Guindastes 101 — Leitura da estabilidade através da mecânica da lança e do momento de tombamento

Quando se pensa no desempenho de um guindaste, a primeira coisa que vem à mente é "quantas toneladas ele consegue levantar". Mas, mesmo na mesma máquina, quanto mais a lança é estendida para levantar algo mais distante — ou quanto mais ela é abaixada —, menor se torna a carga que ele pode levantar. A carga nominal de um guindaste não é determinada apenas pela potência do motor ou pela resistência do cabo de aço — ela é definida pela restrição geométrica do "alcance em que a máquina não tombará". A forma como esse alcance sem tombamento é projetado e monitorado é o cerne da engenharia de guindastes.

Um guindaste de torre em serviço

Imagem: Potain K5 50C (Alexandre Prevot, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Não se trata de um modelo específico da Kobelco, Tadano ou Liebherr discutido no texto — trata-se de um guindaste de torre representativo para leitura do layout da lança e do contrapeso.

Diagram 1 · Use the button to switch views

Figura 1 — O raio de trabalho R vai do centro de giro até a carga, enquanto o braço de momento de tombamento vai da linha de tombamento do lado da carga até a carga. Leia a carga nominal na tabela para a configuração atual da lança, estabilizadores e contrapeso como o menor dos limites estruturais e de estabilidade.

0. Resumo de 30 segundos

• Os guindastes se dividem em três categorias principais: guindastes móveis que podem se autopropulsionar como veículos rodoviários (guindastes todo-terreno, Guindastes todo-terreno, guindastes sobre caminhão, etc.), guindastes sobre esteiras que se autopropulsionam e guindastes de torre que são fixados ao solo e não se autopropulsionam. Mesmo sob a lei, "guindaste móvel" e "guindaste" (a categoria de instalação fixa que inclui guindastes de torre) são regulamentados como categorias separadas.
• O produto da carga suspensa W e do raio de trabalho R cria o momento de tombamento M_{tip}=WR. Uma carga só pode ser içada dentro do alcance em que o momento estabilizador M_{stab}, criado pelo peso do veículo e pelo contrapeso, exceda esse valor. A regulamentação japonesa exige que a carga limite de estabilidade seja pelo menos 1,27 vezes a carga nominal.
• Uma tabela de carga nominal (tabela de carga) é uma tabela que lista, para cada combinação de comprimento da lança, ângulo e raio de trabalho, o menor valor entre o definido pelo momento de tombamento e o valor definido pela resistência estrutural da própria lança ou do Mecanismo de içamento.
• O dispositivo de prevenção de sobrecarga (limitador de momento) é um dispositivo de segurança que calcula o momento de tombamento em tempo real a partir de um sensor de carga e do ângulo e comprimento da lança, acionando um alarme ou parando automaticamente a máquina em uma zona de perigo; sua instalação é obrigatória por lei.
• Os guindastes sobre esteiras da Kobelco, os guindastes todo-terreno da Tadano e os guindastes móveis e de torre da Liebherr permitem que você confirme essa mecânica com dados concretos em suas especificações publicadas.

1. Divisão de Guindastes em Três Tipos

O mecanismo de um guindaste e o local de trabalho aplicável variam muito dependendo de "sobre o que ele se desloca".

1. Guindastes móveis: Deslocam-se por vias públicas sobre pneus e trabalham no local da obra. Isso inclui guindastes todo-terreno, robustos em terrenos acidentados e não pavimentados; guindastes todo-terreno, que podem se autopropulsionar mesmo em rodovias expressas; e guindastes sobre caminhão, montados em um chassi de caminhão. Durante o trabalho, os estabilizadores são estendidos para ampliar a área de trabalho. a área de contato com o solo e resistir ao momento de tombamento.
2. Guindastes sobre esteiras: Autopropulsionam-se sobre esteiras. A pressão sobre o solo é baixa, o que os torna adequados para terrenos macios e para a instalação de itens pesados, como fundações de usinas e turbinas eólicas, mas como não podem se autopropulsionar em vias públicas, o transporte requer desmontagem e transporte em reboque. Muitos modelos usam uma lança treliçada (estrutura em treliça), e as máquinas maiores atingem uma carga total nominal na classe de centenas a milhares de toneladas.
3. Guindastes de torre: Montam uma lança em uma estrutura em forma de torre fixada ao solo ou à estrutura do edifício, estendendo-se para cima à medida que o edifício sobe. Como não se autopropulsionam, não são classificados como "guindastes móveis" pela lei; em vez de apenas a capacidade de elevação, o projeto se concentra na capacidade de elevação em cada raio de trabalho, na precisão horizontal da lança e no procedimento de desmontagem e reposicionamento (escalada).

