Forças que atuam sobre a carregadeira
Força de escavação, capacidade de elevação do sistema hidráulico e força de tração são termos usados com freqüência quando se fala no desempenho de uma carregadeira. Mas o que esses termos realmente significam, e como se relacionam entre si? Este artigo tem por objetivo apresentar as definições oficiais e a relação entre essas características.
Um equipamento articulado é constituído por dois módulos. O módulo do implemento (dianteiro) é formado pela caçamba, braço de elevação e articulações, componentes hidráulicos de acionamento e uma estrutura e eixo para montagem desses sistemas e suporte da carga. O módulo de potência (traseiro) contém o motor, conversor de torque, transmissão, eixo traseiro e componentes hidráulicos, e fornece potência para escavação, remoção e elevação de material, e também para tração dos módulos dianteiro e traseiro.
Terminologia de implementos de carregadeiras
Componentes associados com o braço de elevação do implemento de uma carregadeira:
Pino do braço de elevação
Balancim
Haste de ligação da caçamba
Braço de elevação da caçamba
Cilindro de elevação da caçamba
Cilindro de inclinação da caçamba
Nervuras da caçamba
Pino de articulação da caçamba (superior)
Pino de articulação da caçamba (inferior)
Componentes associados com as
caçambas de pás carregadeiras:
Proteção contra derramamento
Borda lateral superior
Chapa traseira
Borda lateral inferior
Borda cortante
Suporte dos dentes
Dentes
Fundo
Definições SAE para dimensões de carregadeiras
SAE (Society of Automotive Engineers), OSHA (Occupational Safety and Health Act) e ISO (International Standard Organization) são entidades que estabelecem, entre outros, procedimentos e normas para determinação de dimensões de máquinas de construção, conforme detalhado a seguir:
Altura máxima – distância vertical do solo até o ponto mais alto da máquina, com a caçamba na elevação máxima.
Altura de descarga – distância vertical do solo até o ponto mais baixo da borda cortante, com o pino de articulação da caçamba (inferior) na altura máxima e a caçamba num ângulo de descarga de 45º. Caso seja usado um ângulo diferente de 45º, deverá ser especificado.
Alcance – distância horizontal entre o ponto mais avançado da máquina (inclusive pneus ou chassis) e o ponto mais traseiro da borda cortante da caçamba, com o pino de articulação (inferior) na altura máxima e a caçamba numa inclinação de 45º. Caso se use outro ângulo, deverá ser especificado.
Ângulo de descarga – ângulo máximo que a parte plana do fundo da caçamba irá girar abaixo da horizontal, com o pino de articulação da caçamba na altura máxima.
Recuo máximo no solo – ângulo máximo de inclinação do fundo da caçamba para trás, partindo da posição sobre o solo.
Posição de transporte – distância vertical entre o solo e a linha de centro do pino de articulação da caçamba, num ângulo de aproximação de 15º.
Recuo máximo na posição de transporte – ângulo máximo entre a horizontal e o fundo da caçamba na posição totalmente recuada, com o braço na posição de transporte.
Recuo máximo na altura máxima – ângulo entre a horizontal e o fundo da caçamba, com o braço na elevação máxima.
Profundidade de escavação – distância vertical entre o solo e a parte inferior da borda cortante da caçamba, na posição mais baixa em que a borda permaneça na horizontal.
Largura da caçamba – largura externa máxima da caçamba especificada.
Altura livre sobre o solo – distância vertical entre o solo e o ponto mais baixo do equipamento situado entre os pneus, com a caçamba elevada.
Distância entre eixos – distância horizontal entre o centro da roda traseira e o centro da roda dianteira. Dado para comparação de estabilidade.
Comprimento total – distância horizontal com a caçamba nivelada e apoiada no solo.
Altura do pino de articulação – Distância vertical entre o pino inferior de articulação da caçamba e o solo, com a caçamba na elevação máxima.
Altura total com a caçamba totalmente levantada – Distância vertical entre o solo e o ponto mais alto possível para a caçamba, com o pino de articulação na altura máxima.
Bitola – Distância entre as linhas verticais de centro dos pneus de cada lado. Juntamente com a distância entre eixos, define a estabilidade real do equipamento.
Largura por fora dos pneus – distância entre as bordas externas dos pneus de cada lado. Parece não ser importante, mas se a largura dos pneus for maior que a da caçamba, o desgaste dos pneus dianteiros será acelerado.
Capacidade da caçamba
Existem duas formas de definição da capacidade nominal:
Coroada SAE: quantidade de material que cabe na caçamba, considerando um ângulo de repouso de 2:1. Normalmente, esse valor é indicado como sendo a capacidade nominal básica.
