Hidráulica e
Técnicas de
Comando
LIST
A DE FIGURAS
LISTA
1 Introdução à Hidráulica........................................................14
1.1 Lei de Pascal..................................................................................................15
1.2 Princípio de compensação de energia................................................................15
1.3 Vazão...........................................................................................................16
1.4 Coluna de fluido............................................................................................17
1.5 Fluxo lamiar e fluxo turbulento........................................................................18
2 Fatores Resultantes da Pressão num Sistema.......................25
2.1 Carga sobre o atuador: sistema sem vazamento..................................................25
2.2 Carga sobre o atuador: sistema com vazamento..................................................25
2.3 Restrição na tubulação....................................................................................26
4 Composição dos Sistemas Hidráulicos..................................30
4.1 Posição do reservatório em relação à bomba.......................................................30
6 Bombas Hidráulicas.............................................................38
6.1 Bombas hidráulicas: bombas de fluxo radiais ou centrífugas...................................38
6.2 Bombas hidráulicas: bombas de fluxo radiais ou centrífugas...................................38
6.3 Bombas hidráulicas: bombas de fluxo axial..........................................................38
6.4 Bombas de engrenagens.................................................................................38
6.5 Bombas de engrenagens internas......................................................................39
6.6 Bombas de engrenagens espinha de peixe.........................................................39
6.7 Bombas de vazão fixa......................................................................................40
6.8 Bombas de vazão variável com compensação de pressão......................................40
6.9 Bombas de vazão variável com compensação de pressão......................................40
6.10 Bombas de vazão variável com compensação de pressão....................................41
6.11 Bombas de pistões axiais de eixo inclinado ou desalinhado.................................41
6.12 Bombas de pistões radiais..............................................................................41
6.13 Bombas de pistões axiais de placa ou disco inclinado..........................................42
6.14 Bombas em série.........................................................................................42
6.15 Bombas em paralelo.....................................................................................42
6.16 Exemplo de aplicação de bombas de pistões radiais............................................43
7 Válvulas Direcionais.............................................................45
7.1 Válvula carretel..............................................................................................46
7.2 Válvula direcional com êmbolo deslizante..........................................................46
7.3 Válvula direcional com assento esférico.............................................................47
7.4 Sobreposição positiva......................................................................................47
7.5 Sobreposição negativa....................................................................................48
7.6 Esquema de solenóide....................................................................................48
7.7 Válvula de duplo acionamento.........................................................................49
7.8 Válvula direcional 4/3 vias, pré-acionadaspor solenóides, acionada por presão
hidráulica centrada por mola; de piloto e dreno interior..............................................50
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
6
8 Registros..............................................................................51
8.1 Registros: Esfera.............................................................................................51
8.1 Registros: Agulha...........................................................................................51
8.1 Registros: Globo............................................................................................51
8.1 Registros: Gaveta...........................................................................................51
9 Atuadores Lineares..............................................................52
9.1 Componentes do cilindro................................................................................52
9.2 Amortecimento: Recuando ainda sem amortecimento........................................53
9.3 Amortecimento: Amortecendo........................................................................53
9.4 Anéis tipo “copo”..........................................................................................54
9.5 Anéis tipo O..................................................................................................54
9.6 Anéis tipo lábio de dupla ação..........................................................................54
10 Atuadores Rotativos..........................................................55
10.1 Comparação entre uma bomba e um motor de engrenagem..............................55
10.2 Pinhão cremadeira.......................................................................................56
10.3 Motores oscilantes ou osciladores...................................................................56
10.4 Osciladores com cilindro...............................................................................57
10.5 Osciladores com rosca sem-fim......................................................................57
10.6 Osciladores de palheta..................................................................................57
11 Válvula de Bloqueio............................................................58
11.1 Válvula de retenção simples..........................................................................58
11.2 Válvula de retenção pilotada geminada............................................................58
11.3 Válvula de retenção pilotada..........................................................................58
11.4 Válvula de preenchimento ou de sucção.........................................................59
12 Reservatório......................................................................60
12.1 Componente do reservatório........................................................................60
12.2 Altura para montagem da linha de sucção........................................................61
12.3 Bocal de enchimento com filtro.......................................................................61
12.4 Chicana horizontal.......................................................................................62
12.5 Chicana vertical...........................................................................................62
13 Fluidos Hidráulicos.............................................................63
13.1 Fluidos hidráulicos transmitindo energia...........................................................63
13.2 Fluido hidráulico como lubrificante das partes móveis........................................64
13.3 A troca de calor através do fluido hidráulico......................................................64
13.4 Viscosímetro de Saybolt................................................................................67
14 Filtros................................................................................70
14.1 Filtro de sucção............................................................................................70
14.2 Filtro de pressão...........................................................................................70
14.3 Filtro de retorno...........................................................................................71
14.4 Filtro de retorno com indicador óptico (mecânico) de saturação...........................71
14.5 Filtro de retorno com indicador eletro-óptico de saturação..................................71
14.6 Exemplo de materiais filtrantes.......................................................................72
15 Válvulas Controladoras de Vazão (Fluxo)............................73
15.1 Orifícios para regulagem de vazão..................................................................73
15.2 Válvulas reguladoras de vazão bidirecional........................................................73
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
7
15.3 Válvula reguladora de vazão unidirecional........................................................74
15.4 Válvulas reguladoras de vazão unidirecional, montagem em bloco e em linha........74
15.5 Construção do tipo “A” estreitamento antes do compensador..............................75
15.6 Construção do tipo “B” estreitamento depois do compensador............................75
15.7 Método de controle de fluxo: na entrada, na saída e em desvio............................77
15.8 Exemplo de circuito com duas velocidades de avanço rápido e lento.....................78
15.9 Exemplo de circuito com três velocidades de avanço..........................................78
16 Válvulas Reguladoras de Pressão.......................................79
16.1 Princípio de funcionamento das válvulas reguladoras de pressão..........................79
16.2 Válvula de alívio...........................................................................................80
16.3 Válvula de descarga.....................................................................................80
16.4 Exemplo de circuito com duas velocidades, utilizando duas bombas em paralelo..................................................................................................................81
16.5 Exemplo de circuito utilizando bomba de pistões radiais.....................................81
16.6 Princípio de funcionamento e válvula de seqüência...........................................82
16.7 Circuito hidráulico seqüêncial.........................................................................82
16.8 Circuito regenerativo seqüêncial.....................................................................82
16.9 Válvula redutora de pressão...........................................................................83
16.10 Válvula redutora de pressão de operação direta...............................................83
16.11 Válvula reguladora de pressão com válvula para ventagem acoplada..................84
16.12 Controle de pressão remoto. Posição central da válvula direcional......................84
16.13 Controle de pressão remoto, solenóide “b” energizado...................................85
16.14 Controle de pressão remoto, solenóide “a” energizado...................................85
17 Elemento Lógico................................................................86
17.1 Princípio de funcionamento do elemento lógico...............................................86
17.2 Retenção de A para B....................................................................................87
17.3 Retenção de B para A....................................................................................87
17.4 Possibilidade de comando por B......................................................................87
17.5 Possibilidade de comando por A......................................................................88
17.6 Possibilidade de comando por A e B................................................................88
17.7 Válvula de retenção pilotada..........................................................................88
17.8 Integração entre válvula direcional e valvula de retenção....................................89
17.9 Retenção em uma direção e controle de fluxo no sentido contrário.......................89
17.10 Integração entre válvula direcional e reguladora de vazão.................................90
17.11 Dupla retenção..........................................................................................90
17.12 Válvula limitadora de pressão.......................................................................90
17.13 Exemplo de circuito com aplicação de elementos lógicos..................................91
18 Trocador de Calor...............................................................92
18.1 Trocador de calor a ar.....................................................................................92
18.2 Trocador de calor a água................................................................................92
19 Acumuladores....................................................................93
19.1 Tipos construtivos de acumuladores................................................................93
19.2 Seqüência de funcionamento de um acumulador de membrana.........................94
19.3 Seqüência de funcionamento de um acumulador de bexiga...............................95
19.4 Circuito hidráulico industrial com aplicação de acumulador de bexiga...................95
20 Intensificadores de Pressão - “Boosters”............................96
20.1 Princípio de funcionamento de multiplicador hidráulico......................................96
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
8
21 Instrumentos de Medição..................................................97
21.1 Princípio de funcionamento do manômentro de bourdon...................................97
21.2 Manômentro com limites de pressão máximo e mínimo....................................97
21.3 Válvula isoladora de manômetro....................................................................98
21.4 Pressostato de êmbolo..................................................................................99
21.5 Pressostato tipo bourbon...............................................................................99
22 Elementos de Interligação, Conexão e Vedações...............100
22.1 Exemplos de mangueiras hidráulicas industriais...............................................100
22.2 Esquema interno de um bloco manifold.........................................................101
22.3 Exemplo de conexões industriais..................................................................101
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
9
SUMÁRIO
Apresentação.........................................................................13
1 Introdução à Hidráulica........................................................14
1.1 Histórico..................................................................................................14
1.2 Princípio de Pascal...........................................................................15
1.3 Transmissão de Força Hidráulica...........................................................15
1.3.1 Leis da Vazão (Hidrodinâmica e Mecânica dos Fluidos)............................16
1.3.2 Conservação da Energia.....................................................................17
1.3.3 Perdas de Energia por Atrito .........................................................18
1.3.4 Regimes de Fluxos............................................................................18
1.3.5 Número de Reynolds [Re]..................................................................18
1.3.6 Resistência à passagem de fluido.........................................................20
1.3.7 Dimensionamento de tubos em função da velocidade.............................20
1.3.8 Dimensionamento em função da perda de carga....................................21
1.4 Vantagens e Desvantagens dos Sistemas Hidráulicos........................24
1.4.1 Vantagens:.......................................................................................24
1.4.2 Desvantagens:............................................................................24
1.5 Potência..................................................................................................24
1.5.1 Potência Hidráulica............................................................................24
2 Fatores Resultantes da Pressão num Sistema.......................25
2.1 Tipos de pressão, unidades de pressão e outras grandezas:..............26
3 Unidades fundamentais do Sistema Internacional...............27
3.1 Conversão das Principais Unidades de Pressão...................................27
3.2 Unidades de Pressão mais Utilizadas em Sistemas Hidráulicos:.........28
3.3 Principais unidades de capacidade ou volume...................................28
3.4 Principais unidades de força..................................................................28
3.5 Principais unidades de vazão................................................................29
4 Composição dos Sistemas Hidráulicos..................................30
4.1 Posição do reservatório..........................................................................30
5 Simbologia / Resumo...........................................................31
6 Bombas Hidráulicas.............................................................38
6.1 Tipos........................................................................................................38
6.1.1 Bomba de deslocamento não positivo..................................................38
6.1.2 Bomba de deslocamento positivo........................................................38
6.1.3 Bombas de Palhetas...........................................................................40
6.1.4 Bombas de Pistões............................................................................41
6.2 Montagem e Instalação de Bombas.....................................................42
6.2.1 Cuidados na instalação de bombas.......................................................43
6.2.2 Cavitação.........................................................................................43
6.2.3 Aeração...........................................................................................43
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
10
7 Válvulas Direcionais.............................................................45
7.1 Sobreposição das Válvulas Direcionais................................................46
7.1.1 Tipos construtivos para válvulas............................................................46
7.1.2 Tipos de solenóides...........................................................................48
7.1.3 Válvulas direcionais pré-operadas (sanduíche de válvulas)........................49
8 Registros..............................................................................51
8.1 Tipos de registros...................................................................................51
9 Atuadores Lineares..............................................................52
9.1 Amortecimento do fim de curso nos cilindros hidráulicos.................52
9.2 Vedações para cilindros e demais componentes................................53
10 Atuadores Rotativos..........................................................55
11 Válvula de Bloqueio............................................................58
11.1 Válvula de pré-enchimento ou de sucção........................................59
12 Reservatório......................................................................60
12.1 Componentes do reservatório...........................................................60
12.2 Montagem das linhas.........................................................................61
12.3 Chicanas...............................................................................................62
13 Fluidos Hidráulicos.............................................................63
13.1 Principais Fluidos Hidráulicos.............................................................64
13.1.1 Propriedades do Fluido.....................................................................65
13.1.2 Importância do controle da viscosidade...............................................65
13.1.3 Métodos para definição da viscosidade...............................................66
14 Filtros................................................................................70
14.1 Tipos de filtros quanto à posição de montagem:..............................70
14.1.1 Materiais dos elementos filtrantes..................................................72
15 Válvulas Controladoras de Vazão (Fluxo)............................73
15.1 Controlar velocidade dos atuadores.................................................77
15.1.1 Exemplo de circuito hidráulico industrial com duas velocidades de avanço.........78
15.1.2 Exemplo de circuito hidráulico industrial com três velocidades de avanço...........78
16 Válvulas Reguladoras de Pressão.......................................79
16.1 Princípio básico de funcionamento das válvulas reguladoras de
pressão..........................................................................................................79
16.1.1 Válvula de seqüência de ação direta...................................................82
16.1.2 Válvula Redutora de Pressão.............................................................83
16.1.3 Válvula Redutora de Pressão de Operação Direta.................................83
16.2 Ventagem e Controle Remoto............................................................84
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
11
17 Elemento Lógico................................................................86
17.1 Alguns Exemplos de Aplicação..........................................................87
18 Trocador de Calor...............................................................92
18.1 Trocador de calor a ar...........................................................................92
18.2 Trocador de calor a água.....................................................................92
19 Acumuladores....................................................................93
19.1 Comentário sobre acumuladores......................................................94
20 Intensificadores de Pressão - Boosters................................96
21 Instrumentos de Medição..................................................97
21.1 Manômetro com sinal elétrico............................................................97
21.2 Termômetros........................................................................................98
22 Elementos de interligação, conexão e vedações................100
22.1 Tubos............................................................................................100
22.2 Mangueiras.......................................................................................100
22.3 Placas de ligação e blocos manifold................................................101
22.4 Elementos de conexão................................................................101
22.4.1 Conexões por roscas......................................................................101
Referências Bibliográficas.....................................................102
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
12
APRESENT
AÇÃO
APRESENTAÇÃO
A finalidade deste material é proporcionar aos interessados, uma visão
do mundo da hidráulica. As experiências têm revelado, que atualmente a
hidráulica é indispensável como um método moderno de transmissão de energia.
