Fabricao de prottipo miniatura de Tunnel Boring Machine, construo de bancada de escavao e anlise de esforos e fatores de segurana.

Fabricao de prottipo miniatura de Tunnel Boring Machine, construo de bancada de escavao e clculo de esforos e fatores de segurana.

Autor: Cesar Affonso de Pinho PinheiroOrientador: Prof. Dr. Jos Geraldo Telles RibeiroData da defesa: 01/12/2016

PROJETO DE GRADUAO Engenharia Mecnica

Boa tarde, vamos dar incio apresentao do meu proj. de fim de curso que : LER NOME DO PROJETO

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Construo de um prottipo miniatura de uma mquina tuneladora Tunnel Boring Machine (TBM)O Projeto

2

O projeto se divide em 4 partes.A primeira a construo de um prottipo miniatura de um TBM, que a mquina tuneladora carinhosamente apelidada de Tatuzo.2

Fabricao de uma bancada de escavao.O Projeto

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A segunda parte a fabricao de uma bancada de escavao, aonde o TBM posto a escavar.3

Escavao com TBM em simulao de modo EPB.O Projeto

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A terceira fase compreende a escavao propriamente dita, que envolve a regulao de alguns parmetros para simular uma situao real.4

O ProjetoAplicao dos clculos de engenharia para determinar os esforos e coeficientes de segurana aos quais a mquina est submetida durante a escavao.

http://www.facesupport.org/image/image_gallery?uuid=8b6c03c8-ec3b-4297-b21b-1bf1ec7025d8&groupId=40416&t=12599323033965

A quarta e ultima fase, envolve a aplicao de clculos de engenharia para verificar as condies de segurana do projeto, ou seja, determinar os esforos atuantes na mquina durante a escavao.5

Objetivos do projetoObjetivo fsico:Projetar e fabricar um prottipo funcional de TBM.

Objetivo quantitativo: Conseguir a interao entre clculos mecnicos e geotcnicos

Objetivo qualitativo:Regular as velocidades de escavao e avano para simular escavao real.

Objetivo intangvel:Inserir o tema universidade para incentivar a pesquisa e o trabalho na rea.6

Bom, porque eu escolhi esse tema?Primeiro porque eu trabalhei com isso por 3 anosSegundo porque um tema muito novo que trs muita curiosidade e impressionaTerceiro pelo desafio que o mesmo apresenta Quais so os objetivos e motivaes do projeto?LER OS 4 OBJETIVOS

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ContextualizaoA engenharia da escavao, ao longo da histria, vem se mostrando como um dos mais versteis e poderosos ramos da engenharia pesada. Suas tcnicas so utilizadas em uma enorme gama de aplicaes, que vo de pequenos tneis rodovirios a longas linhas de metr e extensas tubulaes adutoras, tais obras trazem grandes benefcios populao, aliviando o inchao da malha de transporte e possibilitando um maior controle dos sistemas de esgoto em cidades grandes, por exemplo.

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Bom, antes de eu comear a falar sobre o projeto, eu resolvi dar uma breve explicao sobre o tema...A eng. de escavao uma das reas mais ricas em tcnicas.Inmeras aplicaes que trazem grandes benefcios, como: Metr e sistemas de esgoto. 7

ContextualizaoUm dos aspectos marcantes da engenharia da escavao a necessidade de uma perfeita interao entre distintas reas tecnolgicas, pois devido alta complexidade desses projetos, torna-se indispensvel, em muitas das vezes, a presena de profissionais como:Engenheiros mecnicosEngenheiros civisEngenheiros eletricistasEngenheiros de detonaoGelogosEspecialistas em logsticaEspecialistas em instrumentao e controleEspecialistas em equipamentos prprios de escavao (TBMs, Jumbos, etc.)

