Arquitetura de Estruturas

Histórico de Versões

Data	Responsável	Descrição	Versão
7/06/2024	Matheus Caitano	Início do documento	1.0
17/06/2024	Matheus Caitano	Atualização do documento	1.1
22/06/2024	Matheus Caitano	Atualização do documento	1.2
22/06/2024	Renan Girão	Revisão do Documento	1.3
11/07/2024	Renan Girão	Revisão do Documento	1.4

Descrição do Sistema

Arquitetura de Estruturas do Projeto Silo Air

Nesta seção, será apresentada a arquitetura detalhada do projeto Silo Air, abrangendo a descrição do sistema, seus componentes principais e o funcionamento de cada um deles. O objetivo é fornecer uma compreensão abrangente das estruturas envolvidas, destacando como cada componente contribui para o controle eficiente da temperatura e concentração de CO2 no armazenamento de grãos em silos. Serão abordadas as especificações técnicas, materiais utilizados e os princípios operacionais que garantem a eficácia e a segurança do sistema Silo Air.

Figura 1: Silo Air em funcionamento

Silo Air Funcionamento

Figura 2: Vista explodida Silo Air

Vista Explodida

O sistema "Silo Air" é uma solução integrada para o controle de temperatura e CO2 em silos de armazenamento, visando a preservação da qualidade dos grãos. A imagem acima ilustra os principais componentes do sistema, incluindo a Haste Principal, Haste de Sensoriamento, Redução Excêntrica, Tampa, Quadro de Controle, Reservatório de Silo, Estrutura Principal Móvel e Cabeamentos. O funcionamento do sistema baseia-se no monitoramento e controle da temperatura e CO2 dentro do silo. A Haste de Sensoriamento contém sensores de temperatura e concentração de CO2 que enviam dados para a Unidade Controladora. Com base nesses dados, a unidade aciona a resistência e o motor para injetar ar aquecido no silo através da Haste Principal, ajustando continuamente para manter condições ideais de armazenamento. Descrição detalhada de cada componente a seguir.

Haste Principal

Figura 3: Haste Principal mais componentes adjacentes

Haste principal

A Haste Principal é um tubo de aço inoxidável 304 com dimensões de 1"1/4 x 1,2 mm, perfurado ao longo de sua extensão para permitir a saída do ar aquecido. Para facilitar sua inserção no silo, a haste é equipada com uma bucha pontiaguda de poliacetal, um material seguro para a indústria alimentícia, fabricada por torneamento e encaixada na ponta da haste. Estão anexados à Haste Principal a Haste de Sensoriamento, Redução Excêntrica e Tampa, além de seus componentes internos, como o Motor e Resistências.

Haste de Sensoriamento

Figura 4: Haste de Sensoreamento

Haste Sensoriamento

A Haste de Sensoriamento é construída em PVC com diâmetro de 20 mm e abriga os sensores de temperatura e CO2. Possui abertura revestida com uma malha de aço, proveniente de um ralo de pia doméstica, para proteger os sensores de danos durante a inserção no silo e permitir a troca de ar necessária para o monitoramento preciso.

Redução Excêntrica

Figura 5: Redução Excêntrica

Redução Excêntrica

Este componente acomoda o motor e a resistência, direcionando o fluxo de ar gerado para a Haste Principal. Fabricado em PLA por impressão 3D devido ao seu formato complexo, possui um revestimento interno de Neoprene para isolar o calor da resistência, evitando o superaquecimento da estrutura de PLA. Ambos os materiais, PLA e Neoprene, são seguros para aplicações alimentícias.

Tampa

Figura 6: Tampa

Tampa

A tampa é responsável pela entrada de ar no sistema e possui pequenos orifícios para bloquear a entrada de sujeira e detritos. Também fabricada em PLA por impressão 3D, a tampa possui um design complexo que seria difícil de produzir por outros métodos, e é segura para uso em aplicações alimentícias.

Quadro de Controle

Figura 7: Quadro de Controle

Quadro de Controle

O Quadro de Controle é um quadro elétrico comercial com dimensões de 60x40x20 cm, fabricado em chapa de aço carbono com espessura de 1,5 mm. Abriga todos os componentes eletroeletrônicos, protegendo-os contra intempéries e impactos mecânicos.

Suporte da Haste Principal

Figura 8: Suporte da Haste Principal

Suporte Quadro de Controle

O suporte da haste principal tem a função de abrigar a haste quando não está em funcionamento. É fabricado em MDF, com um formato específico para encaixar a haste, recortado por corte CNC para garantir precisão. Este suporte é posicionado na parte superior do quadro de controle.

Reservatório de Silo

Figura 9: Reservatório de Silo

Reservatório de Silo

O reservatório é um recipiente de plástico com capacidade de 50 litros, usado para armazenar os grãos e inserir as hastes principal e de sensoriamento para operação do sistema. Este reservatório serve para demonstrações e testes do projeto, enquanto o sistema completo é projetado para atuar em silos de maior capacidade, como os silo-bags.

Estrutura Principal Móvel

Figura 10: Estrutura Principal Móvel

Estrutura Principal Móvel

A Estrutura Principal Móvel é uma estrutura metálica retangular de 580x270 mm, fabricada em tubo industrial quadrado de 20x20x1,5 mm, aço carbono. Ele acomoda todos os componentes do sistema, proporcionando um conjunto único para facilitar o manuseio e transporte. É equipado com rodas para mobilidade.

Cabeamento

O cabeamento consiste em fios elétricos que conectam a Haste Principal e a Haste de Sensoriamento ao Quadro de Controle, integrando sensores, motor e resistências ao controlador para permitir a operação completa do sistema. A fiação foi organizada com um organizador de fios de 20mm, ideal para a conexão da haste ao Quadro de Controle.