Rasa SAE: volume contido pela superfície interna da caçamba e um plano que passa através da largura da mesma.
A norma SAE J742 especifica que a adição de proteções contra derramamento, para proteção contra queda de materiais que possam ferir o operador, não deve fazer parte da medição da capacidade nominal. Caçambas com bordas cortantes de formato irregular (em V) terão o plano de definição da capacidade rasa situado a 1/3 da distância de sua parte saliente.
Carga de tombamento
Peso mínimo aplicado no centro de gravidade da capacidade nominal SAE na caçamba, que faça a máquina girar até uma posição em que as rodas traseiras saiam do solo, nas seguintes condições:
Caçamba totalmente inclinada para trás
Centro de gravidade da carga na posição mais avançada do arco AB
Máquina com o peso de operação e os implementos e acessórios indicados nas folhas de especificação do fabricante.
A carga de tombamento será, portanto, a mínima necessária para fazer com que as rodas traseiras deixem o solo, com a carga na posição de alcance máximo. Normalmente, essa carga é testada em duas posições: com a articulação alinhada e no ângulo máximo, pois nessa posição, o peso da máquina está deslocado para um dos lados e a distância entre eixos fica reduzida, colocando a máquina em sua posição menos estável.
Uma fórmula simples de cálculo da carga aproximada de tombamento é o resultado da carga sobre o eixo traseiro multiplicada pela distância entre eixos e dividida pelo momento.
Para fins de explicação, consideraremos uma carregadeira com distância entre eixos de 2540 mm e momento (distância entre o centro de eixo dianteiro e o centro de gravidade da caçamba) de 2540 mm. A carga no eixo traseiro é de 4530 kg; consequentemente, a carga de tombamento em linha reta é de 4530 kg. Quando a articulação estiver num ângulo de 35º, a distância entre eixos passa para 2311 mm e a carga de tombamento será de (4530 kg x 2311 mm)/2540 mm = 4121 kg.
Força de desagregação
De acordo com a SAE, “Força de Desagregação” é a força máxima para cima (F1) exercida a 100 mm atrás da extremidade da borda cortante da caçamba, girando no ponto de pivotamento indicado. É definida pela capacidade de elevar ou girar a caçamba nas seguintes condições:
Equipamento estacionado em uma superfície firme e nivelada, com a transmissão em neutro.
Todos os freios liberados.
Equipamento com o peso operacional padrão;
Traseira livre (não pode estar impedida de subir ou descer)
Parte inferior da borda cortante paralela e a uma distância máxima de 25 mm acima ou abaixo do nível do solo.
Em carregadeiras de rodas, deve-se bloquear o eixo dianteiro para evitar que ocorram mudanças na posição dos pinos devido á deflexão dos pneus.
Se o circuito utilizado causar elevação da traseira da máquina, o valor da força necessária para elevar a traseira retirando-a do solo será igual à força de desagregação.
Quando se usar caçambas que não tenham a borda reta, deve-se considerar como extremidade da borda cortante o ponto mais dianteiro da mesma.
A definição da SAE permite diversas variações e formas de medição. As mais comuns são as forças de desagregação da caçamba e do braço de elevação.
Para medir a força de desagregação da caçamba, seu pino de articulação deverá estar bloqueado e será usado como ponto de alavanca (fulcro). A máquina deverá estar com o peso operacional e a força será medida 100 mm atrás do ponto mais avançado da borda cortante. De acordo com a SAE, a força de desagregação da caçamba será a carga necessária para retirar do solo a traseira da máquina ou acionar o alívio do circuito hidráulico de inclinação da caçamba.
Para o cálculo da força de desagregação do braço de elevação, o ponto de alavanca será o eixo dianteiro, que deverá estar bloqueado para evitar a deflexão. A força de desagregação será a carga necessária para elevar a traseira da máquina, tirando-a do contato com o solo, ou acionar o alívio do sistema hidráulico.
Nessa situação, os pneus dianteiros têm tendência a escorregar até que o operador acione a alavanca de elevação, o que por sua vez coloca a carga no eixo dianteiro (F6)
A SAE não recomenda a publicação específica da força de desagregação do braço ou da caçamba. Normalmente, o valor mais alto é a força de desagregação da caçamba, devido à configuração das articulações e ao tamanho do cilindro de inclinação.
Capacidade do sistema hidráulico
A capacidade de elevação do sistema hidráulico é a carga máxima que pode ser aplicada no centro de gravidade de uma caçamba com a carga nominal SAE, que possa ser elevada a uma altura específica (ou até a altura máxima) e ser posicionada de modo a manter a carga máxima, com o equipamento com o peso operacional e estacionado em superfície firme e nivelada, com a traseira presa (sem possibilidade de subir ou descer). Corresponde, portanto, à carga máxima que a carregadeira pode elevar a uma determinada altura, com a traseira da máquina presa.
