Num equipamento de grandes dimensões como um transformador de potência, é necessário perceber até que ponto o aperto dos pernos roscados confere um aperto uniforme à chapa magnética que compõe a culaça do núcleo. O binário de aperto exercido nos pernos roscados, numa situação ideal, deveria resultar numa pressão uniformemente distribuída ao longo da culaça. Contudo, o material da travessa não deverá ser considerado como rígido e portanto, a pressão poderá não ser uniforme quando for exercido o binário de aperto, quer no circuito magnético real quer no protótipo.
Assim, por forma a analisar este aspeto no protótipo em estudo, a Efacec Energia S.A. disponibilizou ao Laboratório de Ensaio de Materiais da Universidade do Minho uma tela na qual é possível observar os pontos de aplicação da pressão. Esta tela, modelo SPF-C-ER [25], possuí uma gama
de pressões de 6.3 a 98.4 kg/cm2. Como se pode observar na Figura 3.9, em cada embalagem adquirida
são fornecidos dois rolos diferentes: um composto por uma tela de microcápsulas de pigmento (
Transfer
Sheet
) e outro denominado rolo revelador (Developer Sheet
) no qual irá ser depositado o pigmento do primeiro. Na montagem que se pretende analisar estas duas faces devem ser colocadas em contato.Depois de aplicada a força pretendida, obtêm-se resultados semelhantes aos da Figura 3.10 e Figura 3.11.
Figura 3.10 - Exemplo da pressão aplicada na junta da cabeça de um motor.
Figura 3.11 - Exemplo da pressão aplicada por um pneu.
Obtidas estas imagens, é possível proceder à identificação da gama de pressões presente, sendo que para isso se deverá proceder como presente na Figura 3.12. Neste tipo de material, a cor que a tela reveladora admite, depois de pressionada, tem significado próprio. A execução deste passo pode ser realizada manualmente com recurso ao gráfico de correlação de cor presente na embalagem ou recorrendo a uma digitalização e posterior quantificação com um sistema ótico.
Figura 3.12 - Procedimento de interpretação das cores na tela.
No capítulo 5.2.3 encontra-se presente uma amostra dos resultados da tela colocada no protótipo aquando do processo de montagem para os ensaios da primeira série.
3.5 Coeficiente de ligação
O coeficiente de ligação, no âmbito do trabalho desenvolvido na presente dissertação, define-se como o valor do escorregamento entre as chapas magnéticas no seu conjunto. A força exercida pela máquina de tração provoca um deslocamento entre as chapas magnéticas, que se encontram sobrepostas em cerca de 6 milímetros na denominada zona de ligação, demonstrada em detalhe no capítulo 4 - Projeto do Protótipo.
A força de tração, desenvolvida pela máquina, terá de ser capaz de vencer a força de compressão provocada pela aplicação do binário no conjunto de pernos roscados. Foi definido, em conjunto com a Efacec Energia S.A. que, o controlo do coeficiente de ligação do protótipo seria executado quando qualquer um dos comparadores atingisse um valor de 0.2 milímetros.
A determinação do coeficiente de ligação passa pelo quociente entre a força de tração da máquina, no momento em que for atingido em algum comparador o valor de 0.2 milímetros de deslocamento, e a força teórica de compressão sem correções, derivada do binário de aperto aplicado, como pode ser vista na expressão ( 3-6 ). Nesta equação poderia ser utilizada a força efetiva, isto é, a força teórica após as correções, contudo, por forma a ir ao encontro do que foi definido em conjunto com a empresa manteve- se a utilização da força teórica sem as suas correções.
4. . =5-ç7 ! 1-7çã55-ç7 1!ó-47 ( 3-6 )
No capítulo 6, poderão ser observados os gráficos desenvolvidos que demonstram a relação entre o coeficiente de ligação aqui explicado e o binário de aperto dos pernos.