Essas três categorias não são mutuamente exclusivas. Guindastes sobre rodas, por exemplo Por exemplo, se o guindaste se situa em algum ponto entre guindastes móveis e guindastes sobre esteiras, é mais prático focar em "o que ele usa como pivô e como resiste ao momento de tombamento" do que em qual categoria ele se enquadra.

2. Como Ler a Lança e a Tabela de Carga Nominal

A carga nominal de um guindaste é definida para cada combinação de comprimento da lança l_b , ângulo da lança \theta (o ângulo de inclinação em relação à horizontal) e raio de trabalho R (a distância horizontal do centro de giro até a carga suspensa). Uma vez conhecidos o ângulo e o comprimento da lança, o raio de trabalho e a altura da ponta da lança podem ser aproximados como

(onde r_0,h_0 é o deslocamento do centro de giro até a base da lança). Para o mesmo comprimento de lança, quanto maior o ângulo, maior será R; A distância horizontal r_{tip} da linha de tombamento do lado da carga até a própria carga também aumenta, fazendo com que a carga nominal diminua.

Observando uma tabela de carga nominal, na região de raio de trabalho pequeno, a carga é aproximadamente constante (limitada pela resistência estrutural ou pela resistência do cabo de aço), enquanto, à medida que o raio aumenta, ela se desloca para uma região onde a carga diminui aproximadamente como 1/R. O primeiro é chamado de "limite de resistência" e o segundo de "limite de momento (limite de estabilidade)". A razão pela qual a carga nominal muda sempre que o operador altera o raio de trabalho é que o menor desses dois limites é sempre o aplicado. Alterações na configuração — como adicionar uma extensão da lança, elevar uma lança auxiliar ou estreitar a abertura dos estabilizadores — afetam ambos os limites. É por isso que a tabela de carga nominal é elaborada como uma tabela separada para cada combinação de configuração da lança, abertura dos estabilizadores e ângulo da lança.

3. Momento de Tombamento e Momento Estabilizador

Um guindaste tomba quando, Em torno do eixo formado pela linha que conecta os pontos de contato dos estabilizadores com o solo (a linha de tombamento), o momento do lado da carga excede o momento do lado do veículo. O raio de trabalho R é medido a partir do centro de giro, mas o braço de alavanca para tombamento, r_{tip}, é a distância horizontal da linha de tombamento do lado da carga até a carga. Em estática simplificada, a carga suspensa W produz, portanto,

Em contrapartida, o momento estabilizador criado pelo próprio peso do veículo W_{body} e pelo contrapeso W_{cw}, considerando suas distâncias d_{body}, d_{cw} até o fulcro de tombamento, é

A condição mínima para não tombar é M_{stab} \ge M_{tip}, mas a operação real incorpora uma margem de segurança. No teste de estabilidade baseado nas normas estruturais japonesas para guindastes móveis, a máquina não deve tombar mesmo ao levantar uma carga equivalente a 1,27 vezes a carga nominal nas condições mais desfavoráveis — o que corresponde a uma regra que define a relação mínima entre a carga limite de estabilidade e a carga nominal em 1,27. Esse fator de segurança leva em consideração fatores dinâmicos como alongamento do cabo de aço, vento, irregularidades do solo e oscilação da carga.

O guindaste todo-terreno GR-1000EX-4 da Tadano adota um mecanismo de "Contrapeso Inteligente" que permite reposicionar o contrapeso. A empresa afirma que isso melhora o desempenho de estabilidade em até aproximadamente 22% em comparação com o modelo anterior. Em termos de cálculo, esse projeto ganha M_{stab} ao considerar uma distância maior do contrapeso até o fulcro de tombamento (d_{cw}), o que significa que a tabela de carga nominal pode ser elevada. mesmo com a mesma massa de contrapeso.

