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4. Equipamentos e Métodos
4.1. Introdução
Após o criterioso dimensionamento da célula cilíndrica e execução da
mesma de acordo com os detalhes previstos, partiu-se para o início dos ensaios
com o propósito de obter uma melhor compreensão dos mecanismos de
movimentação de blocos rochosos à jusante de vertedouros sujeitos a ação de
jatos de diferentes intensidades.
Sendo o equipamento construído nesta dissertação inovador, além de
apresentar inúmeros detalhes, este capítulo tem como intuito principal apresentar
inicialmente os diferentes equipamentos utilizados nos ensaios juntamente com o
sistema de aquisição de dados desenvolvido. Em seguida é apresentada a
metodologia utilizada para execução dos ensaios.
4.2. Equipamentos e Materiais Utilizados no Ensaio
4.2.1. INSTRON Modelo 8501
O estudo e análise das movimentações do bloco cúbico apenas se tornaram
possível devido às características que apresentam a máquina servo controlada da
INSTRON modelo 8501, a qual se encontra no laboratório de Fadiga da PUC -
Rio (Figura 4.1).
A máquina possui uma servo-válvula MOOG modelo D562 com um sinal
de comando de corrente de ±40 mA., e um pistão com capacidade de gerar 100 kN
de força, e que pode se deslocar a partir de uma posição central por ±50 mm.
A INSTRON também possui um LVDT para medir o deslocamento do
pistão, uma célula de carga para medir a força gerada pelo pistão, e um
80 controlador que chega a atingir freqüências da ordem de 50 Hz para um corpo de
prova de aço e um carregamento de amplitude de 25 kN.
Para medir possíveis deformações em corpos de prova, é utilizado um clip
gage. O fluido hidráulico que alimenta a máquina é fornecida por uma bomba
hidráulica à uma pressão de 190 bar.
Figura 4.1 - Máquinas da INSTRON Modelo 8501 (Alva, 2008).
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A INSTRON é de extrema importância nesta pesquisa, pois ela capaz de
controlar a amplitude e freqüência dos ciclos de carregamento, o que na prática é
essencial ao desprendimento de um bloco rochoso fraturado de sua fossa.
Há uma correlação entre a freqüência máxima (Hz) e a carga máxima
(KN) de trabalho da máquina como se pode observar na Figura 4.2. Todavia, após
ensaios iniciais, foi determinado que as freqüências dos testes finais iriam variar
entre 1Hz e 25 Hz, cuja melhor abordagem é dada no capítulo cinco desta
dissertação.
Desempenho da Máquinade Ensaios INSTRON
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70
Força (kN)
Fre
quên
cia
(Hz)
Controle INSTRON comoverdrive (corrente >40mA)
Controle INSTRON comoverdrive (corrente <40mA)
Figura 4.2 - Gráfico de desempenho da INSTRON 8501 (Alva, 2008).
4.2.2. Cilindro Hidráulico
O cilindro utilizado neste trabalho para gerar pressões hidrodinâmicas foi
desenvolvido na dissertação de mestrado da aluna Sueli Aparecida Ferreira no ano
de 1997. Anteriormente, este havia sido construído para ensaios triaxiais de
pressões até 70 MPa com instrumentação interna . Este teve suas medidas
preservadas (250 mm de diâmetro externo e 390 mm de altura) e pesa cerca de
100 Kg (Figura 4.3).
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Segundo Sueli (1997), o cilindro é composto de corpo, base e tampa. Estas
peças foram confeccionadas em aço de baixa liga 4340 temperado e revenido,
atingindo uma resistência ao escoamento Sy após o tratamento térmico cerca de
1215 MPa.
Figura 4.3 - A célula triaxial projetada por Sueli (1997).
O relativo bom estado do equipamento, aliado as boas propriedades
mecânicas, tornou o cilindro hidráulico próprio para o desenvolvimento de
condições de pressão e freqüências desejáveis. Sendo necessário apenas serem
feitas algumas modificações, tais como: os selos especiais para altas vedações da
interface tampa-atuador (Figura 4.4), assim como o êmbolo cilíndrico ou atuador,
que apresentava imperfeições em sua geometria, além de excessiva oxidação.
