Emissão acústica de sistema de movimentação de portas de armários

paper ID: 1308 /p.1

Emissão acústica de sistema de movimentação de portas de armários C. Roman Jra, J. Bonattoa , A.M.C. Grisaa, M.F.O. Nunesb & M. Zenia a

Laboratório de Pesquisa em Química dos Materiais, Universidade de Caxias do Sul (UCS), Rua Francisco Getúlio Vargas 1130, 95070-560 Caxias do Sul, Brasil. b Laboratório de Tecnologia Construtiva, Universidade de Caxias do Sul (UCS), Avenida Frederico Segala 3099, 95010-550 Caxias do Sul, Brasil, [email protected]

RESUMO: O desenvolvimento industrial proporcionou um aumento de vários tipos de ruídos, fatores estes que afetam o meio ambiente e a saúde humana. Na indústria moveleira os sistemas de movimentação das portas de armários e móveis destinados a usuários domésticos utilizam roldanas com banda externa em material polimérico, que deslizam sobre um trilho metálico. Uma das maneiras de controlar e diminuir o ruído é atuando na fonte primária do ruído, utilizando materiais como misturas poliméricas de poliuretano termoplástico (TPU) e poliacetal (POM). O módulo de elasticidade (E) dos polímeros está diretamente ligado com a emissão de ruído em sistemas de rolamento, contendo roda/roldana e trilho. Utilizando materiais com menor E, consegue-se reduzir a emissão de ruído. O POM puro tem o maior módulo de elasticidade, e conforme é aumentado a quantidade de TPU na mistura o módulo de elasticidade diminui. Os ensaios foram realizados conforme norma ECMA-74 adaptada. As medições realizadas nas bandas de 1/3 de oitava entre 100Hz e 3.150Hz, mostraram que as frequências com melhores respostas estão entre 200-1500Hz. A emissão de ruído é menor em roldanas injetadas com as misturas de POM/TPU, do que nas convencionais somente de POM. As misturas com 40 e 60% de TPU apresentaram maior redução na emissão sonora.

KEYWORDS: controle de ruídos, roldanas poliméricas, conforto acústico.

