Estimativa de Propriedades Mecânicas e Análise - O GVA

Transcrição

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Estimativa de Propriedades Mecânicas e Análise
Estrutural Via Método de Elementos Finitos de
Hélices Navais Produzidos na Amazônia
Aluno: Fábio Augusto Canté Lopes
Matrícula: 9902101301
2o semestre / 2003
II
CENTRO TECNOLÓGICO
Estimativa de Propriedades Mecânicas e Análise
Estrutural Via Método de Elementos Finitos de
Hélices Navais Produzidos na Amazônia
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao Colegiado do Curso de Engenharia Mecânica
para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico
Orientadores:
Antonio Luciano seabra Moreira
Newton Sure Soeiro
2o semestre / 2003
III
CENTRO TECNOLÓGICO
Estimativa de Propriedades Mecânicas e Análise Estrutural
Via Método de Elementos Finitos de Hélices Navais
Produzidos na Amazônia
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico
pela Universidade Federal do Pará. Submetida
a banca examinadora do Colegiado, constituída
pelos PROFESSORES:
_____________________________
_____________________________
Antonio Luciano Seabra Moreira
Newton Sure Soeiro
______________________________
_____________________________
Carmen Gilda Barroso Tavares Dias
Carlos Alberto Mendes da Mota
_____________________________
Julgado em: _____/_____/_____
Antonio Jorge Hernandez Fonseca
CONCEITO: __________________________
IV
DEDICATÓRIA
Aos meus pais Antonio Augusto Moreira e Maria lídia
Canté, por todo o amor e cuidado que demonstraram
comigo, aos meus irmãos Ana Fabrícia Canté Lopes e
Fernando Augusto Canté Lopes por acreditarem nos meus
objetivos, a minha namorada Aline Almeida por toda a
atenção cedida a mim nos momentos difíceis, ao meu
sobrinho que tanto amo e aos meus sinceros amigos.
Fábio A. C. Lopes
V
“A vontade liberta por que a
liberdade é criadora”
Friedrich Nietzsche
“A paz é a única forma de nos sentirmos
realmente humanos”
Albert Einstein
“A sabedoria se origina a partir do
momento em que o homem se
interessa
em
descobrir
suas
limitações morais”
Fábio Lopes
VI
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, infinitamente bom e misericordioso, razão de minha
esperança em mundo melhor.
A Jesus, meu precioso amigo de todos os momentos.
Aos meus pais que forneceram-me o apoio necessário incentivando-me a
adquirir conhecimento através dos estudos e de minha perseverança.
Aos meus irmãos e meu sobrinho, pela alegria que geram em minha vida.
A Aline Pereira Almeida por iluminar o meu caminho continuamente.
Aos meus orientadores, Antonio Luciano Seabra Moreira e Newton Sure Soeiro
pela confiança depositada em meu trabalho.
Ao técnico João Bosco dos Santos Barbosa, pelo auxílio neste trabalho.
Aos engenheiros Marcos Fabrício S. de Oliveira, Raimundo Nonato Pinto de
Oliveira e Hélido Cleidson. de Oliveira Sena pelo apoio nas atividades
experimentais deste trabalho.
Ao fundidor Antonio Bernardes Campelo pelo grande auxílio neste trabalho.
A banca examinadora professores Carlos Alberto Mendes da Mota, Antonio
Jorge Hernandez Fonseca e Carmen Gilda Barroso Tavares Dias que investiu
parte do seu tempo para contribuir no meu trabalho.
A todos que contribuíram para a minha formação acadêmica, em especial,
Antonio L. S. Moreira, José Maria do Vale Quaresma, Newton S. Soeiro,
Alcides Canejo, Daniel Onofre, Celso Coelho e Antonio Jorge H. Fonseca.
VII
RESUMO
O controle dos processos de fabricação tornaram-se cada vez mais
sofisticados, tendo em vista a necessidade de obter-se produtos de elevada
qualidade, reflexo da competitividade no mercado, o qual encontra-se cada vez
mais globalizado. No que se refere ao processo de fundição na Amazônia,
observa-se uma realidade extremamente artesanal e empírica, fato que
propicia
inúmeros
problemas
em
determinados
produtos
de
elevada
importância comercial, como o propulsor naval tipo hélice utilizado por milhares
de embarcações regionais para os mais variados fins tais como, transporte de
passageiros e/ou cargas, atividades pesqueiras, fiscalização ambiental,
serviços relacionados à segurança e soberania do país, atividades sociais e
comerciais, serviços públicos (Correios, Secretaria da Fazenda, cartórios,
juizados,
atendimentos
médico
e
odontológico,
etc),
as
quais
são
impulsionadas por propulsores navais do tipo hélice geralmente produzidos na
região. Neste trabalho analisou o comportamento mecânico de várias amostras
de propulsores fabricados na região, através da estimativa das propriedades
mecânicas de maior interesse comparando estes resultados com as
macroestruturas e microestruturas de solidificação. Implementou-se também,
uma análise numérica via Método de Elementos Finitos com o intuito de se
verificar os efeitos da solicitação fluídica na estrutura do propulsor naval. A
partir deste trabalho, tornar-se-á possível comprovar quantitativamente que o
empirismo regional na produção de hélices navais acarreta inúmeros
problemas tanto de caráter social quanto econômico. No final deste trabalho,
está contida uma cartilha informativa, a qual possui o objetivo de conscientizar
os usuários e produtores de hélices navais na região.
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS
Nas últimas décadas a Amazônia tem sido um cenário de intensas
discussões no mundo pelo fato de apresentar inúmeras oportunidades de
desenvolvimento bem como riquezas
biológicas, minerais e culturais
extraordinárias. Além disso, a referida região possui a maior bacia hidrográfica
do planeta e uma imensa quantidade de rios navegáveis. Assim, a mesma
depende bastante do transporte hidroviário o qual apresenta, portanto, uma
significativa relevância para a sua integração e desenvolvimento sócioeconômico. A partir das Figuras 1.1 e 1.2, podemos visualizar a magnitude dos
rios existentes na bacia hidrográfica, citada anteriormente[1-3].
Dentro
deste
contexto,
encontram-se
dezenas
de
milhares
de
embarcações utilizadas para os mais diversos fins, tais como, transporte de
passageiros e/ou cargas, atividades pesqueiras, fiscalização ambiental,
serviços relacionados à segurança e soberania do país, atividades sociais e
comerciais, serviços públicos (Correios, Secretaria da Fazenda, cartórios,
juizados, atendimentos médico e odontológico etc), as quais são impulsionadas
por propulsores navais do tipo hélice geralmente produzidos na região. Através
das Figuras 1.3 e 1.4 torna-se possível avaliar a elevada importância que o
transporte hidroviário representa para as populações ribeirinhas da região. As
Figuras 1.5 e 1.6 apresentam, respectivamente, uma embarcação pesqueira
típica da região e a realidade cotidiana de um porto fluvial na mesma região[4-7].
A fabricação desses propulsores, todavia, é realizada segundo uma
abordagem empírica que, freqüentemente, proporciona um comportamento
mecânico insatisfatório aos mesmos representado por suas propriedades
mecânicas inferiores. Portanto, considerando a importância do assunto, foram
2
Figura 1.1 – Aspecto do Rio Amazonas ao sul da Ilha do Marajó.
Figura 1.2 – Vista parcial do rio que banha o município de Vigia localizado na
Região do Salgado apresentando um dos acessos ao Oceano Atlântico.
3
Figura 1.3 – Populações ribeirinhas características da Amazônia usuárias de
pequenas embarcações.
Figura 1.4 - Populações ribeirinhas características da Amazônia usuárias de
pequenas embarcações.
4
Figura 1.5 – Embarcação de pesca que utiliza propulsor naval tipo hélice.
Figura 1.6 – Embarcações de médio porte utilizadas no transporte de cargas e
passageiros. Porto de Breves - PA.
5
desenvolvidos recentemente no Departamento de Engenharia Mecânica do
Centro Tecnológico da Universidade Federal do Pará - DEM/CT/UFPA estudos
com a finalidade de contribuir na substituição gradativa do empirismo regional,
utilizado na fabricação destes propulsores, por uma sistemática mais adequada
contribuindo, por conseguinte, para a melhoria da qualidade e do desempenho
operacional dos mesmos.
Um levantamento preliminar realizado em algumas oficinas produtoras,
constatou que uma das principais causas do comportamento mecânico
insatisfatório dos propulsores decorre da inadequada seleção de materiais e de
falhas identificadas no processo de fabricação, que impõem a presença
sistemática de defeitos tais como bolhas, porosidade, rechupes, trincas de
contração e vazios, além de um dimensionamento geométrico inadequado dos
propulsores
proveniente
de
uma
incorreta
estimativa
de
parâmetros
relacionados à embarcação. As Figuras 1.7 e 1.8, mostram exemplos de
defeitos em propulsores navais devido ao processo de fabricação utilizado[1-7].
1.2 OBJETIVOS DESTE TRABALHO
Considerando o exposto foram estabelecidos os seguintes objetivos para
este trabalho:
1.2.1 OBJETIVO GERAL
Este trabalho apresenta procedimentos técnicos capazes de contribuir
para a melhoria do processo de fabricação empírico, atualmente empregado na
Amazônia, para a produção de propulsores navais tipo hélice utilizados por
embarcações nas condições regionais, através do diagnóstico de propriedades
mecânicas de interesse e do comportamento mecânico obtido a partir de
ferramentas computacionais, com o intuito de avaliar-se o desempenho dos
mesmos, a fim de possibilitar a estimativa de parâmetros que elevem a
confiabilidade do referido produto.
6
Figura 1.7 – Exemplos de porosidade em propulsores navais devido o
empirismo empregado no processo de fundição.
Figura 1.8 – Exemplos de porosidade em propulsores navais devido o
empirismo empregado no processo de fundição.
7
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1) Identificar os defeitos mais comuns provenientes dos processos de
fabricação e recondicionamento empíricos de propulsores navais tipo
hélice produzidos na Região Amazônica;
2) Estimar propriedades mecânicas de interesse apresentadas pelos
referidos propulsores;
3) Analisar comparativamente as propriedades mecânicas obtidas com
aquelas fornecidas pelas normas vigentes;
4) Justificar os valores encontrados para as propriedades mecânicas dos
propulsores navais em questão;
5) Identificar materiais adequados e as respectivas composições
químicas a serem utilizados na fabricação desses propulsores;
6) Implementar cálculos computacionais via Método de Elementos Finitos
para simular o comportamento mecânico dos propulsores estudados;
7) Desenvolver um material informativo que possibilite o acesso aos
produtores e usuários de hélices navais da região aos resultados obtidos
durante o projeto de pesquisa, no qual este trabalho está inserido;
8) Publicar os resultados obtidos.
CAPÍTULO 2
PROPULSORES NAVAIS TIPO HÉLICE
Neste capítulo é abordado um histórico resumido sobre os principais tipos
de sistemas de propulsão de veículos fluviomarítimos, bem como aspectos
construtivos e operacionais dos propulsores navais tipo hélice, a fim de se
obter uma visão da realidade do transporte hidroviário da Região Amazônica.
São ressaltadas, também, algumas das mais importantes teorias de
formação das estruturas de solidificação provenientes do processo de
fabricação, a influência destas estruturas nas propriedades mecânicas dos
propulsores navais em questão, assim como a relação da matéria-prima
utilizada na produção dos mesmos com o comportamento mecânico avaliado.
Posteriormente, são citadas as mais relevantes características dos
ensaios mecânicos realizados neste trabalho, os quais objetivam estimar as
propriedades mecânicas dos propulsores navais em função da composição
química das ligas empregadas na fabricação dos mesmos.
Finalmente, é comentado o método numérico utilizado para descrever o
comportamento mecânico de um determinado modelo de propulsor naval que
se caracteriza por ser um dos mais utilizados entre as embarcações locais
assim como os tipos de análises computacionais realizadas.
2.2 PRINCIPAIS SISTEMAS PROPULSORES DE MEIOS DE TRANSPORTES
AQUÁTICOS
Inicialmente, deve-se realizar uma abordagem teórica sobre o fenômeno
da propulsão em meios aquáticos, a fim de que haja a necessária
9
compreensão do mecanismo responsável pelo movimento das embarcações e
a resistência fluídica a ser superada pelas mesmas.
A potência necessária para movimentar uma determinada embarcação
deve superar as resistências fluídicas provenientes da interação entre a
estrutura do veículo em questão, e o meio em este se encontra. Nos meios de
transporte hidroviários, geralmente, deve-se reduzir a um mínimo a potência
requerida, mantendo-se coerentes os outros requisitos de projeto. Desta forma,
o peso, o custo, o volume do maquinário e a quantidade necessária de
combustível podem ser minimizados. Este tipo de estudo pode ser realizado
através de diversas metodologias, sendo que algumas delas são descritas a
seguir:
1) Uso de dados obtidos ao longo do tempo em embarcações;
2) Uso de análises e modelos teóricos;
3) Uso de modelos experimentais para prever a resistência na escala
normal.
No que diz respeito à primeira metodologia, os dados obtidos de
embarcações existentes têm seu uso limitado ao processo natural de evolução
da engenharia naval. Este método, portanto, não é valido quando um novo tipo
de embarcação é introduzido.
Os estudos teóricos referentes à segunda metodologia, têm sido utilizados
como auxílio aos métodos práticos, continuando a ganhar espaço com o
desenvolvimento de sistemas computacionais mais eficientes. Ainda assim,
não se mostram adequados para o projeto quando empregados isoladamente.
A sua principal contribuição tem sido como guia para a experimentação em
modelos com embasamento mais racional e científico, sugerindo linhas de
investigação mais promissoras fornecendo indicações da importância relativa
dos vários parâmetros de projeto. A principal ferramenta de projeto tem sido o
modelo experimental auxiliado pelo modelo teórico e utilizando dados de
10
embarcações existentes em escala normal para a verificação das predições
feitas com o modelo.
Finalmente, a construção de um modelo experimental é relativamente
econômica e produz resultados bastante imediatos para uma série de
modificações, permitindo ao projetista alcançar um projeto otimizado[8,9]. Na
Figura 2.1 é apresentado esquematicamente um tanque de provas o qual
possui a função de estimar, através de uma análise dimensional, as condições
operacionais a que a embarcação estudada estará submetida quando estiver
em funcionamento. As Figuras 2.2 e 2.3, mostram um tanque de provas que
possui o objetivo de realizar testes com modelos em escala reduzida de
embarcações e sistemas oceânicos. É importante ressaltar, que também
existem equipamentos para medição de carregamento estrutural e de vibrações
em instalações reais, para caracterizar totalmente as embarcações projetadas.
Modelo Reduzido da
Embarcação.
Figura 2.1 – Esquema de um tanque de provas para caracterização do
desempenho de embarcações.
11
Figura 2.2 - Tanque de provas para análise de modelos de embarcações[18].
Figura 2.3 - Tanque de provas para análise de modelos de embarcações[18].
12
2.3 HISTÓRICO DO DESENVOLVIMENTO DOS PROPULSORES NAVAIS
Nas primeiras civilizações, a propulsão naval era realizada por meio de
remos operados manualmente que posteriormente foram substituídos por
embarcações a velas. Em seguida, os primeiros equipamentos mecânicos
fizeram uso do jato, das rodas de pás e, finalmente, de hélices dos mais
variados tipos. O primeiro sistema de propulsão mecanizado parece ter sido o
jato. Em 1661, Toogood e Hayes obtiveram, na Grã-Bretanha, a patente do
sistema que utilizava uma bomba hidráulica. Neste sistema, a água é
bombeada e expelida sob a forma de um jato que produz o impulso necessário
para movimentar a embarcação. Para as velocidades atualmente obtidas pelas
embarcações, o sistema a jato é pouco eficiente e sua utilização é restrita
somente a tipos especiais de embarcações[4,11,14].
No início do século XIX, confirmou-se que Leonardo da Vinci havia
inventado, por volta dos anos de 1483 e 1486, um propulsor em forma de
espiral que, girando, criaria um movimento de avanço longitudinal ao seu eixo.
Posteriormente, em 1811, foi construído o primeiro barco a vapor com
rodas de pás laterais, o Charlotte Dundus. Seis anos depois, temos o famoso
Clermont que transportava passageiros no Rio Hudson, em Nova York. No
período que vai até 1850, o domínio das embarcações com rodas de pás foi
total. O primeiro deles a fazer a travessia do Atlântico foi o Savannah em 1819.
Em 1840 temos o primeiro navio de guerra movido a rodas de pás, o Britannia
e, em 1861, o último, o Scotia.
A partir de 1840, iniciou-se a disputa entre os partidários dos hélices e os
das rodas. Para resolver a questão, em 1845, o Almirantado Britânico
promoveu uma disputa histórica de um vaso naval com hélice contra um navio
mercante com roda de pás, ambos deslocando 800 toneladas, e com motores
de igual potência. A partir do momento que a embarcação com o hélice
começou a movimentar-se, ficou clara a superioridade deste tipo de
propulsor[4].
13
Naquele período, não houve um estudo mais profundo em termos de
eficiência propulsiva (velocidade e distância adquiridas em função do consumo
de combustível), pois se fossem efetivadas análises desta natureza, as rodas
de pás obteriam vantagens, ou seja, seriam mais eficientes, muito embora, elas
fossem mais vulneráveis a danos por problemas de imersão irregular das pás e
danos provenientes devido o rio e/ou mar estarem inadequados para a
navegação[8,9].
2.4 ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS PROPULSORES NAVAIS TIPO
HÉLICE
É muito importante a compreensão das partes que constituem o propulsor
naval tipo hélice, e suas respectivas funções antes de definirmos o propulsor
que será utilizado. Perguntas do tipo: Qual será o formato do propulsor? Quais
as diferenças e similaridades entre os diferentes tipos? Qual o hélice naval
mais adequado para um determinado serviço? Estas e outras perguntas são
realizadas com a finalidade de obter-se uma eficiência propulsiva satisfatória,
sendo que suas respostas dependem de outros fatores que serão abordados
posteriormente[4,8,9].
2.4.1 PARTES DO PROPULSOR[8]
1) Cubo: O cubo do propulsor consiste de um disco central e rígido,
sendo que este é vazado a fim de que se torne possível o encaixe no eixo. O
cubo pode ser considerado como a base das pás do propulsor. Na prática o
mesmo, raramente, pode ser menor do que 14% do diâmetro, pois a resistência
mecânica deve ser levada em consideração.
2) Chaveta: A maioria dos eixos transmitem potência para os propulsores
através da chaveta. A chaveta é um longo e estreito prisma retangular colocado
ao longo do eixo propulsor que se encaixa perfeitamente à fenda ou abertura
no hélice que se denomina de chaveta.
14
3) Pás: As pás do propulsor são barbatanas ou chapas torcidas que se
projetam do cubo. É a ação das pás que faz com que a embarcação locomovase através do meio fluídico.
4) Face e Dorso das Pás: A face da pá do propulsor é a região de alta
pressão, ou face pressurizada da pá. É exatamente este lado de alta pressão
da pá, que desloca a água fazendo com que, a partir do Princípio de
Conservação da Quantidade de Movimento, a embarcação possa se
movimentar. A parte de baixa pressão do hélice naval, ou região de sucção da
pá é a primeira a entrar em contato com a massa de fluido que será deslocada
e se denomina de dorso da pá.
5) Raiz e Ponta da Pá: A raiz da pá é a região onde a pá fica totalmente
vinculada ao cubo do propulsor. A ponta da pá é a região mais extrema, sendo
caracterizada como aquela onde temos a dimensão denominada de
comprimento da pá.
6) Bordas de Ataque e de Fuga: A borda de ataque é a região da pá que
penetra o fluido (água) e a borda de fuga, consiste na região da pá onde o
fluido escoa em sentido contrário ao deslocamento do propulsor e em elevada
velocidade. A Figura 2.4 permite verificar a “anatomia” de um propulsor naval
tipo hélice visualizando todas as partes descritas anteriormente.
