ELEMENTOS FLEXÍVEIS: CABOS DE AÇO Universidade Federal de Goiás Escola de Engenharia Elétrica e de Computação Graduação em Engenharia Mecânica Disciplina: Elementos de Máquinas 2 Prof.: Ricardo Humberto de Oliveira Filho ELEMENTOS FLEXÍVEIS: CABOS DE AÇO

INTRODUÇÃO Cabos de aço: videos\Telecurso 2000 - Elementos de Maquinas - 30 cabos.avi

CONSTRUÇÃO O cabo de aço é composto, basicamente, por um conjunto de arames de aço, reunidos em um feixe helicoidal, constituindo uma corda de metal resistente aos esforços de tração e com a característica de possuir uma flexibilidade bastante acentuada. Os arames são as unidades básicas para a construção do cabo de aço. A montagem dos cabos a partir dos arames é feita da seguinte forma: • Torção dos arames ao redor de um elemento central, de modo específico, em uma ou mais camadas, formando a denominada perna. • As pernas são, então, torcidas ao redor de outro elemento central, que recebe a denominação de alma, constituindo, assim, o cabo de aço.

CONSTRUÇÃO Fios Corda ou Perna Alma

CONSTRUÇÃO – CABOS PRÉ FORMADOS Cabos de aço podem ser fornecidos tanto pré-formados como não pré-formados, porém na maioria da aplicações o pré-formado é mais recomendado do que o não pré-formado. A diferença consiste em que na fabricação do pré-formado é aplicado um processo adicional, que faz com que as pernas e os arames fiquem torcidos na forma helicoidal, permanecendo colocados dentro do cabo na sua posição natural, com um mínimo de tensões internas.

CONSTRUÇÃO – CABOS PRÉ FORMADOS

CONSTRUÇÃO – CABOS PRÉ FORMADOS As principais vantagens do cabo pré-formado podem ser enumeradas da seguinte maneira: No cabo não pré-formado os arames e as pernas têm a tendência de endireitar-se, e a força necessária para mantê-los em posição provoca tensões internas, as quais se adicionam às tensões provocadas em serviço quando o cabo é curvado em uma polia ou em um tambor. O manuseio dos cabos pré-formados é muito facilitado pela ausência de tensões internas.

CONSTRUÇÃO – CABOS PRÉ FORMADOS Nos cabos pré-formados o equilíbrio do cabo é garantido, tendo cada perna tensão igual a outra, dividindo-se a carga em partes iguais entre as pernas. No cabo pré-formado o manuseio é mais seguro, sendo o cabo isento de tensões, não tendo a tendência de escapar da mão. Se um arame quebra pelo desgaste, ele ficará deitado na sua posição normal, não se dobrando para fora, o que tornaria perigoso o seu manuseio.

CONSTRUÇÃO - ALMA A alma de um cabo de aço é um núcleo em torno do qual as pernas são torcidas e ficam dispostas em forma de hélice. Sua função principal é fazer com que as pernas sejam posicionadas de tal forma que o esforço aplicado no cabo de aço seja distribuído uniformemente entre elas. A alma pode ser constituída de fibra natural ou artificial, podendo ainda ser formada por uma perna ou por um cabo de aço independente.

CONSTRUÇÃO - ALMA Tipos de alma: Alma de fibra (AF): o núcleo é composto por fibras vegetais naturais, tais como sisal, rami, cânhamo ou juta, embebidos em óleo para redução do desgaste produzido pelo atrito entre os fios e para proteção contra corrosão. Alma de fibra artificial (AFA): o núcleo é composto de fibras artificiais, geralmente de polipropileno, que não se deterioram em contato com a água ou substâncias corrosivas e agressivas. Porém são de preço mais elevado, sendo utilizados apenas em cabos de aço especiais.

CONSTRUÇÃO - ALMA Alma de aço (AA): formada por uma perna do próprio cabo de aço. Alma de aço de cabo independente (AACI): formada por um cabo de aço independente, sendo esta a mais utilizada, pois combina as características de flexibilidade e resistência à tração.