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Figura 4.4 – Selos antigos de vedação.Na esquerda da figura, pode-se observar os antigos selos usados na vedação. Como se pode perceber estes se encontravam bastantes gastos, o que compromete o trabalho de vedação.
Figura 4.5 – Êmbolos novos e antigos do cilindro hidráulico. Como se pode observar a figura direita apresenta o êmbolo antigo com muitas oxidações, já figura a esquerda apresenta o novo êmbolo.
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A pressão hidrodinâmica é gerada a partir do deslocamento do pistão da
INSTRON, movimentando desta forma o cilindro hidráulico verticalmente, e
conseqüentemente produzindo a penetração do êmbolo no mesmo que está fixo a
parte superior.
O deslocamento necessário do pistão, para que se possa gerar uma
determinada pressão foi determinada analiticamente por formulas de física,
conseqüentemente sendo gerado um gráfico (Deslocamento do êmbolo x Pressão)
o qual pode ser analisado no ultimo capítulo deste trabalho.
Para a utilização da célula triaxial além da modificação do êmbolo e de
selos, utilizou-se os dois orifícios existentes em sua base. Sendo, um destes
utilizado para medição de pressão através de um manômetro, e o outro orifício foi
utilizado para a saída de pressão. Há também um orifício existente na tampa do
cilindro, o qual foi utilizado para purgar o sistema a partir de uma válvula de
retenção, que está acoplada a um reservatório improvisado.
4.2.2.1. Sistema de Fixação do Cilindro Hidráulico
Devido o caráter dinâmico dos ensaios, foi preciso desenvolver um sistema
de fixação, de forma que o cilindro pudesse estar fixo ao pistão da INSTRON
durante as movimentações verticais produzidas nos ensaios, evitando assim
eventuais acidentes além de colocar em risco a integridade da máquina.
Sendo assim, primeiramente, foram confeccionados parafusos de rosca
dupla (Figura 4.6), para a fixação do êmbolo e cilindro hidráulico na máquina
servo controlada.
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Figura 4.6 - Parafusos de rosca dupla utilizados nos ensaios.
Em seguida, foi desenvolvido um ‘’prato de aço’’, (Figura 4.7), que
apresenta um rebaixo de 20 mm e um diâmetro externo de 252 mm, que está fixo
ao pistão da INSTRON através dos parafusos de rosca dupla confeccionados. O
rebaixo produzido tem o objetivo de limitar as movimentações horizontais do
cilindro hidráulico.
Figura 4.7 - Prato de aço desenvolvido para a fixação do cilindro Hidráulico ao pistão da INSTRON.
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Com o objetivo de limitar as movimentações verticais, foram inseridas
quatro hastes de aço nas bordas do prato, estas atravessam duas barras de aço que
por sua vez estão fixas a parte superior do cilindro hidráulico através anilhas e
parafusos como se pode melhor observar na Figura 4.8.
Figura 4.8 - Sistema de fixação do cilindro hidráulico.
4.2.3 Tubulações e Conexões de Altas Pressões
Foram utilizados dois tipos de tubulação para os ensaios. Primeiramente
utilizou-se uma mangueira flexível para altas pressões até 15 MPa (Figura 4.9)
mas devido suas propriedades elásticas (comprovada nos ensaios), ou seja, sua
capacidade de absorve as pressões e conseqüentemente se deformar, optou-se por
trabalhar com uma tubulação rígida de aço capaz de suporta pressões interna de
até 7 MPa (Figura 4.10).
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A tubulação de aço apresentou-se menos deformável quando submetida a
pressões, logo, os deslocamentos gerados para produzir uma pressão
equivalentemente alcançada pela tubulação flexível diminuíram.
Um fator importante que também deve ser levado em conta, relacionado à
utilização da tubulação de aço, se deve ao fato de que quanto menores fossem os
deslocamentos do pistão, menores seriam os problemas relacionados à vedação
das conexões. Além disso, a INSTRON possui maior capacidade em gerar altas
freqüências a partir de pequenos deslocamentos, o que também é relevante ao
estudo.
