O guindaste de torre é um equipamento comum usado na construção de edifícios. Neste artigo veremos um modelo desta máquina construído a partir de um kit Lego NXT.
Mauro Viana
Nota: Artigo publicado na revista Eletrônica Total 148 de 2011
O guindaste de torre é um bom exemplo de um equipamento baseado em construção modular. Ele é amplamente utilizado na construção civil para transporte de cargas dentro do pátio de obras e para o topo das estruturas dos edifícios em construção.
Modelos de equipamentos pesados são interessantes para entender como estes equipamentos funcionam. Alguns fabricantes oferecem treinamentos para operadores com modelos reduzi- dos que reproduzem o comportamento dos equipamentos reais. Esta é uma opção segura de preparar operadores sem correr o risco de danificar equipamentos caros ou correr o risco de acidentes que podem custar vidas.
Guindaste de Torre
Uma característica interessante deste tipo de guindaste é a sua modularidade. Ele é transportado em partes e montado no local da construção. Normalmente, um caminhão- guindaste é usado para apoiar a montagem. Os principais componentes deste guindaste são:
• Torre: Composta por vigas metálicas em treliça, ela é fixada na vertical através de uma fundação profunda firme no solo. A altura da torre pode variar, dependendo da necessidade.
• Braço do guindaste: O braço é formado pelo braço frontal, onde a carga será pendurada, e pelo braço traseiro, que é mais curto, onde são posicionados os contrapesos. A cabine do operador costuma ser posicionada logo abaixo do braço.
• Contrapesos: São blocos de concreto posicionados na parte traseira do braço para compensar o peso da carga, reduzindo o estresse de deflexão na torre.
• Carro e guincho: O carro corre ao longo do braço frontal e nele está pendurado um moitão com o gancho que erguerá as cargas. A área de atuação do guindaste é um círculo em torno da torre de raio igual à extensão do braço frontal. A capacidade de carga varia com relação à distância da mesma com relação a torre.
O Modelo
Nosso modelo reproduz um guindaste de torre utilizando um único kit Lego NXT e alguns materiais adicionais. A torre é composta por 4 fileiras de vigas lisas formando uma torre de perfil próxima a um quadrado. Como não temos uma fundação, foi construída uma base larga posicionadas sobre 4 pneus para garantir maior aderência base. O controlador NXT e um dos motores foram posicionados nesta base para aumentar o peso e garantir uma maior estabilidade.
No topo da torre foi fixada uma peça chamada mesa giratória. Esta peça é constituída por duas metades que giram, funcionando como um rolamento.
No topo da mesa giratória é fixado o braço horizontal. Ele é constituída por 2 pares de vigas de Lego conectadas em linha. Na parte traseira é posicionado um segundo motor na horizontal e os contrapesos. Logo acima da mesa giratória é posicionado um terceiro motor na vertical, alinhado com a torre.
Devido ao comprimento do braço, é necessário usar um cabo de sustentação para o mesmo. Este cabo passa do extremo do braço frontal para o topo da torre central e depois para o ponto de apoio dos contrapesos.
O braço frontal funciona como um trilho, onde é posicionado o carro do guincho que desliza ao longo do mesmo. Neste modelo, este carro não tem rodas. São usadas vigas lisas que deslizam sobre as vigas do braço. Pendurado no carro está um moitão com um gancho, utilizado para erguer as cargas.
Funcionamento
O guindaste tem 3 movimentos: giro do braço, deslizamento do carro e içamento do gancho.
O giro do braço ocorre através do giro da mesa giratória. Isto é feito acionando o motor da base. Este motor aciona uma transmissão formada por uma rosca sem fim e uma engrenagem de 16 dentes (redução 16:1). A transmissão aciona um eixo fixado na parte exterior da torre, que gira uma engrenagem de 8 dentes. Como a mesa giratória tem 56 dentes, a redução total é de 1/112 (1/16 x 8/56). Esta redução é necessária para um movimento suave e preciso.
O içamento é feito pelo motor no topo da torre, que aciona um carretel que libera ou recolhe o cabo do gancho. Este cabo passa por uma roldana formando um moitão no gancho, O deslocamento vertical do gancho é a metade do comprimento de fio enrolado no carretel.
O deslocamento horizontal do carro é feito pelo motor traseiro. Este motor aciona dois carretéis, um do lado esquerdo e outro do lado direito. O fio de controle do carro é enrolado nestes carretéis de forma que, ao girar o motor, ele desenrola de um carretel em quanto é enrolado no outro. Este fio de controle sai de um carretel, passa pelo carro, onde é fixado por um nó, vai até o extremo do braço frontal e volta para o segundo carretel. Desta forma, ao acionarmos o motor, o carro é deslocado.
Como o motor que controla o içamento está localizado na torre, ao deslizarmos o carro precisamos também acionar o motor de içamento, caso contrário o comprimento do cabo de içamento varia e a carga desce à medida que o carro se aproximada da torre.
