líquido apresenta as características de um sólido e proporciona um meio muito positivo e rígido de transmissão e amplificação de potência. Em uma aplicação simples, um pistão menor transfere fluido sob alta pressão para um cilindro com área de pistão maior, amplificando assim a força. Há fácil transmissibilidade de grandes quantidades de energia com amplificação de força praticamente ilimitada. Além disso, apresenta um efeito de inércia muito baixo.

Uma prensa hidráulica típica consiste em uma bomba que fornece a força motriz para o fluido, o próprio fluido que é o meio de transmissão de força através de tubos e conectores hidráulicos, dispositivos de controle e o motor hidráulico que converte a energia hidráulica em trabalho útil no ponto de resistência da carga.

As principais vantagens das prensas hidráulicas em relação a outros tipos de prensas são que elas respondem melhor às mudanças na pressão de entrada, controlam a força e a pressão com precisão e disponibilizam toda a magnitude da força durante todo o curso de trabalho do cilindro. As prensas hidráulicas são preferíveis quando se exige uma força nominal muito alta.

A prensa hidráulica é um equipamento inestimável em oficinas e laboratórios, especialmente para operações de prensagem e deformação de materiais, como em processos de conformação de metais e testes de resistência de materiais. Uma análise da oficina na Nigéria revela que todas essas máquinas são importadas para o país. Portanto, pretende-se aqui projetar e fabricar uma prensa de baixo custo, operada hidraulicamente e utilizando materiais de origem local. Isso não só ajudará a recuperar o dinheiro perdido na forma de divisas, como também aumentará o nível da nossa tecnologia local na exploração da transmissão de energia por fluido hidráulico.

2. Metodologia de Design

Os sistemas de energia fluida são projetados com base em objetivos. O principal problema a ser resolvido no projeto do sistema é transpor o desempenho desejado do sistema para a pressão hidráulica do sistema.

Fig. 1. Diagrama esquemático da prensa hidráulica. vazão volumétrica e correspondência dessas características com uma entrada disponível no sistema para sustentar a operação.

Os principais parâmetros do projeto incluíram a carga máxima (300 kN), a distância que a resistência da carga precisa percorrer (curso do pistão: 150 mm), a pressão do sistema, a área do cilindro (diâmetro do pistão = 100 mm) e a vazão volumétrica do fluido de trabalho. Os componentes críticos que exigiram o projeto incluíram o cilindro hidráulico, a estrutura e o circuito hidráulico (Fig. 1).

2.1. Projeto de Componentes

● Cilindro Hidráulico:

Os cilindros hidráulicos são de estrutura tubular, nos quais um pistão desliza quando o fluido hidráulico é admitido. Os requisitos de projeto incluem a espessura mínima da parede do cilindro, a placa de cobertura da extremidade, a espessura do flange e a especificação e seleção do número e tamanhos dos parafusos. A força de saída exigida de um cilindro hidráulico e a pressão hidráulica disponível para esse fim determinam a área e o diâmetro interno do cilindro, bem como a espessura mínima da parede.

● Placa de cobertura da extremidade do cilindro: 

A espessura T, da placa de cobertura final, que é suportada na circunferência por parafusos e submetida a uma pressão interna distribuída uniformemente sobre a área, é dada pela Eq. (2) de Khurmi e Gupta (1997), como: T = KD(P/δt) 1/2, (2) onde: D = Diâmetro da placa de cobertura final (m), 0,1; K = Coeficiente dependendo do material da placa, 0,4, de Khurmi e Gupta (1997); P = Pressão interna do fluido (N/m2 ), 38,2; δt = Tensão de projeto permitida do material da placa de cobertura, 480 N/m2 ; a partir da qual a espessura da placa foi obtida como sendo 0,0118 m.