4. Força de Reação dos Estabilizadores e Pressão no Solo

As quatro reações individuais dos estabilizadores não podem ser determinadas unicamente apenas pelo equilíbrio: a rigidez da estrutura, do macaco e do solo, bem como as condições de contato, são importantes. Considere apenas um modelo idealizado de duas linhas de apoio em uma direção. Para um espaçamento L entre as linhas de apoio e uma carga vertical combinada W localizada a x do apoio esquerdo, o equilíbrio de força estática e momento resulta em:

As premissas são: 0≤x≤L, carga vertical, corpo rígido e ambas as linhas de apoio em contato. Estas são as reações totais nas linhas de apoio, não as cargas individuais do macaco. Mover a carga em direção ao lado de tombamento descarrega o apoio oposto em direção a zero. Uma margem de momento estabilizador não é a reação máxima do macaco carregado. A configuração real utiliza dados de reação e tabelas de carga do fabricante, juntamente com as condições da plataforma e do solo. Dados de reação da Tadano.

5. O Dispositivo de Prevenção de Sobrecarga (Momento) Limitador de momento)

O limitador de momento é um dispositivo que, utilizando uma célula de carga que detecta a tensão do cabo de içamento e sensores para o ângulo e comprimento de inclinação da lança, calcula a margem entre o momento de tombamento em tempo real e a carga nominal. À medida que se aproxima da zona de perigo, emite um alarme intermitente e, se houver risco de a carga nominal ser excedida, interrompe automaticamente as operações em direção perigosa, como inclinação, extensão ou içamento da lança. No Japão, as revisões das normas estruturais para guindastes móveis tornaram obrigatória a instalação de um dispositivo de prevenção de sobrecarga, além de um indicador de carga.

Simplificando a lei de controle, compara o momento de carga real M_{load}=W_{sensed}R(\theta,l_b) com o momento nominal M_{rated} para a configuração atual da lança, resultando em um limite de dois estágios:

Essa é a mesma ideia do controle de máquina de uma escavadeira hidráulica que restringe os comandos das válvulas para não exceder a superfície de projeto — um projeto que conecta o resultado de um Cálculo do modelo mecânico diretamente para um limite operacional de segurança.

6. A gama de guindastes disponíveis nos produtos atuais

Um ponto importante a observar ao comparar tabelas é que a "capacidade máxima de elevação" é, na maioria dos casos, um único valor próximo ao raio mínimo de trabalho, e a carga nominal sob as condições reais do local (raio de trabalho necessário, configuração da lança, abertura dos estabilizadores) é quase sempre menor. A seleção do modelo deve confirmar a célula aplicável da tabela de carga nominal no raio de trabalho e na altura de elevação realmente necessários no local — e não apenas o valor máximo único.

7. Resumo: Um Guindaste É Ambos "Uma Máquina de Força" e "Uma Máquina de Geometria"

A capacidade de um guindaste não pode ser descrita apenas pela força hidráulica ou do cabo de aço. A premissa básica da elevação é que o momento de tombamento criado pelo ângulo da lança e pelo raio de trabalho deve ser continuamente superado pelo momento estabilizador criado pelo peso do veículo, contrapeso e abertura dos estabilizadores. A tabela de carga nominal, o dispositivo de prevenção de sobrecarga e as placas de apoio dos estabilizadores são ferramentas que tornam uma única desigualdade — M_{stab}\ge M_{tip} (multiplicada por um fator de segurança) — concreta para cada condição de obra. Criar o hábito de ler não apenas a capacidade máxima de elevação do catálogo, mas também o raio de trabalho e a configuração da lança nos quais esse valor se aplica, é o primeiro passo para selecionar e operar um guindaste com segurança.

Referências

• Kobelco Construction Machinery — Especificações principais do guindaste sobre esteiras SL16000J
• Kobelco Construction Machinery — Especificações principais do guindaste sobre esteiras 7200G
• Tadano — Anúncio de novo guindaste todo-terreno para mercados internacionais (GR-1000EX-4)
• Liebherr — Guindaste móvel LTM 1120-4.1
• Liebherr — Guindastes de torre EC-B com topo plano
• [Ministério da Saúde, Trabalho e Bem-Estar — Estrutural Normas para dispositivos de prevenção de sobrecarga em guindastes e guindastes móveis
• Ministério da Saúde, Trabalho e Bem-Estar — Revisão das normas estruturais de guindastes móveis (instalação obrigatória de dispositivos de prevenção de sobrecarga)