CONSTRUÇÃO - ALMA

CONSTRUÇÃO - ARAMES Os arames utilizados em cabos de aço são fios de aço estirados a frio, de alta resistência mecânica, fabricados com técnicas específicas para obtenção das seguintes propriedades: • resistência à tração • ductibilidade • resistência ao desgaste • pequena variação dimensional devido à variação de temperatura • resistência à corrosão

CONSTRUÇÃO - ARAMES O acabamento superficial dos arames está relacionado com a resistência à corrosão do cabo. Os cabos de aço podem ser: • galvanizados: apropriado para cabos estáticos ou relativamente estáticos, submetidos à ação de um meio agressivo, como umidade, ácidos, etc. • lubrificados: recomendado para a maioria das outras aplicações, pois combina as propriedades da lubrificação, que são: proteção contra corrosão e diminuição do atrito entre os arames. Existem diferentes tipos de lubrificação, adequadas para diferentes utilizações do cabo de aço.

CONSTRUÇÃO - TORCEDURAS As pernas são compostas de arames torcidos em torno de um núcleo. A torcedura pode ser das seguintes formas: • Torcedura regular, diagonal ou cruzada: os fios de arame e as pernas são torcidos em sentidos opostos, como resultado, os arames do topo das pernas são posicionados aproximadamente paralelos ao eixo longitudinal do cabo de aço; não tendem a torcer. Estes cabos são estáveis, possuem boa resistência ao desgaste interno e torção e são fáceis de manusear. Também possuem considerável resistência a amassamentos e deformações devido ao curto comprimento dos arames expostos.

CONSTRUÇÃO - TORCEDURAS • Torcedura plana, Lang ou paralela: os arames e as pernas são torcidas no mesmo sentido, os arames externos são posicionados diagonalmente ao eixo longitudinal do cabo de aço e com um comprimento maior de exposição que na torção regular. Devido ao fato dos arames externos possuírem maior área exposta, a torção Lang proporciona ao cabo de aço maior resistência à abrasão. São menos flexíveis e mais difíceis de manusear.

CONSTRUÇÃO - TORCEDURAS Quando as pernas são torcidas da esquerda para a direita , diz-se que o cabo de aço é “torção à direita” (Z). Quando as pernas são torcidas da direita para a esquerda, diz-se que o cabo de aço é “torção à esquerda” (S). O uso do cabo torção à esquerda é incomum na maioria das aplicações. Antes de especificar um cabo à esquerda, deve-se considerar todas as características da aplicação.

CONSTRUÇÃO - TORCEDURAS

CONSTRUÇÃO - TORCEDURAS

CONSTRUÇÃO - TIPOS DE PERNAS A - SIMPLES: todos os arames possuem o mesmo diâmetro. B - SEALE: Caracteriza-se por possuir uma configuração em que, na última camada, são dispostos arames de grande diâmetro, possibilitando assim grande resistência à abrasão. C - Perna FILLER: Caracteriza-se por ter fios mais finos entre duas camadas de arames, ocupando o espaço existente entre elas. Esse tipo de perna é utilizado quando são necessários cabos com uma seção metálica maior e boa resistência ao esmagamento.

CONSTRUÇÃO - TIPOS DE PERNAS D - Perna WARRINGTON: Caracteriza-se por ter a camada exterior formada por arames de diâmetros diferentes, alternando a sua colocação. O cabo é torcido com pernas de fios de vários diâmetros. Os fios da camada adjacentes não se interceptam e cada fio se aloja no sulco formado por dois fios internos. Isto reduz as pressões específicas entre dois fios e aumenta a flexibilidade e a vida desses cabos.

CONSTRUÇÃO - TIPOS DE PERNAS E - Perna WARRINGTON-SEALE: Existem composições que são formadas pela aglutinação de duas das acima citadas. A composição Warrington-Seale possui as principais características de cada composição, proporcionando ao cabo alta resistência à abrasão conjugado com alta resistência à fadiga de flexão.