2.4.2 OS PARÂMETROS BÁSICOS DO HÉLICE NAVAL
São cinco os parâmetros básicos que compõem um hélice naval, ou seja:
1) Diâmetro: O diâmetro do hélice é a largura do círculo formado pelas
pontas das pás. A maioria dos hélices deveria possuir o diâmetro e o passo
gravados no cubo. Em uma nomenclatura como 14-1/4 x 19, o primeiro número
representaria o diâmetro e o segundo o passo. Na ausência desta
nomenclatura, pode-se determinar facilmente o diâmetro de um hélice medindo
desde o centro do cubo até a ponta de uma pá. Multiplicando esta medida por
dois, obtém-se o respectivo diâmetro do propulsor.
15
Figura 2.4 – Partes constituintes de um hélice naval[4].
16
O diâmetro do hélice determina a quantidade de potência que o mesmo
pode aplicar na água assim como quanta carga pode empurrar. Geralmente, as
cargas pesadas necessitam de hélices com um diâmetro maior, porém, um
diâmetro muito elevado pode tornar-se um problema. Pás de grandes
dimensões geram uma resistência adicional ao moverem-se na água. A
estratégia mais adequada é a de um diâmetro para o hélice suficiente para
proporcionar o movimento adequado. Um hélice cujo diâmetro apresente
dimensões muito elevadas ou muito reduzidas desperdiçará combustível e
reduzirá a velocidade da embarcação. A Figura 2.5 representa, perfeitamente,
o diâmetro de um propulsor naval[4,10]. A Figura 2.6 permite verificar a relação
entre o valor do diâmetro do propulsor tipo hélice e características operacionais
da embarcação.
2) Passo: O passo do hélice é expresso em termos da distância
percorrida pela embarcação. Um hélice cujo passo é de 24 polegadas, por
exemplo, significa que teoricamente, o mesmo desloca-se 24 polegadas para
frente em cada rotação completa. A Figura 2.7, possibilita visualizar o descrito
anteriormente.
Os hélices de passos menores são similares às engrenagens que
proporcionam baixas velocidades em veículos terrestres. Os mesmos possuem
menor percurso avante em cada rotação. Apesar de trabalharem bem com
cargas pesadas, proporcionam velocidades relativamente baixas. Os hélices de
passos maiores são similares às engrenagens de alta velocidade. Os mesmos
apresentam maior percurso avante em cada rotação. Apesar de terem uma
força reduzida à baixa velocidade e da sua aceleração ser menor, normalmente
proporcionam maior velocidade. O passo correto propicia a maior velocidade
para a embarcação bem como a carga correta para o motor[10].
17
Figura 2.5 – Representação do diâmetro de um propulsor[4,10].
Figura 2.6 - Relação entre o diâmetro do hélice e características operacionais
da embarcação.
Figura 2.7 – Representação esquemática do passo de um propulsor naval[10].
18
3) Ângulo de Inclinação da Pá: O ângulo de inclinação é a medida do
ângulo formado desde a ponta da pá até o lado oposto desta. O ângulo é
medido em uma linha que se estende desde o centro do cubo através do centro
de uma pá. Deve-se observar que o ângulo da pá muda à medida que a
distância desde o cubo aumenta. Próximo do cubo, a pá segue um caminho
mais curto em cada rotação comparado com a ponta da pá. O ângulo de
inclinação da pá varia de modo que cada seção da pá fornece a mesma
quantidade de percurso para frente em cada rotação[10]. A Figura 2.8 especifica
o ângulo de inclinação de um propulsor naval. O ângulo de inclinação pode ser
plano ou progressivo. O ângulo progressivo significa que o ângulo aumenta
com a distância tomada desde o cubo. A Figura 2.9 representa um ângulo de
inclinação progressivo. A maioria dos hélices possui um ângulo de inclinação
positivo entre 0º e 20º. Os hélices com um alto ângulo de inclinação, quando
são operados parcialmente na superfície, evitam que a água seja lançada para
fora da pá pela força centrífuga à medida que a pá deixa o meio líquido. Isto
permite que os hélices com um alto ângulo de inclinação trabalhem mais
efetivamente próximos à superfície. Os hélices com elevado ângulo de
inclinação têm a tendência de levantar a proa quando operados parcialmente
na superfície. Tal fato reduz a resistência oferecida pelo meio fluídico,
resultando num aumento da velocidade da embarcação. Algumas embarcações
muito rápidas e leves com túnel, podem torna-se voadoras e instáveis quando
utilizam um hélice que tenha um alto ângulo de inclinação. Nestes casos, um
hélice com menor levantamento da proa seria uma seleção apropriada[10].
4) Copa: O Iábio curvado pequeno da ponta da pá e da borda de fuga é
chamado de copa da pá. A copa trabalha como um vedador na borda de fuga
da pá. Ela evita que a água, que se encontra na face de alta pressão da pá,
flua ao redor da borda de ataque para a área de baixa pressão que está
situada no dorso da pá. Isto reduz a ventilação e a patinagem, especialmente
em situações onde o hélice está operando em água turbulenta ou aerificada.
Os hélices com a copa levam vantagem nas curvas pronunciadas e em usos
onde o motor está montado mais alto do que o normal. Para que haja uma
plena compreensão, a Figura 2.10 apresenta a copa de um hélice naval.
19
Figura 2.8 – Representação do ângulo de inclinação de um hélice naval.
Figura 2.9 – Representação de um ângulo de inclinação progressivo.
Figura 2.10 – Representação esquemática da copa de um hélice naval.
20
A copa das pontas das pás aumentam o ângulo de inclinação efetivo,
acrescentando ao hélice as capacidades de levantamento da proa. O
acrescentamento da copa na borda de fuga das pás tem o mesmo efeito que
aumentar o passo do hélice. Sendo assim, como conseqüência, pode-se
esperar uma perda leve da velocidade do motor (150-300 RPM) quando a copa
for acrescentada. A copa adicional poderá permitir que o hélice trabalhe com o
motor mais alto na popa. O levantamento do motor diminuirá a resistência da
caixa de engrenagens e freqüentemente recuperará a velocidade ao motor. Na
Figura 2.11 podem-se identificar os efeitos provenientes da copa do propulsor.
5) Velocidade de Rotação (RPM): É o número de revoluções completas
que o propulsor naval descreve em um minuto. É importante ressaltar, que
estamos considerando que o propulsor apresenta a mesma velocidade de
rotação do eixo. A velocidade que o propulsor possui, na maioria das vezes, é
diferente da velocidade do motor que aciona o eixo, pois há um comando de
engrenagens denominado redutor, o qual é fixado no eixo com o objetivo de
reduzir a RPM do propulsor, a fim de que um hélice com maior eficiência e
diâmetro, possa ser utilizado em um motor econômico, compacto e de alto
desempenho. A velocidade de eixo pode ser facilmente calculada através da
divisão entre a velocidade do motor e a razão de redução. Por exemplo, um
motor que opera com 3.000 RPM com uma razão de redução de 2,4:1
apresentará uma RPM no eixo de 1.250 RPM, sendo que isto é o resultado de
3.000 / 2,4.
O redutor representa uma perda de transmissão de potência em torno de
3%, logo, o ideal seria acoplar o motor diretamente ao hélice, eliminando o
redutor. Isto raramente é feito, pois motores de elevada potência e que operam
em baixa velocidade, são muito grandes e pesados, necessitando de uma
robusta estrutura que inviabiliza o acoplamento direto. É importante ressaltar
que, altas velocidades de rotação, não resultam em aumento de eficiência,
exceto em estruturas feitas para velocidades elevadas. Para embarcações que
operam abaixo de 35 nós, reduzir a RPM permite um propulsor de maior
diâmetro ser girado com o mesmo tipo de motor e consumo de combustível.
21
Figura 2.11 – Efeitos provenientes da copa do hélice naval.
22
2.5 CAVITAÇÃO[8,10]
A cavitação é um fenômeno que se caracteriza como sendo a criação de
bolhas de vapor em região de baixa pressão (vácuo parcial) provenientes de
elevadas velocidades de rotação. A cavitação começa quando uma
irregularidade no casco da embarcação, na caixa de engrenagens ou no hélice
causa uma área de baixa pressão. É importante lembrar que a água pode ser
vaporizada aumentando a sua temperatura ou diminuindo a pressão ao seu
redor, mantendo-se à temperatura constante. À medida que a velocidade da
embarcação aumenta, a área de baixa pressão se intensifica. Eventualmente, a
pressão é suficientemente baixa para vaporizar parte da água que está ao seu
redor. Tal fato produz as bolhas de vapor citadas anteriormente, que fluem
perto da caixa de engrenagens ou das superfícies das pás do hélice. À medida
que as bolhas se aproximam de uma área com uma pressão mais alta, elas
colapsam e liberam energia. Esta energia corrói as superfícies próximas da
área de alta pressão e provoca defeitos mecânicos e vibração excessiva no
sistema propulsor da embarcação. A cavitação pode ser causada por quaisquer
irregularidades localizadas no casco da embarcação, na caixa de engrenagens
ou no hélice, conforme ressaltado acima. Os transdutores, os tubos de coleta
do velocímetro, as saliências pequenas e até mesmo os rebites frouxos podem
começar
o
processo.
A
cavitação
pode
ser
causada
também
por
irregularidades ou defeitos nas bordas de ataque das pás do hélice. Além da
elevada rotação, outros fatores que podem contribuir para o processo de
cavitação são: um passo excessivo e picos de baixa pressão. Desta forma,
mantendo-se um controle de velocidade do passo e da forma do propulsor, o
processo de cavitação dificilmente ocorrerá em um hélice naval. As Figuras de
2.12 a 2.14 representam o processo de cavitação e seus efeitos.
2.6 VENTILAÇÃO
A ventilação é outro termo que necessita ser entendido quando se trata de
hélices. Ela é resultante de bolhas de ar provenientes do ar que está na
superfície ou dos gases de exaustão sendo succionados na área das pás.
Estas bolhas de ar fazem com que um hélice perca a sua potência de impulso.
23
É possível que a sua RPM suba de modo incontrolável e apesar disso não haja
nem perda nem ganho de velocidade. Isto é mais comum de ocorrer com as
montagens altas dos motores na popa, com a demasiada compensação para
fora ou com as curvas pronunciadas.
Este fenômeno não é tão severo quanto a cavitação, mas pode fazer com
que haja perda na potência de impulso, conforme descrito anteriormente, ou
aumento no consumo de combustível e na vibração do sistema propulsor
diminuindo, conseqüentemente, a eficiência do mesmo. Alguns propulsores,
tais como os de superfície que serão posteriormente comentados, são
especificamente designados a trabalhar com uma parte submersa na água e
outra fora, todavia, a maioria dos hélices é desenvolvida para operar sem
ventilação.
A Figura 2.15 apresenta, de forma esquemática, o fenômeno da ventilação
em propulsor naval.
24
Figura 2.12 – Fatores que influenciam o processo de cavitação.
Figura 2.13 – Efeitos do fenômeno de cavitação.
25
Figura 2.14 - Efeitos do fenômeno de cavitação e uma de suas causas.
Figura 2.15 – Processo de ventilação em hélice naval.
26
2.7 PRINCIPAIS TIPOS DE PROPULSORES NAVAIS TIPO HÉLICE
Serão apresentados alguns dos principais modelos de propulsores navais
tipo hélice utilizados normalmente pelos mais variados tipos de embarcações.
2.7.1 REDONDO
Amplamente testado e aprovado no mundo inteiro. É singular referente à
economia, eficiência e segurança. Usado na maioria dos barcos de casco não
planador. É o que atinge melhor eficiência de manobra de ré, permitindo maior
facilidade como freio e em curva de ré. A raiz das pás é mais larga que nos
outros estilos, o que o torna mais resistente aos impactos. A Figura 2.16
apresenta este tipo de propulsor naval.
2.7.2 BANANA
Projeto popularizado pelos fabricantes de motores japoneses. Tem sido
aplicado com sucesso em barcos leves ou moderadamente pesados,
proporcionando um bom rendimento no item velocidade, sendo por isso melhor
indicado para barcos de recreio (transporte de pessoas), empurradores leves,
transporte de gado etc. São utilizados principalmente em barcos de
motorização moderada onde a cavitação não é um fator preponderante ou
limitativo. A Figura 2.17 mostra um propulsor conhecido popularmente como
“Banana”.
2.7.3 VELOZ
O hélice deste tipo, com pás triangulares, é especialmente projetado para
proporcionar maior velocidade, ao mesmo tempo que torna os barcos mais
potentes, eliminando os efeitos da cavitação, aumentando por isso o
rendimento do conjunto barco/motor/reversor (redutor). Este é o hélice
preferido no mundo inteiro pelos fabricantes de barcos de fibra, portanto barcos
com capacidade de obter altas velocidades. A Figura 2.18 ilustra este tipo de
propulsor.
27
Figura 2.16 – Hélice do tipo Redondo.
Figura 2.17 – Hélice do tipo “Banana”.
Figura 2.18 – Hélice do tipo Veloz.
28
2.7.4 ECONÔMICO
A idéia original era produzir um hélice de resultados tão bons ou melhores
que os outros, com a principal característica de ser silencioso. Este silêncio é
proporcionado pela posição da ponta da pá em relação ao bojo da mesma, pois
ao invés de um impacto na água, o que ocorre é um empurrar gradual e firme.
Descobriu-se, na prática, que além dessa característica, ainda chega a
proporcionar economia efetiva ao diesel que as máquinas consumiam à ordem
de 2 a 5%, dependendo dos casos. A Figura 2.19 indica este tipo de hélice.
2.7.5 KAPLAN
Concebido para funcionar no interior de tubulações especialmente
projetadas para que a água empurrada por ele, ao encontrar as paredes da
tubulação, forme um feixe de água mais estreito, que provoca uma
concentração de esforços proporcionando um aumento de potência real aos
barcos que usam este sistema. Tem sido utilizado com sucesso em
rebocadores de manobra, empurradores e pesqueiros de arrasto onde o
elemento força é uma característica essencial. Na Figura 2.20 é apresentado
este tipo de propulsor naval. Neste tipo de condição operacional, pode ocorrer
um aumento substancial na potência impulsiva quando comparada a um
propulsor sob condições normais (padrão) de funcionamento. Este efeito é
significativo somente em baixas velocidades (de 9 a 10 nós) com pás
extremamente carregadas. Em tais aplicações, o gasto e a complexidade da
instalação de um propulsor operando em duto, podem ser compensados na
capacidade de rebocar em cargas mais elevadas em baixas velocidades. Em
outras embarcações, este tipo de hélice proporciona pouca vantagem, isto é, a
sua utilização não é compensada se comparada ao custo inicial de instalação.
É importante ressaltar que a série de propulsor mais utilizada é aquela com
quatro pás, muito embora existam de três e cinco pás. Na Figura 2.22 é
mostrado este tipo de propulsor com a utilização de um duto para aumentar a
eficiência do processo de impulsão e diminuir o consumo de combustível de 8 a
10%.
29
Figura 2.19 – Hélice do tipo Econômico.
Figura 2.20 – Propulsor do tipo Kaplan.
Figura 2.22 – Duto utilizado em conjunto com hélice naval tipo Kaplan.
30
2.7.6 SUPERFÍCIE
Fabricado
com
três,
quatro
ou
cinco
pás,
possui
seu
projeto
especialmente definido não para evitar a cavitação, mas para tirar proveito
dela. É um hélice que trabalha metade fora e metade dentro da água e, por
isso, requer um material especialmente resistente ao impacto. Nestes casos, a
existência de “CUP” no hélice é essencial para a eficiência do mesmo. Na
Figura 2.22 é ilustrado este tipo de propulsor naval.
Além dos tipos de hélices navais apresentados, existem outros produzidos
com novos materiais e em novos formatos que possuem suas vantagens
peculiares e utilização otimizadas em relação aos propulsores convencionais
devido
suas
características
próprias.
Podemos
citar
como
exemplo,
propulsores navais em forma de parafuso que consistem de uma lâmina única
feita em borracha sintética montada em forma de espiral contínua sobre um
eixo geralmente constituído de aço inoxidável. Suas principais vantagens vêm
do fato da flexibilidade da lâmina proporcionar um empuxo extra significativo
para a embarcação além de não ser prejudicial a peixes e outras formas de
vida marinha que entrem em contato com o hélice quando em operação. Além
disso, a lâmina flexível não se parte com o choque de obstáculos como troncos
de árvores, vegetação aquática, pedras, bancos de areia etc tão comuns nos
rios da Amazônia.
31
Figura 2.22 – Propulsor do tipo Superfície.
CAPÍTULO 3
MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO
Durante uma operação normal de fundição a macroestrutura de
solidificação obtida apresenta em diferentes níveis de intensidade três zonas
estruturais, ou seja, zona coquilhada, zona colunar e zona equiaxial central,
mostradas na Figura 3.1, que serão abordadas de forma resumida neste
capítulo.
Figura 3.1 - Zona coquilhada (1); zona equiaxial (2) e; zona colunar (3)[15,16].
3.1.1 ZONA COQUILHADA
A zona coquilhada é constituída por uma camada de grãos cristalinos de
orientações aleatórias, normalmente de pequenas dimensões, localizados junto
às paredes do molde. Entre as principais teorias que explicam o mecanismo de
formação desta zona encontram-se:
33
1) Henzel: Segundo o autor os grãos coquilhados são originados por
nucleação copiosa, mediante a presença de substratos, em uma camada de
líquido super resfriado existente junto às paredes do molde.
2) Bower e Flemings: A zona coquilhada é formada pelo mecanismo da
multiplicação de cristais inicialmente constituídos pela separação de ramos
dendríticos destes mediante a presença de convecção no líquido.
3) Biloni e Morando: Verificaram que tanto a nucleação copiosa (com alta
extração de calor) quanto o mecanismo da multiplicação cristalina (com baixa
extração de calor) são responsáveis pela formação da zona coquilhada.
4) Ohno: A zona coquilhada é formada pela precipitação de grãos de
pequenas dimensões nucleados sobre as paredes do molde em regiões mais
drasticamente resfriadas, por exemplo o topo do lingote, mediante convecção.
É necessário ainda que a presença de soluto provoque a estricção dos cristais
presentes nas paredes do molde[26- 28].
3.1.2 ZONA COLUNAR
A zona colunar é constituída por uma região de grãos cristalinos
alongados e alinhados paralelamente à direção do fluxo de calor. As principais
teorias que procuram explicar os mecanismos de formação desta zona são:
1) Chalmers e Walton: Segundo os autores os grãos colunares são
constituídos a partir do crescimento seletivo, em direção preferencial, de certos
grãos da zona coquilhada.
2) Chalmers e Biloni: A zona colunar se forma através da decantação de
sólidos formados na superfície livre do líquido. Os grãos colunares crescem até
que sejam bloqueados por grãos equiaxiais se desenvolvendo no líquido à sua
frente[26- 28].
34
3.1.3 ZONA EQUIAXIAL CENTRAL
Já a zona equiaxial central é definida por uma região central de grãos
cristalinos sem orientações preferenciais e de dimensões relativamente
grandes quando comparados com os grãos coquilhados. Os principais estudos
que procuram explicar a sua formação são:
1) Chalmers e Winegard: Conforme os autores, os grãos equiaxiais são
nucleados nos instantes finais da solidificação diretamente no líquido à frente
da zona colunar em crescimento, sob a presença de soluto e um resfriamento
constitucional do líquido nessa região.
2) Chalmers e Biloni: A presença da zona equiaxial é explicada pelos
autores por meio do mecanismo conhecido como “Big-Bang” onde cristais
coquilhados que se formam na região adjacente à interface líquido/sólido
migram para o interior do líquido crescendo de maneira equiaxial.
3) Jackson e colaboradores: Afirmam que partes de ramificações
dendríticas secundárias podem ser refundidas em suas junções com o ramo
principal, sob a presença de soluto, sendo então liberadas para o líquido à
frente da interface de solidificação onde crescem equiaxialmente.