O termo hidráulica é uma palavra que deriva da raiz grega HIDRO que
significa água. Hoje, entende-se por hidráulica a transmissão, controle de
forças e movimentos por meio de fluidos líquidos (óleos minerais e sintéticos). Fluido é toda a substância que flui e toma a forma do recipiente no qual
está confinado.
Com a automatização os acionamentos e comandos hidráulicos ganharam importância através do tempo. Grande parte das modernas e mais
produtivas máquinas e instalações são hoje parcial ou totalmente comandadas por sistemas hidráulicos. Apesar da multiplicidade dos campos de aplicação da hidráulica, o conhecimento dessa matéria ainda não está totalmente
difundido. Como resultado disso, a aplicação do sistema hidráulico tem sido
restrita.
O conteúdo inclui a descrição de sistemas hidráulicos para a transferência de forças ou movimentos, seus princípios de funcionamento, detalhes
construtivos dos componentes e a montagem de comandos hidráulicos na
bancada, fazendo com que haja um relacionamento entre teoria e prática.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
13
1
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
INTRODUÇÃO À
HIDRÁULICA
1.1 Histórico
Existem apenas três métodos de transmissão de energia na esfera comercial: A elétrica, a mecânica e a fluídica (hidráulica e a pneumática).
Naturalmente a mecânica é a mais antiga de todas, por conseguinte é
a mais conhecida. Hoje utilizada de muitos outros artifícios mais apurados
como engrenagens, cames, polias e outros.
A elétrica, que usa geradores, motores elétricos, condutores e uma
gama muito grande de outros componentes, é um método desenvolvido nos
tempos modernos. É o único meio de transmissão de energia que pode ser
transportado a grandes distâncias.
A força fluídica tem origem, por incrível que pareça, a milhares de
anos. O marco inicial que se tem conhecimento é a utilização da roda d’água,
que emprega a energia potencial da água armazenada a uma certa altura,
para a geração de energia mecânica.
O uso do fluido sob pressão, como meio de transmissão de potência,
já é mais recente, sendo que o seu desenvolvimento ocorreu, mais precisamente, após a primeira grande guerra mundial.
Os fatos mais marcantes da história da energia fluídica poderiam ser
relacionados como os seguintes:
ƒ
Em 1795, um mecânico inglês, Joseph Bramah, construiu a primeira prensa hidráulica, usando como meio de transmissão a água;
ƒ
Em 1850, Armstrong desenvolveu o primeiro guindaste hidráulico, e para fazê-lo, também desenvolveu o, primeiro acumulador hidráulico;
ƒ
Em 1900, a construção da primeira bomba de pistões axiais nos
Estados Unidos, ocorreu aqui à substituição da água por óleo mineral, com
muitas vantagens.
Atualmente, com o desenvolvimento de novos metais e fluidos obtidos sinteticamente, a versatilidade e a dependência do uso da transmissão
de força hidráulica ou pneumática torna-se evidente, desde o seu uso para
um simples sistema de frenagem em veículos até a sua utilização para complexos sistemas das eclusas, aeronaves e mísseis.
Vamos pensar um pouco, sem a energia fluídica, a tecnologia moderna
seria capaz de uma potência para elevar um container de grande tonelagem,
ou potência suficientemente pequena para prender um ovo sem quebrar a
casca?
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
14
1.2 Princípio de Pascal
Blaise Pascal, em 1648 enunciou a lei que rege os princípios hidráulicos:
A pressão exercida em um ponto qualquer de um líquido estático é a
mesma em todas as direções, exercendo forças iguais em áreas iguais e sempre perpendiculares à superfície do recipiente.
Figura 1.1: Lei de Pascal
Fonte: RANCINE, 1994 - 9aed. p. 13
Caso uma força “F” atue sobre uma área “A” sobre um fluido confinado, ocorrerá nesse fluido uma pressão “P”.
Pressão, conceitualmente é a força exercida por unidade de área.
1.3 Transmissão de Força Hidráulica
Em 1795 Joseph Bramah criou a 1a prensa hidráulica manual aplicando
o princípio de Pascal.
Figura 1.2: Princípio de compensação de energia
Fonte: RANCINE, 1994 - 9aed. p. 14
Como a pressão se distribui uniformemente em todas as direções e
agem com a mesma intensidade em todos os pontos. Portanto, podemos
afirmar que a pressão nas áreas A e B do sistema são iguais.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
15
Portanto, podemos afirmar:
Além da possibilidade de calcular as forças ou áreas que envolvem o
sistema, também é possível calcular o deslocamento “S” dos êmbolos.
1.3.1 Leis da Vazão (Hidrodinâmica e Mecânica dos
Fluidos)
Se um fluido flui por um tubo com vários diâmetros, o volume que
passa em uma unidade de tempo é o mesmo independente da seção. A
velocidade do fluxo varia.
Figura 1.3: Vazão
Fonte: REXROTH, 1994 p.31
Vazão:
Onde:
;
Substituindo-se: V = A . s
Q = Vazão em litros por minutos
V = Volume em litros ou dm3
A = Área da seção transversal
S = Curso ou comprimento.
O curso “S” na unidade de tempo “t” é:
Velocidade
; de onde podemos ter, com Q = A . v
Equação da continuidade
Q1 = Q2 J A1. v1 = A2. v2
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
16
1.3.2 Conservação da Energia
A Lei da conservação da energia nos diz que em um fluxo a energia
permanece constante, enquanto não houver troca de energia com o exterior.
Podemos dividir a energia total desta forma:
ƒ
Energia de posição (energia potencial) que esta em função da
altura da coluna do fluido.
ƒ
Energia de pressão que é a pressão estática.
ƒ
Energia cinética que é a energia de movimento em função da
velocidade do fluxo ou pressão dinâmica.
Equação de Bernoulli para um sistema estacionário:
ñ . h . g + P +r .
= Constante
Onde: P = Pressão estática;
ñ . h . g = Pressão da coluna do fluido
ñ.
= Pressão dinâmica
Pela equação de Bernoulli, é possível comprovar que um fluido ao passar por uma seção transversal reduzida provocará um aumento da velocidade e como conseqüência um aumento da energia cinética.
Com a figura abaixo podemos observar as diferenças de pressão em
um tubo que possui um estrangulamento, a pressão é representada por uma
coluna de fluido.
Figura 1.4: Coluna do fluido
Fonte: Treinamento Hidráulico, REXROTH p.15
A altura das colunas representa pressão, portanto, observem no estrangulamento.
Em uma instalação hidráulica é importante a energia de pressão ou
pressão estática. A energia de posição e a energia cinética são muito pequenas, portanto podemos desprezá-las.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
17
1.3.3 Perdas de Energia por Atrito
Quando um fluido movimenta-se em um sistema produzindo calor por
atrito, perde-se uma parte da energia em forma de energia térmica, causando perda de pressão.
A Energia hidráulica não pode ser transmitida sem perdas. A quantidade de energia perdida por atrito depende de:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Comprimento da tubulação;
Rugosidade interna da tubulação;
Números de conexões e derivações;
Diâmetro da tubulação;
Velocidade do fluxo.
1.3.4 Regimes de Fluxos
O fluxo em um sistema hidráulico pode ser laminar ou turbulento.
FIGURA 1.5: Fluxo lamiar e fluxo turbulento
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH p.15
1.3.5 Número de Reynolds [Re]
Para se saber quando o fluxo é laminar ou turbulento, devemos definir
o número de Reynolds, que se obtém através da seguinte fórmula:
Onde:
Re - Número de Reynolds;
- Densidade do fluido;
v - Velocidade [cm/s];
D - Diâmetro interno do tubo [cm];
µ - Viscosidade absoluta em [poise];
v - Viscosidade cinética [cSt], para um óleo a 220SSU e
38ºC = 0,475 Stokes.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
18
Número de Reynolds: De 0 até 2000 Re – Fluxo laminar
De 2000 até 3000 Re – Fluxo transitório
Maior que 3000 Re – Fluxo turbulento.
1.3.6 Resistência à Passagem de Fluido
Se um fluido escoa por um tubo, a pressão vai se tornado cada vez
menor em virtude da resistência à passagem.