CONSTRUÇÃO - TIPOS DE PERNAS

CONSTRUÇÃO - PASSO Define-se como passo de um cabo de aço a distância, medida paralelamente ao eixo do cabo, necessária para que uma perna faça uma volta completa em torno do eixo do cabo.

NOMENCLATURA Um cabo de aço é especificado pelo número de pernas, número de arames em cada perna, tipo de alma e o tipo de construção. Por exemplo: o cabo 6X19+AF Seale, possui 6 pernas com 19 arames em cada perna, alma de fibra e construção do tipo Seale.

NOMENCLATURA Já o cabo 6X71+AACI Warrington-Seale, possui 6 pernas com 71 arames em cada perna, alma de aço de cabo independente e construção do tipo Warrington-Seale.

MEDIDA O diâmetro nominal de um cabo de aço é aquele que se encontra nas tabelas normalizadas com a correspondente tolerância. O diâmetro dos cabos de aço deve ser medido da seguinte forma:

INSPEÇÃO E SUBSTITUIÇÃO A inspeção em cabos de aço é de vital importância para uma vida útil adequada e segura. A inspeção visual deve ser realizada periodicamente nos cabos de aço usados em equipamentos de movimentação de carga e antes de cada uso para laços. Esta inspeção tem como objetivo uma análise visual para detectar danos no cabo de aço que possam causar riscos durante o uso. Qualquer suspeita quanto às condições de segurança do material, deverá ser informada e o cabo de aço inspecionado por uma pessoa qualificada.

INSPEÇÃO E SUBSTITUIÇÃO A frequência da Inspeção Periódica deve ser definida por fatores como: tipo do equipamento; condições ambientais; condições de operação; resultados de inspeções anteriores; tempo de serviço do cabo de aço.

INSPEÇÃO E SUBSTITUIÇÃO Para os laços de cabos de aço esta inspeção deve ser feita em intervalos não excedendo a seis meses, devendo ser mais frequente quando o mesmo aproxima-se do final da vida útil. É importante que os resultados das inspeções sejam registrados. Sempre que ocorrer um incidente que possa ter causado danos ao cabo ou quando o mesmo tiver ficado fora de serviço por longo tempo, deve ser inspecionado antes do início do trabalho.

INSPEÇÃO E SUBSTITUIÇÃO Na inspeção de um cabo de aço, vários fatores que possam afetar seu desempenho devem ser considerados: Número de arames rompidos: A ruptura de arames normalmente ocorre por abrasão ou por fadiga de flexão. Pode ocorrer tanto nos arames externos quanto internos, caso o cabo de aço possua alma de aço. Deve-se observar se as rupturas estão distribuídas uniformemente ou se estão concentradas em uma ou duas pernas apenas. Neste caso há perigo das pernas se romperem.

INSPEÇÃO E SUBSTITUIÇÃO Desgaste externo: A abrasão dos arames externos é causada pelo atrito do cabo, sob pressão, com os canais das polias e do tambor e pode ser acelerada por deficiências de lubrificação. Mesmo que o arame não se rompa, o seu desgaste promoverá a perda de capacidade de carga do cabo de aço através da redução de área metálica, tornando o seu uso perigoso. Uma forma de avaliar o desgaste de um cabo de aço é através da medição do seu diâmetro.

INSPEÇÃO E SUBSTITUIÇÃO Corrosão: A corrosão diminui a capacidade de carga através da redução da área metálica do cabo de aço, além de acelerar a fadiga. Pode ser detectada visualmente, quando se apresenta na parte externa do cabo de aço. A detecção da corrosão interna é mais difícil, porém, alguns indícios, como variação no diâmetro ou aproximação entre pernas no cabo, podem indicar sua existência.