4 PROJETO DO PROTÓTIPO
Como qualquer experiência em que se pretende obter resultados o mais próximo possível da realidade, é necessário que o projeto seja efetuado de maneira o mais rigorosa possível. Neste capítulo, serão abordados todos os aspetos que foram executados quer antes de produzir o protótipo bem como depois de já se encontrar produzido quando se encontraram problemas técnicos. Serão abordados os cálculos e as simulações efetuadas por forma a garantir que os componentes estivessem dimensionados de forma correta, não colocando em causa o comportamento do protótipo e a segurança das pessoas envolvidas na execução dos ensaios.
4.1 Protótipo inicial
Na Figura 4.1 encontra-se aquela que foi a ideia inicial do protótipo a efetuar. Com o decorrer do projeto, este foi sofrendo várias alterações por forma a aproximar-se o mais possível do núcleo do transformador real. Como seria de esperar, dada a sua simetria, não iria ser ensaiado o núcleo completo, apenas a metade do mesmo por forma a poupar quer recursos quer esforços, aquando da colocação na máquina para o ensaio do mesmo.
Figura 4.1 - Ideia inicial do protótipo.
Esta ideia inicial apresenta vários problemas que começaram logo a ser corrigidos tais como:
• Furação inferior diferente da permitida pela máquina da Efacec;
• Inexistência de meios para colocação do protótipo na máquina de ensaio;
• Inexistência da perna central do núcleo;
• Base inferior não representativa da realidade.
Na Figura 4.2 encontra-se aquele que é o modelo do circuito magnético do transformador e são visíveis as diferenças entre o protótipo inicial definido para ensaio e o real.
Figura 4.2 - Modelo do circuito magnético real.
O protótipo inicial tem como dimensões:
• Comprimento: 900mm
• Largura: 700mm
• Espessura: 100 mm
O modelo real tem como dimensões:
• Comprimento: 2400 mm
• Largura: 2315 mm
• Espessura: 364 mm
Estas dimensões, quer do protótipo inicial, quer do modelo tridimensional do circuito magnético real, dizem respeito apenas às dimensões da chapa magnética. Como se verá no subcapítulo 4.2, todos os problemas aqui citados foram corrigidos e foram acrescentadas as melhorias necessárias por forma a garantir uma maior semelhança entre o protótipo e o modelo real.
4.2 Protótipo Final
Com todas as alterações já efetuadas, obteve-se o protótipo visível na Figura 4.3. Neste já se encontram presentes todas as alterações que foram descritas como falhas da ideia inicial presente na Figura 4.1, bem como as melhorias que foram necessárias fazer por forma a aproximar mais o protótipo do modelo real. Desta forma, o protótipo encontra-se assim pronto para ensaio.
Figura 4.3 - Protótipo Final.
A massa dos componentes do protótipo encontra-se presente na Tabela 4.1, sendo que o conjunto admite uma massa total de aproximadamente 485.8 kg, sem a chapa magnética. Só pela massa dos componentes percebe-se que colocar o protótipo na máquina de ensaio não foi de todo uma tarefa fácil.
Tabela 4.1 - Massa dos componentes.
Componente Massa (kg)
1 Argolas Suporte (x2) 23
2 Chapa Estrutural Superior (x2) 89,5
3 Chapa Estrutural Inferior (x2) 63,5
4 Reforços Flexão Lateral (x4) 19
5 Reforços Flexão Central (x2) 17
6 Reforços Culaça (x4) 0,4
7 Veios (x4) 3
8 Pernos M24 (x6) 1,1
9 Pernos M12 (x12) 0,3
Total 485,8
A chapa magnética confere um aumento de massa significativo ao protótipo, sendo o cálculo desta obtido pela equação ( 4-1 ).
;7<<7 = += × ><? × @7ç5 ( 4-1 )
A área de chapa utilizada para este cálculo é a área fornecida pelo
softwareAutocad
e a espessuraé o valor que se pretender para o ensaio. Como massa volúmica foi assumido o valor de 7,8 g/cm3 e
como valor para a área foi obtido através do
AutoCad
o valor de 652 000 mm2. Com estes valores erecorrendo à equação ( 4-1 ), para uma espessura total da chapa magnética de 100 mm foi determinada uma massa de chapa magnética de aproximadamente 510 kg. No total, entre todos os componentes do protótipo e a chapa magnética, o protótipo completo apresentava uma massa de 995,8 kg.