A queda de pressão depende do atrito interno do fluido e do atrito do
fluido com as paredes. Mas, existem alguns fatores que influência, como: a
velocidade, o regime de fluxo, a viscosidade, acabamento interno do tubo,
as conexões, as válvulas, o diâmetro e comprimento do tubo.
Por exemplo, em um tubo de 1 m de comprimento escoa uma vazão
de 10 L/min. e se lê a diferença de pressão de 50 kPa se escreve:
Resistência à passagem
1.3.7 Dimensionamento de tubos em função da
velocidade
Tabela de velocidades de fluxo recomendadas no sistema oleodinâmico:
TABELA 1.1: Tabela de velocidades
Partindo-se da velocidade recomendada, podemos dimensionar o diâmetro da tubulação, sabendo-se a vazão do sistema.
Cuidado! Com as unidades das grandezas.
Onde:
D = diâmetro interno do tubo;
Q = vazão; v = velocidade do fluido.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
19
Exemplo em função da velocidade
Dimensionar o tubo de uma linha que trabalha com uma pressão de 80
bar e vazão de 50 l/min. A velocidade recomendada, conforme tabela acima.
Dados:
Q = 50 L/min. ou Q = 833,3 cm3/s
P = 80 bar, então adotaremos velocidade v=4,5 m/s ou v=450 cm/s
Solução:
D = 1,536 cm
O diâmetro interno do tubo recomendado será de 1,536 cm ou 15,36
mm, mas comercialmente 5/8 de polegada.
1.3.8 Dimensionamento em função da perda de carga
Na linha de pressão de um sistema hidráulico:
Durante o escoamento do fluido através do sistema hidráulico, pode
ocorrer uma perda de carga, que é dividida em vários fatores. Todos os fatores entram no calculo da perda de carga da seguinte forma:
Onde:
P = Perda de carga na linha [bar];
f = Fator de fricção [adimensional];
L = L1 + Ls = Comprimento total [cm];
L1 = Comprimento da tubulação retilínea[cm];
Ls = Comprimento equivalente das singularidades [cm];
D = Diâmetro interno da tubulação [cm];
V = Velocidade de escoamento do fluido [cm/s];
y = Densidade do fluido [kg/m3] (Para o óleo SAE10 igual
a 881,1kg/m3).
21591 e 9266 = Fator de conversão para a uniformização
das unidades.
Fator de fricção “f”
Onde:
X = 64 para tubos rígidos e temperaturas constates;
X = 75 para tubos rígidos e temperaturas variáveis ou para
tubos flexíveis e temperaturas constantes;
X = 90 para tubos flexíveis e temperaturas variáveis
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
20
Exemplo em função da perda de carga
a) Determinar a vazão necessária no sistema em função dos atuadores;
Assumiremos uma vazão de Q = 50 L/min.
b) Determinar a velocidade em função do tipo de linha e pressão;
Assumiremos uma pressão na linha de 80 bar, portanto uma velocidade de v = 450 cm/s, conforme tabela de velocidade recomendável
c) Determinar o diâmetro em função da velocidade e da vazão;
Diâmetro interno do tubo D = 1,536 cm, calculado no exemplo anterior.
d) Determinar número de Reynolds, conforme fórmula acima;
e) Determinar o Fator de fricção “f”.
Para um tubo flexível e temperatura variável - X = 90
f) Determinar o comprimento total “L” em função da planta e da tabela de comprimentos equivalentes para as perdas localizadas.
Em nosso caso, considerar:
ƒ
ƒ
ƒ
4 mangueiras flexíveis;
2 cotovelos de 90º raio curto;
2 cotovelos de 90º raio longo.
L1 = 320 cm comprimento das 4 mangueiras do sistema
Conforme tabela de perdas localizadas nas conexões, respectivamente:
Comprimento de 40 e 20 cm/unidade.
Resultando:
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
21
g) Determinar DP = Perda de carga na linha de pressão;
h) Determinar as perdas localizadas nas válvulas especiais (catálogo de
fabricante);
Uma válvula especial de retenção pilotada de 5/8" montada em linha
perde, conforme catalogo de fabricante dP = 1,10 bar.
i) Determinar a perda total e subtrair da pressão fornecida e verificar
se a pressão efetiva será ou não suficiente para o sistema.
PTOTAL = P + dP = 1,58 +1,10 = 2,68 bar
Pressão fornecida, P = 80 bar
Pressão efetiva (PE) entre os dois pontos:
PE = P - PTOTAL = 80 – 2,68 = 77,32 Bar
Conclusão:
O que podemos concluir, é que o cálculo da perda de carga no sistema
hidráulico é importantíssimo, pois a partir dele, saberemos se a pressão que
fornecemos ao sistema é suficiente para aquilo se propõe a fazer.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
22
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
23
TABELA 1.2: Comprimentos equivalentes a perdas localizadas (em polegadas de canalização retilínea)
1.4 Vantagens e Desvantagens dos Sistemas
Hidráulicos
Os sistemas hidráulicos são utilizados quando não é possível empregar
outro sistema como mecânico, elétrico ou pneumático.
1.4.1 Vantagens:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Dimensões reduzidas e pequeno peso com relação a potência
instalada;
Reversibilidade instantânea;
Parada instantânea;
Proteção contra sobre carga;
Variação de velocidade com facilidade;
Possibilidade de comando por apalpador em copiadores hidráulicos.
1.4.2 Desvantagens:
ƒ
ƒ
Seu custo é mais elevado que o elétrico e mecânico;
Baixo Rendimento, devido a fatores como: A transformação da
energia elétrica em mecânica e mecânica em hidráulica para,
posteriormente ser transformada em mecânica novamente. Mais
o atrito interno e externo nos componentes e os vazamentos.
Comparando-se com a pneumática os sistemas hidráulicos possuem
um controle mais apurado na força e na velocidade, além de poderem trabalhar com pressão bem maiores, possibilitando assim uma transmissão de potência maior. Perdem no custo de instalação do sistema que é bem mais caro
que a pneumática.
1.5 Potência
1.5.1 Potência Hidráulica
Em um sistema hidráulico é convertida a energia mecânica (proveniente de um motor elétrico ou térmico) em uma energia hidráulica. Então temos:
ƒ
ƒ
ƒ
Potência no motor elétrico: Pel. ( Watts ) = V (Volts) . I (Ampére)
Potência no acoplamento ou mecânica: Pm = M (Nm). w (1/s)
Potência hidráulica: Ph = P (N/m2). Q (m3/s)
Rendimento - Como já vimos, existem perdas por atritos, vazamentos e etc. Portanto nem toda energia fornecida ao sistema é transformada na
aplicação desejada.
htotal da bomba =
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
24
2
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
FATORES RESUL
TANTES
RESULT
DA PRESSÃO NUM
SISTEMA
Em um sistema hidráulico a função da bomba é fornecer vazão ao sistema, a pressão resultará de dois fatores:
FIGURA 2.1 e 2.2: Carga sobre o atuador
FONTE: SENAI SP, p.21
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
25
FIGURA 2.3: Restrição na tubulação
FONTE: SENAI. SP, p.21
À medida que a torneira começa a ser fechada a pressão aumenta
gradativamente, devido à dificuldade de passagem pelo estrangulamento,
até atingir a pressão máxima quando ocorrerá a abertura da válvula de alívio
e toda a vazão será desviada para o reservatório.
2.1 Tipos de Pressão, Unidades de Pressão e
Outras Grandezas
Pressão atmosférica: É o peso da coluna de ar da atmosfera em 1 cm2
de área
Pressão relativa: É a pressão registrada no manômetro
Pressão absoluta: É a soma da pressão manométrica com a pressão
atmosférica
Para melhor compreender as leis e o comportamento dos fluidos, devemos considerar as grandezas físicas e sua classificação nos sistemas de
medidas, sendo adotado nesta apostila o Sistema Internacional de Medidas, abreviadamente “SI”.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
26
3
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
UNID
ADES
UNIDADES
FUND
AMENT
AIS DO
FUNDAMENT
AMENTAIS
SISTEMA INTERNA
CIONAL
INTERNACIONAL
TABELA 3.1: Unidades fundamentais do Sistema Internacional
3.1 Conversão das Principais Unidades de
Pressão
A utilização da tabela de conversão de unidades de pressão consiste
em tomar o valor do módulo da unidade conhecida na coluna e multiplicar
pelo valor da unidade solicitada na linha.
TABELA 3.2: Conversão das principais unidades de pressão
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
27
3.2 Unidades de Pressão mais Utilizadas em
Sistemas Hidráulicos
TABELA 3.3: Unidades de pressão mais utilizadas no sistema hidáulico
Exemplo: A pressão atmosférica ao nível do mar corresponde aproximadamente a uma coluna de água com 10,13 metros de altura.
3.3 Principais Unidades de Capacidade ou
Volume
TABELA 3.4: Principais unidades de capacitação ou volume
Exemplo: 1 m³ = 35,3147 ft3
3.4 Principais Unidades de Força
TABELA 3.5: Principais unidades de força
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
28
3.5 Principais Unidades de Vazão
TABELA 3.6: Principais unidades de vazão
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
29
4
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
COMPOSIÇÃO DOS
SISTEMAS HIDRÁULICOS
Os sistemas hidráulicos compõem-se das seguintes etapas:
transmissão
transmissão
GERAÇÃO
CONTROLE
ATUADORES
A geração é constituída pelo reservatório, filtros, bombas, motores,
acumuladores entre outros acessórios. O controle é constituído por válvulas
controladoras de vazão, pressão e direcionais. No sistema de atuação encontram-se os atuadores, que podem ser os cilindros, osciladores e motores.
4.1 Posição do reservatório
O reservatório de fluido poderá ser montado em duas posições com
relação à bomba:
FIGURA 4.1: Posição do reservatório em relação à bomba
FONTE: SENAI. SP, p.17
Se o nível de óleo é de 30 dm acima da bomba, a pressão na entrada da
bomba é igual a 30dm. 0,96 Kgf/dm3 = 27 Kgf/dm2 = 0,27 Kgf/cm2, a
bomba esta sendo alimentada com uma pressão positiva.
Se o nível de óleo é de 30 dm abaixo da bomba, o mecanismo da
bomba gera um vácuo na sua entrada para sucçionar o óleo. O vácuo gerado
é igual a 30dm. 0,96 Kgf/dm3 = 27 Kgf/dm2 = 0,27 Kgf/cm2.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
30
5
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
SIMBOL
OGIA / RESUMO
SIMBOLOGIA
Símbolos gráficos mais utilizados para componentes de sistemas hidráulicos são:
TABELA 5.1: Linhas de fluxo
TABELA 5.2: Símbolos funcionais
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
31
TABELA 5.3: Fontes de energia
TABELA 5.4: Válvulas direcionais
TABELA 5.5: Métodos de acionamento
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
32
TABELA 5.6: Válvulas controladoras de vazão
TABELA 5.7: Válvula de retenção
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
33
TABELA 5.8: Válvula reguladora de pressão
TABELA 5.9: Reservatório
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
34
TABELA 5.10: Bombas
TABELA 5.11: Motores
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
35
TABELA 5.1: Cilindros
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
36
TABELA 5.1: Instrumentos e acessórios
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
37
6
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
BOMBAS HIDRÁULICAS
Bombas hidráulicas são componentes utilizados para fornecer vazão
ao sistema, fornecendo energia necessária ao fluido.