Outra alternativa utilizada para o ganho de pressão e freqüência dos
ensaios, se deve a utilização de uma válvula de retenção na tampa da célula
cilíndrica. Este acessório tem a função de confinar ou conter uma pressão inicial
desejável no interior da célula. Com isso é possível preencher novamente o
cilindro hidráulico de água, iniciando o teste com uma pressão superior a zero
(Figura 4.11).
Figura 4.9 - Tubulação Flexível.
Figura 4.10 - Tubulação rígida.
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Figura 4.11 - Válvula de retenção utilizada para confinar pressões iniciais.
Com o propósito de eliminar as vibrações resultantes das movimentações
verticais do cilindro hidráulico, foram realizadas curvas na tubulação (‘loops’’). A
eficiência do método pode ser comprovada durante os ensaios, garantindo assim
que os resultados da aceleração do cubo não fossem influenciados pela
movimentação do cilindro (Figura 4.12).
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Figura 4.12 - ’’ Loop’’ realizado na tubulação rígida para absorver as vibrações.
4.2.4. Válvula de alivio de pressão
As válvulas de alívio de pressão são utilizadas para proteger equipamentos
e instalações industriais contra altas pressões de ar, água, vapor, gases, fluidos
viscosos e produtos químicos em geral.
As válvulas encontram ampla aplicação nas indústrias químicas,
petroquímicas, geração e distribuição de vapor, em sistemas de aquecimento e
resfriamento entre outros.
Devido às altas pressões geradas nos ensaios serem relativamente altas, há
enormes riscos à segurança dos equipamentos e do operador. Logo, optou-se que
os ensaios deveriam ser realizados com a válvula de alivio.
A válvula de alivio utilizada nos ensaios, modelo HC73N, e fabricante
Asca, é ideal p ara o uso industrial, e trabalha com fluidos (água) e foi calibrada
para uma pressão de 20 Bar ou 2 MPa. O melhor entendimento da válvula pode
ser observado a partir da Figura 4.13 e Figura 4.14 abaixo.
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4.3. Instrumentação Usada
Durante os ensaios e testes realizados, mediram-se as pressões e
acelerações do cubo a partir de instrumentos, que associados ou não a um sistema
de aquisição de dados desenvolvido permitiram a obtenção de dados importantes
ao estudo do fenômeno erosivo.
A melhor abordagem sobre a instrumentação utilizada é dada nas
subseções abaixo.
Figura 4.13 - Desenho esquemático da válvula de alivio.
Figura 4.14 - Foto da válvula de alivio utilizada nos ensaios.
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4.3.1. Manômetro
A fim de proporcionar um monitoramento mais eficiente do
comportamento da pressão, instalou-se um manômetro na base da célula
cilíndrica. Sendo assim, é possível obter a pressão que é gerada pela penetração do
êmbolo no cilindro hidráulico, bem como as perdas que ocorrem nas tubulações,
conexões e na célula cilíndrica.
A precisão do manômetro foi comprovada após um teste de confinamento
do cilindro hidráulico. Onde este foi posicionado em um dos orifícios da base da
célula, e em outro orifício se posicionou um transmissor de pressão (Figura 4.15).
Desta forma, o manômetro fornecia uma boa indicação da pressão e o
transdutor, de alta resolução, fornecia leituras que permitiam a avaliação precisa
do comportamento da pressão confinante.
Figura 4.15 - Ensaio de verificação do manômetro.
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4.3.2. Transmissor de Pressão com Saída em Volt
Os transmissores de pressão utilizados nos ensaios são do mesmo modelo
(RTP – 420- MR) e fabricante (Rucken), e ambos trabalham na faixa de pressão
entre 0 à 60 Bar, Figura 4.16 e são ideais para uso industrial com alta
concentração de fluidos, além de outras características tais como:
Tabela 3 – Características físicas do transmissor.
• Invólucro: Aço inox AISI 304
• Grau de Proteção: IP-65 (Opcional IP-68)
• Eletrônica: Micro processada
• Precisão: 0,25% F.E. (repetibilidade, histerese,
linearidade) – “Opcional 0,1% F.E.”