4) Southin: Os grãos equiaxiais são formados a partir de dendritas
precipitadas na superfície livre para o interior do líquido (devido às vibrações na
superfície do líquido, o próprio peso do sólido formado ou ainda a ruptura
intergranular desta camada em virtude da retração para a formação do
rechupe) onde crescem equiaxialmente. Segundo o autor, existe uma quarta
zona estrutural constituída por grãos de grandes dimensões, com estrutura
dendrítica grosseira, a qual acompanha o perfil do rechupe do lingote.
5) Ohno: Segundo o autor, os grãos equiaxias são formados pelo
crescimento de cristais coquilhados nas paredes do molde, de onde são
separados por estricção e conduzidos para o interior do líquido por correntes
de convecção.
35
6) Nucleação Extensiva: Os grãos equiaxiais são nucleados diretamente
no líquido por potentes substratos em todo o volume do líquido ao mesmo
tempo desde que haja super resfriamento suficiente. A zona coquilhada e a
zona equiaxial não apresentam diferenças entre si[27, 28].
Além disso, os grãos geralmente possuem um elevado grau de
heterogeneidade que, na maioria das vezes, é indispensável uma vez que os
materiais
utilizados
na
engenharia
normalmente
exigem
propriedades
isotrópicas. Logo, são então procuradas estruturas homogêneas ao longo das
seções de produtos fundidos capazes de atender as diversas aplicações
encontradas na prática. Assim, um dos maiores objetivos da Engenharia dos
Materiais nas últimas décadas tem sido o desenvolvimento de técnicas
capazes de controlar a dimensão, forma, distribuição e orientação dos grãos
cristalinos de produtos fundidos, visando à obtenção de estruturas de
solidificação compatíveis com as propriedades mecânicas exigidas uma vez
que, em quase todas as aplicações, com exceção de algumas muitos
especiais, é necessária a utilização de estruturas com grãos pequenos e
equiaxiais, pois suas propriedades são notoriamente superiores
[5]
. Para o
desenvolvimento das mesmas, entretanto, torna – se necessário suprir o
crescimento colunar por meio do estímulo de condições favoráveis à formação
de núcleos equiaxiais. Os efeitos do tamanho do grão nas propriedades de um
material
resultam,
em
princípio,
de
modificações
na
distribuição
de
heterogeneidade existente na estrutura do mesmo, as quais são responsáveis
pelas características mecânicas inferiores apresentadas pelas estruturas mais
grosseiras. Entre as variáveis operacionais que influenciam a constituição da
macroestrutura final dos mesmos podem ser citadas o coeficiente de
transferência de calor da interface metal/molde, o coeficiente de transferência
de calor da interface molde/ambiente, a presença de soluto no líquido, a
temperatura de vazamento, a existência de convecção forçada no metal que
solidifica, o tipo, a geometria e as dimensões do molde, etc sendo que esta
última foi alvo de muitos estudos quanto aos efeitos proporcionados [28].
36
3.2 INFLUÊNCIA DE METAIS NÃO FERROSOS NAS PROPRIEDADES DE
LIGAS À BASE DE COBRE[29]
A escolha inadequada da matéria-prima, geralmente sucatas à base de
cobre, compromete a qualidade requerida dos propulsores estudados sendo,
portanto, muito comum a presença de descontinuidades em suas estruturas
tais como porosidade, vazios, trincas etc bem como a quebra e/ou
empenamento dos mesmos quando utilizados por embarcações locais. Sendo
assim, torna-se necessária uma abordagem teórica capaz de analisar a
influência da adição de metais não ferrosos nas propriedades de ligas à base
de cobre, material predominante na composição química destes propulsores.
1) Zinco: A adição deste metal tende a aumentar a dureza, a resistência
mecânica e o alongamento da liga de cobre proporcionando ao propulsor uma
maior resistência ao desgaste aumentando, assim, a durabilidade dos mesmos.
Para tanto, recomenda-se uma proporção de zinco da ordem de 25%, superior
à quantidade encontrada na maioria dos hélices analisados.
2) Alumínio: O acréscimo deste material contribui para o aumento do
alongamento e da resistência à tensão bem como diminui a densidade da liga.
Para que tais propriedades sejam atingidas recomenda-se uma proporção de
alumínio da ordem de 5% que caracteriza a quantidade existente em uma liga
de bronze de alumínio naval, bem acima da quantidade de alumínio observada
na maior parte dos hélices estudados.
3) Estanho, Chumbo e Zinco: A adição conjunta destes elementos
combina os benefícios da adição do zinco com a usinabilidade e a fácil
moldagem do chumbo e estanho. Recomenda-se uma mistura desses
materiais composta aproximadamente por 6% de estanho, 2% de chumbo e 5%
de zinco, muito utilizada em atividades marinhas. Nenhum dos hélices
estudados apresentou uma composição química próxima àquela especificada
anteriormente.
37
4) Manganês: Aumenta significativamente a resistência à tração e ao
impacto do propulsor. Deve-se utilizar uma proporção de manganês próxima a
4%, característico da liga bronze-manganês, material também muito utilizado
em outros componentes navais. Vale ressaltar, que a maioria dos propulsores
analisados possui uma quantidade de manganês abaixo de 1%[29-31].
CAPÍTULO 4
ENSAIOS MECÂNICOS
Todo projeto de um componente mecânico, ou mais amplamente,
qualquer projeto de engenharia, requer, para sua viabilização, um vasto
conhecimento das características, propriedades e comportamento dos
materiais disponíveis. Os critérios de especificação ou escolha de materiais
impõem, para a realização dos ensaios, métodos normatizados que objetivam
levantar as propriedades mecânicas e seu comportamento sob determinadas
condições de esforços. Essa normalização é fundamental para que se
estabeleça uma linguagem comum entre fornecedores e usuários dos
materiais, tendo em vista que é comum a realização de ensaios de recebimento
dos materiais encomendados, a partir de uma amostragem estatística
representativa do volume recebido.
O comportamento mecânico de qualquer material utilizado em engenharia
é função de sua estrutura interna e de sua aplicação em projeto. As relações
existentes entre as diferentes características que influenciam no desempenho
de determinado componente e a parte da ciência que estuda tais relações
podem ser vistas na Figura 4.1.
Observa-se na Figura 4.2, que os processos que se encarregam de dar
forma à matéria-prima dependem da estrutura interna apresentada antes de
cada etapa de processamento, o que vai progressivamente alterando a forma e
a estrutura do material, implicando propriedades particulares. No final do
processo de fabricação, o componente terá um conjunto de propriedades
decorrentes das características originais da matéria-prima devidamente
modificadas
durante
os
processos
especificações finais de projeto[13].
e
que
devem
coincidir
com
as
39
Estrutura Interna do
Material
Metalurgia
Comportamento
Mecânico
Mecânica
Comportamento
estrutural/projeto
Figura 4.1 – Relação entre características dos materiais e o seu
comportamento mecânico[13].
Figura 4.2 – Esquema representativo do processo de fabricação de uma peça
desde a matéria-prima (metal líquido) até o produto final[13].
4.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS
Os ensaios mecânicos permitem a estimativa de propriedades mecânicas
que se referem ao comportamento do material quando sob a ação de esforços
e que são expressas em função de tensões e/ou deformações. Tensões
representam a resposta interna aos esforços externos que atuam sobre uma
determinada área em um corpo. Entre as principais propriedades mecânicas
dos materiais obtidas por ensaio, podem ser citadas as seguintes:[13]
40
1) Resistência Mecânica: Capacidade que o material apresenta de
resistir a esforços estáticos (tração, compressão, flexão, torção e cisalhamento)
sem se romper.
2) Elasticidade: Capacidade que o material apresenta de deformar-se e
recuperar sua configuração inicial tão logo cesse o esforço que proporcione tal
deformação.
3) Plasticidade: Capacidade que o material apresenta de deformar-se
permanentemente, sob a ação de um esforço compatível com sua resistência
mecânica, sem que ocorram no mesmo trincas, fraturas, porosidade etc.
4) Resiliência: Capacidade que o material apresenta de absorver energia
de deformação no regime elástico.
5) Tenacidade: Capacidade que o material apresenta de absorver
energia até fraturar-se correspondendo, portanto, às energias de deformação
nos regimes elástico e plástico.
4.3 ENSAIO DE TRAÇÃO
Consiste na aplicação gradativa de uma carga de tração uniaxial
crescente em um corpo-de-prova até a ruptura. Mede-se posteriormente, a
variação do comprimento (L) como função da carga (P), conforme descrito na
Figura 4.3. As Figuras 4.4 e 4.5, mostram, respectivamente, a representação
esquemática do ensaio em questão e a curva obtida no mesmo.
Entre os diversos tipos de ensaio disponíveis para a avaliação das
propriedades mecânicas dos materiais, o mais utilizado é o Ensaio de Tração
por ser um tipo de ensaio relativamente simples e de realização rápida, além
de fornecer informações importantes e primordiais para o projeto e a fabricação
de peças e componentes, tais como o Limite de Resistência à Tração (σU),
Limite de Escoamento (σE), Módulo de Elasticidade (E), Ductilidade etc.
41
Figura 4.3 – Princípio teórico do Ensaio de Tração.
Figura 4.4 – Representação esquemática do Ensaio de Tração.
42
Figura 4.5 – Curva obtida no Ensaio de Tração.
43
Na curva da Figura 4.5, observam-se quatro regiões de comportamentos
distintos, sendo OA a região de comportamento elástico, AB a região de
escoamento de discordâncias, BU a região de encruamento uniforme, UF a
região de encruamento não uniforme, sendo que o processo de ruptura se
inicia em U e é concluído no ponto F. Para um material de alta capacidade de
deformação permanente, o diâmetro do corpo-de-prova começa a decrescer
rapidamente ao se ultrapassar a carga máxima (ponto U), portanto, a carga
necessária para continuar a deformação diminui até a ruptura total.
4.3.1 REGIÃO DE COMPORTAMENTO ELÁSTICO
Quando uma amostra de material solicitado por uma força sofre uma
deformação, e após a retirada da força aplicada recupera suas dimensões
originais, esta deformação é definida como deformação elástica. Este
comportamento é descrito pela Equação 4.1, da elasticidade de uma mola,
dada por:
P=k⋅x
(4.1)
k
sendo:
Î Constante de proporcionalidade ou constante de mola
(adimensional);
x
Î Deslocamento (m).
De modo semelhante, a deformação elástica de um corpo-de-prova
comporta-se de forma análoga à Lei de Hooke, representada pela Equação 4.2:
σ = E ⋅ε
sendo:
E Î Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young (Pa);
ε
Î Deformação (adimensional).
(4.2)
44
Observa-se que a relação que descreve o comportamento nesta região, é
uma relação linear entre a tensão e a deformação.
As principais tensões definidas na região elástica são:
1) Limite de Elasticidade (σA): Máxima tensão que o material pode
suportar sem apresentar deformação permanente após a retirada da carga.
2) Limite de Proporcionalidade (σP): Máxima tensão acima da qual o
material não mais obedece a Lei de Hooke, ou seja, perde-se a linearidade
entre a tensão e a deformação, descrita anteriormente.
4.3.2 REGIÃO DE ESCOAMENTO
O escoamento é compreendido como um fenômeno localizado, que se
caracteriza
por
um
aumento
relativamente
grande
na
deformação,
acompanhado por uma pequena variação na tensão aplicada, sendo que esta
região pode ser facilmente observada, como na Figura 4.5, (material dúctil) ou
imperceptível (material frágil).
A principal tensão definida nesta região é o Limite de Escoamento (σE),
que consiste na máxima tensão atingida na região de escoamento. Para os
casos de escoamento imperceptível, convencionou-se adotar uma deformação
padrão que corresponda ao Limite de Escoamento, conhecida como Limite n
de Escoamento (σEn).
4.3.3 REGIÃO DE COMPORTAMENTO PLÁSTICO
A partir do ponto B da Figura 4.5, o material inicia a região de
comportamento plástico, a qual se caracteriza pela presença de deformações
permanentes no corpo-de-prova. Para materiais de alta capacidade de
deformação, o diagrama tensão-deformação apresenta variações relativamente
pequenas na tensão, acompanhadas de grandes variações na deformação.
45
Nesta região, pode-se determinar uma série de características do material, tais
como:
1) Limite de Resistência à Tração (σU): Tensão correspondente ao
ponto de máxima carga atingida durante o ensaio. Após o ponto U (fase de
ruptura), inicia-se o fenômeno da estricção, que consiste em uma redução local
abrupta da seção transversal do corpo-de-prova.
2) Limite de Ruptura (σF): Última tensão suportada pelo material antes
da fratura.
O alongamento e a estricção são medidas da ductilidade do material e
definidas da seguinte forma:
3) Alongamento (∆L): Diferença entre comprimento final (LF) e inicial (L0)
do corpo-de-prova. O alongamento específico (δ) caracteriza-se pelo quociente
do alongamento pelo comprimento inicial do corpo-de-prova. Também é
conhecido como deformação linear média, ou deformação convencional de
engenharia no ponto de fratura. Este parâmetro é descrito pela Equação 4.3
abaixo:
δ=
LF − LO
LO
sendo:
(4.3)
δ =εF
4) Coeficiente de Estricção (ϕ): É a diferença entre as seções inicial (S0)
e final (SF) após a ruptura do corpo-de-prova, expressa em porcentagem da
seção inicial. A Equação 4.4, descreve o que foi mencionado anteriormente.
ϕ=
SO − S F
SO
(4.4)
46
4.3.4 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA E FRATURA[13]
Enquanto a deformação elástica é homogênea, envolvendo somente um
pequeno e reversível deslocamento de átomos, a deformação plástica é nãohomogênea e envolve deslocamentos grandes e irreversíveis.
A deformação elástica pode ser interpretada em termos de estruturas
perfeitas, ao passo que a deformação plástica está relacionada com movimento
de discordâncias. A deformação plástica geralmente ocorre por meio de um
mecanismo de escorregamento no qual os planos atômicos mais densamente
compactados se movem uns sobre os outros. Para um determinado conjunto
de planos densamente compactados e de direções, o escorregamento ocorre
nos planos onde a tensão de cisalhamento é máxima, o que corresponde a
uma direção de 45º do eixo de aplicação da tensão de tração.
Nos metais cúbicos de face centrada (CFC) há maior probabilidade de o
escorregamento ocorrer nesta direção do que nos metais que apresentam
estrutura hexagonal compacta. Nos metais cúbicos de corpo centrado (CCC),
não há exatamente um conjunto de planos densamente compactados, e o
escorregamento geralmente ocorre na forma de linhas onduladas.
Fratura é a separação ou fragmentação de um corpo sólido em duas ou
mais partes, sob a ação de uma tensão, e pode ser considerada como sendo
constituída de duas partes, sendo as mesmas a nucleação de trincas e
coalescimento (propagação) da trinca. A fratura pode ser classificada em duas
categorias gerais. A fratura dúctil e a fratura frágil. A fratura dúctil é
caracterizada pela ocorrência de uma apreciável deformação plástica antes e
durante a propagação da trinca. A frágil é caracterizada pela rápida
propagação da trinca, com nenhuma deformação macroscópica e muito pouca
microdeformação.
A Figura 4.6 indica de forma esquemática os tipos de fratura que podem
ocorrer em um material metálico:
47
Figura 4.6 – Tipos de fratura verificadas em metais submetidos à tensão
uniaxial: (A) frágil; (B) dúctil[13].
As Figuras de 4.7 a 4.9, mostram os aspectos da região de fratura em
diferentes amostras metálicas.
Figura 4.7 – Aspecto do escorregamento que se verifica em um monocristal
ensaiado à tração comparado com a direção teórica de escorregamento[13].
48
Figura 4.8 – Formação de região estrita em uma amostra de aço evidenciando
que a fratura que se seguirá será do tipo taça-cone[13].
Figura 4.9 – Exemplos de fratura dúctil (taça-cone) e de fratura frágil,
respectivamente, para amostras de alumínio e aço médio carbono[13].
49
4.4 ENSAIO DE DUREZA
Este ensaio consiste na impressão de uma pequena marca na superfície
da peça pela aplicação de pressão com uma ponta de penetração. A medida
da dureza do material ou da dureza superficial é dada como função das
características da marca de impressão e da carga aplicada em cada tipo de
Ensaio de Dureza, conforme descrito na Figura 4.10.
Este ensaio é amplamente utilizado na indústria de componentes
mecânicos, tratamentos superficiais, vidros e laminados devido a vantagem de
fornecer dados quantitativos das características de resistência à deformação
permanente das peças produzidas. É utilizado como um ensaio para o controle
das especificações da entrada de matéria-prima e durante as etapas de
fabricação de componentes. Observa-se que os resultados fornecidos pela
medida de dureza devem variar em função de tratamentos sofridos pela peça
(refusão a laser, tratamentos termoquímicos, tratamentos térmicos, etc).
A dureza de um material depende diretamente das forças de ligação entre
átomos, íons ou moléculas, bem como da resistência mecânica. Nos sólidos
moleculares, como os plásticos, as forças atuantes entre as moléculas (forças
de Van der Waals) são baixas por isso eles são relativamente macios. Os
sólidos metálicos e iônicos, devido à natureza mais intensa das forças de
ligação, são mais duros, enquanto os sólidos de ligação covalente são os
materiais conhecidos de maior dureza. É importante salientar, que há uma
ligação bastante próxima entre o limite de escoamento dos metais e a sua
dureza.
50
Figura 4.10 – Tipos de Ensaios de Dureza e respectivas características de
impressão.
51
4.4.1 ENSAIOS DE DUREZA ROCKWELL
Este ensaio recebeu essa denominação pelo fato de ter sido proposto
pela indústria Rockwell, dos Estados Unidos, por volta de 1922. O Ensaio de
Dureza Rockwell é mais utilizado internacionalmente e baseia-se na
profundidade da impressão causada por um penetrador sob a ação de uma
carga como indicador de medida de dureza, não havendo relação com a área
de impressão.
O penetrador tanto pode ser de diamante esferocônico com ângulo de
120º e ponta ligeiramente arredondada (r = 0,2 mm), como uma esfera de aço
endurecido, geralmente com diâmetro de 1,59 mm, havendo também de 3,17
mm, 6,35 mm e 12,7 mm de diâmetros.
No caso do Ensaio de Dureza Rockwell, utilizam-se pré-carga de 98 N (10
kgf) e força (total) de 589 N (60 kgf), 981 N (100 kgf) e 1471 N (150 kgf). A
aplicação da pré-carga é necessária para se eliminar a ação de eventuais
defeitos superficiais e ajudar na fixação do corpo-de-prova no suporte, além de
causar pequena deformação permanente, eliminando erros causados pela
deformação elástica.
A profundidade de penetração é correlacionada pela máquina de ensaio a
um número arbitrário, cuja leitura é feita diretamente na escala da máquina,
após a retirada da carga total, mantendo-se entretanto a carga inicial. O
número de dureza Rockwell é sempre citado com o símbolo HR, seguido da
escala utilizada e ocasionalmente da carga de ensaio. A Tabela 4.1 mostra as
várias escalas existentes para a dureza Rockwell, as quais dependem do
penetrador e da carga aplicada, abrangendo uma enorme variedade de
materiais.
52
Tabela 4.1 - Características das escalas de dureza Rockwell.