6.1 Tipos
6.1.1 Bomba de Deslocamento Não Positivo
Nestas bombas não existe vedação entre a entrada e a saída; um pequeno aumento da pressão reduz a vazão na saída. Exemplo: Bombas centrífugas que possuem fluxo radial. Existe também as que possuem fluxo axial,
são constituídas por uma hélice rotativa.
FIGURA 6.1, 6.2 e 6.3: Bombas hidráulicas
FONTE: VICKERS, 1983 p.11-1
6.1.2 Bomba de Deslocamento Positivo
Bomba de Engrenagens
FIGURA 6.4: Bombas de engrenagens
FONTE: RACINE, 1981 p.130
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
38
Princípio de Funcionamento das Bombas de Engrenagem
Com o desengrenamento das engrenagens motora e movida, o fluido
é conduzido da entrada para a saída nos vãos formados pelos dentes das
engrenagens e as paredes internas da carcaça da bomba; com o
reengrenamento das engrenagens, o fluido é “espremido” e forçado para a
saída.
Características:
ƒ
Possuem construção bem simples, pois existem, normalmente,
somente duas peças móveis;
ƒ
São de fácil manutenção;
ƒ
São de vazão fixa;
ƒ
Preço mais baixo em relação aos outros tipos de bombas;
ƒ
Pressão de operação até 250 Kgf/cm²;
ƒ
Rendimento de 80 a 85%;
ƒ
Elevado ruído (reduzido nas bombas de engrenagens helicoidais);
ƒ
Tolerância à impurezas maior que as demais bombas.
Bomba de engrenagens internas
FIGURA 6.5: Bombas de engrenagens internas
FONTE: RACINE, 1981 p.132
Bomba de Engrenagens Helicoidais
FIGURA 6.6: Bombas de engrenagens espinha de peixe
FONTE: RACINE, 1981 p.131
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
39
6.1.3 Bombas de Palhetas
Características:
ƒ
Construção simples, porém possui maior número de peças mó
veis. (Palhetas);
ƒ
São de fácil manutenção;
ƒ
Podem ser de vazão fixa ou variável;
ƒ
Pressão de trabalho: até 210 kg/cm² para bombas de anel elíptico
(Balanceadas);
ƒ
70 kg/cm² para bombas autocompensadoras;
ƒ
Rendimento 75 a 80%;
ƒ
Baixo ruído;
ƒ
Pouca tolerância às impurezas.
Tipos:
De Vazão Fixa (Balanceada)
FIGURA 6.7: Bombas de vazão fixa
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH p.40
De Vazão Variável com Compensação de Pressão
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
40
FIGURA 6.8, 6.9 e 6.10: Bombas de vazão variável com compensação de pressão
FONTE: RANCINE, 1981 p.137
6.1.4 Bombas de Pistões
Características
ƒ
ƒ
ƒ
Possuem construção muito precisa;
São de difícil manutenção;
Podem ser de vazão fixa ou variável (variável somente as de pis-
tões axiais);
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Pressão de operação até 700 Kg/cm²;
São as que têm melhor rendimento que gira em torno de 95%;
Baixo ruído;
São as que menos toleram impurezas.
Tipos
FIGURA 6.11: Bombas de pistões axiais de eixo inclinado ou desalinhado
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH p.56
FIGURA 6.12: Bombas de pistões radiais
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH p.46
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
41
FIGURA 6.13: Bombas de pistões axiais de placa ou disco inclinado
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH p.52
6.2 Montagem e Instalação de Bombas
Bombas em série - quando a bomba hidráulica tem baixo poder de
sucção instala-se uma bomba auxiliar (bomba de carga) cuja função é alimentar a bomba principal.
FIGURA 6.14: Bombas em série
Bombas em paralelo - São utilizadas em casos onde se necessita de
duas velocidades em atuadores, uma rápida e outra lenta. O rápido com
pouca força e o lento com grande força, se aplica também em casos de
sistemas com circuitos independentes.
FIGURA 6.15: Bombas em paralelo
B1 = Bomba número 1
Q1= Baixa vazão
P1 = Alta pressão
B2 = Bomba número 2
Q2 = Alta vazão
P2 = Baixa pressão.
Sistema com vazão Q1 + Q2, a pressão é menor que P2. Sistema com
pressão maior que P2, vazão do sistema igual a Q1 até atingir a pressão P1.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
42
FIGURA 6.16: Exemplo de aplicação de bombas de pistões radiais
6.2.1 Cuidados na instalação de bombas
Como qualquer equipamento elétrico ou mecânico, requer uma série
de cuidados para garantir uma vida útil mais longa. Para isso, devemos alinhar
corretamente o motor de acionamento à bomba, tanto no sentido axial no
como angular. Indicado a utilização de acoplamentos flexíveis, porque, mesmo com instrumentos de precisão sempre haverá um pequeno
desalinhamento.
O sentido de rotação e a escorva (preencher a bomba) deverá ser
observado com atenção, pois se instalado com rotação contraria e sem óleo
irá aquecer rapidamente, levando a inutilização da mesma.
6.2.2 Cavitação
Entende-se por cavitação a formação temporária de espaços vazios ou
bolhas, devido a quedas de pressão no fluido, chegando a ponto de vaporização. Com aumento da pressão as bolhas desfazem-se repentinamente,
implodindo e cavando material das superfícies (estalando como pipocas) que
estava em contato com a bolha “Ocorre o efeito diesel”, além de interferir
na lubrificação.
Quando há cavitação, as medidas a ser tomadas são:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Verificar filtros e respiro do reservatório, se não estão entupi
dos.
Verificar se a viscosidade é a recomenda pelo fabricante;
Verificar se as dimensões das linhas estão corretas;
Escorvar (preencher) a bomba com óleo no princípio do funcio
namento;
Se a pressão barométrica está conforme especificação do fabri
cante.
6.2.3 Aeração
O fenômeno da aeração é similar ao da cavitação, inclusive seus efeitos sobre a bomba e demais componentes do sistema.
A condição de aeração também é detectada pelo elevado ruído metálico.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
43
Sua causa, entretanto é distinta, ocorre em função da entrada de ar
pela linha de sucção, e não em função da evaporação.
Quando há aeração, as medidas a ser tomadas são:
ƒ
ƒ
Verificar as ligações entre os componentes da linha de sucção se
estão bem vedadas;
Evitar que a bomba arraste fluido com bolhas de ar do reservatório (pseudocavitação), por não estar associado com a pressão de
vapor.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
44
7
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
VÁL
VULAS DIRECIONAIS
VÁLVULAS
Válvulas direcionais são responsáveis pelo direcionamento do fluido.
Suas características principais são:
ƒ
Nº de posições: contadas a partir do nº de quadrados da
simbologia.
ƒ
Nº de vias: contadas a partir do nº de tomadas que a válvula
possui. (em apenas uma posição).
Tipos de acionamento: Pode ser manual ou automático:
Tipo de centro: podem ser aberto ou fechado.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
45
As vantagens do centro aberto são:
ƒ
ƒ
ƒ
Menor desgaste da bomba;
Menor aquecimento do óleo;
Menor consumo de energia.
Exemplo de operação de uma válvula de carretel (Spool) deslizante:
FIGURA 7.1: Válvula carretel
FONTE: RANCINE, 1981 p.174
7.1 Sobreposição das Válvulas Direcionais
7.1.1 Tipos Construtivos para Válvulas
As válvulas direcionais, conforme aplicação, são válvulas de assento ou
de corrediça (com êmbolo ou placas deslizantes).
FIGURA 7.2: Válvula direcional com êmbolo deslizante
Na hidráulica são predominantes as de êmbolo deslizante, para pressão até 300 bar. Porém, os êmbolos metálicos com o corpo da válvula apresentam uma folga de poucos microns (mm), mesmo assim, há ocorrência de
vazamento interno da conexão de maior pressão para a de menor pressão.
As válvulas direcionais de assento diferem fundamentalmente das válvulas de êmbolo, pela sua vedação isenta de vazamentos. Na ilustração abaixo, o elemento esférico representa uma válvula direcional de assento esfériHIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
46
co e o elemento cônico uma válvula direcional de assento cônico, ambas V.D
3/2 vias, que associadas representam uma V.D 4/2 vias.
FIGURA 7.3: Válvula direcional com assento esférico
Devido a uma força externa para vencer a força da mola, êmbolo superior estar mantendo a esfera encostada ao assento, como isto representado é V.D 4/2 vias, observamos que P esta para B e A esta para T. Se eliminarmos a força externa, a força da mola afastará a esfera, conseqüentemente P
passará para A e no mesmo instante pilotará o elemento cônico permitindo
que B passe para T.
Sobreposição de Comando nas Válvulas Direcionais de Pistão
Conforme o tipo de êmbolo de comando, ao serem comutadas as válvulas para uma outra posição de comando, as conexões são fechadas ou
interligadas durante um determinado tempo. Isto é denominado de
sobreposição positiva ou negativa de comando.
A sobreposição positiva é onde todas as conexões fecham-se durante a comutação, por um pequeno tempo, formando CF, neste caso não
existe perda de pressão, mas conseqüentemente existe o surgimento de
golpes de comando por causa do pico de pressão.
FIGURA 7.4: Sobreposição positiva
FONTE: Treinamento Hidáulico, REXROTH p.97
A sobreposição negativa é quando durante a comutação todas as
conexões estão interligadas durante um pequeno tempo, formando um H,
neste caso não temos a formação de golpes de comando e picos de pressão,
mas há queda de pressão, onde se esvazia os acumuladores de pressão e se
existir cargas podem descer.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
47
FIGURA 7.5: Sobreposição negativa
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH p.97
Solenóides - Nas válvulas direcionais os solenóides acionam o spool
das válvulas direcionais possibilitando a passagem do fluxo.O solenóide consiste basicamente de três elementos: a armadura, o “T” ou martelo e a bobina.
Quando passamos uma corrente elétrica na bobina é gerado um campo magnético que empurra o martelo para baixo que, por sua vez deslocará
o carretel de direcional dando nova direção ao fluxo do fluído.
FIGURA 7.6: Esquema de solenóide
FONTE: RANCINE, 1981 p.177
7.1.2 Tipos de solenóides
ƒ
ƒ
ƒ
De corrente alternada (220V) - alta velocidade do núcleo, porém se este não chegar a final do curso queima-se rapidamente
(1 a 1,5 hs para os imersos em óleo e 10 a 15 minutos para os
secos). Há também solenóides com voltagem de 110 V.
De corrente contínua (24V) - é mais lento que o anterior.
Solenóide em banho de óleo - movimenta-se suavemente e
deve ter preferência no caso de clima úmido ou ao ar livre.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
48
Solenóides em Eletroválvulas
TABELA 7.1: Solenóides em eletroválvulas
7.1.3 Válvulas Direcionais Pré-Operadas (Sanduíche de
Válvulas)
São válvulas de tamanho nominal grande e de elevada potência hidráulica (P. Q). Funciona da seguinte forma: Uma válvula pequena comandada por solenóides é acionada deslocando o spool o qual permite a passagem
do óleo que irá para o êmbolo da válvula principal. Por esse motivo são chamadas de válvulas de duplo acionamento ou eletro-hidráulicas.