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Uma das caractersticas que fazem da engenharia da escavao um ramo to especial a necessidade de uma perfeita interao entre especialistas das mais distintas reas.LER ALGUMAS

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ContextualizaoDentre os principais mtodos utilizados mundialmente em obras de escavao, destaca-se a escavao com Tunnel Boring Machines (TBM).

http://www.metrolinha4.com.br/wp-content/uploads/2013/01/tatuz%C3%A3o_inteiro.jpgTBM9

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Contextualizao - TBMEscavar com TBM pode ser considerado o mtodo mais eficiente existente at hoje, pois consegue produzir tneis de altssima qualidade em velocidades que ultrapassam em muito os outros mtodos, sem falar na alta aplicabilidade do mtodo, que se adapta a praticamente qualquer condio de escavao.

TBMs baseiam-se em uma tcnica desenvolvida em 1825 por Marc Brunel em Londres, que utiliza um escudo para proteger os trabalhadores e mquinas do material ao redor da escavao, enquanto os mesmos trabalham no mecanismo de sustentao do tnel.Contudo, para escavaes em rocha s, no h a necessidade de uso de escudo de escavao.https://en.wikipedia.org/wiki/Thames_Tunnel10

Mtodo mais eficienteAlta qualidadeAlta velocidadeAlta aplicabilidade (praticamente 100%)A escavao com mquinas com escudo uma tcnica que vem sido desenvolvida desde 1825.

PROXIMO: escolha dos tipos de TBM

10

Contextualizao - TBMA parte mais importante de um projeto de escavao com TBM justamente a escolha do tipo de mquina a se utilizar, tendo em vista que uma mquina mal escolhida ou m dimensionada pode dificultar em muito a escavao e at inviabiliz-la.Existem diversos tipos e tamanhos de TBMs, suas diferenas se devem basicamente ao tipo de terreno escavado e aplicao da escavao (que define seu tamanho).Com relao aos diferentes tamanhos, os TBMs podem ter de 0,4m a 17,4m de dimetro e comprimentos que podem ultrapassar 130m.Com relao aos tipos, destacam-se os TBMs EPB, Slurry, Single Shield, Double Shield, Gripper, Partial Face, AVN Pipejack e os VSMs.11

a escolha mais importante, se errar inviabiliza.Existem vrios tipos e tamanhos.FALAR TAMANHOS E LER ALGUNS TIPOS

PROXIMO: Video11

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PROXIMO: Tipos de TBM EPB12

Contextualizao TBM EPBTBM EPB (Earth Pressure Balance)Utilizado para solos de baixa granulometria como areia/argilas. A sigla EPB significa Earth Pressure Balance, ou Balano de Presso de Solo, pois nesse modo de escavao, utiliza-se o prprio material escavado, aprisionado na cmara de escavao, para balancear a presso da frente de escavao.

https://www.herrenknecht.com/en/products/core-products/tunnelling/epb-shield.html13

EXPLICAR A SIGLAExplicar como a presso balanceadaFalar que esse o do projeto

PROXIMO: Miniaturas13

O ProttipoO TBM construdo durante este projeto, foi inspirado pelo TBM utilizado na obra da Linha 4 do Metr do Rio de Janeiro, procurou-se manter o mximo de semelhana possvel, porm, por restries operacionais (tamanho, peso, complexidade e disponibilidade de materiais), usou-se mecanismos diferentes para compor as principais partes do prottipo. Dentre as caractersticas herdadas do TBM da Linha 4 Sul, a principal delas o tipo de TBM escolhido: Um TBM EPB com roda de corte de corte hbrida.

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Agora entramos no projeto propriamente dito.O prottipo foi inspirado no TBM CL4SRestries mecanismos diferentes.EPB com CW hbrida.14

O ProttipoAps a escolha do tipo de TBM, partiu-se para definio do mecanismo e do terreno de escavao, para isto, foram cogitados duas opes: 1) Escavao em Bentonita com retirada por parafuso-sem-fim.

2) Escavao em areia com retirada por suco.

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Vou mostrar um pouco do processo de escolha do modelo do prottipo.A comear pelo mecanismo de escavao e pelo material a ser escavado.Explicar o que Bentonita.

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O ProttipoCom o mtodo de escavao j definido, partiu-se para a definio do mtodo de avano do TBM e, novamente, duas opes foram cogitadas: 1) Avano por conjunto engrenagem + cremalheira.

2) Avano por conjunto parafuso-sem-fim (barra rosqueada) + porca.