Controle e Programação
O controle dos motores é feito através de um único sensor de toque, usado como botão. A cada momento, apenas um dos 3 movimentos está ativo. Ao pressionar o botão por um tempo, o movimento é acionado. Ao clicar o botão (pressionar e soltar rapidamente), o sentido do movimento é alterado e um aviso sonoro notifica a mudança. Ao dar um clique duplo, o movimento é trocado na ordem: giro, içamento e deslizamento.
Desta forma, com a combinação de cliques, cliques duplos e pressionamento do botão é possível controlar todos os movimentos do guindaste.
Montagem
O material utilizado para a construção desse kit foi o seguinte:
• Kit Lego NXT
• Fio elástico de 2 metros: empregado como cabo de sustentação
• Linha de costura de poliéster preta: usado para cabo de controle do carro e cabo de içamento.
• Pesos: qualquer peso à disposição. Chumbadas de pesca podem servir bem.
Torre
A torre é composta por 4 fileiras de vigas lisas. Cada fileira é constituída por vigas de tamanho 11, 12 e 13, respectivamente, cada uma delas formando uma seção de 4 vigas do mesmo tamanho. Cada seção se conecta à seguinte através de conectores formados por 2 vigas em L 3x5 e rebites de tamanho 3. Com duas conexões deste tipo a torre é formada. (Figura 1)
Acoplados às vigas temos 2 suportes para o eixo de controle de rotação. Estes suportes são compostos por uma viga de tamanho 3 e um conector e se conectam às vigas principais com rebites de tamanho 3. (Figura 2)
Na parte inferior da torre foram adicionadas 2 vigas de tamanho 5 entre as vigas principais na vertical. A conexão entre elas é feita por 2 vigas de tamanho 3. Este conjunto é fixado por rebites de tamanho 3 e eixos com espaçadores. Adicionando 4 conectores em L, a torre está preparada para se conectar a base. (Figuras 3 e 4)
Base
Para montar a base, a primeira parte é a caixa de redução. Ela é formada por 2 vigas L 2x4, uma viga L3x5 e algumas peças adicionais. Ela possui um eixo de entrada que aciona a rosca sem fim. Esta traciona uma engrenagem de 16 dentes, ligada ao eixo de saída. As 2 engrenagens adicionais, na verdade, estão ligadas por rebites de tamanho 2 e funcionam como um extensor de eixo. (Figuras 5 e 6)
Usando-se 3 eixos conectados por extensores e passando pelos suportes da torre, basta encaixar a caixa de transmissão na parte inferior do eixo. No extremo superior do eixo é posicionado um espaçador de 1⁄2 largura e uma engrenagem de 8 dentes, que irá acionar a mesa giratória. (Figura 7)
O passo seguinte é encaixar o motor da base no eixo de entrada da caixa de transmissão. O NXT se encaixa no lado oposto da torre, usando uma viga de tamanho 5 e rebites. (Figuras 8 e 9)
Em seguida são montadas 2 estruturas de apoio. A primeira é formada por uma viga em J, uma viga em L 2x4, e vigas lisas de tamanho 3 e 9 conforme a figura 10. Esta se encaixa abaixo da caixa de transmissão, do NXT e da torre (conector L).
A segunda estrutura de apoio é formada por uma viga J e 5 vigas lidas (1 de tamanho 9 e 4 de tamanho 3). Ela se encaixa abaixo do NXT, do motor e da torre (conector L). Foi adicionado um conector na base do motor para este encaixe. (Figura 11 e 12)
Para terminar a base, é montada a estrutura principal. Ela é formada por um par de vigas de tamanho 15 posicionadas sobre pneus, conectados às vigas com eixos. Estes eixos tem uma "cabeça" na ponta, funcionando como um prego. Este par de vigas é unido por uma estrutura formada por 2 vigas em J, 2 viga de tamanho 3 e uma viga de tamanho 7. (Figura 13)
Para finalizar, esta estrutura é encaixada na base da torre nos conectores em L acrescentados inicialmente. Os apoios do motor e do NXT não se encaixam na estrutura principal, mas ficam apoiados sobre os pneus sem folga, o que mantém a estabilidade da base. (Figura 14)
Braço
Para fixar a mesa giratória no topo da torre são usados 4 pinos de conexão pretos, que se encaixam na parte inferior (cinza). Antes de conectar a mesa, é importante passar os 2 fios dos motores (os mais compridos) por dentro da mesa e da torre. Uma viga de tamanho 3 com rebites pode ser utilizado para manter o fio dentro da torre, escondendo o mesmo. (Figura 15)
O braço é formado por 2 pares de fileiras de vigas. Cada fileira é composta por 1 viga de tamanho 9, uma de 11 e duas de 15. A conexão destas vigas é feito usando-se outras vigas menores. Foram empregadas 2 vigas de tamanho 7,3 de 9 e uma de 11 para esta função. Os tamanhos variados são devido a disponibilidade do kit. (Figura 16)
Na extremidade posterior do braço é fixada uma viga em L 2x4, que mantém as duas fileiras unidas e servirá de apoio para o cabo de sustentação e para o cabo de controle do carro. (Figura 17)
Outra viga em L 2x4 é posicionada em pé nos furos 7 e 8 contando a partir de trás para servir de apoio para o motor vertical. O motor traseiro é fixado de forma horizontal na parte traseira do braço.