FIGURA 7.7: Válvula de duplo acionamento
FONTE: REXROTH, 1983 p.106
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
49
Exemplo prático:
FIGURA 7.8: Válvula direcional 4/3 vias, pré-acionadas por solenóides, acionada por pressão
hidráulica, centrada por mola; de piloto e dreno interior
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
50
8
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
REGISTROS
Os registros têm como função isolar parte do circuito hidráulico. São
de acionamento demorado e cansativo na grande maioria, não podendo ser
usados quando a resposta a um acionamento tem que ser rápida e precisa.
8.1 Tipos de registros
FIGURA 8.1, 8.2, 8.3 e 8.4: Registros
FONTE: RANCINE, 1981 p.167-168
Simbologia
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
51
9
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
ATU
ADORES LINEARES
TUADORES
Atuadores lineares são chamados de cilindros e tem como função transformar força, potência ou energia hidráulica em força, potência ou energia
mecânica. A figura abaixo representa um cilindro de dupla ação.
FIGURA 9.1: Componentes do cilindro
FONTE: RANCINE, 1981 p.73
Simbologia
9.1 Amortecimento do Fim de Curso nos
Cilindros Hidráulicos
Tem como função à frenagem ou desaceleração até a parada final,
evitando o impacto no fim do curso. Este tipo de amortecimento faz parte
dos cilindros que não podem ter impactos ao chegar no fim de curso, principalmente quando trabalha com velocidades elevadas, estes efeitos normalmente são prejudiciais ao sistema.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
52
O amortecimento consiste de coxins junto ao êmbolo, que ao chegarem próximo do fim do curso encontrarão uma câmara reduzida, associado a
uma válvula de estrangulamento para a regulagem, e mais uma válvula de
retenção para facilitar o arranque do cilindro, conforme figura abaixo:
FIGURA 9.2 e 9.3: Amortecimento
FONTE: RANCINE, 1981 p.116
9.2 Vedações para Cilindros e Demais
Componentes
Além das vedações estáticas entre as partes firmes ligadas, necessitase, no cilindro hidráulico, gaxetas dinâmicas entre as peças móveis, que devem ter boa vedação entre as partes, boa resistência ao desgaste e pouco
atrito.
Para selecionar a vedação dos elementos devemos verificar a compatibilidade com o fluido, a relação de pressão, o tipo de aplicação e a construção dos componentes.
Juntas – Juntas são dispositivos para vedar superfícies planas. Os projetos mais antigos de flanges e válvulas montadas em sub-placas usam esse
tipo de vedação. Atualmente os equipamentos hidráulicos usam com mais
freqüência os anéis “O’ring” retentores torneados ou gaxetas de compressão. Os principais tipos de vedação para cilindros são:
ƒ
Anéis de segmento - Este tipo de vedação também é
comumente encontrado nos pistões dos motores a explosão. É excelente
para a garantia de uma vida longa e aplicações de cargas instantâneas. Este
tipo de vedação apresenta um bom rendimento, devido o baixo atrito, principalmente em cilindros que trabalham com altas velocidades e grandes pressões, conforme figura abaixo
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
53
ƒ
Anéis em V - São usados em grupos de 2,4 ou 6 anéis, de acordo
com a pressão de trabalho. Em cilindros de dupla ação, são utilizados um jogo
de cada lado do pistão. Para se determinar o número de anéis a ser utilizado,
a regra é que para cada 45 bar, coloca-se um anel, levando em conta, sempre um número mínimo de dois anéis.
ƒ
Anéis Tipo Copo - Este tipo de vedação trabalha em faixa de
pressão baixa, portanto mais usados em cilindros pneumáticos. Provavelmente,
foi um dos primeiros a ser utilizados.
FIGURA 9.4: Anéis tipo “copo”
FONTE: RANCINE, 1981 p.79-81
ƒ
Anéis do Tipo O (“O” Ring) - É sistema de vedação simples,
efetuada com um anel de borracha. Porém, com atrito elevado e causa danos ao anel quando submetido à pressão, é possível melhorar utilizando-se
do sistema de Back up que consiste na colocação de dois anéis limitadores de
teflon ou material similar, que evitam danos ao anel.
FIGURA 9.5: Anéis tipo O
FONTE: RANCINE, 1981 p.79
ƒ
Anéis U e Block V - Os anéis U são mais econômicos em relação
ao tipo lábio de dupla ação. São originalmente de borracha e de fácil reposição, não necessitam de qualquer adaptador. Para sistemas que trabalham
com pressões elevadas, recomenda-se a utilização dos anéis Block em V
para obter um melhor rendimento.
ƒ
Anéis Tipo Lábio de Dupla Ação – O anel de borracha sintética é
colocada ao pistão e cargas laterais são evitadas pela adição de um prato
guia. Tem funcionamento semelhante a anel tipo copo, trabalha em sistemas
de baixa pressão.
FIGURA 9.6: Anéis tipo lábio de dupla ação
FONTE: RANCINE, 1981 p.80-1
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
54
10
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
ATU
ADORES ROT
ATIV
OS
TUADORES
ROTA
TIVOS
Os atuadores rotativos têm como função transformar energia hidráulica em energia mecânica rotativa e apresentam construção semelhante à das
bombas. Classificam-se em:
a) Motor hidráulico
FIGURA 10.1: Comparação entre uma bomba e um motor de engrenagem
FONTE: RANCINE, 1981 p.204
Simbologia
Os motores hidráulicos assim como as bombas possuem um limite para
o volume de admissão (fluxo) máximo, bem como de uma pressão máxima
de trabalho.
Os componentes internos do motor trabalham submersos em óleo que
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
55
é continuamente retirado por um dreno cujas funções são:
ƒ
ƒ
ƒ
Lubrificar;
Refrigerar;
Impedir a entrada de ar.
b) Motores oscilantes ou osciladores
São usados para transmitir movimento rotativo alternado com ângulo
de rotação limitado.
Tipos
Pinhão Cremadeira
FIGURA 10.2: Pinhão cremadeira
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH, p.77
Motores Oscilantes ou Osciladores:
São para transmitir movimento rotativo alternado co ângulo de rotação limitado
FIGURA 10.3: Motores oscilantes ou osciladores
FONTE: RACINE, 1981 p.219
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
56
Oscilador com Cilíndro
FIGURA 10.4: Osciladores com cilíndro
FONTE: RACINE, 1981 p.220
Oscilador com Rosca Sem-Fim
FIGURA 10.5: Osciladores com rosca sem-fim
FONTE: RACINE, 1981 p.220
Oscilador de Palheta
FIGURA 10.6: Osciladores de palheta
FONTE: RACINE, 1981 p.219
Simbologia
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
57
11
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
VÁL
VULA DE BL
OQUEIO
VÁLVULA
BLOQUEIO
São também chamadas válvula de retenção e bloqueiam a passagem
do fluxo num sentido permitindo fluxo reverso livre.
Tipos
Válvula de Retenção Simples
FIGURA 11.1: Válvula de retenção simples
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH, p.81
Válvula de Retenção Pilotada Geminada
FIGURA 11.2: Válvula de retenção pilotada geminada
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH, p.81
Válvula de Retenção Pilotada
FIGURA 11.3: Válvula de retenção pilotada
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH, p.83
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
58
11.1 Válvula de pré-enchimento ou de sucção
Quando um sistema requer cilindro de grandes dimensões usa-se válvula de preenchimento ou de sucção o que possibilita grandes vantagens ao
sistema, sendo a principal, a maior velocidade à máquina.
FIGURA 11.4: Válvula de preenchimento ou de sucção
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH, p.86
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
59
12
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
RESER
VATÓRIO
RESERV
São recipientes onde o óleo é armazenado. Suas principais funções
são:
ƒ
ƒ
ƒ
Armazenar o fluido até que seja succionado pela bomba;
Auxiliar na dissipação do calor;
Permitir o assentamento das impurezas insolúveis.
Como regra geral o reservatório deve conter de duas a três vezes a
vazão da bomba, isto é, deve garantir o fornecimento de óleo para a bomba
por mais dois a três minutos mesmo que ocorra o rompimento da tubulação
de saída da mesma.
Os reservatórios podem ser:
ƒ
ƒ
Aberto: quando a pressão no interior do mesmo for igual a pressão atmosférica;
Pressurizado: quando a pressão no interior do mesmo for maior
que a pressão atmosférica.
12.1 Componentes do Reservatório
FIGURA 12.1: Componentes do reservatório
FONTE: RANCINE, 1994 - 9a Edição, p.64
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
60
Simbologia
12.2 Montagem das Linhas
Para o perfeito funcionamento do sistema hidráulico é importante a
observação do posicionamento das linhas de sucção e retorno.
FIGURA 12.2: Altura para montagem da linha de sucção
FONTE: RANCINE, 1994 - 9a Edição, p.60
h = 1,5 x o diâmetro da sucção para evitar que o filtro fique exposto à
parte livre do interior do reservatório quando em funcionamento.
h1 = no mínimo 75mm acima do fundo do reservatório para evitar a
sucção de impurezas depositadas no mesmo.
A linha de retorno deve ficar aproximadamente no ponto médio do
nível do fluido. Caso termine acima do nível causará a formação de espuma e
se montado muito próximo do fundo poderá remexer as impurezas ali depositadas.
Quando as linhas não possuírem filtros nas extremidades, devem ser
cortadas a 45º e montadas para a parede do reservatório facilitando o fluxo
normal do fluido.
Bocal de enchimento com filtro: Tem a finalidade de impedir a entrada de impurezas quando da alimentação de fluido e durante a operação,
pois o nível de fluido diminui e ocorre a entrada de ar no reservatório.
FIGURA 12.3: Bocal de enchimento com filtro
FONTE: REXROTH, p.166
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
61
12.3 Chicanas
São paredes (verticais ou horizontais) montadas no interior do reservatório cujas funções são:
ƒ
ƒ
ƒ
Evitar turbulência do fluido no tanque;
Permitir o assentamento de materiais insolúveis;
Auxiliar na dissipação de calor.
Tipos
Chicana horizontal: usada em reservatórios de altura limitada para
evitar a entrada de ar na bomba através do redemoinho (vórtice) que se
forma quando a bomba entra em funcionamento.
FIGURA 12.4: Chicana horizontal
FONTE: RACINE, 1994 - 9a Edição, p.61
Chicana vertical: usada em reservatórios de maior profundidade. Note
que o percurso percorrido pelo óleo no interior do reservatório seria bem
menor se não houvesse as chicanas.
FIGURA 12.5: Chicana vertical
FONTE: RACINE, 1994 - 9a Edição, p.62
Magnetos: são ímãs estrategicamente posicionados nas paredes do
reservatório para retirar do fluido as partículas metálicas.
Respiros: são necessários para permitir a entrada de ar da atmosfera
mantendo a pressão interna nos reservatórios abertos.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
62
13
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
FL
UIDOS HIDRÁULICOS
FLUIDOS
O fluido hidráulico é o elemento mais importante na durabilidade dos
componentes dos sistemas hidráulicos uma vez que ele circula por todo o
sistema contaminando-o e atingindo a todos os pontos do mesmo. Um bom
fluido hidráulico, com uma filtragem bem apurada contribuirá sobremaneira
para o aumento na vida útil dos componentes.
