Manual de Hidráulica Básica

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Racine Hidráulica Manual de hidráulica básica. Porto Alegre, 1981 - 3.' Edição. 323p, ilust.

1. Hidráulica.

1. Título. CDU 532

Preparada pelas bibliotecárias: Esther Eunice Lindemayer e Paulete Golbert

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. MANUAL DE HIDRÁULICA BÁSICA \

Rexnord IIIIIIII 111 Racine Hidráulica Ltda.

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1981 .

3.ª Edição

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SUMÁRIO NOTA

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CAP.!

INTRODUÇÃ0/9 1. Um pouco de história/9 2. Conceitos/10 3. Classificação dos sistemas hidráulicos/10 4. Esquema geral de um sistem·a hidráulico/11 5. Vantagens e desvantagens dos sistemas hidráulicos/11

CAP. II

CONHECIMENTOS FUNDAMENTAIS/13 1. Lei de Pascal/ 13 2. Princípio da conservação da energia/ 14 3. Força e pressão/15 4. Pressão hidrostática/15 5. Princípio de Bernoulli/17 6. Escoamento do fluido em tubulações/IS 7. Vazão em tubulações/19 · 8. Perda ·de carga na linha de pressão de um sistema hidráulic0/20 9. Cálculos/21 10. Exemplos de cálculos/27

CAP.lll

SIMBOLOGIA/33 1. Representação básica/33 2. Dutos/34 3. Reservatórios e acumuladores/35 4. Condicionadores de fluido/36 5. Atuadores lineares/37 6. Comandos e controles/38 7. Dispositivos rotativos/39 8. Instrumentos e acessórios/41 9. Válvulas de controle direcional/42 10. Válvulas de controle de pressão/43 11. Válvulas de controle de vazão/44

CAP. IV

FLUIDOS HIDRÁULICOS/45 1. O Óleo mineral/45 2. Fluidos resistentes ao fogo/50 3. A hora da troca. Procedimentos/54

CAP. V

RESERVATÓRIOS E ACESSÓRIOS/55 1. As funções do reservatório/55 2. Construção do reservatório/55 3. Acessórios/61 4. Considerações finats/63

CAP. VI

FILTROS/65 1. Princípio de filtragem mecânica/65 2. Exemplo de aplicação/69 3. Considerações finais/70

CAP. VII

CILINDROS/73 1. Tipos de ctlindros/74 2. Vedações nos cilindros/78 3. Aplicações/82 4. Cálculos/84 5. Considerações finais/99

CAP. Vlll

BOMBAS/127 1. Conceito/127 2. Tipos de bombas/128 3. Cuidados na instalação de bombas/141 4. Procedimentos no momento da troca/144 5. Considerações finais/145

CAP. IX

VÂLVULAS REGULADORAS DE PRESSÃ0/149 - Considerações iniciais/149 1. Válvulas de alívio e segurança/150 2. Válvula de descarga/157 3. Válvula de contrabalanço/159 4. Válvula de seqüência/161 5. Válvula redutora de pressão/163 6. Válvula supressora de choque/164 7. Observações finais - sumário/165

CAP.X

CAP. XI

-

VÂLVULAS DE CONTROLE DIRECIONAL/167 1. Considerações iniciais/168 2. Tipos de válvulas direcionais/168 VÂLVULAS REGULADORAS DE VAZÃ0/189

1. Introdução/189 2. 3. 4. 5.

Princípio de funcionamento/189 Tipos de válvulas reguladoras de vazão/ 190 Tipos de aplicação de válvulas reguladoras de vazão/194 Observações fin~is/199

CAP. XII

ATUADORES ROTATIVOS/203 !. Introdução/203 2. Os motores hidráulicos/203 3. Os osciladores hidráulicos/21 &

CAP. XIII

ACUMULADORES HIDRÂULICOS/223

1. Tipos de acumuladores - classificação construtiva/223 2. 3. 4. 5.

Considerações sobre que tipo de acumuladores empregar/229 Aplicações/229 Dimensionam·ento/237 Observações finais/244

CAP. XIV

INTENSIFICADORES DE PRESSÃO - "BOOSTERS"/247 1. Tipo de intensificadores de pressão/24 7 2. Exemplos de aplicação/251 3. Características dos intensificadores de ação contínua RACINE/253 4. Observações finais/254

CAP.XV

TROCADORES DE CALOR/259

1. Resfriadores/259 2. Aquecedores/266 CAP. XVI

OUTROS EQUIPAMENTOS/267

1. Motor elétrico/267 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. CAP. XVII

Acoplamentos elásticos/ O bloco ''manifold"/273 Manômetros/275 Termômetros/278 O pressostato/279 O limitador de curso/281 O relé de tempo/284 Observações finais/284

FORMULÂRIOS, TABELAS DE CONVERSÃO E UNIDADES DE MEDIDAS/287 1. Fórmulas mais utilizadas/287 2. Unidades de Medidas/291 3. Tabelas de conversão de unidades/298 4. Outras tabelas, diagramas e ábacos/303 Siglas/315 Alfanuméricos/321 Bibliografia/322 Recibo do Manual/323

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NOTA

A RACINE HIDRAULICA LTDA., empresa filiada ao grupo REXNORD, vem há alguns anos, através de seu Departamento de Engenharia de Treinamento, ministrando cursos que visam dar melhor aprimoramento técnico hidráulico aos funcionários das empresas que utilizam seus produtos. Nesses cursos, procura-se desenvolver não só a parte prática do funcionamento do equipamento, mas, fambém, a teoria necessária para os cálculos analíticos e gráficos.