• Sinal de saída: Opcional 0-5 Vcc ou 0-10 Vcc
• Alimentação: 15 a 30Vcc
• Conexão: NPT
• Tipo de Sensor: Piezoresistivo
• Temperatura do invólucro: 55ºC (máx)
• Temperatura máxima do sensor: 85 ºC (opcional até 400 ºC)
• Vedações: Anéis o’ring, borracha nitrílica
• Conector: DIN 43650
Figura 4.16 - Esquema e ilustração do transmissor de pressão com saída em volt utilizado nos ensaios.
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Em geral, muitos transmissores são comercializados a partir de uma
calibração requerida pelo fabricante. Entretanto, os utilizados pela pesquisa
passaram por uma calibração no laboratório de pressão e temperatura da PUC –
Rio.
Com isto, foi possível conhecer a voltagem equivalente a um determinado
peso através da curva (Volts versus kgf/cm²), permitindo que os dados de pressão
pudessem ser lidos com a utilização de voltímetros digitais.
Os transmissores de pressão com saída em volt foram posicionados na
tampa da célula (transmissor de pressão 01) e no fundo da base da mesma
(transmissor de pressão 02). Ambos estão interligados com um sistema de
aquisição de dados.
4.3.3. Câmera de Vídeo
Como dito anteriormente a base da célula incorpora uma lente de acrílico,
que permitir a observação dos deslocamentos do cubo através da câmera de vídeo
ilustrada na Figura 4.17. A câmera possui inúmeras características, entre algumas
pode- se citar:
• A capacidade de capturar imagens e vídeos.
• Os vídeos e as imagens podem ser transferidos para o computador por
um micro card ou por um cabo USB.
• Apresenta um cabo flexível com boa iluminação (adequada para a
utilização em ambientes de pouca luz)
• Possui uma tela de vídeo removível, a qual pode estar a 10 metros de
distância da câmera.
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Figura 4.17 - Câmera de vídeo utilizada para a observação dos movimentos produzidos pelo cubo.
4.3.4. Acelerômetro
A segunda lei de Newton resume que a força aplicada em um determinado
corpo é o produto da massa do corpo pela sua aceleração. Partindo deste principio
se baseiam a construções acelerômetros.
Um acelerômetro nada mais é que um instrumento capaz de medir a
aceleração sobre objetos. Ao invés de posicionar diversos dinamômetros
(instrumento para medir a força) em lugares diferentes do objeto, um único
acelerômetro é capaz de calcular qualquer força exercida sobre ele.
O acelerômetro utilizado nos ensaios modelo WiTill V3 (Figura 4.18),
permite enviar os dados de aceleração obtidos para um computador via Bluetooth.
O mesmo passou por testes de leituras visando seu comportamento quando
submetido a deslocamentos cíclicos, e os resultados foram satisfatórios. Um
melhor entendimento deste é dado no capitulo cinco desta dissertação.
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Figura 4.18 - O acelerômetro utilizado nos ensaios.
4.3.5. Sistemas de aquisição de dados (SAD)
Há dois tipos de sistema de aquisição de dados utilizados na pesquisa.
Ambos estão relacionados ao bloco cúbico, sendo que um se refere às medições
de pressões, e o outro trata do conhecimento das acelerações.
Os dados de aceleração do cubo são transmitidos via Bluetooth a um micro
computador, o qual possui um programa que traduz as leituras dos eixos
principais (x, y e z) e de outros dados tais como a bateria (B) e rotação (R) como
se pode observar pela Figura 4.19.
Figura 4.19 - Sistema de aquisição de dados utilizado para a compreensão da movimentação do cubo.
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As pressões que agem na célula cilíndrica são obtidas a partir de um novo
SAD que permite a leitura de até oito sensores de pressão, cujo sistema de
conexão dos transmissores pode ser visualizado na Figura 4.20.
O software desenvolvido permite quatro opções para os parâmetros de
amostragem, cada uma delas caracterizada por uma taxa de amostragem (50, 100,
200 ou 500 Amostras/segundo) e pelo correspondente intervalo de tempo
visualizado em tela (20, 10, 5 ou 2 segundos).
Os dados são então enviados a uma planilha de Excel, sendo representado
na primeira coluna à hora, minuto e segundo de cada ensaio, e as demais colunas
contém os dados dos canais selecionados em VOLTS.