Escala
Penetrador
Carga
Leitura
(kgf)
na Escala
Aplicações Típicas
B
Esfera 1,58 mm
100
Vermelha
FoFo, aços não-temperados
C
Diamante (cone)
150
Preta
Aço temperado ou cementado
A
Diamante (cone)
60
Preta
Metal duro, aço fundido/temperado/rápido
D
Diamante (cone)
100
Preta
Aço fundido com espessura reduzida
E
Esf. 3,175 mm
100
Vermelha FoFo, ligas de alumínio e magnésio, metal duro
F
Esfera 1,58 mm
60
Vermelha
G
Esfera 1,58 mm
150
Vermelha Bronze, fósforo, ligas de berílio, FoFo maleável
H
Esf. 3,175 mm
60
Vermelha
Alumínio, zinco, chumbo, abrasivos
K
Esf. 3,175 mm
150
Vermelha
Metal duro e matais de baixa dureza
L
Esf. 6,350 mm
60
Vermelha
Idem Rockwell K, borracha e plásticos
M
Esf. 6,350 mm
100
Vermelha
Idem Rockwell K e L, madeira e plásticos
P
Esf. 6,350 mm
150
Vermelha
Idem Rockwell K, L e M, plásticos
R
Esf. 12,70 mm
60
Vermelha
S
Esf. 12,70 mm
100
Vermelha
V
Esf. 12,70 mm
150
Vermelha
Idem Rockwell K, L, M, P e R ou S
Metais moles, ligas de cobre
É importante salientar, que a realização do Ensaio de Dureza Rockwell é
normatizado pela Norma Brasileira NBR-6671 e pela norma internacional
ASTM E18-94 as quais estabelecem, entre outros, os seguintes critérios:
1) O espaçamento entre as impressões deve ser de no mínimo 3 vezes o
diâmetro da penetração e 2,5 vezes para a distância da borda do corpo-deprova;
2) O tempo de aplicação da pré-carga deve ser menor que 3 segundos,
sendo recomendados períodos de 1 a 8 segundos para a aplicação da carga
total;
53
3) Deve-se realizar o ensaio em materiais desconhecidos partindo de
escalas mais altas para evitar danos ao penetrador seguido de escalas mais
baixas;
4) A superfície a ser testada deve estar limpa e seca, plana e
perpendicular ao penetrador, estando este último limpo e bem assentado.
CAPÍTULO 5
MÉTODO NUMÉRICO UTILIZADO
A Mecânica dos Meios Contínuos apresenta como principal objetivo o
desenvolvimento
de
modelos
matemáticos
que
possam
representar
adequadamente a situação física real em estudo. Porém, a aplicação de tais
teorias a casos práticos apresenta dificuldades às vezes intransponíveis. Na
análise estrutural, por exemplo, a perfeita representação matemática de
carregamentos, geometrias, condições de contorno, comportamento dos
materiais, etc, em muitas situações, apresenta-se de forma complexa,
havendo,
assim,
a
necessidade
de
se
introduzir
muitas
hipóteses
simplificadoras no problema real, para permitir alguma forma de modelagem
matemática que conduza a soluções mais simples[1].
Por outro lado, pesquisadores têm demonstrado um interesse cada vez
maior por estudos da análise de sistemas. Este interesse vem unido a uma
necessidade crescente de estudar-se o comportamento de elementos
estruturais complexos, o que conduz a tratamentos analíticos mais elaborados,
baseados em teorias gerais e que são, via de regra, de soluções extremamente
difíceis.
Desta forma, os estudiosos têm procurado desenvolver e/ou aplicar
métodos aproximados que permitam aplicar os princípios daquelas teorias de
forma acessível e precisa. Dentre este métodos, os que tem sido mais
utilizados são aqueles baseados na discretização do meio contínuo (a
estrutura, o fluido, o gás, etc).
O Método dos Elementos Finitos (MEF) é seguramente o processo que
mais tem sido empregado para a discretização de meios contínuos. A sua larga
utilização deve-se também ao fato de poder ser aplicado, além dos problemas
55
clássicos da mecânica estrutural elástico-linear, para os quais o método foi
inicialmente desenvolvido, também para problemas tais como:
1) Problemas Não Lineares, Estáticos ou Dinâmicos;
2) Mecânica dos Sólidos;
3) Mecânica dos Fluidos;
4) Eletromagnetismo;
5) Transferência de Calor;
6) Filtração de Meios Porosos;
7) Campo Elétrico;
8) Acústica.
Além disso, pode-se afirmar também que o MEF é muito utilizado face à
analogia física direta que se estabelece, com o seu emprego, entre o sistema
físico e o real.
5.2 MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS[12]
O Método de Elementos Finitos (MEF) é um procedimento numérico para
resolver problemas de mecânica do contínuo com precisão aceitável. Suponhase que os deslocamentos e/ou tensões da estrutura mostrada na Figura 5.1,
devam ser obtidos. Os métodos clássicos descrevem o problema com
equações diferenciais parciais, mas não fornecem respostas prontas por não
serem a geometria e o carregamento comuns. Na prática, muitos problemas
são complicados para terem uma solução matemática fechada (algoritmo
próprio para a sua solução). Nestes casos, como o da Figura 5.2, uma solução
numérica é necessária, e um dos mais versáteis métodos para tal é o MEF.
56
Figura 5.1 – Estrutura de forma arbitrária.
Figura 5.2 – Malha de elementos finitos.
Na Figura 5.2 é mostrada uma malha de elementos finitos possível, que
representa a viga da Figura 5.1, onde as regiões triangulares são elementos
57
finitos, e os pontos escuros são os nós, que conectam os elementos uns aos
outros.
Pode-se dizer que os elementos finitos são partes da estrutura real,
todavia, não se pode converter a Figura 5.2 na Figura 5.1 simplesmente
fazendo cortes da estrutura em regiões e unindo as partes através de nós. Isto
resultaria em uma estrutura fragilizada. Adicionalmente, procedendo desta
forma, haveria concentrações nos nós e uma tendência a haver uma
sobreposição ou separação ao longo da linha de corte entre as regiões. Na
realidade, uma estrutura real não atua desta forma. Assim, os elementos finitos
devem se deformar de maneira compatível. Por exemplo, se uma aresta de um
elemento permanece reta, as arestas dos elementos adjacentes deverão ter
deformações compatíveis, sem que haja sobreposição ou separação.
A versatilidade é uma notável característica do MEF, que pode ser
aplicado a vários problemas. A região sob análise pode ser constituída de
elementos de diferentes tipos, formas e propriedades físicas. Esta grande
versatilidade pode, muitas vezes, ser colocada num programa computacional
simples, desde que se controle a seleção do tipo de problema a abordar,
especificando geometria, condições de contorno, seleção dos elementos, etc.
Outra característica do método (e uma das suas grandes vantagens) é a
semelhança física entre a malha e a estrutura real. Assim, o modelo, ou seja, a
malha, não é uma abstração matemática difícil de ser visualizada.
Apesar das suas vantagens, o MEF também tem as suas desvantagens.
Um resultado numérico específico sempre é obtido para um conjunto de dados
que tentam representar um sistema; e nem sempre existe uma fórmula fechada
que permita a verificação destes resultados. Um programa e um computador
confiáveis são essenciais; experiência e um bom senso de engenharia são
necessários para se construir uma boa malha; muitos dados de entrada
geralmente são necessários e um volumoso conjunto de dados de saída deve
ser adequadamente interpretado. Entretanto, este obstáculos não são únicos
58
no MEF, estando muito deles também presentes em outros métodos de
solução.
5.2.1 TIPOS DE ELEMENTOS[12]
Alguns elementos que são comumente empregados vão a seguir, ser
apresentados. O elemento de barra, Figura 5.3, resiste apenas a cargas axiais,
tendo, assim, apenas um grau de liberdade por nó, ou seja, o elemento tem
dois graus de liberdade. Este elemento é particularmente útil para os casos de
análise de treliças cujos vínculos são rotulados. Como todos os outros tipos de
elementos, pode ser prevista a sua utilização em conjunto com outros
elementos.
Figura 5.3 – Representação do elemento de barra e de suas características.
Os elementos básicos para a análise de casos que podem ser
identificados como estado plano de tensões ou plano de deformações, são
apresentados na Figura 5.4, onde aparecem um elemento triangular e um
quadrilátero. Várias outras formas de elementos planos são possíveis, porém
serviriam para propósitos específicos.
59
Figura 5.4 – Representação de elementos planos.
Estes elementos planos possuem dois graus de liberdade por nó,
portanto, o elemento triangular tem seis graus de liberdade e o quadrilátero
oito.
Os elementos sólidos, que são generalizações tridimensionais da análise
por elementos finitos para estruturas sólidas (no caso de análise estrutural),
têm como formas mais comuns o tetraedro e o hexaedro, conforme mostrado
na Figura 5.5.
Figura 5.5 – Tipos de elementos de sólidos.
Um dos mais importantes campos de aplicação do MEF é na análise de
sólidos axissimétricos, conforme descrito na Figura 5.6. Uma grande variedade
de problemas em engenharia pode ser analisada nesta categoria, incluindo
tanques de concreto e de aço, vasos de contenção nucleares, rotores, pistões,
60
eixos e bocais de descarga de foguetes. Nestes casos, carregamento e
geometria são geralmente axissimétricos. Na Figura 5.6 é mostrado um
elemento axissimétrico triangular, embora uma forma quadrilátera geral
também possa ser empregada.
Figura 5.6 - Elemento sólido axissimétrico.
Na Figura 5.7, é mostrado um elemento de casca axissimétrica que é
semelhante, na aplicação, ao elemento da Figura 5.6, embora neste caso as
relações que governam o problema derivem da simplificação da teoria de
cascas finas.
61
Figura 5.7 - Elementos de casca fina axissimétrica.
Na Figura 5.8, são apresentados elementos de placas que resistem à
flexão, tendo cinco graus de liberdade por nó, três translações e duas rotações,
em X e em Y.
Figura 5.8 – Elementos de placa sob flexão.
Elementos estruturais de casca devem ser empregados onde duas
dimensões são bem maiores que a terceira dimensão (espessura). Na Figura
5.9 são apresentados dois elementos de casca, com dupla curvatura,
considerando o efeito de flexão em dois eixos.
62
Figura 5.9 - Elemento de casca fina.
5.2.2 APLICAÇÕES[12]
A seguir são apresentados alguns exemplos aplicativos, a título de
demonstração das potencialidades do MEF, colhidos da literatura da área.
Figura 5.10 – Malha de elementos triangulares para análise de um estado
plano de deformações de uma barragem com elemento triangular.
63
Figura 5.11 – Canal com um anteparo circular para determinação de velocidade
e/ou pressões e uma malha que corresponde a um quarto da estrutura.
Figura 5.12 – Exemplo de aplicação em Biomecânica (fêmur humano).
64
Figura 5.13 – Torre de transmissão com 233 elementos com 6 graus de
liberdade por nó.
Figura 5.14 – Vaso de pressão de um reator nuclear.
65
Figura 5.15 – Submarino modelado por 690 elementos com 512 nós.
Figura 5.16 – Malha para análise estática da estrutura de um carro.
Figura 5.17 – Análise bidimensional de uma ponte fixa em Odontologia.
66
Figura 5.18 – Estrutura típica de Engenharia Civil discretizada.
Figura 5.19 – Malha de elementos finitos do AMD/BA Falcon 50.
CAPÍTULO 6
MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo, serão ressaltados os materiais e equipamentos utilizados
neste trabalho bem como os procedimentos adotados durante o mesmo.
6.2 VISITAS TÉCNICAS REALIZADAS
Durante o desenvolvimento deste trabalho, foram realizadas visitas
técnicas em municípios paraenses considerados estratégicos, no que diz
respeito ao transporte hidroviário da região, a fim de serem obtidas
informações de caráter técnico geral que permitissem um diagnóstico coerente
e uma análise concreta a respeito do comportamento mecânico operacional
dos propulsores navais produzidos no Estado do Pará. Os municípios visitados
encontram-se localizados nas regiões do Baixo Amazonas, Marajó, Tocantins,
Salgado e Bragantina. Através da Figura 6.1, torna-se possível a visualização
dos locais onde foram efetivadas as visitas em questão. Os municípios que
foram visitados são aqueles que estão representados na cor vermelha, isto é:
Belém, Santarém, Marabá, Breves, Soure, Vigia, Bragança, Almerim, IgarapéMiri, Abaetetuba, Maracanã, no Estado do Pará e Macapá, capital do Estado do
Amapá. Em todos os casos, foram aplicados questionários técnicos específicos
tanto para produtores locais quanto para usuários dos hélices navais
analisados, com a finalidade de se obter uma visão abrangente sobre a
problemática regional. Os referidos questionários encontram-se anexados no
final deste trabalho. As formas de locomoção para cada município citado
anteriormente foram as mais variadas possíveis, sendo algumas por meio
aéreo, fluvial e terrestre. A Figura 6.2 representa as condições de viagem para
o município de Breves, localizado na Ilha do Marajó, onde os passageiros
passam grande parte da viagem em suas redes, pois a mesma tem duração
aproximada de 24 h (ida e volta).
68
68
Figura 6.1 - Cidades visitadas nos Estados do Pará e Amapá durante a etapa de levantamento de dados de campo.
69
Figura 6.2 - Condições da viagem para o município de Breves localizado na
Ilha do Marajó.
70
As informações obtidas em todas as visitas técnicas realizadas durante a
pesquisa de campo, encontram-se apresentadas a seguir, a fim de se tenha a
necessária compreensão da importância desta atividade.
6.2.1 VISITAS TÉCNICAS REALIZADAS NA REGIÃO METROPOLITANA DE
BELÉM-PA
Produtores: 11
1) CALMEC – Serviços Navais e Industriais Ltda – Data: 15/04/99;
2) Oliveira Silva – Data: 30/04/99;
3) Brito Costa e Companhia Ltda – Data: 30/04/99 e 26/04/00;
4) A Pontual – Data: 28/05/99;
5) São Pedro – Data: 16/09/99;
6) Oficina Nossa Senhora de Nazaré – Data: 20/09/99;
7) Tornama – Data: 03/10/99;
8) Oficina São Francisco – Data: 03/03/00;
9) Torneadora 3 Irmãos – Data: 03/03/00;
10) Metalúrgica São Benedito – Data: 05/03/00;
11) Hélice da Amazônia Indústria e Comércio LTDA – Data: 05/03/00.
Usuários: 6
1) ETN – Empresa Técnica Nacional S/A – Data: 07/04/99;
2) Companhia de Navegação da Amazônia / CNA– Data: 16/04/99;
3) Belém Comércio e Navegação / BELCONAVE– Data: 02/06/99;
4) Alves e Rodrigues Ltda – Data: 03/09/99;
5) Empresa de Navegação Bom Jesus Ltda – Data: 03/09/99;
6) Marques Pinto Navegação Ltda – Data: 20/09/99.
6.2.2 MUNICÍPIOS LOCALIZADOS NO ESTADO DO PARÁ
• BRAGANÇA (220 km de Belém / distância terrestre)
Produtor: 1
1) Jorge Martins Pinto – Data: 30/01/99.
71
Usuários: 4
1) Benedito José de Freitas Souza – Data: 29/01/99;
2) Cariolano Cardoso da Silva – Data: 27/02/99;
3) José Gasperim – Data: 27/02/99;
4) Manoel Santiago da Luz – Data: 28/02/99.
• IGARAPÉ-MIRI (75 km de Belém / distância terrestre)
Produtor: 1
1) Oficina Salmo 23 – Data: 30/05/00.
• ABAETETUBA (65 km de Belém / distância terrestre)
Produtores: 2
1) Oficina Graça – Data: 30/05/00;
2) Oficina São Raimundo – Data: 30/05/00.
• ALMERIM (620 km de Belém / distância fluvial)
Produtores: 2
1) Oficina Deus te Proteja – Data: 21/12/99;
2) Oficina Padre Cícero – Data: 22/12/99.
• MARACANÃ (165 km de Belém / distância terrestre)
Usuários: 5
1) Orlandir Martins Rayol – Data: 18/02/01;
2) Adamilton Oscar – Data: 18/02/01;
3) Pedro Egues Leite – Data: 18/02/01;
4) Carlos Henrique Pinheiro Machado – Data: 18/02/01;
5) Antonio Gomes do Nascimento – Data: 18/02/01.
72
• VIGIA (98 km de Belém / distância terrestre)
Produtores: 2
1) Luís Torneiro – Data: 24/03/01
2) Comercial Arapiranga – Data: 24/03/01
Usuários: 7
1) Rivaldo Lopes Cardoso – Data: 18/02/01;
2) Narciso de Oliveira – Data: 24/03/01;
3) Donato Pereira dos Santos – Data: 24/03/01;
4) Manoel Gomes Faria – Data: 24/03/01;
5) Raimundo Maciel da Costa – Data: 24/03/01;
6) Manoel Conceição Reis da Silva – Data: 24/03/01;
7) Roberto Carlos – Data: 24/03/01.
• MARABÁ (712 km de Belém / distância terrestre)
Produtor: 1
1) Zé do Alumínio – Data: 05/05/01.
Usuários: 10
1) Benjamim Gonçalves de Abreu – Data: 05/05/01;
2) Mário de Almeida Rodrigues – Data: 05/05/01;
3) Roberval Silva – Data: 05/05/01;
4) João Alves da Silva – Data: 05/05/01;
5) Cristovão Fonseca – Data: 05/05/01;
6) Jair Moura Costa – Data: 06/05/01;
7) Arnolima Silva – Data: 06/05/01;
8) Manoel Souza Costa – Data: 06/05/01;
9) Valdeci Soares da Conceição – Data: 06/05/01;
10) Amarildo Ferreira Barros – Data: 06/05/01.
73
• SANTARÉM (685 km de Belém / distância aérea)
Produtores: 4
1) Oficina Naval – 02/07/01;
2) Oficina do Néo – Data: 03/07/01;
3) Fundição de Fundo de Quintal – Data: 03/07/01;
4) Estaleiro Gamboa Ltda – Data: 03/07/01.
Usuários: 6
1) Ednaldo Souza Amaral – Data: 02/07/01;
2) Anísio Pedroso – Data: 02/07/01;
3) Antônio Miguel Pimentel de Oliveira – Data: 02/07/01;
4) Francisco José Magno Barroso – Data: 02/07/01;
5) Dovaldo Pantoja – Data: 03/07/01;
6) Antônio Junior de Souza – Data: 04/07/01.
• BREVES (271 km de Belém / distância fluvial)
Produtor: 1
1) Leonor Soares de Lima – Data: 16/09/01.
Usuários: 7
1) Valdomiro Cardoso Cavalcante – Data: 16/09/01;
2) José Tavares de Castro – Data: 16/09/01;
3) Antonio Hermógenes dos Santos Maciel – Data: 16/09/01;
4) Amauri Gomes do Nascimento – Data: 16/09/01;
5) Pedro Hortas Félix – Data: 16/09/01;
6) Evaldo Lobato Costa – Data: 16/09/01;
7) Divaldo Cardoso Ferreira – Data: 16/09/01.
• SOURE (94 km de Belém / distância fluvial)
Produtor: 1
1) Torneadora Nossa Senhora de Nazaré – Data: 06/10/01.
74
Usuários: 9
1) Clóvis Vitelli Cassiano – Data: 06/10/01;
2) Emanuel Elizeu Gonçalves Filho – 06/10/01;
3) Edvaldo Cabral – Data: 06/10/01;
4) Paulo Afonso de Araújo Moraes – Data: 06/10/01;
5) Jurandir Macedo – Data: 06/10/01;
6) Antonio da Silva Gonçalves – Data: 06/10/01;
7) Eduardo Melo da Cruz – Data: 07/10/01;
8) Admilson Queirós – Data: 07/10/01;
9) Joel Gomes Brito – Data: 07/10/01.
6.2.2 CIDADES LOCALIZADAS EM OUTROS ESTADOS
• MACAPÁ-AP (392 km de Belém / distância aérea)
Produtores: 3
1) Fábrica Boa Palheta de Alumínio – Data: 21/02/00;
2) Oficina sem identificação – Data: 21/02/00;
3) Oficina sem identificação – 22/02/00.
A fim de tornar possível a análise dos dados obtidos nas empresas
visitadas, os mesmos foram sistematizados objetivando a apresentação das
informações de modo que padrões e tendências pudessem ser observados. A
Tabela 6.1 mostra o número de produtores e usuários visitados no
levantamento de campo. Por conseguinte, a Tabela 6.2 apresenta, de forma
resumida, os principais resultados obtidos durante a realização das visitas
técnicas acima referidas.