Seleção de materiais utilizados

Na seleção dos materiais para a elaboração deste projeto, diversos fatores foram considerados, visando garantir a eficiência, durabilidade e segurança do equipamento. Além disso, foi considerada a norma ISO 22000 - Controle da Segurança de Alimentos, que ressalta a utilização de materiais seguros que não contaminam o alimento em seu processamento ou estocagem.

Para tornar a seleção de materiais um processo mais técnico e científico, utilizou-se uma matriz de decisão. Uma matriz de decisão é uma ferramenta analítica que permite comparar múltiplas opções baseando-se em diversos critérios ponderados, facilitando a escolha da alternativa mais adequada de acordo com as necessidades específicas do projeto.

Tabela 01: Matriz de decisão seleção de material do haste

	Aço Inox	PVC
Disponibilidade	4	5
Trabalhabilidade	4	5
Resistência à temperatura	5	1
Preço	3	5
Resistência Mecânica	5	3
Total	21	19

Para a haste, optou-se pelo aço Inox, um material conhecido por sua excelente resistência ao calor e alta resistência mecânica. Esta escolha deve-se pela importância de uma estrutura robusta capaz de suportar as exigências do ambiente de trabalho, como a necessidade de perfurar o silo. Em comparação com tubos plásticos, o aço Inox oferece uma resistência mecânica e térmica superior, essencial para garantir a integridade e o desempenho do equipamento. Além disso, tubos plásticos podem ter sua resistência mecânica comprometida quando expostos ao calor, tornando-os inadequados para esta aplicação. Uma propriedade importante do aço Inox é que ele não oxida. A oxidação poderia contaminar o alimento, e isto justifica o uso do aço Inox em detrimento a outros aços.

Tabela 02: Matriz de decisão seleção de material para a casca

	PLA	PVC
Disponibilidade	5	5
Trabalhabilidade	5	1
Resistência à temperatura	3	3
Preço	3	4
Resistência Mecânica	4	4
Total	20	17

Para as partes que abrigarão os componentes elétricos e mecânicos, optamos pela impressão 3D utilizando PLA. Esta decisão foi tomada devido à necessidade de um material que permitisse a criação de designs precisos e complexos. O PLA é conhecido por sua boa resistência ao calor, adequada para as condições de operação do equipamento. Embora o PVC fosse uma opção considerada, sua moldagem representaria um desafio significativo em termos de fabricação e precisão, levando-nos a optar pelo PLA. Além disso, o PLA é composto por elementos naturais, entre eles amido, justificando assim seu uso neste projeto, por não contaminar o alimento.

Não se pode utilizar ABS, apesar de ser um dos materiais mais comuns de impressão 3D, por ocorrer liberação de produtos químicos quando aquecido, podendo contaminar o silo, além de ter uma baixa estabilidade térmica, podendo fissurar devido a dilatação térmica em aquecimento e resfriamento oriundos do funcionamento do secador de silo. Além disto, o ABS tem uma porosidade considerável que faz com que haja uma maior chance de que resíduos de alimentos ou bactérias possam se acumular nas pequenas fissuras do material, tornando mais difícil garantir a limpeza adequada, justificando a escolha do PLA para esta aplicação em detrimento ao ABS.

Em suma, as escolhas dos materiais foram cuidadosamente ponderadas levando em consideração os requisitos específicos do projeto, visando garantir a funcionalidade, durabilidade e segurança, não somente do equipamento, mas principalmente do alimento a ser processado, sem que haja sua degradação ou contaminação.

Análise Estrutural Mediante Esforços Mecânicos de Operação

Nesta seção, será realizada a análise estrutural do projeto Silo Air utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF) no software SolidWorks. A análise estrutural é crucial para garantir que todos os componentes do sistema suportem as cargas e condições operacionais previstas, assegurando a integridade e eficiência do projeto. Serão discutidas as propriedades dos materiais utilizados e os resultados da análise estática, validando a estrutura para sua aplicação em vida de uso.

O estudo nesta seção foca no componente do sistema denominado Estrutura Principal Móvel, cuja função é suportar os esforços decorrentes do peso dos demais componentes. Este componente foi modelado utilizando a ferramenta "Elementos Estruturais" do software SolidWorks, que permite a modelagem com perfis metálicos comerciais. Uma particularidade desta ferramenta é a utilização de uma malha de discretização de elementos de viga, que oferece uma qualidade de malha superior e um número reduzido de nós e elementos, proporcionando resultados precisos com baixo custo computacional.

Figura 11: Condições de Contorno da Análise Estática

Condições de Contorno da Análise Estática

Para a análise estática realizada, foram aplicadas condições de contorno específicas. Foi definida uma "Geometria Móvel", que restringe as translações nos eixos X, Y e Z, permitindo rotações em torno desses eixos, representada pelas setas verdes na imagem acima, nas posições de apoio das rodinhas. Além disso, uma força de 147 N, correspondente ao peso do Quadro de Controle, foi aplicada na área de contato com a Estrutura Principal Móvel, indicada pelas setas roxas. Adicionalmente, uma força de 490 N, referente ao peso do Reservatório de Silo, foi aplicada no ponto de apoio na Estrutura Principal Móvel, representada pelas setas laranjas.

Figura 12: Resultado da Análise Estática

Resultado da Análise Estática

Os resultados da análise estática indicaram uma tensão máxima de 153 MPa. Considerando a tensão de escoamento do aço carbono de 210 MPa, conclui-se que a tensão máxima resultante do carregamento não causa escoamento do material, garantindo assim a integridade estrutural do componente. Além disso, o sistema apresenta um fator de segurança de 1,4, confirmando sua adequação para as condições operacionais previstas.