IX Congreso Iberoamericano de Acústica, FIA2014

paper ID: 1308 /p.2

1. INTRODUÇÃO O desenvolvimento industrial desempenha um importante papel no crescimento do setor moveleiro que por um lado gera benefícios, mas por outro, é responsável pelo aumento da poluição sonora, fatores estes que afetam o meio ambiente e a saúde humana. Com relação ao conforto humano e redução dos níveis de ruídos, atualmente há uma grande busca pelo desenvolvimento de materiais compósitos, misturas poliméricas e novas tecnologias que sejam capazes de apresentar melhores propriedades de absorção ou redução na emissão sonora [1]. Com as alternativas de preparação de acessórios e peças para móveis, as rodas, roldanas e rodízios são utilizados em quase todo sistema de movimentação de portas e gavetas, podendo ser metálicas, poliméricas, de madeira ou compostas de dois ou mais materiais. As partes móveis, são compostas por peças mecânicas utilizadas para transferir força e movimento constituído por uma roda e eixo são chamadas de rodízios e roldanas. O contato da roldana com trilho causa emissão ruído pelo contato de rolamento, e desgaste em ambos os elementos pelas tensões de atrito em ambas superfícies [2]. Em sistemas que desejase diminuir a emissão de ruído entre a roldana e o trilho é adicionada uma camada de polímero (banda externa polimérica), que minimiza o ruído provocado no rolamento da roldana [3]. Poucos estudos e metodologias são discutidas na literatura especificamente para a indústria de móveis assim, as metodologias de ensaio para avaliação de emissão de ruído em roldanas para aplicação em móveis são propostas por este trabalho baseadas em estudos realizados em rolamentos e engrenagens para a obtenção e avaliação de suas propriedades. As roldanas utilizadas nestes sistemas geralmente possuem banda externa em polímero de poliacetal (POM), poliuretano termoplástico (TPU), elastômero termoplástico (TPE) e poliamida (PA). Os polímeros são matéria prima utilizada na produção dos móveis e acessórios, tendo a indústria moveleira consumido de 2 a 4 % do total dos polímeros termoplásticos mundialmente produzidos. Os sistemas de movimentação das portas de armários e móveis utilizam roldanas com banda externa em material polimérico. Os polímeros comumente utilizados em bandas de roldanas, por exemplo, são: poliacetal (POM) poliamida (PA); elastômero termoplástico (TPE) e poliuretano termoplástico (TPU) [4]. O poliacetal (POM) é um termoplástico de engenharia, com resistência mecânica e rigidez elevada, aproximando-se de metais não-ferrosos. O POM em suas propriedades mecânicas tem boa resistência ao desgaste e com características auto-lubrificantes sendo assim muito utilizado em bandas de roldanas, engrenagens, anéis de vedação, peças de rotação eletroeletrônicas, automotivas e instrumentos de precisão [5]–[7]. O poliuretano termoplástico (TPU) é um polímero com propriedades de elastômero de alto desempenho a um termoplástico rígido, assim sua utilização é elevada devido as suas propriedades físicas e químicas, como alta resistência a tração, abrasão e resistência ao rasgamento, ao óleo e resistência a solventes e flexibilidade a baixas temperaturas. São utilizados em peças automotivas, rodas, cobertura de cabos elétricos, mangueiras e outros [8]– [10]. Para os diversos tipos de rodas os mecanismos mais importantes de emissão acústica são o ruído de rolamento e o ruído de impacto, este último ocasionado por algum possível defeito na roda ou no trilho. O estado atual da arte fornece técnicas que podem ser utilizadas para reduzir o ruído gerado por rodas e trilhos, devido a uma forte ligação entre os dois. A modificação da geometria da roda, o uso de diferentes materiais com boas propriedades de

IX Congreso Iberoamericano de Acústica, FIA2014

paper ID: 1308 /p.3

amortecimento, ou, a utilização de dispositivos especiais de amortecimento, estratégias diferentes podem ser adotadas [11], [12]. O contato roda/trilho tem sido bastante estudado a fim de reduzir a emissão acústica. As rodas resilientes são apresentadas como uma solução considerando suas melhorias em relação a emissão de som. O elemento resiliente tem efeito significativo sobre a emissão de ruído têm mostrado bons desempenhos na redução de ruído [13]. Rodas resilientes são caracterizadas pela inserção de uma camada de material elastomérico entre o trilho e a roldana. Eles foram inicialmente projetados para evitar ou reduzir a emissão de ruído de rolamento [12], [13]. Em veículos de transporte ferroviário, algumas rodas são desenvolvidas especificamente para a redução dos sons nas altas frequências, acima de 1kHz, em curvas. Rodas com baixa emissão de baixo tem um elemento resiliente, em geral segmento de borracha (uma camada de elastômero) no interior da roda ou o anel de borracha entre o centro da roda e do pneu. Esse tipo de roda é significativamente eficaz na redução de ruídos em altas frequências, porque o material amortece a força de atrito na velocidade mais lenta. Os efeitos de redução sonora com este tipo de roda são: de 4 a 5 dBA para o ruído do corpo do carro; 1 a 2 dBA no ruído interior de um carro motorizado e 3 a 4 dBA do ruído interior de um carro de reboque. Embora a roda com baixa emissão sonora seja eficiente na redução do ruído do rolamento, é necessário um estudo mais aprofundado em outras áreas, como o desgaste da roda, vida útil e custo de manutenção no futuro [14]. Engrenagens feitas de materiais poliméricos são considerados componentes de baixa emissão de ruído, porque possuem módulo de elasticidade baixo, o que os caracteriza como resilientes quando os dentes da engrenagem entram em contato um contra o outro. O aumento ruído gerado entre engrenagens de metal, poliacetal (POM), poli(éterétercetona) (PEEK) e poliamida (PA), está diretamente correlacionado com o aumento de carga sobre as engrenagens. e foi quantificado em relação à intensidade avaliada em dB e a frequência avaliada em Hz. [15] Nozawa et al [16] avaliaram a redução de emissão de ruído de engrenagens de aço e engrenagens de aço revestidas com um filme polimérico de Noryl. Avaliaram a frequência e intensidade de ruído emitido, na faixa de 3000 a 5000Hz e evidenciaram que houve uma redução de 5dB nas engrenagens revestidas com filme polimérico. Briscoe et al [17] estudaram o comportamento quanto a emissão de ruído, no atrito entre uma chapa plana de poli(metilmetacrilato) (PMMA) e uma esfera de aço, utilizando diferentes valores de velocidade de rotação da esfera e a carga de contato. A emissão de ruído foi medida na faixa de 95Hz a 24kHz e o maior nível de emissão de ruído ocorreu na frequência de 4.3kHz. As roldanas, utilizadas para movimentação de portas de armários, produzidas geralmente em poliacetal (POM), que geram ruídos desagradáveis ao ouvido humano. Nesse contexto, o objetivo deste estudo é obter roldanas com baixa emissão de ruído e avaliar as propriedades mecânicas e de emissão de ruído de roldanas confeccionadas com POM, TPU e suas misturas, as quais não deformem com a porta do armário na fase estacionária.