75
Tabela 6.1 – Municípios localizados nos Estados do Pará e Amapá visitados na etapa de levantamento de dados de campo.
Belém
Abaetetuba
Almerim
Bragança Breves
Igarapé-Miri
Macapá Marabá Maracanã Santarém Soure Vigia
Produtores
11
2
2
1
1
1
3
1
-
4
1
2
Usuários
6
-
-
4
7
-
-
10
5
6
9
7
Total
17
2
2
5
8
1
3
11
5
10
10
9
TOTAL DE MUNICÍPIOS VISITADOS: 12
TOTAL DE PRODUTORES ENTREVISTADOS: 29
TOTAL DE USUÁRIOS ENTREVISTADOS: 54
TOTAL DE ENTREVISTAS REALIZADAS: 83
76
FABRICANTE
PRINCIPAIS
ATIVIDADES
MATERIAL
DO HÉLICE
CRITÉRIO
PARA O
PROJETO
TEMPO MÉDIO DE
SUBSTITUIÇÃO
RIOS
02
Produtos
fundidos em
geral
Hélices, eixos,
tubos, etc.
03
Hélices
01
04
05
06
07
08
Recuperação de
eixos, hélices,
buchas e polias.
Produtos
fundidos em
geral
Fundidos em
geral,
principalmente
hélices
Produtos
fundidos em
geral
Fundição,
tornearia e
soldagem
Bronze e latão
Modelo
original
Sucata de
Modelo
bronze e latão fornecido pelo
fabricante
Sucata em
Manual do
geral
fabricante
Sucata de
bronze
Sucata de
bronze
Software
Desconhece Desconhece
Cu (60%), Sn
(10%),Zn
(20%),P (10%)
Sucata de
bronze e latão
Modelo
original
Modelo
original
Empírico
Desconhece
03 anos
05 anos
Empírico
Desconhece
02 anos
1,2 anos
Empírico
1500
Empírico
100 a 150
Empírico
Desconhece
Imprevisível
Empírico
30
Empírico
Desconhece
Empírico
300
Imprevisível
03 anos
MOTIVO
OCEANO
Modelo
10 anos
06 anos
fornecido pelo
fabricante
Modelo
fornecido pelo
fabricante

PROCESSO NO ANUAL DE
DE
HÉLICES
FABRICAÇÃO REPARADOS
Desconhece
Quebras e
empenamento
Impacto com
materiais
sólidos
Impacto com
materiais
sólidos
Quebra das
pás
Impacto com
materiais
sólidos e
erosão por
cavitação
Impacto com
materiais
sólidos e
erosão por
cavitação
Quebra das
pás
Impacto com
materiais
sólidos
Tabela 6.2 – Resultados obtidos através da observação direta junto a fabricantes de propulsores navais tipo hélice na região.
Cu – 56,85%; Zn – 39,68%; Sn – 0,07%; Ni – 0,216%; Al – 1,05%; Pb – 0,087%; Mn – 1,02%; F – 1%; Si – 0,024%
77
6.3 ANÁLISE QUÍMICA
Os estudos referentes à composição química foram realizados através do
método de difratometria baseado no processo de microscopia eletrônica de
varredura (MEV) no Departamento de Materiais – DEMA da Faculdade de
Engenharia Mecânica – FEM da Universidade Estadual de Campinas UNICAMP[11].
A partir da análise de composição química dos propulsores, os resultados
puderam ser comparados com a literatura especializada para o conhecimento
de que modo os principais componentes da matéria-prima dos hélices
influenciam as suas características de desempenho, resistência e durabilidade.
6.4 ANÁLISE METALOGRÁFICA
O procedimento adotado visando a análise metalográfica das estruturas
brutas de solidificação resultantes dos hélices estudados foi realizado com
base nas seguintes etapas:
1) Inicialmente algumas pás dos hélices foram seccionadas no sentido
perpendicular ao seu raio e os seus respectivos cubos, sendo em seguida
levada, ao torno mecânico para a operação de faceamento necessário. Na fase
de lixamento, foram utilizadas respectivamente lixas d’água de granulações
120, 220, 320, 400 e 600 mesh em politriz rotativa de dupla velocidade onde as
amostras eram lavadas e secadas logo após cada lixamento. A operação
seguinte foi o polimento realizado na mesma politriz. Na referida operação,
aplicou-se pó de alumina (Al2O3) como abrasivo de polimento lubrificado com
água. Finalmente, as superfícies polidas de cada peça foram atacadas com os
seguintes reagentes químicos:
2) Os hélices constituídos de latão foram atacados utilizando-se ácido
clorídrico a 50% em água destilada, revelando as macro e microestruturas
apresentadas posteriormente[3].
78
3) Contudo, para que fosse possível revelar a microestrutura dos hélices
de latão com teor de zinco acima de 30%, houve a necessidade da utilização
de um reagente químico composto de ácido nítrico a 40% em álcool etílico
(96º).
4) Já para os propulsores produzidos a base de alumínio, utilizou-se como
reagente micrográfico uma solução contendo 2% de ácido fluorídrico, 25% de
ácido nítrico e 73% de água destilada.
5) Em todos os casos, o tempo de ataque variou entre 30 segundos e 1
minuto e logo após cada ataque ocorria a lavagem em água e acetona e a
secagem das respectivas amostras[3].
6.5 REALIZAÇÃO DOS ENSAIOS MECÂNICOS
Os ensaios mecânicos selecionados para a análise dos diversos materiais
utilizados na produção dos propulsores navais e coletados nos municípios
visitados foram os Ensaios de Tração e Dureza. Tais ensaios foram escolhidos
devido a necessidade da obtenção das propriedades mecânicas descritas no
Capítulo 4 deste trabalho referentes às ligas utilizadas na fabricação dos
propulsores navais analisados.
6.5.1. ESCOLHA DOS MATERIAIS
O critério de seleção dos materiais, obtidos através das visitas técnicas,
dos hélices ensaiados foi baseado na importância econômica dos municípios
visitados.
79
6.5.2 CONFECÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA
Após a seleção dos materiais, foi escolhida uma oficina de fundição
localizada na cidade de Belém onde fabricam-se rotineiramente hélices navais
para atender a demanda de inúmeras embarcações da região.
6.5.2.1 CORPOS-DE-PROVA DO ENSAIO DE DUREZA
Os corpos-de-prova confeccionados para o Ensaio de Dureza seguiram os
critérios exigidos pelas normas técnicas vigentes, sendo que a sua
configuração encontra-se representada na Figura 6.3.
6.5.2.2 CORPOS-DE-PROVA DO ENSAIO DE TRAÇÃO
Os corpos-de-prova utilizados no Ensaio de Tração apresentaram a
configuração indicada na Figura 6.4. É importante ressaltar que os corpos-deprova de ambos os ensaios realizados foram confeccionados nas mesmas
condições operacionais sob as quais são fabricados os propulsores navais
analisados neste trabalho a fim de que todos as variáveis envolvidas no
processo convencional de produção dos hélices, fossem inseridos no estudo.
6.5.3 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
6.5.3.1 EQUIPAMENTO UTILIZADO NO ENSAIO DE DUREZA
O equipamento utilizado no Ensaio de Dureza foi um durômetro, cujas
especificações técnicas são mostradas na Tabela 6.3 a seguir.
6.5.3.2 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NO ENSAIO DE TRAÇÃO
As especificações técnicas dos equipamentos utilizados no Ensaio de
Tração encontram-se descritas na Tabela 6.4. A Figura 6.5 apresenta a
máquina utilizada no Ensaio de Tração, bem como o computador que possui a
função de realizar a aquisição dos dados do referido ensaio. É importante
80
ressaltar que o Ensaio de Tração foi realizado com uma velocidade de
deslocamento, imposta pelo equipamento, de 100 mm/min. A célula de carga
da máquina de tração utilizada é de 3000 kgf. As pré-cargas empregadas nos
ensaios em questão, são indicadas na Tabela 6.5.
1 pol
1 pol
1 pol
(a)
(b)
Figura 6.3 – Vista frontal (a) e vista superior (b) do corpo-de-prova utilizado no
Ensaio de Dureza.
100 mm
8 mm
(a)
(b)
Figura 6.4 – Vista lateral (a) e vista frontal (b) do corpo-de-prova utilizado
no Ensaio de Tração.
81
b
a
Figura 6.5 - Máquina para ensaio de tração KRATOS MD-2000 (a), e
computador com programa de tratamento simultâneo de dados (b).
Tabela 6.3 – Equipamento utilizado no Ensaio de Dureza.
EQUIPAMENTO UTILIZADO NO ENSAIO DE DUREZA
FABRICANTE
KRATOS
MODELO
MD 2000
Tabela 6.4 – Especificações do equipamento utilizado no Ensaio de Tração.
EQUIPAMENTO UTILIZADO NO ENSAIO DE DUREZA
FABRICANTE
WPM (Representante no Brasil >> René Graf Importação e
Representações S.A.)
MODELO
300 SP
82
Tabela 6.5 – Valores de pré-cargas utilizadas nos Ensaios de Tração.
AMOSTRA ENSAIADA
VALOR DE PRÉ-CARGA (N)
Belém 1
350
Belém 2
750
Belém 3
750
Santarém 1
750
Santarém 2
350
Breves
750
Marabá 1
500
Marabá 2
750
Bragança
Soure
500
500
83
6.6 DESENVOLVIMENTO DA ANÁLISE NUMÉRICA
A análise numérica do propulsor naval foi desenvolvida em várias etapas,
sendo que as mesmas podem ser descritas da seguinte forma:
6.6.1 ANÁLISE ESTÁTICA DO PROPULSOR NAVAL
Apresentou como principal objetivo o estudo do comportamento mecânico
do mesmo mediante o escoamento fluídico (água) em regime operacional. O
desenvolvimento do trabalho exigiu a utilização de diversos softwares, bem
como metodologias que possibilitaram uma ampla visão acerca da distribuição
de pressão hidrodinâmica, por conseqüência do escoamento fluido, em
diversos perfis dos propulsores navais. As etapas que constituíram a execução
do trabalho em questão são descritas a seguir.
6.6.1.1
LEVANTAMENTO
DE
DADOS
SOBRE
HÉLICES
NAVAIS
UTILIZADOS POR EMBARCAÇÕES REGIONAIS
FoI realizado na Capitania dos Portos da Amazônia Oriental, um
levantamento acerca das características dos propulsores navais estudados
através de um questionário técnico, o qual objetivou a obtenção dos dados
referentes às embarcações e seus respectivos sistemas propulsores. É
importante salientar, que o referido questionário apresenta informações sobre
características dos hélices navais como diâmetro e número de pás do
propulsor, diâmetro do eixo, parâmetros estes que foram fundamentais para o
desenvolvimento do trabalho.
6.6.1.2 SELEÇÃO DO HÉLICE MAIS ADEQUADO
De acordo com as entrevistas e com os dados levantados em campo, foi
selecionado o propulsor naval do tipo hélice, modelo NSB18, de 310 mm de
diâmetro, que atua em conjunto com o motor YANMAR, de mesma
especificação, para ser objeto da análise de escoamento potencial, visto que
este conjunto é muito utilizado na região amazônica (cerca de 100 unidades
84
mensais comercializadas), principalmente em pequenas embarcações de
madeira. Na Figura 6.6 é mostrado o propulsor naval onde foi simulado
escoamento fluídico.
6.6.1.3 DEFINIÇÃO DAS ESTAÇÕES LINEARES DAS PÁS DO HÉLICE
Para construir o modelo apenas da pá, local da grande ocorrência de
fraturas do rotor, recorreu-se aos perfis das estações lineares, espaçados de
32 em 32 mm, onde as coordenadas do perfil foram medidas através do
software Markgraf, escrito em linguagem Borland C, o qual mede as estações
através de suas imagens digitalizadas, na extensão Bitmap (BMP).
Na geração do modelo, foram utilizados dois planos (XY e XZ) a fim de
recuperar-se a geometria tridimensional da pá do propulsor. Os planos do rotor
são mostrados nas Figuras 6.7 e 6.8 a seguir.
A partir das estações, determinou-se a linha de esqueleto, que define a
entrada e a saída do escoamento nos perfis lineares da pá do hélice. Com esta
curva, foi possível determinar-se matematicamente os ângulos (β1) entre a
horizontal e a entrada do escoamento no perfil através da Equação 6.1.
(6.1)
A rotação da estação em relação à horizontal, que é característica de
cada raio adotado para os perfis, fornece um parâmetro utilizado no projeto de
hélices navais, chamado ângulo de construção (β). Este valor pode ser
determinado geometricamente através do arco tangente das diferenças de cota
entre as coordenadas Y e Z, mantendo-se o raio da estação constante.
85
Figura 6.6 - Hélice utilizado na modelagem computacional (modelo NS18).
Figura 6.7 - Definição do plano XY de uma pá do hélice naval analisado.
Figura 6.8 - Definição do plano XZ de uma pá do hélice naval analisado.
86
6.6.1.4 COEFICIENTES DE PRESSÃO NOS PERFIS DAS PÁS DO HÉLICE
Através
do
programa
GOSTFIN.FOR,
escrito
em
linguagem
de
programação FORTRAN, realizou-se a análise de escoamento potencial nos
perfis lineares, ou seja, verificou-se o comportamento estático do propulsor ao
ser submetido a um escoamento no qual foram desprezadas as influências da
rugosidade (acabamento superficial) da pá. Este fluxo gera um gradiente de
pressão nas pás que, por conseqüência, ocasiona um diferencial de tensões.
Estas são quantificadas através de análise numérica (MEF). Na Figura 6.9, são
mostradas as distribuições dos coeficientes de pressões (Cp) em função da
corda unitária de cada perfil, dados de saída do programa GOSTFIN.
6.6.1.5 ANÁLISE ATRAVÉS DO MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
Conforme citado anteriormente, o Método de Elementos Finitos (MEF) é
um procedimento numérico para resolver problemas de mecânica do contínuo
com precisão aceitável para engenheiros. É seguramente o processo que mais
tem sido utilizado para a discretização de meios contínuos. Além disso,
podemos afirmar, também, que o MEF é muito utilizado face à analogia física
direta que se estabelece, com o seu emprego, entre o sistema físico real e o
modelo simulado computacionalmente.
87
Figura 6.9 - Distribuição do coeficiente de pressão nos cinco perfis do hélice naval estudado.
88
6.6.1.6 DESENVOLVIMENTO DO MODELO NUMÉRICO
O modelo físico do hélice seguiu a seqüência de construção de sólidos do
software ANSYS (keypoints, construção de splines, áreas e volumes). Esta
seqüência de elementos geométricos, aplicados ao propulsor em estudo, feita
em etapa de pré-processamento, pode ser visualizada na Figura 6.10.
6.6.1.7 PROCESSO DE GERAÇÃO DE MALHAS AO MODELO
A adaptação da malha ao modelo deve ser tal que não o deforme após
sua utilização. O hélice no qual foi aplicada a malha da análise numérica
(MEF), é mostrado na Figura 6.11, onde o elemento estrutural SOLID 95 (20
nós por elemento) foi utilizado da primeira a quinta estação da pá e o SOLID 92
(10 nós por elemento) para gerar o contorno arredondado do final da
geometria.
6.6.1.8 SOLUÇÃO DA ANÁLISE NUMÉRICA COMPUTACIONAL
A partir da aplicação do escoamento calculou-se a pressão dinâmica
devido ao escoamento do fluido nas pás do hélice. O valor da pressão de
corrente livre do escoamento foi desconsiderada, visto que não se dispôs de
métodos para sua medição no local de funcionamento do hélice com a devida
precisão. A pressão dinâmica aplicada é fornecida pela Equação 6.2. O
coeficiente de pressão (Cp), é dado de saída do programa GOSTFIN; ρ é a
massa específica do fluido (água) que escoa nas pás do hélice e V, a
velocidade de escoamento do fluido que foi aproximada à velocidade de
cruzeiro da embarcação (m/s). Como o propulsor escolhido é utilizado em
conjunto com um motor de mesmo modelo, verificou-se a velocidade das
embarcações que possuem este conjunto e encontrou-se o valor em 9 m/s
(média). Considerou-se a solicitação fluídica na pá do propulsor como quase
estática. Esta simplificação permite que o setor da pá que esteja em interseção
com o eixo do propulsor possa ser considerado como engastado e o restante
da pá como uma viga submetida aos esforços em funcionamento do hélice.
89
1
PDINÂMICA = ρ × CP × V 2
2
(6.2)
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 6.10 – Criação de keypoints (a), splines (b), áreas (c) e volumes (d) do
modelo computacional.
Figura 6.11 - Malhagem do modelo (Total de 753 elementos e 3946 nós).
CAPÍTULO 7
ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS NA ANÁLISE
METALOGRÁFICA
Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos referentes à
análise metalográfica em nível macrográfico e micrográfico.
7.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS
7.2.1 COMPOSIÇÃO QUÍMICA
A Tabela 7.1 apresenta a composição química de vinte e cinco amostras
de hélices navais obtidas durante as visitas de campo realizadas, citadas no
Capítulo 6, submetidas a uma análise química no Laboratório de Metalografia
do Departamento de Materiais - DEMA da Faculdade de Engenharia Mecânica
– FEM da Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP. Por outro lado, a
Tabela 7.2 mostra as amostras de hélices selecionados para confecção de
corpos-de-prova objetivando a execução dos ensaios mecânicos programados.
Finalmente, as Tabelas 7.3, 7.4 e 7.5 apresentam composições químicas
consideradas adequadas para fabricação de propulsores navais tipo hélice
conforme, respectivamente, pela norma brasileira NBR 6314/1982 – ABNT,
normas americanas e normas japonesas.
91
Tabela 7.1 - Composição química de propulsores navais produzidos em
diversos municípios do Estado do Pará.
Amostra
Cu
Zn
Sn
Al
Si
Fe
S
Pb
Ni
Mo
Mn
P
Belém 1
81,72 15,02 2,27
-
-
0,79 0,21
-
-
-
-
Belém 2
81,26 15,35 2,31
-
-
0,84 0,25
-
-
-
-
Belém 3
77,91 19,92 1,45
-
-
0,59 0,13
-
-
-
-
Belém 4
77,47 20,50 1,50
-
-
0,48 0,06
-
-
-
-
Belém 5
79,38 17,12
-
-
-
-
-
3,10 0,30
-
0,10
Belém 6
81,51 15,36
-
-
-
-
-
2,74 0,28
-
0,12
Belém 7
81,18 15,25
-
-
-
-
-
3,21 0,21
-
0,16
Belém 8
60,52 37,43
-
-
-
-
-
0,29 0,33
-
1,44
Santarém 1 49,58 28,77
-
0,67
-
1,39
-
19,60
-
-
-
-
95,22
-
2,40
-
-
-
-
1,73
Santarém 3 72,43 25,21 1,04
0,51
-
0,54
-
-
-
-
0,26
Santarém 4 53,70 42,54
0,82
0,56
1,70 0,55
-
-
-
0,14
-
-
0,82 0,58
-
-
-
-
-
Santarém 2
0,34
0,32
-
Abaeté 1
84,77 12,43 1,41
Abaeté 2
59,58 5,15 14,34 1,36
2,54 12,46 1,29 2,41
-
-
-
0,87
Abaeté 3
75,44 18,73 1,90
0,50
0,57
2,33
-
0,55
-
-
-
-
Breves 1
74,28 16,22 2,70
0,40
0,58
2,29
-
3,41
-
-
-
0,13
Breves 2
90,40 3,90
0,78
1,22
1,84
1,67 0,13
-
-
-
-
0,07
Breves 3
57,71 31,12 1,25
0,59
0,77
3,94 3,00 1,65
-
-
-
-
Marabá 1
64,01 32,26
-
0,50
-
-
Marabá 2
Marabá 3
-
-
71,21 23,72 1,66
-
-
2,55
-
-
0,67
60,40 37,47 2,12
-
-
-
-
-
0,37
-
1,58
-
1,45
-
-
-
-
-
-
Vigia 1
88,80 6,00
4,28
-
-
0,54 0,38
-
Vigia 2
74,29 18,78 1,97
-
0,22
0,83 0,72
-
1,60 1,58
-
Bragança
76,46 15,72 2,38
-
0,52
0,88 1,56
-
0,68 1,78
-
Soure
78,68 13,54 1,26
0,65
1,73
4,16
-
-
-
-
-
-
92
Tabela 7.2 – Especificações dos materiais selecionados para a análise do
comportamento mecânico avaliado.