● Parafuso:

A tampa do cilindro pode ser fixada por meio de parafusos ou prisioneiros. O arranjo possível para fixar a tampa com parafusos é mostrado na Fig. 2. Para encontrar o tamanho e o número corretos de parafusos, n, a serem usados, a seguinte Eq. (3) foi usada conforme adotada de Khurmi e Gupta (1997): (πDi 2 /4)P = (πdc 2 /4)δtbn, (3) onde; P = Pressão interna do fluido (N/m2); Di = Diâmetro interno do cilindro (m); dc = Diâmetro do núcleo do parafuso (m), 16 × 10-3 m; δtb = Resistência à tração permitida do parafuso.

Se o tamanho do parafuso for conhecido, então, o número de parafusos pode ser calculado e vice-versa. Entretanto, se o valor de n obtido acima for ímpar ou uma fração, então o próximo número par mais alto é adotado. O número de parafusos foi calculado como 3,108, portanto, quatro parafusos foram escolhidos. A estanqueidade da junta entre o cilindro e a placa de cobertura da extremidade depende do passo circunferencial, Dp, do parafuso, que foi obtido como 0,0191 m da Eq. (4): Dp = Di + 2t +3Dc, (4) onde: t = espessura da parede do cilindro (m), 17 × 10-3.

● Flange do cilindro: 

O projeto do flange do cilindro visa essencialmente obter a espessura mínima tf, do flange, que pode ser determinada a partir de considerações de flexão. Há duas forças em ação aqui, uma devido à pressão do fluido e a outra que tende a separar o flange devido à vedação, que deve ser resistida pela tensão produzida nos parafusos. A força que tenta separar o flange foi calculada em 58,72 kN a partir da Eq. (5): F = (π/4)D1 2 P, (5) onde: D1 = diâmetro externo da vedação, 134 × 10-3 m.

● Determinação da espessura do flange: 

A espessura do flange, tf, pode ser obtida considerando a flexão do flange em torno da seção AA, sendo a seção ao longo da qual o flange é mais fraco à flexão (Fig. 3). Essa flexão é causada pela força exercida por dois parafusos e pela pressão do fluido dentro do cilindro.

Portanto, a Eq. (6) forneceu uma espessura de flange de 0,0528 m: tf = (6M)/(bδf), (6) onde: b = Largura do flange na seção AA, 22,2×10-3 m; δf = Tensão de cisalhamento do material do flange, 480N/m2; M = Momento de flexão resultante, 5.144,78 Nm.

● Pistão: 

O tamanho da coluna da haste do pistão necessário para sustentar a carga aplicada e que está alinhado com a linha central do furo do cilindro é influenciado pela resistência do material da haste, pela força aplicada à coluna da haste em compressão, pela situação de montagem do próprio cilindro e pelo curso sobre o qual a carga deve ser aplicada.

O procedimento para calcular o tamanho da coluna da haste do pistão e os comprimentos do cilindro sob condições de empuxo final foi realizado utilizando o procedimento sugerido por Sullivan. Por isso, o tamanho da haste do pistão com diâmetro não inferior a 0,09 m foi considerado adequado para o projeto.

● Seleção de Selos: 

As vedações são utilizadas para evitar vazamentos internos e externos no sistema sob condições operacionais variáveis de pressão e velocidade. A vedação estática selecionada utiliza o princípio de ranhura e anel para atuar como vedação. A dimensão da ranhura é calculada de forma que o anel de vedação selecionado seja comprimido a 15-30% em uma direção e igual a 70-80% do diâmetro da seção transversal livre. O problema na seleção da vedação estática é especificar a ranhura de forma que um anel de vedação possa ser comprimido em uma direção e expandido em outra. Portanto, uma dimensão de ranhura de 4 mm × 3 mm foi especificada para a vedação. 

2.2.Design de Moldura 

A estrutura fornece pontos de montagem e mantém as posições relativas corretas das unidades e peças montadas nela durante todo o período de serviço, sob todas as condições de trabalho especificadas. Ela também proporciona rigidez geral à máquina (Acherkan, 1973). A consideração de projeto é a da tensão direta imposta aos pilares. Outros elementos da estrutura, como as placas (como no nosso caso), são submetidos a tensões de flexão simples. 