Dentre os diversos cursos ministrados, o primeiro deles intitula-se "HIDRAULICA BASICA". Dessa forma, surgiu a idéia de se fazer um manual que serviria de base para o acompanhamento desse curso, e de esteio para os cursos subseqüentes. Assim sendo, nós da RACINE, apresentamos este trabalho que, esperamos, consiga atingir os objetivos a que se propõe.

1 - INTRODUÇÃO

l. UM POUCO DE HISTÔRIA

Existem apenas três métodos conhecidos de transmissão de potência na esfera comercial:(1) a mecânica,(2) a elétrica e (3) a fluí dica. N aturahnente, a transmissão mecânica é 3: mais velha delas, por conseguinte, a mais conhecida. Começou com o "ilustre desconhecido" inventor da roda e utiliza hoje de muitos outros artifícios mais apurados como engrenagens, carnes, correias, correntes, molas,.polias e outros.

A elétrica, que usa geradores, motores elétricos, condutores e uma gama muito grande de outros componentes, é um desenvolvimento dos tempos modernos. É o único meio de se transmitir energia a grandes distâncias. A força fluida tem sua origem, por incrível que pareça, a milhares de anos antes de Cristo. O marco inicial, de que se tem conhecimento, foi o uso da potência fluida em uma roda d'água, que emprega a energia potencial da água armazenada a uma certa altura, para a geração de energia. Os romanos por sua vez, tinham um sistema de armazenamento de água e transmissão, através de canais ou dutos para as casas de banho ou fontes ornamentais. 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. Os fatos mais marcantes da história da energia fluida poderiam ser relacionados como os seguintes: • Em 1795, um mecan1co inglês, Joseph Bramah, construiu ·a primeira prensa hidráulica, usando como meio transmissor, a água; • Em 1850, Armstrong desenvolveu o primeiro guindaste hidráulico, e para fazê.Jo, desen· volveu, também, o primeiro acumulador hidráulico; • Em 1900, a construção da primeira bomba de pistões axiais nos Estados Unidos, ocorrendo aqui, a substituição da água por óleo mineral, com muita vantagem. Hoje, com o desenvolvimento de novos metais e fluidos obtidos sinteticamente, a versatilidade e a dependência do uso da transmissão de força fluida torna-se evidente, desde o seu uso para um simples sistema de frenagern em um automóvel até a -sua utilização para complexos sistemas das aeronaves modernas e até mísseis. Nos dias atuais, sem a energia fluida, a tecnologia moderna seria impossível. Onde você poderia encontrar potência suficientemente grande para erguer um caminhão de grande tonelagem, ou suficientemente pequena para prender um ovo sem furar sua casca?

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' Manual de hidráulica básica

10 2. CONCEITOS Daremos a seguir algumas definições que se aplicam ao nosso estudo: Fluido:

Qualquer substância capaz de escoar e assumir a forma do recipiente que o contém. Como estamos tratando apenas de sistemas hidráulicos, o fluido que nos interessa é o óleo hidráulico. O Fluido pode ser líquido ou gasoso. Hidráulica: Ê a ciência que estuda líquidos em escoamento e sob pressão. No nosso estudo; tratamos apenas da óleo-hidráulica que é um ramo da hidráulica que utiliza o óleo como fluido. Sistemas óleo-hidráulicos: São sistemas transmissores de potência ou movimento, utilizando como elemento transmissor o óleo que, sob pressão, é praticamente incompressível. Os sistemas óleo-hidráulicos podem ser classificados de duas formas: estáticos e cinéticos. Sistemas óleo-hidráulicos estáticos:

São sistemas onde a energia utilizada é a potencial, com o fluido sob alta pressão e baixa velocidade. Atualmente, tem-se conseguido atingir até 1000 bar (14507,43 psi) Sistemas óleo-hidráulicos cllléticos: São sistemas onde a energia utilizada é a cinética, para a transmissão de potência. Em outras palavras, é utilizado o fluido animado a altas velocidades, em tomo de 50m/seg (180km/h). Nosso estudo se voltará mais aos sistemas óleo-hidráulicos estáticos aplicados, por exemplo, em prensas, guindastes, máquinas-fer ramenta, ~jetoras de plásticos, etc. Os sistemas óleo-hidráulicos estáticos são também denominados simplesmente óleo-hidráulicos. 1

!' 3. CLASSIFICA ÇÃO DOS SISTEMAS lilDRÁULIC OS Os sistemas hidráulicos podem ser classificados de diversas maneiras. 3.1. De acordo com a pressão: Segundo a J.I.C. (Joint lndustry Conference), extinta em 1967 e a atual NFPA (National Fluid Power Association), classificamos, quanto a pressão da seguinte forma:

O a 14 bar 14 a 35 bar 35 a 84 bar 84 a 210 bar Acima de 210 bar

(O

a (203,10 a (507,76 a (1218,62 a (Acima de

203,10 507,76 1218,62 3046,56 3046,56

psi) psi) psi) psi) psi)

-

Baixa pressão Média pressão Média-alta pressão Alta pressão Extra-alta pressão

3.2. De acordo com a sua aplicação: São classificados em sistemas de pressão contínua ou em sistemas de pressão intermitentes . 3.3. De acordo com o tipo de bomba: Clà.ssificamos em sistemas de vazão constante ou vazão variável.