Amostra
Cu
Zn
Sn
Al
Si
Fe
S
Pb
Ni
Mo
Mn
Belém 1
81,72 15,02 2,27
-
-
0,79 0,21
-
-
-
-
Belém 2
81,26 15,35 2,31
-
-
0,84 0,25
-
-
-
-
Belém 3
77,91 19,92 1,45
-
-
0,59 0,13
-
-
-
-
-
0,67
-
1,39
-
19,60
-
-
-
-
95,22
-
2,40
-
-
-
-
1,73
0,59
0,77
1,65
-
-
-
Santarém 1 49,58 28,77
Santarém 2
Breves
Marabá 1
0,34
0,32
57,71 31,12 1,25
-
-
-
3,94 3,00
60,40 37,47 2,12
-
-
-
-
-
-
1,45
-
-
-
Marabá 2
71,21 23,72 1,66
0,37
-
1,58
Bragança
76,46 15,72 2,38
-
0,52
0,88 1,56
-
Soure
78,68 13,54 1,26
0,65
1,73
4,16
-
-
0,68 1,78
-
-
-
93
Tabela 7.3 – Composição química das ligas de cobre-alumínio
especiais para hélices navais segundo a Norma NBR 6314/1982 – ABNT.
Cu (%)
C 95800
79
Al (%)
Mn (%)
Fe (%)
Ni (%)
Si (%)
Pb (%)
Total (%)
8,5 a 9,5 0,8 a 1,5 3,5 a 4,5(A) 4 a 5(A) 0,1 máx. 0,03 máx. 99,5 mín.
(A) Æ O teor de ferro deve ser igual ou inferior ao de níquel.
Tabela 7.4 – Composição química ideal para propulsores navais tipo hélice
segundo normas técnicas americanas.
Bronze Naval
Cu (%)
Zn (%)
Sn (%)
60
39,25
0,75
Tabela 7.5 – Composição química ideal para propulsores navais tipo hélice
segundo normas técnicas japonesas.
Cu (%)
Al (%)
Mn (%)
Zn (%)
KHBSC1
52 a 62 0,5 a 3
0,5 a 4
KHBSC2
50 a 57 0,7 a 2
Sn (%)
Pb (%)
35 a 40 0,5 a 2,5 1 máx.
1,5 máx.
0,5 máx.
1,0 a 4
33 a 38 0,5 a 2,5
2,5 a 8
1,5 máx.
0,5 máx.
7 a 11
0,5 a 4
1 máx.
2a6
3a6
0,1 máx.
0,03 máx.
KALBC4 70 a 80 6,5 a 9
8 a 20
6 máx.
2a5
1,5 a 3
1 máx.
0,05 máx.
KALBC3 77 a 82
Fe (%)
Ni (%)
94
7.2.2 ANÁLISE METALOGRÁFICA
Os resultados obtidos a partir da análise metalográfica podem ser
divididos em duas partes, ou seja, aqueles referentes à macroestrutura e
aqueles relacionados à microestrutura dos hélices estudados.
7.2.2.1 RESULTADOS DA ANÁLISE MACROGRÁFICA
Através da análise macrográfica dos hélices estudados, constatou–se a
presença de três zonas de solidificação, conforme pode ser observado nas
Figuras de 7.1 a 7.6, conhecidas como coquilhada, colunar e equiaxial, com
grande predominância das duas últimas representadas por grãos bastante
grosseiros. A presença das referidas zonas, principalmente nas pás dos
propulsores, pode ser eventualmente explicada através dos seguintes motivos:
Na zona coquilhada, a presença de convecção e de elementos de liga que
funcionem como substratos certamente proporcionam a sua formação através
dos mecanismos de Biloni/Morano e de Ohno. Para os grãos colunares, como
na maioria dos casos encontram-se misturados aos grãos equiaxiais, sua
formação pode ter ocorrido por meio do mecanismo de Chalmers/Biloni onde
os grãos da referida zona crescem até que sejam barrados pela zona equiaxial.
Nas pás dos hélices, a forte presença da zona coquilhada sugere que
estes grãos tenham originado os grãos equiaxiais, ou seja, que o mecanismo
de formação da zona equiaxial neste caso ocorreu com base nos mecanismos
de Chalmers/Biloni, Ohno e por Nucleação Extensiva (já que em alguns casos
é difícil distinguir nas pás onde termina a zona coquilhada e onde começa a
zona equiaxial) enquanto que a acentuada presença de grãos colunares nos
cubos dos propulsores sugere a formação de uma zona equiaxial neste ponto
do hélice através do mecanismo de Jackson e colaboradores.
A Figura 7.1 apresenta a seção longitudinal de um hélice analisado onde é
evidenciada a formação de grãos equiaxiais bastante refinados, localizados a
partir do centro da pá em direção à extremidade da mesma, grãos equiaxiais
95
grosseiros combinados com grãos colunares próximo à região do cubo e,
finalmente, grãos colunares de grandes dimensões no cubo. As Figuras 7.2 e
7.3 mostram cubos de diferentes hélices estudados os quais apresentam,
predominantemente, estrutura colunar grosseira com orientação preferencial
correspondente àquela da extração de calor pelo molde bem como grãos
equiaxiais de grandes dimensões.
A Figura 7.4 apresenta a seção longitudinal da pá de um propulsor naval
na qual podemos observar a presença de grãos equiaxiais finos em sua região
central bem como a formação de grãos colunares e equiaxiais bem maiores
nas extremidades da pá. As Figuras 7.5 e 7.6 mostram a seção transversal de
diferentes propulsores estudados onde podemos verificar a formação
predominante de estruturas colunares e equiaxiais grosseiras.
Devido ao elevado grau de anisotropia observado nas estruturas de
solidificação reveladas torna–se evidente que as mesmas contribuem
fortemente para o baixo desempenho dos propulsores estudados o que pode
explicar as freqüentes quebras de hélices relatadas pelos usuários uma vez
que, conforme citado anteriormente, estruturas homogêneas é que são
responsáveis por propriedades mecânicas superiores. Assim, os cortes
transversais e longitudinais realizados nas pás evidenciam grãos equiaxiais
bastante refinados combinados com grãos coquilhados predominantes nos
bordos de ataque e saída das mesmas.
Por outro lado, os cubos dos hélices apresentam de maneira geral
estrutura colunar grosseira, com orientação preferencial correspondente àquela
da extração de calor pelo molde[2,3].
96
7.2.2.2 RESULTADOS DA ANÁLISE MICROGRÁFICA
Tanto
os
cubos
predominantemente
quanto
estrutura
as
pás
micrográfica
dos
hélices
grosseira
sem
apresentam
orientação
preferencial aparente. As Figuras 7.7, 7.8 e 7.9 apresentam as microestruturas
das amostras referentes à seção longitudinal dos cubos correspondentes aos
hélices Bragança, Vigia 1 e Belém 1, com aumento de 50 vezes. Verifica-se a
presença de uma estrutura dendrítica constituída de uma solução sólida de
cobre na fase α (áreas claras) onde podem ser facilmente observados os
ramos primários, secundários e terciários das mesmas. Entre estas
encontramos elevadas quantidades de zinco na forma de soluto interdendrítico
rejeitado (áreas escuras)[5,19-22].
A Figura, 7.10 apresenta a microestrutura da amostra referente à seção
transversal da pá correspondente ao hélice Belém 3, com aumento de 50 vezes
onde também são vistas áreas claras contendo cobre α além de áreas escuras
contendo principalmente zinco como soluto interdendrítico[5,19-22].
As Figuras 7.11 e 7.12 indicam respectivamente as microestruturas do
cubo e da pá correspondentes ao hélice Breves 3, com ampliação de 100
vezes, onde é vista uma solução sólida homogênea constituída basicamente de
fase β (zona escura) e uma região segregada interdendrítica rica em zinco
(zona clara). Por outro lado, as Figuras 7.13 e 7.14 evidenciam as
correspondentes microestruturas do cubo e da pá do propulsor Marabá 2,
constituído predominantemente de alumínio, 100 vezes ampliadas, onde notase a presença de zonas escuras grosseiras ricas em silício pró-eutético e
zonas claras constituídas de uma solução sólida eutética de alumínio α
também grosseira[32].
Assim, considerando as observações acima citadas e os resultados
obtidos, podemos verificar que não existe qualquer tipo de controle sobre a
composição química, da matéria prima utilizada na obtenção de propulsores
navais tipo hélice em nossa região devido à utilização intensiva de sucata de
97
diversos materiais diferentes o que compromete, desde a origem do processo
de fabricação, a qualidade e a vida útil dos mesmos.
Logo, pode-se concluir facilmente que o não atendimento a critérios
normativos de composição química pode, em longo prazo, comprometer parcial
ou totalmente o sistema de propulsão dessas embarcações, pois este
procedimento gera fases de cobre (soluções sólidas) inadequadas ao emprego
destinado aos propulsores navais tipo hélice utilizados na região.
Finalmente, observa-se na análise micrográfica, que os espaçamentos
interdendríticos são elevados. Isto contribui consideravelmente para um
comportamento
mecânico
insatisfatório
aos
propulsores
navais
que
apresentarem esta configuração, portanto, os parâmetros operacionais do
processo de fundição também devem ser dimensionados de forma correta, pois
caso contrário serão obtidas microestruturas inadequadas para um bom
desempenho operacional dos hélices navais fabricados na região.
98
Figura 7.1 - Seção longitudinal com grãos equiaxiais refinados no centro da pá
além de grãos colunares de grandes dimensões no cubo.
Figura 7.2 - Cubo com estrutura colunar grosseira e grãos equiaxiais de
grandes dimensões.
99
Figura 7.3 - Cubos com estrutura colunar grosseira e grãos equiaxiais de
grandes dimensões.
Figura 7.4 - Seção longitudinal da pá de um propulsor naval com grãos
equiaxiais finos em sua região central além de grãos colunares e equiaxiais
bem maiores nas extremidades.
100
Figura 7.5 - Seção transversal com formação predominante de estruturas
colunares e equiaxiais grosseiras.
Figura 7.6 - Seção transversal com formação predominante de estruturas
colunares e equiaxiais grosseiras.
101
Figura 7.7 – Microestrutura da seção longitudinal do cubo correspondente ao
hélice Bragança. Aumento de 50 x.
Figura 7.8 - Microestrutura da seção longitudinal do cubo correspondente ao
hélice Vigia 1. Aumento de 50 x.
102
Figura 7.9 – Microestrutura da seção longitudinal do cubo correspondente ao
hélice Belém 1. Aumento de 50 x.
Figura 7.10 - Microestrutura da seção transversal de uma pá correspondente
ao hélice Belém 3 .Aumento de 50 x.
103
Figura 7.11 - Microestruturas do cubo do hélice Breves 3 .Ampliação de
100 x.
Figura 7.12 – Microestruturas da pá do hélice Breves 3 .Ampliação de 100 x.
104
Figura 7.13 – Microestrutura do cubo do propulsor Marabá 2 constituído
predominantemente de alumínio. Ampliação de 100 x.
Figura 7.14 – Microestrutura da pá do propulsor Marabá 2. Ampliação de 100 x.
CAPÍTULO 8
ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS NOS ENSAIOS
MECÂNICOS
Neste capítulo serão apresentados e analisados os resultados obtidos,
respectivamente, nos Ensaios de Dureza e de Tração a fim de tornar possível o
entendimento do comportamento mecânico de ligas metálicas utilizadas na
produção de hélices navais na região.
8.2 RESULTADOS DO ENSAIO DE DUREZA
Os resultados obtidos para o Ensaio de Dureza encontram-se
devidamente apresentados na Tabela 8.1. É importante ressaltar, que foram
obtidos cinco corpos-de-prova de cada liga metálica estudada e que, em cada
corpo-de-prova, foram realizadas três medições de dureza totalizando assim
quinze medições de dureza por liga metálica selecionada. Em seguida foram
calculadas as médias aritméticas e os correspondentes desvios padrões das
medições efetivadas a fim de analisar-se estatisticamente os resultados
obtidos.
8.3 RESULTADOS DO ENSAIO DE TRAÇÃO
As Tabelas de 8.2 a 8.11 mostram os resultados referentes aos Ensaios
de Tração realizados nas diversas ligas selecionadas. Analogamente ao caso
anterior foram calculados as médias aritméticas e os desvios padrões através
do software existente no computador de aquisição de dados cuja interface com
a máquina de tração, permitiu a obtenção das propriedades mecânicas de
interesse para o trabalho em questão. Finalmente, as Figuras de 8.1 a 8.10
apresentam o diagrama que relaciona a carga utilizada no ensaio (N) em
função
do
deslocamento
dado
(mm)
para
cada
liga
estudada.
106
Tabela 8.1 – Valores de dureza obtidos nos Ensaios de Dureza Rockwell E e Rockwell F.
VALORES DE DUREZA ROCKWELL
AMOSTRA
CDP 1
CDP 2
CDP 3
CDP 4
CDP 5
VALOR MÉDIO
DESVIO PADRÃO
Belém 1
78 HRF
82 HRF
73 HRF
72 HRF
79 HRF
77 HRF
± 4,28 HRF
Belém 2
69 HRF
67 HRF
75 HRF
69 HRF
75 HRF
71 HRF
± 3,79 HRF
Belém 3
68 HRF
72 HRF
69 HRF
65 HRF
70 HRF
69 HRF
± 2,67 HRF
Santarém 1
73 HRF
74 HRF
82 HRF
78 HRF
75 HRF
76 HRF
± 3,39 HRF
Santarém 2
58 HRE
57 HRE
44 HRE
61 HRE
44 HRE
53 HRE
± 8,09 HRE
Breves
84 HRF
82 HRF
85 HRF
83 HRF
84 HRF
84 HRF
± 1,05 HRF
Marabá 1
85 HRE
84 HRE
81 HRE
82 HRE
84 HRE
83 HRE
± 1,73 HRE
Marabá 2
65 HRF
67 HRF
71 HRF
67 HRF
66 HRF
67 HRF
± 2,24 HRF
Bragança
51 HRF
60 HRF
53 HRF
50 HRF
50 HRF
53 HRF
± 4,21 HRF
Soure
62 HRF
58 HRF
60 HRF
61 HRF
55 HRF
59 HRF
± 2,74 HRF
107
Tabela 8.2 – Resultados do Ensaio de Tração para a liga metálica da amostra Belém 1.
108
109
110
Tabela 8.5 – Resultados do Ensaio de Tração para a liga metálica da amostra Santarém 1.
111
Tabela 8.6 – Resultados do Ensaio de Tração para a liga metálica da amostra Santarém 2.
112
Tabela 8.7 – Resultados do Ensaio de Tração para a liga metálica da amostra Breves.
113
Tabela 8.8 – Resultados do Ensaio de Tração para a liga metálica da amostra Marabá 1.
114
Tabela 8.9 – Resultados do Ensaio de Tração para a liga metálica da amostra Marabá 2.
115
Tabela 8.10 – Resultados do Ensaio de Tração para a liga metálica da amostra Bragança.
116
Tabela 8.11 – Resultados do Ensaio de Tração para a liga metálica da amostra Soure.
117
Figura 8.1 – Perfil do Ensaio de Tração da liga metálica da amostra Belém 1.
118
119
120
Figura 8.4 – Perfil do Ensaio de Tração da liga metálica da amostra Santarém 1.
121
Figura 8.5 – Perfil do Ensaio de Tração da liga metálica da amostra Santarém 2.
122
Figura 8.6 – Perfil do Ensaio de Tração da liga metálica da amostra Breves.
123
Figura 8.7 – Perfil do Ensaio de Tração da liga metálica da amostra Marabá 1.
124
Figura 8.8 – Perfil do Ensaio de Tração da liga metálica da amostra Marabá 2.
125
Figura 8.9 – Perfil do Ensaio de Tração da liga metálica da amostra Bragança.
126
Figura 8.10 – Perfil do Ensaio de Tração da liga metálica da amostra Soure.
127
8.4 ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS NOS ENSAIOS DE DUREZA
A Tabela 8.12 apresenta os valores de dureza obtidos nos Ensaios de
Penetração Rockwell e o valor de dureza estabelecido pela Norma NBR 6314 /
julho 1982 para as ligas utilizadas na produção de hélices navais, regida pela
Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT.
Conforme pode ser observado, considerando como referência a liga
metálica C 95800 encontrada na Norma NBR 6314 / 1982, os valores de
Dureza Brinell obtidos em todas as ligas metálicas utilizadas na fabricação de
hélices navais nas condições regionais encontram-se bem abaixo daquele
estabelecido pela norma acima mencionada. Tal fato pode ser justificado, como
citado anteriormente, por meio das composições químicas da matéria-prima
utilizada
na
fabricação
desses
propulsores
em
nossa
região,
ser
completamente inadequada quando comparada com aquela correspondente à
liga C 95800, mostrada na Tabela 7.3, bem como as fases presentes nas
estruturas de solidificação das amostras estudadas e o processo empírico de
fabricação empregado na confecção dos corpos-de-prova.
É muito importante salientar, ainda, que a composição química da
matéria-prima utilizada ao não atender os padrões exigidos pela norma técnica
vigente contribuiu significativamente para a ativação de mecanismos de
formação de macroestruturas e microestruturas de solidificação, comentados
no Capítulo 3, que proporcionaram certamente ao produto final um
comportamento extremamente insatisfatório à propriedade mecânica de
dureza. Os resultados obtidos para as macroestruturas e microestruturas
encontram-se, conforme visto anteriormente, analisados no Capítulo 7.
Finalmente, é relevante salientar, que existem estudos propostos
anteriormente, publicados na literatura, que abordam a influência de
determinados elementos químicos tais como zinco, estanho, chumbo e
manganês, nas propriedades físicas e mecânicas de ligas de cobre, contudo,
tais estudos foram desenvolvidos para ligas metálicas que não correspondem a
quaisquer das composições químicas analisadas neste trabalho não sendo
128
possível, portanto, a realização de qualquer estudo sobre a influência dos
referidos elementos químicos no comportamento mecânico das ligas metálicas
analisadas neste trabalho. As Figuras de 8.11 a 8.13 apresentam os resultados
dos estudos mencionados anteriormente.
8.5 ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS NOS ENSAIOS DE TRAÇÃO
Na Tabela 8.13 é apresentada uma análise comparativa entre os
resultados obtidos no Ensaio de Tração das amostras das ligas metálicas
estudadas e os valores correspondentes da liga C 95800, determinados pela
Norma NBR 6314 / 1982.
De maneira análoga ao caso anterior, podemos observar que de maneira
geral os valores de Resistência à Tração, Limite de Escoamento e
Alongamento calculados para todas as ligas metálicas estudadas encontram-se
bem abaixo daqueles estabelecidos pela Norma NBR 6314 / 1982 para a liga C
95800. Tal fato pode ser justificado, pelos mesmos motivos citados
anteriormente durante a análise da propriedade mecânica de dureza, ou seja,
por meio das composições químicas da matéria-prima utilizada na fabricação
desses propulsores em nossa região ser completamente inadequada.
Da mesma maneira que no caso anterior, é conveniente ressaltar, que a
composição química inadequada da matéria-prima utilizada na fabricação de
hélices navais nas condições regionais contribuiu sobremaneira para a ativação
de mecanismos de formação de macroestruturas e microestruturas de
solidificação que proporcionaram ao produto final um desempenho bastante
insatisfatório no que se refere aos valores de Resistência à Tração, Limite de
Escoamento e Alongamento, além das fases presentes nas estruturas de
solidificação das amostras estudadas e o processo empírico de fabricação
empregado na confecção dos corpos-de-prova.
