Introdução às pás carregadeiras — A mecânica da direção articulada e da articulação da caçamba

Apesar de sua aparência simples — pneus na frente e atrás — a pá carregadeira possui uma filosofia de projeto para giro e escavação que difere da escavadeira hidráulica e do trator de esteiras. A "direção articulada", na qual a parte dianteira e traseira da carroceria se dobram como uma dobradiça, e a "unidade de carregamento", que levanta a caçamba dianteira por meio de um cilindro hidráulico e uma articulação, são o que definem o caráter desta máquina.

Uma pá carregadeira em serviço

Imagem: Volvo Pá carregadeira L90G em um canteiro de obras em Palo Alto (Grendelkhan, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Não se trata da série WA da Komatsu discutida no texto — um exemplo representativo para a leitura da direção articulada e do layout da articulação da caçamba.

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Figura 1 — O tipo de barra em Z utiliza uma alavanca em forma de sino para redirecionar a força e obter grande força de tração. O tipo de articulação paralela mantém o ângulo da caçamba quase constante, mesmo durante o movimento vertical. A seção inferior mostra o ângulo de articulação da direção articulada.

0. Resumo de 30 segundos

• A maioria das pás carregadeiras adota direção articulada, na qual as estruturas dianteira e traseira se dobram ao meio. A extensão e a retração dos cilindros de direção criam o ângulo de articulação, alterando a direção de toda a carroceria.
• A articulação da caçamba apresenta dois tipos: a O tipo de barra Z (link Z), que usa uma alavanca em forma de sino para redirecionar a força, e o tipo de link paralelo, que usa uma articulação paralela de quatro barras para manter o ângulo da caçamba quase constante. Os dois diferem no equilíbrio entre força de escavação, visibilidade e desempenho de transporte nivelado.
• A força de desagregação (a força gerada na borda de corte da caçamba) é a quantidade pela qual o empuxo do cilindro da caçamba é transmitido através do braço de alavanca da articulação, e varia com o ângulo da articulação mesmo com a mesma pressão hidráulica. A norma SAE J732 fornece um vocabulário comum de termos de especificação de carregadeiras para comparar esse tipo de valor.
• A escavadeira hidráulica realiza "escavação e carregamento" em uma única máquina, e o trator de esteiras é uma máquina para "empurrar e nivelar", enquanto a pá carregadeira é otimizada para "escavar, carregar e transportar". As diferenças no raio de trabalho e na pressão sobre o solo também refletem essa divisão de funções.
• A série WA da Komatsu publica a potência do motor, a capacidade da caçamba e a força de desagregação desde a classe mini até a classe média, fornecendo uma base para o modelo. seleção.

1. A Cinemática da Direção Articulada

Em vez de esterçar as rodas dianteiras, muitas pás carregadeiras adotam a direção "articulada", na qual a própria carroceria do veículo se dobra no ponto médio entre as estruturas dianteira e traseira. Um par de cilindros de direção, esquerdo e direito, empurra e puxa uma dobradiça vertical que une as estruturas dianteira e traseira, criando um ângulo de articulação \gamma.

Considerando a como a distância da dobradiça ao eixo dianteiro e b como a distância da dobradiça ao eixo traseiro, um modelo simplificado que assume deslizamento desprezível dos pneus em baixa velocidade (rolamento puro) fornece o raio de giro na posição da dobradiça como aproximadamente

Quanto maior o ângulo de articulação, menor o raio de giro, reduzindo o número de manobras de vaivém necessárias em um local apertado. Por outro lado, quanto maior a sobreposição entre as estruturas dianteira e traseira, maior o Existe uma relação de compromisso entre o raio mínimo de giro e a distância entre eixos. Comparado com veículos com direção nas rodas dianteiras, a relação entre o centro de gravidade do veículo e seu ponto de contato com o solo em uma máquina articulada muda mais facilmente durante uma curva, e uma curva acentuada com a caçamba totalmente carregada de terra aumenta o risco de tombamento ou capotamento. Este é um desafio de projeto de estabilidade específico para pás carregadeiras, distinto da manobrabilidade de uma escavadeira hidráulica ou trator de esteiras.

2. A Articulação da Caçamba: Tipos Barra em Z e Braço Paralelo

Na extremidade do braço de elevação, a caçamba se move para cima/para baixo, recolhe (carrega) e despeja (descarrega) através de um cilindro e uma articulação (braço articulado). Os dois tipos representativos são os seguintes:

Tipo barra em Z (braço em Z): Um braço articulado é posicionado no meio do braço de elevação, redirecionando o movimento do cilindro da caçamba através de um braço em forma de "Z" (ou "kuno-ji") para a caçamba. Como uma grande relação de articulação pode ser usada, este tipo de articulação permite uma maior estabilidade. Isso facilita a obtenção de uma grande força de escavação (torque de escavação) com o mesmo empuxo do cilindro, sendo adequado para trabalhos de escavação com o centro de gravidade elevado. Por outro lado, em posições elevadas do braço de elevação, o ângulo da caçamba tende a mudar, o que complica um pouco a visibilidade e o controle do ângulo de descarga.