2. MATERIAIS E MÉTODOS Os materiais utilizados nas misturas poliméricas para o desenvolvimento das roldanas foram o poliacetal (POM) R 3000 fornecido pela RadicciGroup, e o poliuretano termoplástico

IX Congreso Iberoamericano de Acústica, FIA2014

paper ID: 1308 /p.4

(TPU) Fortiprene 5126A90 fornecido pela empresa FCC. As misturas de POM e TPU foram alterando as proporções em 40, 60 e 80% m/m, sendo nomeadas como P40, P60 e P80. As misturas poliméricas foram preparadas utilizando uma extrusora dupla rosca cortante, com velocidade de rotação da rosca de 350 rpm, relação comprimento/diâmetro (L/D) = 34. O perfil de temperatura utilizado foi de 170,190,190,195,185,195,195,195,200°C, no laboratório de polímeros da UCS (LPOL). As roldanas de POM, TPU e das misturas POM/TPU, foram injetadas, na injetora convencional marca HIMACO 150/80, com perfil de temperatura 160, 165 e 170ºC. As roldanas passam um processo de usinagem, visando formato perfeitamente cilíndrica após a inserção do rolamento. Para determinar as propriedades mecânicas foi utilizado equipamento universal de ensaios EMIC, modelo DL3000, segundo a norma ASTM D638-10. Foram ensaiados cinco corpos de prova para cada amostra, utilizando-se célula de carga de 2000 kgf, em sala climatizada à temperatura de 23°C e umidade relativa do ar de 50 %, e com velocidade do ensaio de 50mm.min-1 A avaliação da emissão de ruído foi realizada comparativamente entre os tipos de roldanas estudadas, instaladas em um armário com duas portas de correr, com abertura e fechamento da porta contínuos e realizados por um mesmo operador em uma frequência de 4 ciclos por segundo (Figura 1). As roldanas foram produzidas em triplicata e as medições de ruído foram realizadas individualmente para cada porta. Os ensaios foram conduzidos conforme norma internacional ECMA-74/2012, adaptada.

Figura 1: Mecanismo de movimento de portas (a) guarda roupas, (b) sistema de movimentação da porta com trilho e roldanas (b) e (c) roldanas.

As medições de ruído foram realizadas com um analisador sonora Bruel & Kjaer 2270, classe 1, com microfone posicionado a 1,5 metros de altura do piso para medição do ruído aéreo gerado pela abertura e fechamento das portas em 4 pontos (Figura 2). Desta forma, os dados de emissão de ruído foram obtidos pela média de dezoito medições em cada ponto, sendo 3 tipos de roldana, 3 amostras de cada tipo em duas portas separadamente.