As principais funções dos fluidos hidráulicos são:
Transmitir energia: a energia sofre diversas transformações até ser
transformada em energia hidráulica que será transmitida pelo fluido e novamente transformada em energia mecânica através da realização de trabalho.
FIGURA 13.1: Fluido hidráulico transmitindo energia
FONTE: VICKERS, 1980 - 6a Edição, p.1-123
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
63
Lubrificar e vedar partes móveis: o fluido deve possuir a características de ser bom lubrificante, pois os componentes dinâmicos necessitam ser
lubrificados durante o funcionamento.
FIGURA 13.2: Fluido hidráulico como lubrificante das partes móveis
FONTE: VICKERS, 1994 - 12a Edição, p.3-1
Resfriar ou dissipar calor: através do fluido, o calor é conduzido às
paredes do reservatório e destas, para a atmosfera.
FIGURA 13.3: A troca de calor através do fluido hidráulico
FONTE: VICKERS, 1994 - 12a Edição, p.3-2
13.1 Principais Fluidos Hidráulicos
Óleos minerais - São os fluidos hidráulicos derivados do petróleo; embora o petróleo não seja um minério são chamados de minerais para diferenciálos dos óleos vegetais e demais óleos industriais.
Óleos sintéticos - São óleos produzidos para atender a determinadas
condições e especificações as quais os óleos minerais não atendem.
Fluidos resistentes ao fogo - São combinações de óleo mais água de
modo que não propaguem fogo em caso de incêndio; não significa dizer que
não queimem e sim que não dispersam o fogo em sua superfície como ocorre com os óleos lubrificantes.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
64
A compressibilidade dos fluidos hidráulicos em geral é de 0,5% na
pressão de 70 Kgf/cm². Para sua utilização há necessidade de ficar atento
quanto a:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Nunca se deve misturar dois fluidos de fabricantes diferentes,
pois os aditivos podem reagir entre si deteriorando o óleo e envelhecendo-o precocemente;
A limpeza do sistema deve ser bem feita, pois testes precisos
revelaram que 10% do óleo “velho” deixado no interior do sistema reduz 70% das qualidades do óleo novo;
Não utilizar método de somente completar o nível;
Quando o fluido hidráulico ficar parado pelo período aproximado
de dois meses após ter sido usado convém substituí-lo;
O tipo de óleo bem como o período da troca são recomendados
pelo fabricante;
Para determinar precisamente as condições de um fluido (grau
de oxidação e quantidade de contaminantes) devem ser realiza
dos testes de laboratórios;
Existem formas de se fazer um controle rotineiro na própria máquina durante a operação; isto tem permitido a prorrogação da
data da troca. Alguns fabricantes prestam esse tipo de serviço;
Guarde o óleo sempre em recipientes limpos e protegidos contra as intempéries;
Mantenha as tampas dos recipientes hermeticamente fechadas.
13.1.1 Propriedades do Fluido
Viscosidade
Viscosidade é a resistência do fluido a escoar, ou seja, uma medida
inversa da fluidez.
Se um fluido escoa facilmente, sua viscosidade é baixa. Pode-se dizer
que o fluido é fino ou pouco encorpado.
Um fluido que escoa com dificuldade tem alta viscosidade, é grosso ou
muito encorpado, por isso é importância o controle de sua viscosidade.
13.1.2 Importância do Controle da Viscosidade
A viscosidade para os equipamentos hidráulicos é de importância fundamental:
Para qualquer máquina hidráulica, a viscosidade efetiva do fluido deve
ser um compromisso. É desejável uma alta viscosidade para manter a vedação
entre superfícies justapostas.
Entretanto, uma viscosidade muito alta aumenta o atrito, resultando
no seguinte:
ƒ
ƒ
ƒ
Alta resistência ao fluxo;
Aumento do consumo de energia devido a perdas por atrito;
Aumento da temperatura causada pelo atrito;
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
65
ƒ
ƒ
ƒ
Maior queda de pressão devido à resistência (aumento da perda
de carga).
Possibilidade de operação vagarosa (velocidade reduzida);
Dificuldade da separação do ar do óleo.
Se a viscosidade for baixa demais:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Os vazamentos internos aumentam;
Gasto excessivo ou talvez engripamento, sob carga pesada, de
vido à decomposição película de óleo entre as peças móveis;
Pode reduzir o rendimento da bomba, com uma operação mais
lenta do atuador;
Aumento de temperatura devido a perdas por vazamentos.
13.1.3 Métodos para definição da viscosidade
Alguns métodos para definir a viscosidade em ordem de exatidão decrescente são: Viscosidade Absoluta (Poise); Viscosidade cinemática em
centistokes; viscosidade relativa em S.U.S e SAE.
ƒ
Viscosidade relativa S.U.S.
Para efeito prático, na maioria dos casos a viscosidade relativa já é suficiente. Determina-se a viscosidade relativa cronometrando-se o escoamento
de uma dada quantidade de fluido, através de um orifício calibrado, a uma
determinada temperatura.
Há vários métodos em uso. O método, mas aceito é o do Viscosímetro
de Saybolt, que mede o tempo em que determinada quantidade de líquido
escoa através de um orifício. A viscosidade em Saybolt Universal Seconds
(SUS) é igual ao tempo gasto (em segundos) para este escoamento.
Obviamente, um líquido espesso escoará mais lentamente, e a viscosidade SUS será mais alta do que para um líquido fino, que escoará mais rápido.
Como o óleo é mais espesso a baixa temperatura e mais fino quando
aquecido, a viscosidade deve ser representada como tantos SUS naquela
temperatura.
Geralmente, os testes são feitos a 100ºF (37,5ºC) e 212ºF (100ºC).
Para as aplicações industriais, as viscosidade de óleo hidráulico geralmente estão na vizinhança de 150 SUS a 100ºF (37,5ºC). É uma regra geral
que a viscosidade dos fluidos hidráulicos nunca deve estar abaixo de 45 SUS
ou acima de 4.000 SUS, independentemente da temperatura. Onde se encontram temperaturas extremas, o fluido deve ter um alto índice de viscosidade (IV).
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
66
FIGURA 13.4: Viscosímetro de Saybolt
FONTE: RACINE, 1994 - 9a Edição, p.51
ƒ
Número SAE
Os números SAE foram estabelecidos pela Sociedade Americana dos
Engenheiros Automotivos para especificar as faixas de viscosidade SUS do
óleo às temperaturas de testes SAE. Os números de inverno (5W, 10W, 20W)
são determinados pelos testes a 0ºF (-17ºC). Os números para óleo de verão
(20, 30, 40, 50, etc.) designam a faixa SUS a 212ºF (100ºC).
ƒ
Viscosidade ISO VG
O sistema ISO estabelece o número médio para uma determinada faixa de viscosidade cinemática (cSt) a temperatura de 40° C.
Outra unidade de viscosidade usada em alguns países é o grau Engler
(°E). Existem ainda outras unidades, porém não vemos como necessário estudarmos no nosso contexto.
Usando a tabela seguinte podemos converter um valor qualquer de
unidade de viscosidade em outra unidade bastando para isto usar uma régua
trabalhando com a mesma na horizontal e fazendo a leitura nas diferentes
escalas.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
67
TABELA 13.1: Tabela de conversão de viscosidade
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
68
ƒ
Índice de Viscosidade – IV
O índice de viscosidade é uma medida relativa da mudança de viscosidade de um fluido como conseqüência das variações de temperatura.
Um fluido que tem uma viscosidade relativamente estável a temperaturas extremas, tem um alto índice de viscosidade (IV). Um fluido que é
espesso quando frio e fino quando quente, tem um baixo IV.
A tabela abaixo mostra uma comparação entre um fluido de IV 50 e
um de IV 90.
Compare essas viscosidades efetivas em 3 temperaturas:
TABELA 13.2: Comparação entre dois índices de viscosidade diferentes
A 37°C as viscosidades são iguais; 100°C as viscosidades são aproximadas, porém a -17°C elas são bem diferenciadas. O óleo com IV mais alto
sofre menor alteração na viscosidade.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
69
14
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
FIL
TROS
FILTROS
Tem a função de reter as partículas insolúveis do fluido. Os filtros, bem
como os elementos filtrantes podem ser de diversos tipos e modelos.
É recomendável que o filtro seja dimensionado para permitir a passagem do triplo da vazão do sistema.
Se um determinado filtro comercial não suporta a vazão máxima de um
sistema pode-se montar dois ou mais deles em paralelo.
14.1 Tipos de Filtros Quanto à Posição de
Montagem
Filtro de sucção: Chamamos assim para os filtros montados entre o
reservatório e a bomba. (A algum tempo atrás se usava filtros de 130/150
mm, hoje o padrão já é de 60mm para filtragem na sucção e a tendência é
reduzir ainda mais.).
FIGURA 14.1: Filtro de sucção
FONTE: REXROTH, p.164
Filtro de pressão: São os filtros montados antes de alguns componentes que requeiram um grau de filtragem mais apurado como: servo-válvulas, motores de pistões axiais, válvulas proporcionais, entre outros. (01 a
10 mm).
FIGURA 14.2: Filtro de pressão
FONTE: REXROTH, p.165
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
70
Filtro de retorno: são os filtros montados na linha de retorno do fluido para o reservatório.(20 a 40 mm).
FIGURA 14.3: Filtro de retorno
FONTE: REXROTH, p.165
Filtro com indicadores de impurezas: São filtros que possuem um
sistema de visualização de modo a facilitarem a manutenção; uma vez saturado
o elemento filtrante os técnicos visualizam facilmente essa saturação.
FIGURA 14.4: Filtro de retorno com indicador óptico (mecânico) de saturação
A medida que o fluido passa pelo filtro e as impurezas vão se acumulando no elemento filtrante, a dificuldade de passagem faz a pressão na linha
aumentar e isso causa o deslocamento do êmbolo; a extremidade do êmbolo
está ligada a um dispositivo colorido que mostra, dependendo da condição
do elemento filtrante, uma determinada cor no visor do mesmo.
FIGURA 14.5: Filtro de retorno com indicador eletro-óptico de saturação
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
71
Semelhante ao anterior, porém, aqui o deslocamento do êmbolo irá
acionar um contato elétrico que emitirá um sinal de comando podendo, por
exemplo, acender uma lâmpada ciclicamente ou acionar um dispositivo sonoro.
A válvula de retenção que aparece montada ao lado do filtro (montagem em by pass) tem a função de permitir a passagem do fluido quando
ocorrer à saturação do elemento filtrante. É importante que se observe à
pressão de abertura dessa retenção para cada tipo de filtro. Esse dado é
fornecido em catálogos de fabricantes. O by pass normalmente acompanha
o elemento filtrante.
Pela posição de montagem da válvula de retenção em by pass identifica-se facilmente o tipo de filtro.
14.1.1 Materiais dos Elementos Filtrantes
Os materiais mais comumente utilizados na fabricação de elementos
filtrantes são:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Tela metálica – Feita de aço inoxidável;
Papel - Os filtros de papel filtram bem, porém não podem ser
lavados;
Fibra metálica – Apresenta algumas vantagens como segue:
Boa capacidade de absorção;
Longa vida útil;
Independente da temperatura;
Admite grande diferença de pressão.
A figura seguinte mostra alguns tipos de elementos filtrantes.