O motor vertical é fixado na viga em L utilizando-se 2 vigas lisas de tamanho 7. Duas vigas de tamanho 5 são conectadas no topo do motor vertical na traseira do motor traseiro para servir de apoio aos cabos de sustentação. (Figura 18)
Antes de conectar a segunda fileira, é preciso passar os 2 fios de controles dos motores entre a viga em Leo motor traseiro. A orientação dos fios deve ser de tal maneira que a conexão dos fios aos motores fique em posição, sem torcer o fio. A posição dos fios é importante para evitar que estes esbarrem nos dentes internos da mesa giratória, pois isto poderia causar danos aos mesmos.
Todo o conjunto é fixado na mesa giratória por meio de 4 pinos de conexão. (Figura 19) Os carretéis são construídos nos 2 motores com eixos espaçadores e engrenagens. Existe um carretel para o motor superior (içamento) e 2 carretéis para o motor traseiro (deslizamento).
Carro e Moitão
Obs.: O tamanho das vigas usadas na torre não é crítico. Os tamanhos sugeridos respeitam a disponibilidade das peças disponíveis num único kit NXT.
O carro é composto por 3 vigas em L 2x4 e um conector conectado por 3 rebites de tamanho 3 e um eixo de tamanho 3. Uma vez que este conjunto se encaixa no vão central do braço, são adicionados um rebite de tamanho 3 e um segundo conector para evitar grandes folgas no deslizamento do carro. (Figura 20)
O gancho com moitão é composto por uma polia, eixos e conectores montando um gancho em formato de J. (Figura 21)
Para finalizar, basta ligar os fios dos motores ao NXT, assim como o fio do sensor de toque. Os motores A, B e C são os de giro, içamento e deslizamento, respectivamente. O sensor de toque é a porta 1.
Os contrapesos devem ser posicionados abaixo do motor traseiro. O peso deve ser experimentado, com base na tensão observada na viga e no peso de carga a ser erguida.
Programa
O programa foi feito na linguagem gráfica do kit, NXT-G. Basicamente, o programa usa 2 variáveis com o estado do motor (movimento 1, 2 ou 3) e sentido corrente (verdadeiro ou falso). A lógica é a seguinte:
• Espera o botão ser pressionado.
• Se for, esperar um tempo para descartar se é clique. Aí, executa o movimento com base nas variáveis de motor e sentido até o botão ser solto.
• Se o botão foi solto, espere um tempo para ver se é um clique. Se for, muda a variável de sentido.
• Se o botão foi pressionado de novo, espere para ver se é um clique duplo. Se for, muda a variável de movimento.
Análise do modelo e sugestões
Este modelo funciona com suavidade e boa precisão. Com o controle manual é possível, inclusive, "pescar cargas" sem a necessidade de posicionar os ganchos manualmente nas mesmas. Porém, alguns pontos são passíveis de melhoria.
O movimento de giro apresenta uma certa oscilação. Isto se deve ao fato do atrito na mesa giratória e do longo eixo ao longo da torre, o que pode ser reduzido posicionando-se o motor de controle de giro próximo ao topo da torre. Neste modelo, isto não foi feito para manter a sua estética.
O deslizamento do carro apresenta tensão excessiva ou folgas no cabo de controle. O motivo é que o diâmetro dos carretéis não é constante. Quanto mais fio enrolado, maior o diâmetro. Isto faz com que os 2 carretéis não enrolem e desenrolem na mesma velocidade. Este efeito pode ser reduzido usando- se um carretel de maior diâmetro ou simplesmente enrolando-se mais fio. A variação vai continuar existindo, mas será bem menor relativamente.
O cabo de apoio foi posicionado no extremo do braço frontal. Nos guindas- tes reais, ele é posicionado em um ponto intermediário, o que é mais eficiente.
O tamanho do modelo foi limitado pela disponibilidade de peças de um único kit NXT. Utilizando-se peças de outros kits, este guindaste pode ser aumentado em altura ou comprimento. Uma sugestão de expansão seria o kit 8288 (Guindaste Móvel). Além de conter diversas vigas lisas, ele possui várias peças úteis, tais como pesos (usados neste modelo), cabos de sus- tentação, polias e carretéis.
O controle do modelo também poderia ser incrementado. Com uso do próprio kit, os botões do NXT podem ser utilizados para o controle. Neste caso, seria interessante retirar o NXT da base Conclusão para evitar oscilações.
Com um PC e um pouco de programação, é possível operar o teclado e um joystick para controlar o guindaste. Uma terceira opção seria empregar um segundo kit NXT para montar um controle remoto via bluetooth, usando os motores como sensores em alavancas para controle dos movimentos.
Montagem
Vimos neste artigo um modelo de um guindaste de torre totalmente funcional. Ele pode servir como um exercício de montagem de estruturas, assim como um modelo simples de treinamento ou apenas para diversão. A estrutura modular permite a expansão para modelos maiores usando-se kits adicionais.