Figura 4.20 - Sistema de conexão dos transmissores de pressão com saída em volt.
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Além dos dois SAD utilizados para aquisição de pressões e acelerações, os
ensaios contam ainda com a presença um computador que possui o sistema de
controle da INSTRON (Figura 4.21).
Figura 4.21 - Sistema de aquisição de dados e de controle da INSTRON 8501.
4.4. O Teste
A proposta do ensaio consiste na pressurização hidrodinâmica da célula
cilíndrica por intermédio da penetração do êmbolo ou atuador em um cilindro
hidráulico de aço. O cilindro hidráulico é fixado ao atuador da máquina da
INSTRON e o êmbolo na parte superior da máquina.
A partir das movimentações verticais do pistão da INSTRON o êmbolo
penetra no cilindro hidráulico que está completo por água. Este deslocamento gera
uma pressão que é conduzida por uma tubulação de alta pressão para o interior da
célula construída.
Para se entender os mecanismos de movimentação do bloco, os ensaios
foram realizados de tal forma que a intensidade e a freqüência das pressões para
interior da célula variassem em cada ensaio, analisando assim sucintamente o
comportamento do bloco cúbico.
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Figura 4.22 – Foto geral do ensaio.
Para os testes finais, além da condição normal do cubo, ou seja, o
mesmo estando posicionado na cavidade sem que houvesse nada embaixo do
mesmo, foram realizados também testes que aumentaram a protrusão do bloco em
relação a superfície interna da base.
O comportamento do bloco cúbico imposto a estas situações pode
ser mais bem entendido nos últimos capítulos deste trabalho.
99 4.4.1. Metodologia do Ensaio
Devido à diversidade dos detalhes existentes no projeto, os ensaios se
tornaram um tanto cuidadosos e demorados. Em conseqüência disso, o
procedimento geral do ensaio necessitou ser elaborado após a execução de ensaios
preliminares, que tinham como o intuito facilitar a montagem do ensaio, diminuir
o tempo de execução deste e verificar o bom funcionamento dos dispositivos e
acessórios que compõe o equipamento.
O procedimento do ensaio consiste em:
1 – Anexar o ‘’prato’’ cilíndrico de aço ao pistão da INSTRON, por intermédio de
um parafuso de rosca dupla.
2 – Posicionar o cilindro hidráulico sobre o prato cilíndrico, através de um
guincho.
3 – Prender o cilíndrico sobre o pistão da máquina através do sistema de fixação.
4 – Elevar o ’’ travessão’’ da INSTRON até certa altura, de forma que o êmbolo
possa ser fixado.
5 – Introduzir o acelerômetro ao interior do cubo, e posicioná-lo de forma que ele
não possa estar solto, o que geraria um erro nos dados de aceleração.
6 – Fechar a tampa do cubo com os parafusos do mesmo, e inserir o cubo na
cavidade da célula com sua marcação voltada para a lente de acrílico.
7 – Anexar os transmissores de pressão com saída em VOLTS na tampa
(transmissor 01) e na base da célula (transmissor 02), bem como o manômetro ao
cilindro
8 – Conectar a célula desenvolvida com o cilindro hidráulico através da tubulação
rígida, válvula de alivio de pressão e conexões.
9 – Preencher o sistema de água.
10 – Fechar e apertar a tampa da célula com as hastes de aço, anilhas e parafusos.
11 – Introduzir o êmbolo no cilindro hidráulico cerca de 7cm ( espessura da
tampa), e garantir a inexistência de ar no sistema.
100 12 – O sistema é fechado, sendo então gerado um deslocamento proporcional a
pressão que se deseja iniciar o ensaio.
13 – Depois de atingida a pressão almejada, é acionada a válvula de retenção de
pressão, a qual acumula uma pressão confinante no interior da célula.
14 – Retira-se o êmbolo do cilindro hidráulico, preenchendo novamente o mesmo
com água.
15 – Libera-se a válvula de retenção, e a partir de uma pressão inicial é gerado
deslocamento do êmbolo para as pressões e freqüências desejadas para cada teste.
16 – A amplitude das pressões, assim com os dados de aceleração do bloco cúbico
são aquisitados.
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