À exceção dos veios e dos reforços da culaça, todos os restantes componentes enviados para produção foram produzidos em Aço S275, cujas propriedades se encontram na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 - Propriedades Aço S275.
Propriedade Valor
Módulo de elasticidade 210000 N/mm2
Densidade 7800 kg/m3
O protótipo final tem como cotas de atravancamento as que se encontram presentes na Figura 4.4, encontrando-se estas em milímetros. A chapa magnética presente no núcleo é de largura 200 milímetros sendo que tem as dimensões presentes na Figura 4.5.
Figura 4.4 - Cotas de atravancamento do Protótipo Final.
Figura 4.5 - Dimensões da chapa magnética.
Em relação com o núcleo real, o protótipo encontra-se reduzido em aproximadamente 40% das dimensões gerais, sendo estas dimensões relacionadas com a chapa magnética pois é esta que, no modelo real garante o comprimento e a largura absolutos.
4.2.1 Área de Atrito
A área de atrito da chapa magnética do núcleo pode ser determinada quer analiticamente quer
com recurso ao
softwareAutoCad
. Na Figura 4.6 apresenta-se um esquema ilustrativo das superfíciesde atrito, provocada pela sobreposição de 6 chapas magnéticas com 6 milímetros de sobreposição, identificada pela letra
t
.Figura 4.6 - Ilustração das superfícies de atrito (a roxo).
Analiticamente, o cálculo da área de atrito é desenvolvido através da decomposição da superfície de atrito em formas geométricas conhecidas. Na Figura 4.7 observa-se a decomposição efetuada para as pernas laterais do circuito magnético.
Na Figura 4.8 observa-se a decomposição efetuada para o cálculo da área da perna central do circuito magnético do protótipo.
Figura 4.8 - Identificação da área de atrito da perna central.
Na Figura 4.7 e Figura 4.8, as incógnitas dizem respeito a:
• Tat: espessura total da sobreposição das 6 chapas magnéticas;
• Hat: comprimento de chapa magnética na zona de atrito;
• Gat: comprimento de chapa magnética na zona de atrito;
• Eat: dimensão calculada através de relações trigonométricas com a dimensão T.
A dimensão Hat é proveniente do triângulo retângulo com catetos iguais à largura da chapa
magnética, a dimensão Gat é proveniente do triângulo retângulo com catetos iguais a metade da largura
da chapa. A área de atrito em cada conjunto de 6 chapas, tanto na perna central como nas laterais, é igual a duas vezes a área das zonas representadas na Figura 4.7 e na Figura 4.8. O cálculo da área de atrito em cada conjunto de 6 chapas nas duas pernas laterais é o correspondente à equação ( 4-2 ) e da perna central é o correspondente à equação ( 4-3 ):
Á-!7B= 2 × 2 × CDE 1 × 1F > × >G) ≈ 32136 KK# ( 4-2 )
Esta área deverá ser multiplicada pelo número aproximado de conjuntos de 6 chapas presentes no circuito magnético. Assim, admitindo que cada chapa magnética tem uma espessura de 0.27 milímetros e que o circuito magnético do protótipo tem uma espessura de 100 milímetros, pela equação ( 4-4 ) tem-se uma área de atrito total do protótipo de:
Á-!7 7-5 =0.27 × 6 × 32136 16968 ≈ 3044448 KK100 # ( 4-4 )
Recorrendo ao
softwareAutoCad
, obtém-se uma área de atrito total de aproximadamente 3044924mm2, apresentando um erro inferior a 1% entre o resultado analítico e o resultado obtido no
AutoCad
. Nocaso do circuito magnético real, o cálculo da área de atrito deverá ter em conta as diferentes dimensões da chapa magnética (os degraus).