● Cilindro: 

As placas superior e inferior proporcionam um ponto de contato direto com o objeto a ser comprimido. Consequentemente, elas são submetidas a uma tensão de flexão pura devido a um binário igual e oposto atuando no mesmo plano longitudinal. A consideração do projeto é essencialmente para flexão e consiste principalmente na determinação do maior valor do momento fletor (M) e da força de cisalhamento (V) criados na viga, que foram encontrados como sendo 45 kN/m e 150 kN, respectivamente. Estes foram calculados utilizando o procedimento adotado. 

● Módulo de Seção: 

Os valores de V e M obtidos facilitam o cálculo do módulo de seção das placas. Isso fornece a profundidade mínima (espessura) d, e foi calculada em 0,048 m a partir da Eq. (7): d = [(6M)/(δb)]1/2, (7) onde; M = Momento fletor máximo, 45 kN/m; b = 600 × 10-3 m; δ = 480 × 106 N/m2. 

2.3.Bomba 

O parâmetro inicial do projeto é estimar a pressão máxima de descarga do fluido necessária no cilindro e, em seguida, um fator é adicionado para levar em conta a perda por atrito no sistema. Obteve-se um valor de 47,16 × 106 N/m².  

A ação de bombeamento é acionada por um sistema de alavanca. O comprimento real da alavanca foi obtido como sendo 0,8 m. Este cálculo foi realizado considerando um esforço teórico máximo e considerando o momento em relação ao fulcro. 

3. Procedimento detalhado de fabricação 

O aço da seção em U de 200 mm × 70 mm foi obtido localmente de um fornecedor de aço estrutural, e duas chapas de aço de 200 × 400 × 40 mm foram obtidas de um ferro-velho em Benin City, Nigéria. Após determinar as dimensões principais das seções críticas do projeto, duas seções de 2.800 mm foram cortadas do aço com uma serra elétrica na oficina onde a estrutura foi fabricada.

Um tubo de Φ150 mm com diâmetro interno de Φ90 mm também foi obtido do ferro-velho e foi furado e lapidado para Φ100 mm no torno. Também foi obtido um tubo tubular de aço macio de Φ70 mm e 15 mm de espessura, que foi torneado em uma extremidade para Φ60 mm para abrigar a vedação e o alojamento da vedação.

O pistão e o cilindro foram montados e fixados na base da estrutura com parafusos previamente soldados. Uma barra-guia feita de um tubo de aço também foi fornecida para permitir o movimento vertical retilíneo da placa. As placas foram produzidas a partir da placa de aço e dois furos de Φ20 mm foram perfurados em ambas as extremidades para a passagem da barra-guia. A placa inferior foi montada na parte superior do pistão e mantida em posição por um recesso usinado nela. Um anel de calibração também foi produzido a partir de uma placa de aço macio de 10 mm de espessura e foi colocado entre a placa superior e a barra transversal da prensa, conforme mostrado na Fig. 1.

3.1.Resultado do teste de desempenho 

É prática comum submeter produtos de engenharia a testes após a fabricação. Esta é uma etapa significativa no processo de fabricação. Durante os testes, o produto é verificado para verificar se os requisitos funcionais foram atendidos, identificar problemas de fabricação, verificar a viabilidade econômica, etc. 

Portanto, testes são empregados para comprovar a eficácia do produto. Para a prensa hidráulica, o teste de vazamento é o mais significativo. O teste começou com a escorva inicial da bomba. Em seguida, o fluido foi bombeado. Isso foi realizado sem carga. A máquina permaneceu nessa posição por duas horas. 

A máquina foi então submetida a uma carga de 10 kN fornecida por duas molas de compressão de 9 N/mm cada, dispostas em paralelo entre as placas. As molas foram então comprimidas axialmente até um comprimento de 100 mm. Esse arranjo foi deixado em repouso por duas horas e a presença de vazamentos foi observada. Não foi indicado vazamento no sistema, pois a placa inferior não caiu de sua posição inicial. 