INSPEÇÃO E SUBSTITUIÇÃO Deformações: As deformações nos cabos de aço ocorrem principalmente devido ao mau uso ou irregularidades no equipamento ou ainda por métodos inadequados de manuseio e fixação. Ondulação: Ocorre quando o eixo longitudinal do cabo de aço assume a forma de uma hélice. Amassamento: normalmente é ocasionado pelo enrolamento desordenado no tambor. Nas situações onde o enrolamento desordenado não pode ser evitado, deve-se optar pelo uso de cabo de aço com alma de aço.

INSPEÇÃO E SUBSTITUIÇÃO Gaiola de passarinho: deformação típica em cabo de aço com alma de aço nas situações onde ocorre um alívio repentino de tensão. Esta irregularidade é crítica e impede a continuidade do uso do cabo de aço. Alma saltada: causada também pelo alívio repentino de tensão do cabo de aço, provocando um desequilíbrio de tensão entre as pernas, impedindo a continuidade do uso do mesmo. Dobra ou nó: caracterizada por uma descontinuidade no sentido longitudinal do cabo de aço que em casos extremos diminui a capacidade de carga do mesmo. Normalmente causada por manuseio ou instalação inadequada.

INSPEÇÃO E SUBSTITUIÇÃO Amassamento: Gaiola de passarinho:

INSPEÇÃO E SUBSTITUIÇÃO Alma saltada: Dobra ou nó:

ACESSÓRIOS Os acessórios de cabos de aço são normalmente utilizados para a fixação, levantamento de cargas, enrolamento e dispositivos tracionadores. Nas extremidades dos cabos pode ser utilizada uma cobertura de plástico cujo propósito é formar uma superfície que resista ao desgaste melhor do que simplesmente os arames. Um anel de compressão ou manga serve para prender o cabo. Também podem ser utilizados grampos mecânicos, especialmente em cabos de grande diâmetro.

ACESSÓRIOS

ACESSÓRIOS

ACESSÓRIOS

LUBRIFICAÇÃO A lubrificação dos cabos é importante para sua proteção contra a corrosão e para diminuir o desgaste por atrito pelo movimento relativo de suas pernas, dos arames e do cabo de aço contra as partes dos equipamentos como polias e tambores. Como regra geral, a maneira mais eficiente e econômica de relubrificação é através de um método que aplique o lubrificante continuamente durante a operação do cabo como imersão, gotejamento e pulverização.

MANUSEIO

MANUSEIO

PROJETO Quando um cabo de aço passa ao redor de uma polia, existe uma certa quantidade de reajuste dos elementos, cada um dos fios e dos cordões deve deslizar em vários outros e ocorre alguma flexão individual. É provável que nessa ação complexa haja alguma concentração de tensões. A tensão em um dos fios de uma corda passando ao redor de uma polia pode ser calculada a partir da mecânica de sólidos: Sendo: c = dw / 2; onde dw é o diâmetro do fio; ρ = D / 2; onde D é o diâmetro da polia.

PROJETO O módulo de elasticidade na equação não é o do cabo, mas sim o do fio, desta forma é corrigido para ER, e as outras parcelas são também substituídas: Esta equação dá a tensão de tração nos fios externos do cabo. É notório que quanto maior a polia melhor para o projeto! Diâmetros mínimos de polias são tabelados, baseados em uma relação D/dw de 400. Se possível, deve-se projetá-las para uma relação ainda maior.

PROJETO

PROJETO Uma tensão no fio que resulte na mesma tensão de tração que a flexão de polia é denominada carga equivalente de flexão Fb, fornecida por: Um cabo de aço pode falhar porque a carga estática excede à sua resistência última. Uma falha de tal natureza geralmente não é culpa do projetista, pelo contrário, é causada pelo operador, ao permitir que o cabo esteja sujeito a cargas para as quais não foi projetado. Sendo Am a área de metal de cabos padronizados de içamento e reboque.