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Mecanismo de avano

PROXIMO: Definio das partes do prottipo16

O ProttipoCom os principais mecanismos j definidos, partiu-se para a definio de todas as outras partes do prottipo.

Cmara de escavao (Bulk Head)Eixo da roda de corte2 Motores iguaisBoogies17

Bulk head (Cmara de escavao)Eixo da roda de corte2 MotoresBoogies (explicar)

PROXIMO: Modelo da bancada17

A bancada de escavaoAps a definio de todas as peas e mecanismos do TBM, partiu-se para a definio do modelo da bancada de escavao.

Tanque cbicoChapa de acrlicoChapa bancadaEstrutura de reao

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Tanque de ao e acrlicoChapa bancada

PROXIMO: estrutura de reao18

A bancada de escavao Estrutura de reaoUma das peas mais importantes para uma escavao com TBM a Estrutura de Reao. A estrutura de reao uma estrutura reforada que possui dimenses da ordem do dimetro do TBM e serve de ponto de partida para os primeiros avanos da mquina, quando ainda no existe um nmero de aduelas (anis) instaladas no tnel para garantir resistncia suficiente para o avano.

https://fbcdn-sphotos-g-a.akamaihd.net/hphotos-ak-ash3/914056_213166025522436_484506443_o.jpg19

Explicar o que

PROXIMO: A estrutura de reao do projeto

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A bancada de escavao Estrutura de reaoComo o prottipo no possui instalao de anis de tnel, houve-se a necessidade de implantar uma estrutura de reao permanente, que seria acoplada ao mecanismo de avano da mquina.

A estrutura conta com uma porca hexagonal para que o parafuso-sem-fim possa gerar o avano da mquina durante sua rotao.

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O projeto tem que ter estrutura de reao pq no tem anis.Explicar como funciona a estrutura do projeto.

PROXIMO: Desenho do modelo final20

O modelo final

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Com tudo definido esse foi o modelo final escolhido.

PROXIMO: A fabricao21

A fabricaoO prottipo foi fabricado em uma oficina industrial especializada em manuteno dos discos de corte do TBM da Linha 4 Sul.

Grande parte dos materiais utilizados neste projeto foram fornecidos pela Linha 4 Sul, sendo alguns deles provenientes do prprio TBM S-769 (Utilizado na obra).

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O prottipo foi fabricado em uma oficina especializada em manuteno de discos de corte de TBM.Os materiais foram fornecidos pela CL4S e alguns vieram do TBM.FALAR QUE ESSAS TABELAS SO AS LISTAS DE TUDO QUE FOI UTILIZADO

PROXIMO: Fabricao do Shield

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A fabricao - ShieldTubo Alvenius 8 Galvanizado de costura helicoidal.

Remoo da faixa de encaixe e limpeza do tubo.

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Primeiro, fabricao do ShieldTubo alvenius blablablaCorte da faixa de encaixe e limpeza

PROXIMO: Bulk-head23

A fabricao Bulk HeadCortado da chapa de ao 1020 de 6mm de espessura.

Abertura dos furos do eixo e do bocal de suco.

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LER

PROXIMO: CW

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A fabricao Roda de corteCortado da chapa de ao 1020 de 6mm de espessura.

Foram traados os sulcos da roda para guiar o corte com maarico.

200mm de dimetro.

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Corte, Traado

25

A fabricao Roda de corteAbertura de 24 furos guia.

Foram traados os sulcos da roda para guiar o corte com maarico.

Corte dos sulcos da roda.

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Sulcos

26

A fabricao Roda de corteLimagem dos sulcos da Roda de corte.

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LER

27

A fabricao Roda de corteCriao das ferramentas de corte.

40 semiesferas de 10mm de dimetro.

Simulam os discos de corte e os Rippers.

Possuem somente funo esttica.

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Esferas de solda28

A fabricao Roda de corteAcabamento no torno.

Abertura do furo do eixo.

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Como foi cortado no maarico, no ficou circular.CirculoFuro do eixo

29

A fabricao Roda de corteCorte dos raspadores

58mmx12mmx3mm

Instalao dos 8 raspadores.