4.Conclusão 

Uma prensa hidráulica de 30 toneladas foi projetada, fabricada e calibrada. A máquina foi testada para garantir a conformidade com os objetivos do projeto e a operacionalidade. A máquina foi considerada satisfatória com uma carga de teste de 10 kN. Testes adicionais com a carga de projeto ainda serão realizados.

5.Análise de falhas

5.1 Visão geral

Para analisar a falha do cilindro principal da prensa hidráulica de quatro colunas, as seguintes questões merecem atenção:

●A análise aprofundada do diagrama do sistema hidráulico, combinada com a tabela de ação eletromagnética relevante e diagramas de circuitos relacionados, elabora o mecanismo de funcionamento completo do circuito e, ao mesmo tempo, entende corretamente a intenção e as ideias do projeto do circuito, as medidas técnicas tomadas e o contexto relacionado.

●Corresponde ao diagrama do princípio de funcionamento da prensa hidráulica e ao objeto real. Para formar uma impressão específica, a tubulação no circuito hidráulico, o diagrama esquemático, muitas vezes, é muito diferente do objeto real. Sempre que possível, esclareça a relação entre a colisão entre os furos da válvula na placa da válvula e a resistência da barreira. Esses fatores estão intimamente relacionados à inspeção do circuito.

●Consulte livros e materiais relevantes para encontrar a base para julgar as características dos dispositivos hidráulicos e, em seguida, julgue-os.

●De acordo com páginas da web relevantes, livros e manuais de instruções de equipamentos, explore o mecanismo de falha e os métodos de teste analítico relacionados.

●Análise da ausência de pressão de retenção no cilindro mestre

Conforme mostrado na figura, o cilindro principal da máquina hidráulica de quatro colunas utiliza uma válvula de enchimento de líquido para realizar um movimento descendente rápido. O cilindro principal frequentemente não mantém a pressão. Esta máquina possui requisitos de retenção de pressão e geralmente requer uma queda de pressão de <2 a 3 MPa em 10 minutos.

Análise: Se o cilindro principal não mantiver a pressão, deve haver um vazamento de óleo sob pressão. A partir da análise esquemática, o vazamento está relacionado ao circuito de óleo, e não há mais do que 5 componentes que causam vazamento.

●Tubos e juntas: tensões, soldagens deficientes, trincas, etc.;

● Válvula de retenção de pressão: má vedação;

●Corpo da válvula de enchimento: vedação ruim ou assento da válvula solto;

● Haste de pressão de óleo de controle da válvula de enchimento: ligeiramente mais longa, levante e descarregue o carretel pequeno

●Pistão do cilindro mestre (bucha guia): O anel de vedação está danificado.

Método de exclusão: De acordo com os resultados da análise, verifique e exclua do simples para o complexo, de fora para dentro.

Primeiro, verifique a tubulação e as juntas (das mais simples às mais complexas, de fora para dentro) e realize a soldagem inicial para detectar soldas de baixa qualidade e rachaduras. É melhor remover os anéis de vedação das juntas e aquecer as curvas com solda a oxigênio até que fiquem vermelhas. Coloque a porca levemente, espere esfriar e endurecer antes da montagem.

Se não houver defeitos nas tubulações e juntas, verifique a válvula de retenção de preservação de pressão (por fora e por dentro), remova o bujão da válvula de retenção, lustre sua linha de vedação, retifique-a com a sede da válvula, limpe-a e monte-a.

Após verificar a válvula de retenção, se o cilindro principal ainda não conseguir manter a pressão, verifique a válvula de controle da válvula de enchimento (externa e interna), remova a haste de controle de óleo e bloqueie o óleo de controle para verificar se a pressão é mantida; se for impossível manter a pressão para confirmar se o taco é longo, lixe a extremidade do taco. Após verificar a haste de pressão, a pressão não pode ser mantida. A válvula de enchimento deve ser verificada. O objetivo principal é verificar se a linha de vedação e o anel da sede estão soltos. Polir, lixar ou remontar o anel da sede. 

Após a verificação da válvula de enchimento, a pressão não pode ser mantida, e o anel de vedação do cilindro principal pode ser determinado como danificado, podendo ser removido e substituído.

Demonstração em vídeo