PROJETO A área metálica de um cabo de aço varia em função da construção do cabo de aço. Ela é constituída pela somatória das áreas das seções transversais dos arames individuais que o compõem, exceto dos arames de preenchimento. O cálculo da área metálica de um cabo de aço ou cordoalha pode ser feito através da fórmula: onde, A = área metálica em mm2; F = fator de multiplicação tabelado; d = diâmetro nominal do cabo de aço ou cordoalha em milímetro. Embora esse cálculo não seja exato, seu resultado é bastante aproximado.

PROJETO

PROJETO A primeira consideração, ao se selecionar um cabo de aço, é determinar a carga estática. Tal carga é composta dos seguintes itens: O peso conhecido; Cargas adicionais causadas por paradas repentinas ou arranques; Cargas de choque; Atrito de mancal na polia. Quando essas cargas são somadas, o total pode ser comparado à resistência última da corda para encontrar um fator de segurança.

PROJETO Contudo, a resistência última empregada nessa determinação deve ser reduzida pela perda de resistência que ocorre quando a corda passa sobre uma superfície curvada, tal como uma polia estacionária ou um pino. Para uma operação média, utilize um fator de segurança de 5.

PROJETO Fatores de até 8 ou 9 são usados se existir perigo à vida humana e para situações muito críticas. Os fatores mínimos de segurança para diversos tipos de situações de projeto são tabelados.

PROJETO

PROJETO Tal fator é definido como: Uma vez realizada uma seleção de teste de um cabo de aço com base na resistência estática, a consideração seguinte é assegurar que a vida de desgaste do cabo e da(s) polia(s) satisfaça a certos requisitos Quando um cabo carregado é fletido sobre uma polia, ele se estica como uma mola, se esfrega contra a polia e causa o desgaste de ambos. Sendo Fu a tensão última no fio.

PROJETO A quantidade de desgaste que ocorre depende da pressão do cabo no sulco da polia. Essa pressão é denominada pressão de contato. Uma boa estimativa de sua magnitude é dada por: em que: F = força de tração no cabo d = diâmetro do cabo D = diâmetro de polia Valores máximos de pressão de contato são tabelados.

PROJETO

PROJETO Um diagrama de fadiga pode ser obtido para um cabo de aço.

PROJETO A tensão limite de tração do cabo é dada por: em que Su é a resistência última do fio, não do cabo, e suas unidades estão relacionadas com as unidades de F. A tração de fadiga permissível à medida que o fio é flexionado um número de vezes correspondente a p/Su selecionado do gráfico para determinado cabo é dada por:

PROJETO O coeficiente de segurança é definido para a fadiga por: O coeficiente de segurança para carregamento estático pode ser definido por: Sendo Fu a tensão última no fio.

PROJETO Cabos submetidos à tração simples estática Analisando-se a figura abaixo, observa-se que a carga de tração estática total atuante no cabo de aço pode ser determinada pela seguinte expressão:

PROJETO Cabos submetidos à tração dinâmica – carga devido à aceleração:

PROJETO Ângulo de desvio: De acordo com recomendações de normas, o ângulo de desvio de cabos de aço no trecho entre a polia e o tambor, não deve exceder: Com enrolamento em tambor sem canais: α= 1°30’ para cabos de aço convencionais (Classes: 6x7, 6x19, 6x36, 8x19, 8x36); Com enrolamento em tambor com canais: β= 2° para cabos de aço Não-Rotativos; β= 4° para cabos de aço convencionais (Classes: 6x7, 6x19, 6x36, 8x19, 8x36).

PROJETO Alongamento: A deformação elástica é diretamente proporcional à carga aplicada e ao comprimento do cabo de aço, e inversamente proporcional ao seu módulo de elasticidade e área metálica. Sendo: P a carga aplicada; l o comprimento do cabo; E o módulo de elasticidade; A a área da seção do cabo; w o peso por unidade de comprimento do cabo.

EXERCÍCIOS e e Exemplo resolvido: 17.6 Exercícios: 17.29 17.31 17.34