129
Tabela 8.12 – Quadro comparativo entre os valores de dureza obtidos e o da Norma NBR 6314 / 1982.
ANÁLISE COMPARATIVA DOS VALORES OBTIDOS NOS ENSAIOS DE DUREZA
AMOSTRA
DUREZA BRINELL
DUREZA ROCKWELL (C)
DESVIO PADRÃO
LIGA – ABNT C 95800
160 (A)
– X – X –X – (D)
– X – X –X –(D)
Belém 1
35,57 (B)
76,59 HRF
± 4,28 HRF
Belém 2
39,45 (B)
70,76 HRF
± 3,79 HRF
Belém 3
40,85 (B)
68,66 HRF
± 2,67 HRF
Santarém 1
35,75 (B)
76,32 HRF
± 3,39 HRF
Santarém 2
47,45 (B)
53,06 HRE
± 8,09 HRE
Breves
30,86 (B)
83,66 HRF
± 1,05 HRF
Marabá 1
28,86 (B)
83,20 HRE
± 1,73 HRE
Marabá 2
41,96 (B)
67,00 HRF
± 2,24 HRF
Bragança
51,38 (B)
52,86 HRF
± 4,21 HRF
Soure
47,15 (B)
59,20 HRF
± 2,74 HRF
(A) Æ Este valor corresponde a um ensaio de dureza cuja carga aplicada é de 29,4 kN (3000 kgf).
(B) Æ Estes valores de Dureza Brinell foram convertidos conforme as normas vigentes[13]
(C)Æ Os valores apresentados correspondem às médias aritméticas das medições para cada liga.
(D) Æ A Norma NBR 6314 não apresenta o valor sugerido de dureza na Escala Rockwell e o seu desvio padrão.
130
Figura 8.11 – Influência da adição de zinco nas propriedades do cobre[30].
131
Figura 7.2 – Influência da adição de estanho, chumbo e zinco nas propriedades
do cobre[30].
132
Figura 8.13 – Influência da adição de manganês nas propriedades do cobre[30].
133
Tabela 8.13 – Quadro comparativo entre os resultados obtidos do Ensaio de Tração e os da Norma NBR 6314 / 1982.
ANÁLISE COMPARATIVA DOS VALORES OBTIDOS NOS ENSAIOS DE TRAÇÃO
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO MÍN. (MPa) (A)
LIMITE DE ESCOAMENTO (MPa) (A)
ALONGAMENTO MÍN.(%) (A)
590,00
240,00 (B)
15,00
Belém 1
82 (± 7,55)
75 (± 5,12)
12 (± 4,69)
Belém 2
173 (± 18,32)
133(± 5,36)
19 (± 8,57)
Belém 3
123 (± 29,19)
112 (± 22,05)
15 (± 7,69)
Santarém 1
227 (± 16,50)
135 (± 4,19)
33 (± 6,55)
Santarém 2
72 (± 34,34)
18 (± 22,36)
5 (± 3,00)
Breves
285 (± 23,66)
181 (± 11,54)
28 (± 6,15)
Marabá 1
168 (± 22,45)
0 (± 0,00)
8 (± 0,82)
Marabá 2
170 (± 8,86)
131 (± 0,30)
11 (± 2,00)
Bragança
91 (± 20,11)
81 (± 11,72)
11 (± 3,56)
Soure
161 (± 16,67)
129 (± 1,77)
21 (± 6,70)
AMOSTRA
LIGA – ABNT
C 95800
(A) Æ Os valores em parênteses representam o desvio padrão apresentados pelas amostras.
(B) Æ Tensão que produz uma extensão de 0,5 % com a carga aplicada.
CAPÍTULO 9
ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS NA ANÁLISE
NUMÉRICA
Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos através da
análise computacional desenvolvida a partir do Método de Elementos Finitos,
com o auxílio da plataforma Ansys, por meio da qual realizou-se a simulação
de um escoamento fluídico (água) sobre a superfície de um hélice naval, a fim
de se avaliar o perfil de distribuição de pressão, descrito no Capítulo 6.
9.2 RESULTADOS DA ANÁLISE NUMÉRICA
Após a utilização do Método de Elementos Finitos, obteve-se a
distribuição de tensões na pá do hélice e sua forma deformada, as quais são
apresentadas nas Figuras 9.1, 9.2 e 9.3.
De acordo com a Figura 9.1, podemos observar que a maior solicitação de
esforços na pá foi de 326,469 KPa (pouco acima de 3 atm). Nesta figura é
apresentado o ponto de deslocamento máximo (DMX), o qual foi da ordem de
1,5.10-6 m, ou seja 1,5 µm, desprezando-se as pressões estáticas que existem
no modelo. Na Figura 9.2, pode ser observado a região de maior concentração
de tensões na pá do propulsor naval estudado.
A Figura 9.3 apresenta a configuração da pá do hélice naval estudado, em
suas formas deformada e não deformada, a partir da qual observa-se que o
esforço predominante na referida região é o de flexão, devido à ação do
esforço fluídico.
135
9.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS ACERCA DOS RESULTADOS NUMÉRICOS
Os valores obtidos para as pressões dinâmicas foram comparados com
os da tensão de escoamento do material do propulsor (186 MPa). Os
resultados encontrados não submetem a pá do hélice a tensões consideráveis
tampouco na região localizada próxima ao eixo, onde ocorrem concentrações
de tensões, o que leva à conclusão que o escoamento no entorno do propulsor
naval não é um fator determinante nas freqüentes fraturas que ocorrem nos
mesmos. É importante ressaltar, que esta análise foi realizada considerando-se
que o hélice, representado pelo modelo computacional de elementos finitos, foi
fabricado a partir de um material sem inclusões, porosidade ou outras falhas
inerentes ao processo produtivo do mesmo. Os hélices encontram-se, de
acordo com o estudo realizado, superdimensionados em relação à solicitação
fluídica, contudo, a porcentagem dos hélices fraturados com pouco tempo de
uso na região é considerável levando-se a crer que os esforços produzidos
pelas freqüências naturais de vibração e/ou impactos contra detritos existentes
nos rios como troncos de árvores, bancos de areia e outros, seja o fator mais
agressivo à integridade mecânica dos mesmos. Não foram encontrados,
portanto, motivos que justificassem modificações no hélice quanto a esta
análise. Porém, foi confirmada a tendência dos propulsores navais regionais
apresentarem regiões de concentrações de tensões próximas ao eixo fato que
pode, com solicitações mecânicas de maiores intensidades, ocasionar uma
possível fratura neste local. O aperfeiçoamento da análise fluídica, com a
utilização de “softwares” e computadores mais modernos, assim como
considerações físicas mais apuradas (análise experimental) podem conduzir o
cálculo numérico a resultados mais precisos, sendo este assunto pertencente a
uma área na qual a evolução dos
resultados alcançados ocorrem
freqüentemente, bem como o desenvolvimento de novos aplicativos que visem
proporcionar o suporte técnico necessário neste tipo de análise cuja
complexidade é bastante significativa. Finalmente, é importante salientar que
mediante os resultados obtidos neste trabalho, foi desenvolvido um material
informativo, em anexo, na forma de cartilha a fim de que os usuários e
produtores de hélices navais na região tenham acesso às informações de
interesse.
136
DMX= 1,53 x 10-6 m
2.810 Pa
38.772 Pa
74.734 Pa
110.696 Pa
146.658 Pa
182.521 Pa
218.583 Pa
254.545 Pa
290.507 Pa
326.469 Pa
Figura 9.1 - Resultados numéricos obtidos através da solicitação fluídica.
137
DMX= 1,53 x 10-6 m
2.810 Pa
38.772 Pa
74.734 Pa
110.696 Pa
146.658 Pa
182.521 Pa
218.583 Pa
254.545 Pa
290.507 Pa
326.469 Pa
Figura 9.2 – Região de maior concentração de tensões na pá do propulsor durante a solicitação fluídica.
138
DMX = 1,53 x 10-6m
Figura 9.3 - Forma deformada (em branco) e não-deformada (em azul).
CAPÍTULO 10
CONCLUSÕES
Os resultados obtidos neste trabalho permitem que sejam extraídas as
seguintes conclusões:
•
Como as etapas operacionais do processo de fabricação de
propulsores navais tipo hélice em nossa região são realizadas
através de procedimentos empíricos, o produto fundido não
apresenta
as
propriedades
necessárias
ao
comportamento
mecânico exigido. O fato dessas operações serem desenvolvidas
artesanalmente e baseadas na repetibilidade, ou seja, realizadas
somente a partir da experiência, observação direta e intuição do
caboclo regional, contribui para que o desempenho e a vida útil
dos mesmos se tornem bastante prejudicados.
•
O referido processo de fabricação não apresenta qualquer controle
sobre fatores operacionais de fundição considerados importantes
na obtenção do produto final tais como seleção e controle da
matéria prima, temperatura de vazamento, altura de vazamento,
coeficiente de extração de calor na interface metal/molde,
coeficiente de extração de calor na interface molde/ambiente, tipo
de areia utilizada, tipo de molde, dimensão do molde, material do
molde, operações de acabamento, balanceamentos estático e
dinâmico etc os quais são capazes de contribuir para a melhoria
das propriedades mecânicas do hélice. Assim, um elevado grau de
defeitos é introduzido ao longo do processo produtivo o que
compromete
bastante
as
propriedades
mecânicas
desses
propulsores. A elevação da qualidade dos mesmos será obtida
140
através da implementação de melhorias no projeto, processo de
fabricação e utilização dos mesmos.
•
A matéria prima utilizada na fabricação dos mesmos não apresenta
qualquer controle de composição química pois é constituída
principalmente de sucatas de cobre, zinco, estanho e chumbo, em
teores bastante variáveis, contrariando assim as composições
químicas estabelecidas pelas normas técnicas vigentes.
•
As análises macrográficas e micrográficas revelaram grãos de
dimensões, geometrias, direção e distribuição bastante variáveis,
segregação de soluto em elevado grau, espaçamentos dendríticos
significativos, defeitos internos provenientes do processo de
fabricação, etc não desejados uma vez que tornam o propulsor
mais propenso, por exemplo, a quebras por impacto em função da
anisotropia estrutural apresentada. Tal fato contribui, certamente,
para um menor desempenho e qualidade dos hélices, em função
de suas propriedades mecânicas inferiores.
•
É comum, por falta de conhecimento do assunto, a utilização, por
parte das embarcações de qualquer tipo de hélices com
dimensões e geometrias quaisquer independente da finalidade a
que se destinam as embarcações como transporte de passageiros,
atividades de pesca ou para o transporte de cargas, o que
certamente compromete o sistema de propulsão das mesmas.
•
Os resultados encontrados a partir da análise numérica via Método
de Elementos Finitos, permitiu concluir que os propulsores navais
tipo hélice fabricados em nossa região são dimensionados
adequadamente para suportar os esforços fluídicos pois os mesmo
141
não são submetidos a tensões consideráveis, portanto, o
escoamento no entorno dos mesmos não é um fator determinante
nas freqüentes fraturas verificadas.
•
As propriedades mecânicas obtidas através dos Ensaios de
Dureza e Tração apresentaram valores muito abaixo do exigido
pela Norma NBR 6314 / 1982, fato que pode ser justificado pela
composição
química
inadequada
segundo
os
padrões
apresentados e o processo de fabricação empírico. As freqüentes
rupturas
dos
propulsores
navais
estudados,
são
portanto,
conseqüências dos valores de Resistência Mecânica e Limite de
Escoamento abaixo do tolerado, para suportar choques com
troncos de árvores imersos no leito dos rios, bancos de areia,
resíduos de vegetação etc.
•
Através da cartilha proposta neste trabalho, fabricantes e usuários
de propulsores navais tipo hélice da nossa região encontrarão
acesso a informações extremamente importantes, de maneira
simples e objetiva. No referido material informativo, estão contidos
estudos de grupos de pesquisa do Departamento de Engenharia
Mecânica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Pará.
Assim, a UFPA, através do referido departamento, cumpre o seu
papel de vetor de desenvolvimento regional promovendo a
socialização dos resultados obtidos no projeto de pesquisa em que
este trabalho está inserido uma vez que os resultados obtidos
poderão modificar de forma considerável a realidade empírica da
produção de hélices navais no Estado do Pará.
142
•
Finalmente, considerando o exposto, seria bastante interessante a
continuação deste estudo de modo a possibilitar a elevação da
qualidade desses propulsores navais através da implementação de
melhorias no projeto, processo de fabricação e utilização dos
mesmos.
143
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] SOEIRO, N. S., LOPES, F. A. C., VALE, A. R. M. Análise da Resistência de
Propulsores Navais do Tipo Hélice Fabricados na Amazônia Através do
Método dos Elementos Finitos, Anais do II Congresso Nacional de
Engenharia Mecânica - CONEM, João Pessoa - PB, 12/08 a 16/08/2002.
[2] MOREIRA, A. L. S. Relatório Final de Atividades do Projeto: “Otimização
do Projeto de Propulsores Navais do Tipo Hélices Utilizados por
Embarcações nas Condições Amazônicas”, Universidade Federal do Pará,
Belém – PA, 2003.
[3] OLIVEIRA, M. F. S. Análise Comparativa da Macroestrutura e da
Microestrutura de Solidificação de Hélices Navais Fabricados no Estado
do Pará, Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade Federal do Pará,
Belém – PA, 2001.
[4] GEER, D. Propeller Handbook: “The Complete Reference for Choosing,
Installing and Understanding Boat Propellers”, New York: McGraw-Hill
Company, 1989.
[5] LIMA, L. M. B. & FERREIRA, E. L. S. Projeto e Produção de Propulsores
Navais nas Microempresas de Fundição do Município de Belém, Trabalho
de Conclusão de Curso, Universidade Federal do Pará, Belém – PA, 1999.
[6] SHINKAWA, A. T., GARCIA, F. C. V., CARVALHEIRO, P. G. e LOPES, R. G.
da C., Projeto de Embarcações para o Transporte de Passageiros e
Cargas: Metodologia e Critérios - Manual do Usuário, Instituto de Pesquisas
Tecnológicas – IPT, Ministério dos Transportes, São Paulo – SP, 1989.
[7] Circular Técnica Nº 001/72 – Projeto de Instalações de Propulsão Marítima,
MWM Motores Diesel S.A., São Paulo - SP, 1972.
144
[8] GOMES, C. R. C. Arquitetura Naval, Sindicato Nacional de Náutica e de
Práticos de Portos da Marinha Mercante, Rio de Janeiro - RJ, 1981.
[9] SOEIRO, N. S. Introdução ao Método de Elementos Finitos e ao uso do
Software Ansys, Universidade Federal do Pará, Belém – PA, 2000.
[10] OUTBOARD MARINE CORPORATION, Teoria Aplicada para Mecânicos de
Motores de Popa – Treinamento de Serviço, São Paulo - SP, 1993.
[11] MOREIRA, A. L. S., LOPES, F. A. C. e OLIVEIRA, M. F. S. Análise
Macroestrutural e Microestrutural de Propulsores Navais Tipo Hélice
Produzidos no Estado do Pará, Anais do II Congresso Nacional de
Engenharia Mecânica - CONEM, João Pessoa - PB, 12/08 a 16/08/2002.
[12] COELHO, C.A., Ferreira, E.L.S. e Lima, L.M.B., “Uma Alternativa para a
Produção de Propulsores Navais Tipo Hélice na Amazônia”, Anais do XV
Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica - COBEM, Águas de Lindóia SP, 22/11 a 26/11/1999.
[13] GARCIA, A., SPIM, J.A. e SANTOS, C.A. dos, “Ensaios dos Materiais”, Livros
Técnicos e Científicos Editora, São Paulo - SP, 2000.
[14] CHIAVERINI, V., “Tecnologia Mecânica – Processos de Fabricação e
Tratamentos Térmicos”, Ed. McGraw-Hill, 1986.
[15] VLACK, L.H.V., “Princípios de Ciência dos Materiais”, Ed. Edgard Blücher
Ltda, 1985.
[16] SOUZA, S.A., “Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos”, Ed. Edgard
Blücher Ltda, 1995.
[17]
TANQUE
DE
PROVA.
Disponível
na
internet
na
Home
http://www.pnv.poli.usp.br/pnv/laboratorio/index.html, 14/12/2003.
Page
145
[18] LOUREIRO, J.C.S. et al., “Influência do Processo de Fabricação no
Desempenho
de
Propulsores
Navais
Tipo
Hélice
Utilizados
por
Embarcações nas Condições Amazônicas”, Anais do 140 Congresso
Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais - CBECIMAT, São Pedro SP, 2000.
[19] BOUCHARD, D. and KIRKALDY, J.S., “Prediction of Dendrite Arm Spacings
in Unsteady and Steady-State Heat Flow of Unidirectionally Solidified
Binary Alloys”, Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 28 B, pp. 651663, 1997.
[20] MIYATA, Y., “Dendritic Growth in Undercooled Melt with Forced
Convection”, Proceedings of the 4th Decennial International Conference on
Solidification Processing, Sheffield, UK, pp. 409-412, 1997.
[21] QUARESMA, J.M.V. et al., “Influência do Material e da Espessura da Parede
do Molde nos Coeficientes de Transferência de Calor nas Interfaces
Metal/Molde e Molde/Ambiente”, Anais em CD-ROM do II Congresso
Internacional de Tecnologia Metalúrgica e de Materiais – ABM, São Paulo,
Brasil, 1997.
[22] QUARESMA, J.M.V., “Correlação entre Condições de Solidificação,
Microestrutura e Resistência Mecânica”, Tese de Doutorado, UNICAMP,
Campinas, Brasil, 274 p, 1999.
[23] WANG, C.Y. and BECKERMANN, C., “Equiaxed Dendritic Solidification with
Convection: Part I, II and III”, Metallurgical and Materials Transactions, Vol.
27 A, pp. 2754-2795, 1996.
[24] DUPOUY, M.D., CAMEL, D. and FAVIER, J.J., “Natural Convection in
Directional Dendritic Solidification of Metallic Alloys – I: Macroscopic
Effects”, Acta Metallurgica, Vol. 37, pp. 1143-1157, 1989.
146
[25] MOUJEKWU, C.A., SAMARASEKERA, I.V. and BRIMACOMBE, J.K., “Heat
Transfer
and
Microstructure
during
the
Early
Stages
of
Metal
Solidification”, Metallurgical and Materials Transaction B, Vol. 26 B, pp. 361382, 1995.
[26] PERALTA, J.L., “Influência do Superaquecimento e da Vazão de um Gás
Inerte no Refino de Grão do Zinco e do Eutético Zn-5Al”, Tese de
Mestrado, Universidade Federal do Pará, 1998.
[27] ROCHA, O.F.L., “Influência do Superaquecimento e da Vazão de um Gás
Inerte na Formação da Macroestrutura de Solidificação do Alumínio e do
Eutético Al-33Cu”, Tese de Mestrado, Universidade Federal do Pará, 1998.
[28] SIQUEIRA, C.A.F. e MOREIRA, A.L.S., “Influência das Dimensões do Molde,
da Pressão e da Vazão de um Gás Inerte na Formação da Macroestrutura
de Solidificação do Alumínio”, Anais do 14º Congresso Brasileiro de
Engenharia e Ciência dos Materiais – CBECIMAT, São Pedro – SP, 2000.
[29] LOPES, F.A.C.; OLIVEIRA, M.F.S. e MOREIRA, A.L.S. “Influência da Adição
de Metais Não Ferrosos nas Propriedades de Ligas de Cobre Utilizadas na
Fabricação de Propulsores Navais Tipo Hélice no Estado do Pará”, III
Encontro dos Grupos PET da Amazônia Legal – AMAZONPET, Belém – PA,
29/11 a 01/12/2002.