FIGURA 14.6: Exemplos de materiais filtrantes
FONTE: REXROTH, p.164
Elementos filtrantes de diversos materiais, como, da esquerda para a
direita: tela metálica, papel, fibra metálica.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
72
15
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
VÁL
VULAS
VÁLVULAS
CONTROLADORAS DE
VAZÃO (FL
UX
O)
(FLUX
UXO)
As válvulas controladoras de vazão são utilizadas para influenciar na
velocidade de movimento dos atuadores, variando-se a área da seção transversal de passagem do fluido. A área do orifício e o elemento controlável são
responsáveis pelo controle, mas existem outros fatores que afetam o controle da velocidade, como o diferencial de pressão e a viscosidade do fluido,
portanto, estes fatores merecem cuidados quando o movimento exigido for
de precisão. Seus principais tipos são:
ƒ
Válvulas controladoras de vazão sem compensação de pres
são - Este tipo é o mais simples que existe para controle de vazão, conhecidas como redutoras de vazão, podem ser comparadas a uma torneira comum, pois controlam restringindo ou aumentando a passagem do fluido em
seu interior. Com a mesma secção transversal varia a vazão em função da
alteração da pressão no local do estrangulamento.
Os elementos controladores e assento variam na sua forma de projeto
para projeto como podemos verificar:
FIGURA 15.1: Orifícios para regulagem de vazão
FONTE: RACINE, 1981 p.190
Estas válvulas controlam nos dois sentidos, sendo válvulas de controle
bidirecionais, mas se acrescentarmos uma retenção em paralelo passam a
ser válvulas de controle unidirecional, um único sentido.
ƒ
Válvula controladora bidirecional e tipos de elementos con-
troladores
FIGURA 15.2: Válvulas reguladoras de vazão bidirecional
FONTE: SENAI - CTAI
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
73
ƒ
Válvulas redutoras de vazão com retenção (controle unidirecional)
FIGURA 15.3: Válvula reguladora de vazão unidirecional
FONTE: RACINE, 1981 p.191
ƒ
Válvula controladora de vazão com compensação de pressão
FIGURA 15.4: Válvulas reguladoras de vazão unidirecional, montagem em bloco e em linha
FONTE: RACINE, 1977 p.191
Com a mesma seção do estrangulamento a vazão permanece constante, independente da diferença de pressão na válvula controladora de vazão. Estas válvulas são utilizadas em sistemas hidráulicos que necessitam de
controle rigoroso da velocidade nos atuadores.
A vazão em uma seção de estrangulamento para um fluxo laminar é
calculada de acordo com a seguinte equação:
Onde:
Q = Vazão;
A = Área da seção do estrangulamento;
P = Perda de pressão (Diferença de pressão entre A e B)
= Coeficiente de fluxo;
= Densidade do fluido;
= Coeficiente de resistência (atrito);
L = Comprimento do estrangulamento;
= Viscosidade;
V = Velocidade do fluxo;
dH = Diâmetro hidráulico =
, onde U é o perímetro da seção.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
74
O valor para o coeficiente de fluxo (j) depende da configuração do
estrangulamento; para cálculo podemos tomar entre 0,6 a 0,9.
Obs: Para a utilização prática no nosso caso, é importante saber que a
vazão é proporcional a diferença de pressão, pois a pressão é a energia propulsora.
ƒ
Válvulas reguladoras de fluxo de 2 vias - Estas válvulas possuem um estrangulamento (redutora de fluxo), um êmbolo compensador
mais uma mola calibrada para manter um diferencial de pressão (DP) constante no estrangulamento. Estas válvulas para perfeitamente para trabalharem perfeitamente necessitam de uma pressão mínima de trabalho.
FIGURA 15.5: Construção tipo “A” estreitamento antes do compensador
FONTE: SENAI - CTAI
FIGURA 15.6: Construção tipo “B” estreitamento depois do compensador
FONTE: SENAI - CTAI
Explicações e provas matemáticas de como o balanceamento da pressão compensa as flutuações de pressões e mantém constante a vazão, estas
flutuações podem ocorrer na entrada P1 e na saída P3:
Na construção tipo “A”, pelo lado direito a pressão P1, atua sobre a
área do êmbolo A1, o produto da pressão e da área resulta numa força F1. Do
lado esquerdo a pressão P2, atua sobre a outra área do êmbolo A2, resultando uma força, que somado a força da mola calibrada Fm, que é praticamente
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
75
constante devido ao seu pequeno curso, originam a força F2.
As forças atuantes sobre o êmbolo de regulagem, devem estar em
equilíbrio.
F1 = F2
P1 . A1 = P2. A2 + Fm
te.
Como a Fm e A1 são constantes, a diferença P1 e P2 devem ser constanP1 - P2 = DP = constante.
ƒ
Quando há flutuação da pressão na saída, no caso, aumento da
pressão P3, instantaneamente há um aumento de P2, aumentando a força F2
que desloca o êmbolo para aumentar o orifício do estrangulamento entre P2
e P3. No caso de queda de pressão P3, instantaneamente reduz P2 que por
conseqüência reduz a força F2, havendo deslocamento do êmbolo que reduz
o orifício do estrangulamento.
ƒ
Quando há flutuação da pressão na entrada, no caso, aumento
de pressão P1, a forca F1 aumenta, provocando o deslocamento do êmbolo
reduzido o estrangulamento. Com a queda de P1, ocorre o inverso.
Na construção tipo “B”, o líquido sob pressão P1, passa pelo estrangulamento formado pelo êmbolo compensador, passando pelo estrangulamento da agulha, no qual passa a vazão ajustada. A mola e o êmbolo constituem um balanceamento de pressão, que mantém constante a vazão independente das respectivas pressões de entrada e de saída.
ƒ
Quando há flutuação da pressão na saída, no caso, aumento da
pressão P3, instantaneamente há um aumento da força F2 que desloca o
êmbolo para aumentar o orifício do estrangulamento entre P1 e P2. No caso
de queda de pressão P3, instantaneamente reduz F2, provocando deslocamento do êmbolo reduzindo o orifício do estrangulamento entre P1 e P2;
ƒ
Quando há flutuação da pressão na entrada, no caso, aumento
de pressão P1, aumenta também P2 que conseqüentemente aumenta forca
F2, provocando o deslocamento do êmbolo reduzido o estrangulamento entre P1 e P2. Com a queda de P1, ocorre o inverso.
É conhecido o fato de que a variação da temperatura no fluido influencia na viscosidade e conseqüentemente na vazão, para as válvulas
controladoras de vazão compensarem este diferencial de vazão, devido à
viscosidade, utiliza-se sistemas compensadores de temperatura, um deles é
o princípio do canto vivo ou sharp-edge, experimentalmente demonstrou-se
eficiente, quando observado a relação entre o comprimento do orifício e o
seu diâmetro menor que 1.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
76
Existem também outras maneiras de compensar a temperatura, aproveitando a diferença de dilatação térmica de certos metais.
15.1 Controlar Velocidade dos Atuadores
Para controlar a velocidade dos atuadores existem três maneiras distintas de se utilizar uma válvula controladora de vazão. Elas podem ser montadas na entrada, na saída ou em desvio tipo sangria.
ƒ
Na Entrada é quando controlamos, através de uma válvula reguladora de fluxo, o fluido que entra no atuador. Este método é
utilizado quando a carga resiste ao movimento do atuador;
ƒ
Pela Saída é quando controlamos, através de uma válvula de reguladora de fluxo, o fluido que sai do atuador. Este método é
utilizado quando a carga tende a fugir do atuador, é recomendado também para os casos onde existem vazios durante o movimento e não se deseja a interferência no funcionamento de
válvulas de seqüência e pressostatos;
ƒ
Dois métodos estudados podem também ter a válvula montada
antes da direcional, com isto teremos o controle do fluxo nos
dois sentidos e não de forma independente.
ƒ
Em Desvio é quando controlamos a velocidade do atuador, através de uma válvula reguladora de fluxo, colocando parte do fluxo para tanque. Este método é utilizado onde a carga é constante.
FIGURA 15.7: Método de controle de fluxo: na entrada, na saída e em desvio
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
77
15.1.1 Exemplo de Circuito Hidráulico Industrial com
Duas Velocidades de Avanço
FIGURA 15.8: Exemplo de circuito com duas velocidades de avanços rápido e lento
15.1.2 Exemplo de Circuito Hidráulico Industrial com
Três Velocidades de Avanço
FIGURA 15.9: Exemplo de circuito com três velocidades de avanço
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
78
16
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
VÁL
VULAS
VÁLVULAS
REGULADORAS DE
PRESSÃO
As válvulas reguladoras de pressão controlam a pressão do sistema. A
maioria é de posicionamento infinito, ou seja, pode assumir diversas posições desde totalmente aberta até totalmente fechada.
Podem ser:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Válvula de alívio ou limitadoras de pressão (segurança);
Válvula de descarga;
Válvula de seqüência;
Válvula redutora de pressão;
Válvula de contrabalanço, entre outras.
16.1 Princípio Básico de Funcionamento das
Válvulas Reguladoras de Pressão
FIGURA 16.1: Princípio de funcionamento das válvulas reguladoras de pressão
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH, p.113
A pressão de trabalho age contra um elemento de vedação (POPPET)
que é mantido pressionado contra a sede por meio de uma mola.
Quando a pressão de trabalho for maior do que a força da mola o
poppet se afasta da sede deslocando o excesso de vazão que ocasiona a
elevação da pressão ao tanque.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
79
Válvula de alívio - regula a pressão máxima do sistema. Pode ser de
ação direta ou indireta.
FIGURA 16.2: Válvula de alívio
FONTE: RACINE, 1981 p.153
Válvula de descarga - descarrega o sistema numa pressão menor
que válvula de alívio
FIGURA 16.3: Válvula de descarga
FONTE: RACINE, 1981 p.153
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
80
Circuito com bombas em paralelo, com aplicação de válvula de alívio e
válvula de descarga.
FIGURA 16.4: Exemplo de circuito com duas velocidades, utilizando duas bombas em paralelo
Exemplo de aplicação de uma bomba de pistões radiais
FIGURA 16.5: Exemplo de circuito utilizando bombas de pistões radiais
Válvulas de seqüência - São usadas no sistema para determinar uma
seqüência de movimentos entre dois atuadores.
Simbologia
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
81
16.1.1 Válvula de seqüência de ação direta
FIGURA 16.6: Princípio de funcionamento da válvula de seqüência
FONTE: Treinamento Hidráulico, REXROTH, p.118
Circuito Hidráulico Seqüêncial
FIGURA 16.7: Cicuito hidráulico seqüêncial
Circuito Regenerativo Seqüêncial
FIGURA 16.8: Circuito regenerativo seqüêncial
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
82
16.1.2 Válvula Redutora de Pressão
Tem como função reduzir a pressão em determinadas partes do circuito.
Símbolo – Válvula Redutora de Pressão com Retenção Integral
FIGURA 16.9: Válvula redutora de pressão
FONTE: RANCINE, 1977 p.173
16.1.3 Válvula Redutora de Pressão de Operação Direta
FIGURA 16.10: Válvula redutora de pressão de operação direta
FONTE: Treinamento hidráulico, REXROTH p.122
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
83
16.2 Ventagem e Controle Remoto
Fazer a ventagem de um sistema hidráulico é despressurizá-lo por meio
de uma conexão ligada na câmara de ventagem da válvula de alívio.