Tipo de ligação paralela: Uma ligação auxiliar, paralela ao braço de elevação, suporta a caçamba, e uma articulação de quatro barras mantém o ângulo da caçamba quase constante, mesmo com a variação do ângulo do braço de elevação. Isso é adequado para trabalhos como o carregamento de caminhões, onde a estabilidade de inclinação e a visibilidade em posições elevadas são necessárias. Geralmente, considera-se que esse tipo de escavadeira tem um desempenho inferior ao tipo de barra em Z em termos de força de escavação, e os dois tipos são usados de maneiras diferentes, dependendo da aplicação. Os próprios artigos técnicos da Komatsu também publicam pesquisas sobre a avaliação do desempenho de equipamentos de trabalho com máquinas de ligação paralela.

Em ambos os tipos, o empuxo do cilindro da caçamba F_{cyl}=\Delta p\,A_{cyl} é convertido, por meio da articulação, em torque em torno do eixo de rotação da caçamba. Como o braço de alavanca r_m(\phi) varia com o ângulo da articulação, o torque pode ser alterado. \phi, a força de desagregação gerada na ponta da caçamba depende tanto do empuxo do cilindro quanto da geometria da articulação:

onde r_{edge} é a distância do centro de rotação da caçamba até a aresta de corte. A "força máxima de desagregação" de um catálogo geralmente é um valor medido próximo à posição da caçamba que maximiza essa relação, e a mesma força não é produzida em todas as posições durante o trabalho real.

3. Força de Desagregação e Como Ler as Especificações

A força de desagregação é definida como a força gerada na aresta de corte quando uma carga é aplicada, desde a caçamba enterrada no solo até a pressão de alívio do cilindro. A norma SAE J732 define uniformemente a terminologia de especificação de carregadeiras, fornecendo uma estrutura comum para comparar valores como força de desagregação e capacidade da caçamba entre diferentes fabricantes. No entanto, como o significado de um valor muda com as condições de medição (posição da caçamba, ângulo do braço de elevação e qual cilindro é o principal), Primeiro, é necessário confirmar se os valores de catálogo foram medidos sob as mesmas condições de teste antes de compará-los.

Nas especificações públicas da Komatsu, a força máxima de desagregação da caçamba da WA40-8 é de 29,4–29,9 kN (3000–3050 kgf). Mesmo dentro da mesma série, a força de desagregação aumenta com o tamanho da máquina, devido à combinação do diâmetro do cilindro, da pressão hidráulica e da relação de articulação.

4. Divisão de Funções com a Escavadeira Hidráulica e o Bulldozer

A escavadeira hidráulica e o bulldozer, abordados em outras seções deste site, são voltados principalmente para "cortar e nivelar o solo". A pá carregadeira é otimizada de forma diferente — para "recolher terra, pedra britada ou agregados já existentes e carregá-los em um veículo de transporte ou pilha".

A pá carregadeira opta por pneus porque geralmente se desloca sozinha em vias públicas ou terrenos nivelados dentro do local, é mais rápida do que as esteiras e suas peças de desgaste são mais fáceis de substituir. Por outro lado, é inferior às máquinas de esteiras em tração em terrenos macios ou irregulares e na manobrabilidade em espaços apertados para curvas em contrarotação. No local, uma divisão de trabalho comum é observada, na qual uma escavadeira hidráulica escava e amontoa terra, e Uma pá carregadeira carrega o material em um caminhão basculante.

5. A gama de pás carregadeiras disponíveis nos produtos atuais

A potência e a capacidade da caçamba são aproximadamente proporcionais, mas como a força de desagregação também é afetada pela relação de transmissão e pelo diâmetro do cilindro, a A tendência varia conforme o fabricante e o modelo, mesmo dentro da mesma classe de produção. A seleção do modelo deve levar em consideração não apenas a potência e a capacidade da caçamba, mas também o tipo de articulação (barra em Z ou bielas paralelas) em relação à altura de carregamento necessária e à visibilidade no local.

6. Resumo

O desempenho de uma pá carregadeira não pode ser medido apenas pela potência do motor e pela capacidade da caçamba. A geometria da direção articulada, que dobra a carroceria para facilitar as manobras em espaços reduzidos, e a relação pela qual a articulação converte o empuxo do cilindro em força na lâmina de corte são o que determinam a capacidade de trabalho real. A escolha entre o tipo barra em Z e bielas paralelas é um equilíbrio entre a força de escavação e a estabilidade/visibilidade em altura, e selecionar um modelo com base na compreensão da divisão de funções com a escavadeira hidráulica e o trator de esteiras é o que determina a produtividade geral no local.

Referências

• Suporte ao Cliente Komatsu — Informações do Produto WA100-8
• Suporte ao Cliente Komatsu — Informações do Produto WA30-6E0
• Komatsu — Especificações da Mini Pá Carregadeira WA40-8
• Relatório Técnico Komatsu — Aplicação de DSS ao Desempenho de Equipamentos de Trabalho de Pás Carregadeiras com Eixos Paralelos
• SAE International — J732: Definições de Especificação - Pás Carregadeiras