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LERFinalizou a CW

PROXIMO: Eixo da CW

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A fabricao Eixo da roda de corteCorte do eixo da roda de corte.

285mm de comprimento

12mm de dimetro31

LER

PROXIMO: Chapa do Back-up31

A fabricao Chapa do Back-upCorte da chapa 395mm x 170mm x 6mm.

Abertura dos furos dos motores e parafusos e cortes laterais.

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Explicar a geometria dela

PROXIMO: Boogies32

A fabricao BoogiesCorte das duas vigas laterais dos Boogies (200m x 36mm x 10mm).

Abertura do furos do eixo dos Boogies.

Corte do eixo dos Boogies (12mm de dimetro x 220mm de comprimento).

33

Explicar

PROXIMO: Acoplamentos 33

A fabricao Acoplamentos dos motoresCorte de duas peas de 50mm de comprimento em um tarugo de 19mm de dimetro.

Abertura dos furos dos eixos no torno mecnico

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Corte do tarugo, furao no tornoExplicar o porque dos dimetros

PROXIMO: Caixa de comando34

A fabricao Caixa de controleNecessidade de controle das velocidades dos motores.

Retificao da corrente eltrica (Motores AOMPI40).

Caixa metlica + chapa de acrlico + 2 Dimmers + Ponte retificadora

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Essa parte muito interessante. a responsvel pela simulao da realidade.Explicar o porque.

PROXIMO: Circuito eltrico35

A fabricao Ligao eltrica

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EXPLICARSo 2 circuitos separados

PROXIMO: Incio da montagem (Shield + Bulk head)36

Montagem do TBM Shield e Bulk HeadSoldagem do Bulk Head no Shield

Afastamento de 15mm por semelhana ao TBM da Linha 4 Sul.

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Agora vamos entrar na parte da montagem do TBMA comear pela juno do Shield com o bulk head pra criar a cmara de escavaoTem o tamanho por semelhana

PROXIMO: CW e eixo37

Montagem do TBM Roda de corte e seu eixoInsero do eixo no furo da roda de corte.

Soldagem circular pelas partes traseira e dianteira da roda.

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Soldagem do eixo na CW

PROXIMO: Shield completo38

Montagem do TBM Shield completoJuno dos conjuntos Shield + Bulk Head e Roda de corte + Eixo da roda.

Nesse passo, no se aplicou nenhum processo de fixao de peas pois o eixo deve estar livre para girar.

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Finalizao do ShieldEncaixe sem solda

PROXIMO: Chapa do back-up39

Montagem do TBM Chapa do Back-upSoldagem da chapa ao Shield.

Altura compatvel com a concentricidade dos eixos dos motores, da roda e do parafuso-sem-fim.

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SoldagemAltura compatvel com a concentricidade dos eixos

PROXIMO: Boogies40

Montagem do TBM BoogiesEncaixe do eixo nas vigas e dos rolamentos no eixo.

Soldagem das vigas na chapa do Back-up.

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Montagem e instalao dos boogiesExplicar

PROXIMO: 41

Montagem do TBM Detalhes finaisFurao dos acoplamentos para passagem dos pinos.

Instalao dos motores e acoplamento do eixo e do parafuso-sem-fim.

Posicionamento da caixa de controle.

Instalao da vlvula e das mangueiras do mecanismo de suco.

Acoplamento do aspirador de p.

FIM DA MONTAGEM DO TBM.

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Com a parte principal do TBM j montada, partimos para os detalhes finaisFalar de cada umAcabou a fabricao do TBM

PROXIMO: Fabricao e montagem da bancada42

Bancada de escavao Chapas de aoCorte das chapas do tanque e da chapa bancada.

43

LER

PROXIMO: Parede direita43

Bancada de escavao Parede direitaSoldagem das alas (Anel de segurana).

Abertura do furo para a entrada do TBM.

44

LER

PROXIMO: Montagem do tanque 44

Bancada de escavao Montagem do tanqueSoldagem das 3 paredes na chapa base.

Corte da chapa de acrlico.