Símbolo
FIGURA 16.11: Válvula reguladora de pressão com válvula para ventagem acoplada
FONTE: RACINE p.117
É possível ainda conectar esta conexão à outra válvula de alívio a fim de
se controlar a pressão remotamente.
Exemplo de ventagem e controle remoto
FIGURA 16.12: Controle de pressão remoto.
Posição central da válvula direcional
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
84
Com os solenóides a e b desativados temos a ventagem do sistema
FIGURA 16.13: Controle de pressão remoto, solenóide “b” energizado
Acionando-se o solenóide “b”, a pressão do sistema será controlada
remotamente através da válvula E.
FIGURA 16.14: Controle de pressão remoto, solenóide “a” energizado.
Ativando-se o solenóide “a”, a pressão do sistema será controlada através da válvula C.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
85
17
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
ELEMENTO LÓGICO
É um elemento versátil, pois pode ser usado como:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Válvula direcional;
Válvula reguladora de vazão;
Válvula de retenção simples ou pilotada;
Válvula reguladora de pressão; entre outras funções combina-
das.
FIGURA 17.1: Príncipio de funcionamento do elemento lógico
FONTE: Treinamento hidráulico, REXROTH, p.87
Características
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Não apresenta vazamentos;
Possui rapidez nas respostas;
Pode trabalhar lentamente;
Possui comandos suaves;
É versátil;
Possui vários tamanhos.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
86
17.1 Alguns Exemplos de Aplicação
FIGURA 17.2: Retenção de A para B
FIGURA 17.3: Retenção de B para A
FIGURA 17.4: Possibilidade de comando por B
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
87
FIGURA 17.5: Possibilidade de comando por A
FIGURA 17.6: Possibilidade de comando por A e B
FIGURA 17.7: Válvula de retenção pilotada
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
88
FIGURA 17.8: Integração entre válvula direcional e válvula de retenção
Limitando-se a elevação do cone principal o elemento lógico passa a
exercer a função de uma válvula reguladora de vazão.
FIGURA 17.9: Retenção em uma direção e controle de fluxo no sentido contrário
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
89
FIGURA 17.10: Integração entre válvula direcional e reguladora de vazão
FIGURA 17.11: Dupla retenção
FIGURA 17.12: Válvula limitadora de pressão
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
90
Exemplo de aplicação de elementos lógico.
FIGURA 17.13: Exemplo de circuito com aplicação de elementos lógicos
Seqüência de funcionamento elétrico:
Posição de repouso: S1, S2 e S3 desligados.
Avanço: S2 e S3 ligados
Retorno: S1 e S3 ligados.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
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18
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
TROCADOR DE CAL
OR
CALOR
São dispositivos utilizados para refrigerar óleo com objetivo de manter
sua viscosidade constante. Refrigeram o sistema hidráulico. Seus principais
tipos são:
18.1 Trocador de Calor a Ar
FIGURA 18.1: Trocador de calor a ar
FONTE: RACINE, 1981 p.260
18.2 Trocador de Calor a Água
FIGURA 18.2: Trocador de calor a água
FONTE: RACINE, 1981 p.262
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19
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
ACUMULADORES
Os acumuladores armazenam certo volume de fluido sob pressão para
fornecê-lo ao sistema quando necessário.
Podem cumprir ainda as seguintes funções:
ƒ
ƒ
ƒ
Como equipamento auxiliar de emergência;
Como amortecedor de pancadas hidráulicas;
Para aumentar a velocidade de um atuador; entre outras.
Tipos
De peso, de mola, de pistão, de membrana e de bexiga.
FIGURA 19.1: Tipos construtivos de acumuladores
FONTE: Treinamento hidráulico, REXROTH, p.260
Simbologia
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
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19.1 Comentário sobre Acumuladores
Destes acumuladores, os de peso e de mola são pouco aplicáveis na
indústria, os mais aplicáveis são os que utilizam o gás nitrogênio. O nitrogênio é utilizado, devido as suas características de estabilidade com relação a
pressão, ser inerte, não oferecer perigo de explosão e não atacar os diversos
tipos de elastômeros.
Quando há necessidade de acumular grandes quantidades de óleo 15
a 80 litros, utilizam-se acumuladores de êmbolo. O êmbolo móvel que se
desloca livremente ao logo da camisa, é o elemento que separa que separa o
óleo do gás nitrogênio.
Para volumes menores de 1 a 30 litros, utilizam-se acumuladores flexíveis ou elásticos de bexiga e a energia é acumulada pelo gás nitrogênio dentro da mesma. A bexiga é um balão de borracha, colocado no interior de um
recipiente de aço com formato cilíndrico e extremidades arredondadas. Estes acumuladores se caracterizam por possuírem estanqueidade absoluta,
resposta rápida e praticamente se inércia.
Ciclo de trabalho de um acumulador de membrana.
FIGURA 19.2: Seqüência de funcionamento de um acumulador de membrana
FONTE: RACINE, 1981, p.227
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
94
Ciclo de trabalho de um acumulador de bexiga
FIGURA 19.3: Seqüência de funcionamento de um acumulador de bexiga
FONTE: RACINE, 1981, p.228
Exemplo de circuito com aplicação de acumulador hidráulico.
FIGURA 19.4: Circuito hidráulico industrial com aplicação de acumulador de bexiga
FONTE: RACINE, 1981, p. 288
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
95
20
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
INTENSIFICADORES DE
PRESSÃO - “BOOSTERS”
Os intensificadores de pressão (Boosters), são dispositivos que convertem fluido à baixa pressão em fluido à alta pressão, isto é, intensificam a
pressão de um sistema hidráulico.
FIGURA 20.1: Princípio de funcionamento do multiplicador hidráulico
FONTE: RACINE, 1981, p. 289
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
96
21
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
INSTRUMENTOS DE
MEDIÇÃO
São acessórios usados para avaliar o rendimento dos sistemas hidráulicos (pressão, temperatura vácuo e vazão; entre outros). Os principais instrumentos empregados na hidráulica são:
Manômetro de Bourdon - pode ser a seco ou em banho de glicerina
para amortecer as vibrações e lubrificar o manômetro aumentando sua vida
útil.
FIGURA 21.1: Princípio de funcionamento do manômentro de Bourbon
FONTE: RACINE, 1981 p.275
21.1 Manômetro com Sinal Elétrico
FIGURA 21.2: Manômentro com limites de pressão máximo e mínimo
FONTE: RACINE, 1981 p.277
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
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Válvula Isoladora de Manômetro - usada quando não houver necessidades de leituras constantes de pressão proporcionando vida útil mais
longa ao manômetro.
FIGURA 21.3: Válvula isoladora de manômetro
FONTE: RACINE, 1981 p.276
21.2 Termômetros
Registram a temperatura do fluído. Classificam-se em:
ƒ
ƒ
Termômetros de gás líquido;
Termômetro industrial. (princípio termopar).
Termostato - limitam a temperatura em níveis máximo e mínimo. Quando esses valores são atingidos, um sinal elétrico é enviado ou cortado para o
painel de controle elétrico.
Pressostato - é um elemento eletro-hidráulico que limita níveis máximo e mínimo de pressão.
Pode atuar de três maneiras:
ƒ
ƒ
ƒ
Enviar um sinal elétrico;
Cortar um sinal elétrico;
Cortar um sinal elétrico de um ponto e enviar outro sinal elétrico
para um ponto diferente.
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
98
Tipos
Pressostato de Êmbolo
FIGURA 21.4: Pressostato de êmbolo
FONTE: REXROTH p.167
Pressostato tipo Bourdon
FIGURA 21.5: Pressostato tipo bourbon
FONTE: Treinento hidráulico, REXROTH, p.168
HIDRÁULICA E TÉCNICAS DE COMANDO
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22
CAPÍTUL
O
CAPÍTULO
ELEMENTOS DE
INTERLIGAÇÃO
INTERLIGAÇÃO,,
CONEXÃO E VED
AÇÕES
VEDAÇÕES
O transporte do fluido no sistema hidráulico é feito pôr meio de pressão através de elementos de interligação, ou seja, tubos, mangueiras e placas de ligação e até mesmo os blocos manifold.
Considerações para selecionar os elementos de ligação:
ƒ
Tubulações estreitas provocam cavitação na bomba, perdas de
eficiência e superaquecimento do circuito interno;
ƒ
Paredes demasiadamente finas estão sujeitas a quebrar. Paredes
grossas demais provocarão um acréscimo inútil no peso e no preço da instalação.
22.1 Tubos
Para instalações rígidas são os elementos mais comuns usados nos sistemas hidráulicos, para este tipo de ligação devemos considerar:
ƒ
ƒ
Dimensionamento em função da vazão e da pressão;
Conexões galvanizadas devem ser evitadas, pois o zinco reage
com certos aditivos do óleo;
ƒ
Tubulações de cobre devem ser evitadas, pois com a vibração do
sistema hidráulico o cobre endurece e se torna quebradiço, além do mais
reage com o óleo diminuindo a vida útil;
ƒ
Onde as máquinas vibram muito estão sujeitas a trincas.
22.2 Mangueiras
São utilizadas com interligação flexível entre unidades hidráulicas móveis ou ainda onde as interligações rígidas são difíceis de serem executadas.
Para a escolha da mangueira deve-se considerar a pressão de trabalho
e o diâmetro nominal da mangueira que são indicados pelo fabricante.
FIGURA 22.1: Exemplos de mangueiras hidráulicas industriais
FONTE: Catálogo da aeroquip
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22.3 Placas de Ligação e Blocos Manifold
São elementos de ligação, atualmente muito utilizados para interligar
válvulas a vedação entre as válvulas e a placa é feita através de anéis O’ring.
A face de apoio da válvula é retificada e pressa com parafusos à placa
de ligação, facilitando a montagem e desmontagem, deixando o sistema mais
compacto.
FIGURA 22.2: Esquema interno de um bloco manifold
FONTE: RACINE, 1994 p.277
22.4 Elementos de conexão
A ligação entre os tubos, ou entre as mangueiras, ou ainda entre esses
elementos e as válvulas, cilindros ou bombas é feita pelos elementos de conexão, quais sejam: conexões por roscas e conexões por flanges.
As conexões hidráulicas são sujeitas a grandes esforços. Devem estar
sempre vedadas hermeticamente devido às altas pressões e solicitações
mecânicas, tais como vibrações, dilatação ou contração térmica entre outras.
22.4.1 Conexões por roscas
FIGURA 22.3: Exemplo de conexões industriais
FONTE: Catálogo da aeroquip
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REFERÊCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
RACINE HIDRAULICA. Manual de hidráulica básica. 3. ed. Porto Alegre, 1981.
323 p.
REXROTH. Treinamento hidráuico THR: curso básico de óleo-hidráulica industrial para engenheiros e técnicos. São Paulo, 1987. 132 p.
REXROTH. Treinamento hidráulico MHR: curso básico de óleo-hidráulica industrial para mecânicos de manutenção. 3. Revisão. São Paulo, 1987. 182 p.
SENAI. SP. Comandos hidráulicos: informações tecnológicas. São Paulo, 1987.
452 p.
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