[30] METALS HANDBOOK. “Forging and Casting – Production of Copper Alloy
Castings”, American Society for Metals – ASM, Metals Park, Ohio, v. 5, 8a ed.,
p. 486 – 493, 1961.
[31] METALS HANDBOOK. “Properties and Selection of Metals – Copper and
Copper Alloys”, American Society for Metals – ASM, Metals Park, Ohio, v. 1,
8a ed., p. 959 – 1052, 1961.
[32] COUTINHO, T. A., “Metalografia de não-ferrosos: análise e prática”, Editora
Edgar Blücher, p. 4-101, São Paulo – SP, 1980.
147
[33] Norma NBR 6314 / 1982, Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT.
CENTRO TECNOLÓGICO
BELÉM – PA
MARÇO / 2004
1. INTRODUÇÃO
Caro amigo fabricante ou comprador de hélices para embarcações, tudo bem? Depois
de um longo tempo viajando pelos municípios do Pará, onde existem pequenas oficinas
que fabricam e vendem hélices para embarcações, nós ouvimos as principais dificuldades
que você encontra quando fabrica ou adquire um hélice para sua embarcação. Algumas
das dificuldades que você geralmente enfrenta são estas:
FABRICANTE
• A “liga do metal” nem sempre é boa para fazer o hélice.
• Você não tem certeza exatamente do melhor material para fabricar o hélice.
• Existem problemas na qualidade e quantidade dos materiais utilizados na
fabricação do hélice.
• Não existe nenhum critério técnico na seleção da sucata usada na fundição.
• O hélice apresenta freqüentemente porosidade e/ou trincas nas pás.
• A solda que você usa para recuperar o hélice não é muito “forte”.
• Geralmente é utilizado um processo inadequado de soldagem para o
recondicionamento dos hélices.
• Você não dispõe de meios para balancear o hélice fabricado.
COMPRADOR
• Você não conhece exatamente qual é o melhor hélice para o seu barco.
• Você não tem absoluta certeza de como especificar um hélice para sua
embarcação.
• Quando você vai comprar um hélice, você espera que o vendedor lhe oriente na
escolha do mesmo, só que ele também não sabe fazer isso.
• Às vezes o hélice faz com que o seu barco “fumace”, não “puxe”, e gaste muito
combustível.
• Às vezes o hélice não dura muito tempo.
• Quando em uso o hélice “quebra” ou empena com facilidade quando bate em
troncos de árvores ou pedras existentes no leito dos rios.
• Às vezes o hélice é muito caro.
• Os melhores hélices são vendidos somente em Belém.
Assim, amigo, depois que você ler esta cartilha, talvez encontre várias informações
úteis que você vai poder utilizar quando for fabricar ou comprar hélices para embarcações
daqui pra frente, certo? Assim, LEIA COM ATENÇÃO ESTA CARTILHA, CUIDE BEM
DELA E NÃO ESQUEÇA DE PASSAR AS INFORMAÇÕES QUE VOCÊ ENCONTRAR
PARA OUTROS COLEGAS SEUS QUE TAMBÉM FABRICAM OU COMPRAM HÉLICES,
TUDO BEM?
2. RECOMENDAÇÕES PARA A COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS HÉLICES
Na Tabela abaixo você poderá encontrar, dependendo da matéria-prima que você
possuir no momento para fabricar o hélice, a quantidade ideal de cada material que
deverá fazer parte da composição química do mesmo.
Tabela 1 - Composições químicas sugeridas na fabricação de hélices navais.
Liga
BronzeManganês 1
Bronze
Manganês 2
Bronze
Alumínio 3
Bronze
Alumínio 4
Latão
Amarelo
Bronze de
Propulsor
Cobre Zinco
52 a 62 35 a 40
Estanho
1,5 máx
50 a 57 33 a 38
1,5 máx
0,7 a 2
77 a 82
1 máx
0,1 máx
70 a 80
6 máx
55 a 60 restant
e
78 a 81
-x-
Alumínio
Ferro
0,5 a 3
0,5 a 2,5
Chumbo
0,5 máx
Níquel
1 máx
Manganês
0,5 a 4
0,5 a 2,5
0,5 máx
2,5 a 8
1a4
7 a 11
2a6
0,03 máx
3a6
0,5 a 4
1 máx
6,5 a 9
2a5
0,05 máx
1,5 a 3
8 a 20
1,5 máx
0,7 a 1
0,9 a 2
0,4 máx
-x-
0,3 a 0,9
-x-
9 a 10,3
3,5 a 5,5
0,01 máx
4,5 a 5,5
0,5 a 1
3. RECOMENDAÇÕES PARA O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DOS MOLDES DE
FUNDIÇÃO DOS HÉLICES
•
•
•
•
•
Escolher a areia mais adequada para a fabricação dos moldes (limpa, seca e a
mais fina possível).
Ter o cuidado para peneirar a sua areia antes de fazer o molde.
Evitar usar a mesma areia muitas vezes.
Ter um funcionário que possua experiência em oficinas de fundição.
Antes de fechar o molde use uma camada de pó, conhecido como carburete, nas
faces internas do molde para evitar poros e melhorar o acabamento superficial do
hélice.
4. RECOMENDAÇÕES PARA O PROCESSO DE FUNDIÇÃO DOS HÉLICES
Como o processo de fundição dos hélices em nossa região é realizado com base
somente na experiência do fabricante, os mesmos apresentam uma grande quantidade de
defeitos tais como poros, vazios, trincas, etc que compromete bastante a qualidade dos
hélices. Assim, recomendamos o seguinte:
•
•
•
•
Obedecer as composições químicas que estão na Tabela 1.
Evitar que o metal fique muito tempo dentro do forno após ter sido transformado
em líquido.
Usar sempre equipamento de proteção Individual: luvas, avental, perneira, óculos
com filtro etc.
Não vender hélices com defeitos de fabricação (poros, trincas, vazios, etc), pois
isto prejudica tanto a sua imagem no mercado e quanto os clientes.
5. RECOMENDAÇÕES PARA RECUPERAÇÃO DOS HÉLICES POR SOLDAGEM
A soldagem oxi-gás é feita através da união de metais por meio do calor de uma chama
resultante da queima de dois gases, um combustível e outro comburente. O equipamento
de soldagem é constituído por cilindros de gás, maçaricos, manômetros, mangueiras e
válvulas de segurança, conforme Figura abaixo.
5.1 TIPO DA CHAMA OXI-GÁS
A Figura abaixo mostra os tipos de chamas usados na soldagem oxi-gás, que são
obtidos pela regulagem da quantidade de oxigênio e combustível (acetileno ou butano).
Esta regulagem é feita no corpo do maçarico, conforme o tipo de trabalho que será
realizado. Na Figura são observadas as cores das diferentes zonas, que identificam cada
tipo de chama. Estas zonas são definidas pela intensidade e coloração da luz.
Chama
Neutra ou
normal
Redutora ou
carburante
Oxidante
Características
Emprego
Mistura de partes iguais do gás Ferros fundidos, aços, bronzes, cobre,
oxigênio e do combustível.
latão, níquel, metal monel, enchimentos
Chama mais utilizada na
e revestimentos com bronze
soldagem oxi-gás
Mistura de maior quantidade do
Aços ligados ao cromo e ao níquel,
gás combustível em relação ao
alumínio e magnésio
gás oxigênio
Mistura do gás oxigênio ao gás
combustível, predominando um
excesso de oxigênio. Apresenta
um som sibilante (silvio) no bico
do maçarico
Materiais que contenham zinco em sua
composição química como, por
exemplo, o latão
5.2 PROCEDIMENTOS PARA RECUPERAÇÃO DE HÉLICES
5.2.1 PROCESSOS DE SOLDAGEM UTILIZADOS
•
•
Oxi-acetilênico
Oxi-butânico
5.2.2 CHAMA E FLUXO
•
•
•
•
Tipo de chama recomendada: neutra ou oxidante.
Ajuste da chama: deve ser de acordo com a grossura (espessura) da pá do hélice,
ou seja, para um hélice fino (baixa espessura) usar chama suave, isto é, baixo
volume dos gases; para um hélice grosso (grande espessura): usar chama mais
forte, ou seja, maior dosagem nos gases.
Tipo de fluxo: utilizar pó macam para proteção da poça de fusão.
Conservação do fluxo: proteger o pó macam da umidade e da sujeira.
5.2.3 SEGURANÇA NA SOLDAGEM
•
•
•
•
•
Manter os cilindros na posição vertical, em lugar seguro e arejado.
Não manejar os cilindros com as mãos sujas de óleos, graxas etc.
Nunca lubrificar ou limpar as roscas dos cilindros de oxigênio, com óleos ou graxas.
Cuidar do ambiente de trabalho, mantendo-o limpo e desobstruído.
Guardar os cilindros de gás em local limpo, seco, arejado, desobstruído, de fácil
acesso e manejo.
• Usar sempre equipamento de proteção Individual: luvas, avental, perneira, óculos
com filtro etc.
• Usar sempre reguladores de pressão e maçaricos limpos e desobstruídos.
5.2.4 ACENDER E APAGAR A CHAMA
•
•
•
ACENDER O MAÇARICO
Primeiro passo: abrir levemente a válvula do oxigênio.
Segundo passo: abrir a válvula do gás acetileno.
•
Acender usando vela ou fósforo. Evitar isqueiro a gás e lamparina ou produtos
similares.
•
•
•
APAGAR O MAÇARICO
Primeiro passo: fechar o gás combustível.
Segundo passo: fechar o oxigênio.
5.2.5 PROCEDIMENTO PARA A SOLDAGEM DE RECUPERAÇÃO
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Preparar os chanfros (ranhuras) a soldar.
Limpar cuidadosamente as superfícies, antes da soldagem.
Pré-aquecer uniformemente a hélice e manter a temperatura entre passes na faixa
de 600oC – 700oC, para reduzir deformação (empenamento) e a possibilidade de
defeitos como fissuras (trincas), vazios, poros etc.
Pontear as partes que serão soldadas.
Preenchimento do chanfro com o metal de solda.
Depositar o primeiro passe, tendo a certeza de está fundindo as bordas do chanfro.
Depositar o material da vareta (de adição) em camadas finas e sucessivas,
conforme o necessário, até o preenchimento completo do chanfro.
Controlar a temperatura de trabalho (giz térmico/termômetro).
Realizar inspeção visual entre os passes ou camadas de solda, antes do próximo
passe.
Fazer sempre uma boa limpeza, com disco abrasivo (esmeril), entre um passe e
outro, e no último passe de acabamento.
5.2.6 DEFEITOS QUE PODEM SER ENCONTRADOS NA SOLDAGEM OXI-GÁS
•
FALTA DE DILUIÇÃO DO MATERIAL DA VARETA: O material da vareta não
“cola” no material da hélice.
Material do hélice
Material da vareta
Principais causas: Pré-aquecimento insuficiente do hélice naval antes da soldagem,
alta velocidade de soldagem, falta de habilidade do soldador,
poça de fusão grande.
•
POROSIDADE: Vazios localizados na região de solda.
Principais causas: Contaminação do fluxo (pó macam), pouca quantidade de fluxo
na vareta, contaminação da vareta (sujeira).
•
ASPECTO RUIM DO ACABAMENTO SUPERFICIAL: Aparência final do cordão
de solda apresentando diversos defeitos como mordeduras e porosidades.
Principais causas: Pouca habilidade do soldador, alta velocidade de soldagem.
6. RECOMENDAÇÕES PARA A ESCOLHA DO HÉLICE MAIS ADEQUADO PARA SUA
EMBARCAÇÃO (DIMENSIONAMENTO DO HÉLICE)
Caro amigo, neste momento falaremos das etapas que devem acontecer para que você
possa escolher o hélice naval correto para a sua embarcação. A Figura a seguir
apresenta as etapas das quais estamos falando.
Etapas para escolha do hélice naval mais adequado para uma embarcação.
•
ETAPA I: Requisitos do Usuário
Esta etapa é constituída de informações iniciais para a escolha da embarcação as
quais variam de acordo com a necessidade do usuário, isto é:
• Rota: é uma informação definida pela distância que a embarcação irá percorrer e o
calado máximo permitido para navegar nesta distância, a qual tem a ver com a
profundidade do rio que navegamos.
• Capacidade: é o número de pessoas e a quantidade de carga que o barco pode
levar.
• Velocidade: tem relação com o tempo que você deseja que sua embarcação
percorra uma determinada distância (rota).
•
ETAPA II: Dimensões Principais de um Barco
As dimensões principais de uma embarcação são aquelas que permitem estabelecer a
forma do seu casco, conforme mostrado na Figura a seguir. Estas dimensões são
determinadas a partir da experiência de longos anos dos construtores de barcos.
LEGENDA:
A - Boca na linha d’água.
B - Comprimento na linha d’água
C – Calado carregado
Principais dimensões de uma embarcação.
•
ETAPA III: Sistema Propulsor (Motor e Hélice)
Nesta etapa é determinada a potência do motor que é feita tendo por base a velocidade
e o peso máximo que a embarcação pode carregar. Com a potência já determinada é feita
a especificação do motor, a qual fornecerá a rotação de trabalho do mesmo. A potência e
a rotação são usadas para escolha do hélice e especificação do reversor. As informações
básicas do hélice são:
•
Diâmetro: definido como sendo a largura do círculo formado pelas extremidades
das pás. Para embarcações de cargas pesadas são necessários hélices com
diâmetros maiores, o que proporciona uma maior força para mover o barco, porém
terá uma velocidade baixa já que pás muito grandes geram uma maior resistência
para mover uma embarcação. Para embarcações leves é mais apropriado o uso de
hélices com diâmetros menores, fornecendo uma maior velocidade.
• Passo: é a distância percorrida pelo barco após o hélice dar uma volta completa.
Os hélices que possuem passos menores trabalham bem com cargas pesadas,
mas proporcionam baixas velocidades. No caso de hélices de passos maiores, as
embarcações atingem maiores velocidades, porém trabalham com forças
reduzidas. As Figuras a seguir representam o diâmetro e o passo de um hélice.
Diâmetro do hélice.
Passo do hélice.
6.1 OBSERVAÇÕES IMPORTANTES
• Diâmetro muito grande ou muito pequeno pode ser um problema para a eficiência do
hélice. Isso pode resultar em um desperdício de combustível ou na redução da
velocidade da embarcação.
• O diâmetro do hélice nunca deve ser maior que o valor de 2/3 do calado da
embarcação.
• O passo correto permite que a embarcação tenha a velocidade ideal e a carga
correta para o motor.
6.2 CAVITAÇÃO
É a geração de vapor d’água em forma de bolhas que implodem com a superfície da pá
do hélice, ocasionando erosão, desgaste e conseqüente redução da vida útil da mesma. A
cavitação é causada por irregularidades no casco da embarcação ou no hélice. Essas
irregularidades encontradas causam uma região de baixa pressão, e à medida que a
velocidade da embarcação aumenta, essa pressão diminui, dessa forma, bolhas de vapor
são criadas ao redor do hélice gerando a cavitação. A Figura abaixo mostra as
irregularidades na ponta da pá do hélice e a cavitação causada por essas irregularidades.
Irregularidades e cavitação.
6.3 PROGRAMA DE COMPUTADOR PARA ESCOLHA DE UM HÉLICE
A equipe de professores e alunos do Departamento de Engenharia Mecânica da
Universidade Federal do Pará – UFPA, desenvolveu um programa de computador que, a
partir de um conjunto básico de informações, será possível a estimativa do tamanho do
barco, a forma do casco e o do conjunto motor-hélice. As Figuras a seguir mostram um
exemplo de cálculo feito com a ajuda deste programa.
Programa calculando a potência propulsora da embarcação.
Cálculo do hélice.
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Prezado amigo, chegamos ao término deste informativo que teve o único objetivo de
lhe fornecer informações importantes para lhe ajudar em detalhes que farão a diferença
para você se forem bem seguidos. Lembre-se que não estamos aqui para mudar a sua
vida ou transformar as condições de seu barco e seu trabalho, mas para ampliar a sua
visão sobre o complicado estudo de hélices navais. Muito obrigado por ter lido este
documento e esperamos ter ajudado um pouco. Até uma próxima oportunidade!
Caso você tenha algum problema no seu barco ou com o seu hélice, por favor,
entre em contato conosco preenchendo COM MUITO CUIDADO o formulário que
está no final desta cartilha. Lembre-se, qualquer informação errada que você nos
fornecer, criará sérios problemas para você mesmo!!!
7.1 PROFESSORES ENVOLVIDOS
A seguir são relacionados os nomes de todos os professores que estiveram envolvidos
neste trabalho assim como as respectivas áreas de conhecimento em que colaboraram na
realização do mesmo.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Antonio Luciano Seabra Moreira/UFPA (Processos de Fundição)
Carlos Alberto Mendes da Mota/UFPA (Processos de Soldagem)
Carmen Gilda Barroso Tavares Dias/UFPA (Novos Materiais)
Celso Augusto Coelho/UFPA (Controle de Qualidade)
Eduardo de Magalhães Braga/UFPA (Processos de Soldagem)
Newton Sure Soeiro/UFPA (Dimensionamento do Hélice)
Antonio Jorge Hernandéz Fonseca/UEPA (Controle de Qualidade)
João Lobo Peralta/CEFET (Processos de Fundição)
Otávio Fernandes Lima da Rocha/CEFET (Processos de Fundição)
7.2 ENDEREÇO PARA CONTATO
Em caso de necessidade você poderá entrar em contato com o professor que desejar
através do seguinte endereço:
Universidade Federal do Pará
Centro Tecnológico
Departamento de Engenharia Mecânica
Professor: _______________________
Rua Augusto Corrêa No 1
Guamá – Belém – Pará
CEP: 66075-110
Fones: (0xx)(91)211-1961/1963/1323/1325
Fax: (0xx)(91)211-1325
7.3 AGRADECIMENTOS
A equipe de pesquisadores do projeto de pesquisa “Otimização do Projeto de
Propulsores Navais Tipo Hélice Utilizados por Embarcações nas Condições
Amazônicas” aqui representada pelos professores, alunos e colaboradores que
desenvolveram este estudo, gostaria de registrar os agradecimentos à UFPA, UEPA,
CEFET, FINEP, SECTAM e FADESP, pela oportunidade e apoio concedidos para sua
realização.
FORMULÁRIO DE INFORMAÇÕES NECESSÁRIAS PARA O PROGRAMA DE
COMPUTADOR SELECIONAR O HÉLICE DE SUA EMBARCAÇÃO
1) Nome do proprietário da embarcação: _________________________________
__________________________________________________________________
2) Endereço completo:
Rua: _____________________________________________ NO: ____________
Bairro: _______________________ Cidade: ________________ Estado: _____
CEP: _________________ (não obrigatório)
3) Dados da embarcação (INFORMAR CORRETAMENTE):
•
Velocidade (especificar: nós, m/s ou km/h): _________________________
•
Número de passageiros e tripulantes: ______________________________
•
Quantidade de carga (especificar: kilogramas ou toneladas): ____________
•
Comprimento da linha d’água (em metros): __________________________
•
Tamanho da boca molhada (em metros): ___________________________
•
Tamanho do calado (em metros): _________________________________
•
Potência do motor: _____________________________________________
•
Marca e modelo do motor: _______________________________________
•
Rotação do motor: _____________________________________________
•
Reversor: ( ) 2:1; ( ) 3:1; ( ) outro / especificar: ____________________
•
Existe restrição ao calado do seu barco para evitar que ele encalhe?
( ) NÃO
( ) SIM / Especificar: ___________________________
4) Dados do hélice naval (INFORMAR CORRETAMENTE):
•
Diâmetro do hélice (em centímetros): ______________________________
•
Número de pás do seu hélice: ____________________________________
•
Diâmetro do eixo do seu motor (em polegadas): ______________________
5) Considerações Finais (explique neste espaço o problema que você está tendo com o
seu barco, motor ou hélice):
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Data: ______/______/______
Assinatura: ________________________