IX Congreso Iberoamericano de Acústica, FIA2014

paper ID: 1308 /p.5

Figura 2: Posição do móvel com as roldanas e a posição dos microfones (1, 2, 3, 4).

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados das propriedades mecânicas de resistência à tração, alongamento na ruptura e módulo de elasticidade para o POM, TPU e suas misturas são apresentados na Tabela 1. Tabela 1: Resultado dos ensaios de tração e alongamento na ruptura do POM, TPU e das misturas TPU/POM. Amostras

Ensaio POM

P60

P40

TPU

Módulo de elasticidade (MPa)

971,6 ± 16,4

382,5±9,0

211,6±3,6

34,6±2,7

Resistência a tração (MPa)

60,02±0,73

27,79±0,67 23,71±0,27

22,99±0,13

Alongamento na ruptura (%)

25,44±1,83

116,3±8,4

833,9±48,0

368,1±25,2

O módulo de elasticidade está diretamente ligado com a emissão de ruído em sistemas de rolamento, contendo roda e trilho. Quanto menor o modulo de elasticidade menor é a quantidade de ruído emitida. O POM puro (P100) tem o maior módulo de elasticidade, e conforme é aumentado a quantidade de TPU na mistura o módulo de elasticidade diminui. O aumento da quantidade de TPU na mistura há um aumento no alongamento na ruptura do material e uma diminuição na resistência a tração. Isto está relacionado com a baixa cristalinidade do TPU. A Figura 3 ilustra os resultados de emissão das roldanas por frequências. Fazendo uma avaliação de todos os pontos com frequência entre 100 Hz e 3.150Hz a emissão de ruído é menor em roldanas injetadas com as misturas de poliacetal com TPU (mistura POM/TPU). As quatro posições do microfone foram identificadas como posição 01, 02, 03 e 04.

IX Congreso Iberoamericano de Acústica, FIA2014

paper ID: 1308 /p.6

Esta diminuição é visualizada com maior nitidez nas frequências entre 250 e 700 Hz. Avaliando os resultados das posições individuais na Figura 3, observa-se que há uma redução de ruído na faixa entre 200-1500 Hz. Com a avaliação individual de cada ponto pode-se concluir que em todos os pontos de medição ocorre uma tendência de roldanas injetas com as misturas poliméricas podem emitir uma quantidade menor de ruído em relação aos injetados em poliacetal puro.

Figura 3: Emissão acústica das roldanas de POM e misturas POM/TPU por frequências e posição do microfone (01, 02, 03, 04).

A partir das análises dos resultados, pode-se afirmar que há uma tendência de redução de emissão acústica nas mesmas frequências e nas mesmas proporções para os diferentes posicionamentos dos microfones no momento da captação do ruído.

IX Congreso Iberoamericano de Acústica, FIA2014

paper ID: 1308 /p.7

Figura 4: Emissão acústica das roldanas de POM e misturas POM0TPU em cada posição do microfone

A mistura de POM e TPU, com 40 e 60% de TPU (m/m) (P40 e P60) apresentaram uma redução significativa na emissão ruído. A utilização de material com menor módulo de elasticidade auxiliou na redução da emissão acústica, conforme estudo realizados em engrenagens [18].

4. CONCLUSÕES Com a mistura de POM e TPU, foi obtida uma redução de ruído nas faixas de 2001500 Hz. Comparativamente ao POM, as misturas com 40 e 60% de TPU apresentaram uma redução significativa na emissão ruído.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1]

J. Zhao, X.-M. Wang, J. M. Chang, Y. Yao, and Q. Cui, “Sound insulation property of wood– waste tire rubber composite,” Compos. Sci. Technol., vol. 70, no. 14, pp. 2033–2038, Nov. 2010.