Soldagem das cantoneiras e posicionamento da chapa de acrlico.

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LER

PROXIMO: Chapa bancada45

Bancada de escavao Chapa bancadaCorte e soldagem da chapa bancada ao tanque.

46

LER

PROXIMO: estrutura de reao46

Bancada de escavao Estrutura de reaoCorte da chapa central da estrutura de reao.

Furao para passagem do parafuso-sem-fim.

Soldagem da porca do mecanismo de avano.

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LER

47

Bancada de escavao Estrutura de reaoCorte das chapas triangulares.

Soldagem das 3 chapas da estrutura de reao.

48

LER48

Bancada de escavao Estrutura de reaoSoldagem da estrutura de reao chapa bancada.

49

LER

PROXIMO: instalao do TBM49

Bancada de escavao Instalao do TBMInstalao do TBM.

FABRICAO CONCLUDA.

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LER

PROXIMO: Fase de clculos50

Clculos do projeto Fontes e objetivosClculos:Especficos Estudo sobre TBM (Robert Godinez Colorado School of Mines).Geolgicos Estudo sobre a areia de Ipanema (Felipe Bogossian UFRJ).Mecnicos Livro Projeto de Engenharia Mecnica de Joseph E. Shigley.

Objetivos:Torques da roda de corte.Foras de avano e atrito.Tenses atuantes no projeto.Coeficientes de segurana.51

Agora entramos na parte referente aos clculos de engenharia3 tipos de clculos falar de cada um e das fontesFalar dos objetivos dos clculos

PROXIMO: NI51

Clculos do projeto Percentual de vazios () o percentual de vazios na roda de corte.

= 0,3877

52

Antes de entrarmos nos clculos dos torque...3 grandezas que sero usadas em todas as frmulas desses torques.Ni Explicar

PROXIMO: Mi52

Clculos do projeto Coeficiente de atrito o coeficiente de atrito entre a areia e o ao.

constante em todo o projeto e vale 0.3.

53

Explicar o Mi

PROXIMO: S53

Clculos do projeto Presso efetiva de escavao ( s)A presso efetiva de escavao refere-se ao somatrio das presses de solo que atuam no TBM durante a escavao.

Em uma situao real, levada em considerao a presso exercida pelo lenol fretico, porm no h que se falar nesta neste projeto.

Neste projeto, a presso efetiva de escavao ( s) resultado da soma da presso passiva do solo (EPp), com a presso de arraste (Pat) gerada pelo avano da mquina no solo.

s = EPp + Pat

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Soma das presses durante a escavao.No tem lenolFalar da equao mas no explicar.

PROXIMO: EPp54

Clculos do projeto Clculo de s

http://www.ufjf.br/nugeo/files/2009/11/ms2_unid06.pdf55

Explicar EPp (Vem da literatura bsica de geotecnia)Peso especfico Felipe bogossianH mdia

PROXIMO: Kp e Phi

55

Clculos do projeto Clculo de s

http://www.rc.unesp.br/igce/aplicada/ead/imagens/interacao/anglimite.gif56

Pra achar o Kp, temos que saber o PhiExplicar o PhiCalcular Kp e EPp.

PROXIMO: Presso de atrito56

Clculos do projeto Clculo de s

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Explicar equao da presso e da foraCalcular S

PROXIMO: Torques da literatura

57

Clculos do projeto Torques da literatura

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Com as 3 grandezas...TorquesO estudo define 8...s 5Explicar cada um

PROXIMO: Torques do projeto58

Clculos do projeto Torques do projetoJ que universal no projeto, temos que T1 igual a T3.T5 foi desprezado por oferecer um valor muito pequeno.T2 foi dividido em T2cw e T2eixo.T6 o torque resultante do arraste dos 8 raspadores.Portanto, temos:

TEPB = 2.T1 + T2CW + T2Eixo + T6

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LER

PROXIMO: T1 e T2s59

Clculos do projeto T1, T2CW e T2Eixo

60

Explicar D, d, t e lcam

PROXIMO: T660

Clculos do projeto T6

61

Explicar

PROXIMO:61

Clculos do projeto TEPBT1 = 11,364 N.mT2CW = 3,34 N.mT2Eixo = 0,04 N.mT6 = 1,334 N.m