É importante entender que a capacidade de elevação do sistema hidráulico é completamente diferente da capacidade nominal da carregadeira. A capacidade de elevação, que pode ser medida durante todo o ciclo de elevação, e pode ser lançada em um gráfico, irá variar de acordo com as características das articulações e as dimensões do cilindro. Um exemplo dessa aplicação são as curvas de carga das carregadeiras.
A SAE não especifica um material padrão, mas pode-se considerar 1361 kg/m³ como um valor comum de peso específico para medição da capacidade operacional de uma carregadeira de rodas. Assim, uma carregadeira de pneus equipada com caçamba de 5,4 m³ terá uma capacidade operacional de: 1361 kg/m³ x 5,4 m³ = 9526 kg.
De acordo com a SAE, a capacidade operacional não pode ser superior a 50% da carga de tombamento.
Então, essa carregadeira com capacidade operacional de 9526 kg e uma carga de tombamento de 22953 kg com a articulação máxima, terá capacidade operacional abaixo de 50% da carga de tombamento (9526 kg/22953 kg = 42%). Se estivesse acima de 50% dessa carga, a capacidade operacional precisaria ser reduzida.
Força de tração
A força de tração é a força disponível nas rodas. Numa carregadeira, é importante para o carregamento da caçamba e para a locomoção. A força de tração usada para carregar a caçamba é chamada, normalmente, de força de escavação (F3), que corresponde ao esforço para penetração com a caçamba em uma pilha de material ou no local de escavação.
A força de desagregação é a força máxima que pode ser mantida de baixo para cima num ponto situado a 100 mm para trás da extremidade da borda cortante. É definida pela capacidade de elevar ou inclinar a caçamba em torno de um ponto especificado, nas seguintes condições:
Transmissão em neutro
Todos os freios liberados.
Unidade com o peso operacional e a traseira livre (não presa ao solo)
Parte inferior da borda cortante paralela e a uma distância máxima de 25 mm acima ou abaixo do nível do solo.
Quando for usado o circuito de inclinação da caçamba, o ponto especificado de giro deverá ser o pino de articulação da caçamba, e a unidade deverá ser calçada nesse ponto, de modo a reduzir a movimentação do braço.
Quando for usado o circuito de elevação, o ponto especificado de giro deverá ser o ponto de articulação do braço de elevação. O eixo dianteiro deverá ser bloqueado para eliminar a mudança de posição dos pinos devida á deflexão dos pneus.
Se os dois circuitos forem usados simultaneamente, deve-se especificar o ponto principal de giro.
Se o circuito usado causar a elevação da traseira da máquina até que saia do solo, a força vertical necessária para elevar a traseira será a força de desagregação.
Para caçambas de formato irregular, a extremidade da borda cortante referida anteriormente deverá corresponder ao ponto mais avançado.
Na medição da capacidade de escavação de uma carregadeira, é preciso levar em consideração outras forças, além da força de desagregação. O conjunto coordenado de forças de escavação, conforme citado anteriormente, compreende:
Força de escavação – força horizontal causada pela rotação da roda, fazendo com que a caçamba penetre na pilha de material.
Força de desagregação do braço – definida anteriormente
Força de desagregação da caçamba – definida anteriormente
Todas essas forças atuam simultaneamente quando a máquina está em operação. Embora a força de desagregação seja importante, ela é apenas um dos fatores que afetam o desempenho da máquina como um todo.
Há quatro fatores inerentes de resistência que limitam a força e velocidade máximas de uma pá carregadeira:
Atritos internos (atrito nos rolamentos, perdas de potência nas engrenagens, arrasto do freio)
Penetração no solo (usa-se normalmente, 2% de resistência para cada 25 mm de penetração)
Resistência ao rolamento (resistência ao movimento da máquina dentro de uma condição específica de trabalho, expressa como uma porcentagem da capacidade de tração). Corresponde, normalmente, a 2% do peso total do equipamento.
Resistência de rampa, medida como porcentagem, dividindo-se a altura pela distância (uma elevação de 5 m num percurso de 100 m corresponde a uma resistência de rampa de 5%). Em descidas, ocorre uma assistência de rampa (uma descida de 5 m em 100 m equivale a 5% de assistência de rampa. A máquina deslizará se a assistência de rampa for maior que a resistência ao rolamento.
(*) Norwil Veloso é engenheiro mecânico formado pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) e consultor em gestão e manutenção de frotas de equipamentos de construção. Figura entre os primeiros associados da Sobratema, entidade na qual presta consultoria na elaboração de Workshops e na edição da revista M&T.