[2]

P. S. Semprebone, “Desgastes em trilhos ferroviários - um estudo teórico,” Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2006.

[3]

L. R. P. Console, “Análise de comportamento dinâmico lateral de um veiculo ferroviário,” USP, São Paulo, 2007.

[4]

M. Biron, “The plastics industry: economic overview,” in Thermoplastics and themoplastics composites, Oxford, 2007, pp. 33–153.

[5]

D. Wieslaw, “The effect of some elastomers on the structure and mechanical properties of polyoxymethylene,” Mater. Charact., vol. 46, pp. 131–135, 2001.

[6]

J. Chen, Y. Cao, and H. Li, “An investigation on wear mechanism of POM/LLDPE blends,” J. Appl. Polym. Sci., vol. 101, no. 1, pp. 48–53, Jul. 2006.

IX Congreso Iberoamericano de Acústica, FIA2014

paper ID: 1308 /p.8

[7]

K. Kawaguchi and Y. Tajima, “Interfacial Reaction and Its Influence on Phase Morphology and Impact Properties of Modified-Polyacetal / Thermoplastic Polyurethane Blends,” J. Appl. Polym. Sci., vol. 100, no. 6, pp. 4375–4382, Jun. 2006.

[8]

K. Palanivelu, S. Balakrishnan, and P. Rengasamy, “Thermoplastic polyurethane toughened polyacetal blends,” Polym. Test., vol. 19, no. 1, pp. 75–83, Feb. 2000.

[9]

B. Suresha, “Friction and Dry Slide Wear of Short Glass Fiber Reinforced Thermoplastic Polyurethane Composites,” J. Reinf. Plast. Compos., vol. 29, no. 7, pp. 1055–1061, Nov. 2008.

[10]

Y. a. El-Shekeil, S. M. Sapuan, K. Abdan, and E. S. Zainudin, “Influence of fiber content on the mechanical and thermal properties of Kenaf fiber reinforced thermoplastic polyurethane composites,” Mater. Des., vol. 40, pp. 299–303, Sep. 2012.

[11]

N. Vincent, “Rolling Noise Control At Source: State-of-the-Art Survey,” J. Sound Vib., vol. 231, no. 3, pp. 865–876, Mar. 2000.

[12]

A. Cigada, S. Manzoni, and M. Vanali, “Vibro-acoustic characterization of railway wheels,” Appl. Acoust., vol. 69, no. 6, pp. 530–545, Jun. 2008.

[13]

P. Bouvet, N. Vincent, A. Coblentz, and F. Demilly, “Optimization of Resilient Wheels for Rolling Noise Control,” J. Sound Vib., vol. 231, no. 3, pp. 765–777, Mar. 2000.

[14]

D. . Koo, J. . Kim, W. . Yoo, and T. . Park, “An experimental study of the effect of low-noise wheels in reducing noise and vibration,” Transp. Res. Part D Transp. Environ., vol. 7, no. 6, pp. 429–439, Nov. 2002.

[15]

T. J. Hoskins, K. D. Dearn, S. N. Kukureka, and D. Walton, “Acoustic noise from polymer gears – A tribological investigation,” Mater. Des., vol. 32, no. 6, pp. 3509–3515, Jun. 2011.

[16]

J. Nozawa, T. Komoto, T. Kawai, and H. Kumehara, “Tribological properties of polymersheet-adhered metal hybrid gear,” Wear, vol. 266, no. 9–10, pp. 893–897, Apr. 2009.

[17]

B. J. Briscoe, A. Chateauminois, J. Chiu, and S. Vickery, “Acoustic noise emission in a model PMMA/steel fretting contact,” Tribol. Res., vol. 39, pp. 673–681, 2001.

[18]

K. D. Dearn, T. J. Hoskins, D. G. Petrov, S. C. Reynolds, and R. Banks, “Applications of dry film lubricants for polymer gears,” Wear, vol. 298–299, pp. 99–108, Feb. 2013.