TEPB = 2.T1 + T2CW + T2Eixo + T6 = 27,443 N.m

62

Explicar

PROXIMO: Torque do motor 162

Clculos do projeto Torque mximo do motor 1 Rotao de trabalho = 20 rpm = 2,1 rad/sPotncia mxima do motor = 100 W

Potncia = Torque x Velocidade angular

Torque mximo do motor 1 = Tmax1 = 47,755 N.m63

Explicar que a velocidade foi fixadaExplicar a conta

PROXIMO: CSm163

Clculos do projeto CS de operao do motor 1 64

Explicar

PROXIMO: Fora da areia e de avano 64

Clculos do projeto Foras da terra e de avanoFora da areia (Fareia) = Presso da terra (EPp) x rea frontal do TBM

Fareia = 722,78 N

Fora de avano (Favano) = Fareia + Fat

Favano = 928 N

65

Explicar o balanoFavano > Fareia + Fat

PROXIMO: Tenses no eixo da CW65

Clculos do projeto Tenses no eixo da CWTenso normal de compresso Tenso cisalhante de toro

66

Explicar tenses no eixo***Falar do erro da Fareia

PROXIMO: CSs das tenses do eixo da CW

66

Clculos do projeto CSs do eixo da CWTenso normal de escoamento do ao SAE 1020 = esc = 210 MPaTenso cisalhante de escoamento do ao SAE 1020 = esc . 0,577 = 121,17 MPa

67

Falar dos limites de escoamento e da relao 0,577

PROXIMO: Flambagem67

Clculos do projeto Flambagem do eixo da CW

68

Explicar que a formula veio do ShigleyFalar do modulo de elasticidade E e do momento de inercia I

68

Clculos do projeto Flambagem do eixo da CW

69

Explicar o CS

PROXIMO: Torque mximo do motor 269

Clculos do projeto Torque mximo do motor 2 Rotao de trabalho = 15 rpm = 1,57 rad/sPotncia mxima do motor = 100 W

Potncia = Torque x Velocidade angular

Torque mximo do motor 2 = Tmax2 = 63,66 N.m70

Explicar igual ao primeiro

PROXIMO: Foras no sem fim

70

Clculos do projeto Foras no parafuso-sem-fimngulo de rosca = = 4,89

71

Explicar que o teta foi medido com geometriaExplicar a composio das forasExplicar o torque.

PROXIMO: CS do motor 271

Clculos do projeto CS de operao do motor 2

72

EXPLICAR

PROXIMO: Tenses no sem fim

72

Clculos do projeto Tenses no parafuso-sem-fimTenso normal de compresso Tenso cisalhante de toro

73

Explicar

PROXIMO: CS das tenses do m2

73

Clculos do projeto CSs do eixo da CWTenso normal de escoamento do ao SAE 1020 = esc = 210 MPaTenso cisalhante de escoamento do ao SAE 1020 = esc . 0,577 = 121,17 MPa

74

Explicar

PROXIMO: CONCLUSES74

Concluses qualitativasResultados bastante satisfatrios.Interao fluida entre os conceitos de Geotecnia e Engenharia Mecnica.Concluso do desafio da complicada fabricao.Todos os mecanismos escolhidos trabalharam perfeitamente durante a escavao.Encontro do ponto timo de escavao.

75

LER

PROXIMO: Concluses Quantitativas75

Concluses quantitativasMecanismo de avano altamente superdimensionado (Menor CS=30).Eixo da CW totalmente salvo de tenses de compresso e flambagem.CS de operao do motor 1, seguro porm baixo (1,74).CS de toro do eixo da CW, seguro porm baixo (1,5).

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LER**Falar da questo do 110V e 220V que comprovou os clculos

PROXIMO: Limitaes do projeto76

Limitaes observadasCapacidade do aspirador.Dimetro interno da vlvula esfera do mecanismo de retirada de material.

77

Explicar

CAB77

OBRIGADO PELA PRESNA DE TODOS!Vamos demonstrao da escavao!

78