Introdução

11

3.4. De acordo com o controle de direção: Sistemas de uma via (controlado por válvulas) ou de duas vias (com bombas reversíveisJ.

l 4. ESQl.JEMA GERAL DE UM SISTEMA HIDRÁULICO

De acordo com o tipo de aplicação, existe uma grande infinidade de tipos de circuitos hidráulicos, porém, todos eles seguem sempre um mesmo esquema, que poderíamos dividir em três partes principais: 4.1. Sistema de geração

É constituído pelo reservatório, filtros, bombas, motores, acumuladores, intensificadores de pressão e outros acessórios. 4.2. Sistema de distribuição e controle Constituído por válvulas controladoras de vazão, pressão e direcionais.

43. Sistema de aplicação de energia

Aqui, encontramos os atuadores, que podem ser cilindr~s, motores hidráulicos e osciladores. Simbolicamente, podemos exemplificar o que foi explanado acima, através da fig. I. l.

Transmissão

Transmissão

Sistema

Sistema de

gerador

controle

Atuadores

Fig. 1.1 - Esquema de um sistema hidráulico.

5. VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS O sistema hidráulico é ·empregado quando se tenta evitar ou é impossível empregar-se sistemas mecânicos ou elétricos. Fazendo uma comparação entre estes três sistemas, analisamos as vantagens e desvantagens do emprego dos sistemas hidráulicos. 5.1.Vantagens - Fácil instalação dos diversos elementos, oferecendo grande flexibilidade, inclusive em espaços reduzidos. O equivalente em sistemas mecânicos já não apresenta essa flexibilidade;

- Devido a baixa inércia, os sistemas hidráulicos permitem uma rápida e suave inversão de movimento, não ocorrendo o mesmo nos sistemas mAcânicos e elétricos; - Possibilidade de variações micrométricas na velocidade. Já os sistemas mecânicos e elétricos só as tem escalonadas e de modo custoso e difícil; - São sistemas autolubrificados, não ocorrendo o mesmo com os mecânicos ou elétricos;

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Manual de hidráulica básica

12

- Têm pequeno peso e tamanho com relação a potência consumida em comparação aos sistemas elétricos e mecânicos;

- Possibilidade de comando por apalpa dores ( copiadores hidráulicos); - São sistemas de fácil proteção em comparação aos mecânicos e elétricos; - O óleo hidráulico é um excelente condutor de calor, o que inclusive é um fator importante no dimensionamento do reservatório que poderá servir ~orno trocador de calor, etc.

5.2. Desvantagens - Seu custo é mais alto em comparação aos sistemas mecânicos e elétricos; - Baixo rendimento, que é devido a três fatores:

a) transformação de energia elétrica em mecânica e mecânica em hidráulica para, posteriormente, ser transformada novamente em mecânica; b) vazamentos internos em todos os componentes; e) atritos internos e externos; - Perigo de incêndio pois o óleo, normalmente, é fuflamável. Atualmerite tem-se empregado em certos casos fluidos resistentes ao fogo que, na realidade, apenas evitam a propagação do fogo, como veremos mais adiante.

5.3. Comparações com sistemas pneumáticos

Os sistemas hidráulicos possuem um controle de força (pressão) e velocidade (vazão) mais apurado do que os sistemas pneumáticos, além de poderem trabalhar em pressões bem mais elevadas, possibilitando assim uma transmissão de potência maior. ferdem apenas no custo onde os sistemas pneumáticos apresentam um investimento menor.

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Conhecimentos fundamentais

13

II - CONHECIMENTOS FUNDAMENTAIS

Assim como qualquer outra ciência, a hidráulica necessita de conhecimentos básicos, a fim de que consigamos obter dela, aquilo que realmente necessitamos. De nada adiantaria, por exemplo,

tentarmos efetuar uma operação de multiplicação sem antes sabermos a tábua da soma. Dessa forma, este capítulo tratará desde os princípios fuodarnentais da hidráulica até os cálculos mais empregados na prática. 1. LEI DE PASCAL Blaise Pascal enoociou vários princípios aplicados a hidráulica, entre eles, o que mais se destaca, é o "Princípio Fundamental da Hidráulica", que diz:

"Toda a pressão aplicada sobre um fluido confinado a um recipiente fechado, age igualmente em todas as direções dentro da massa fluida e perpendicularmente às paredes do recipiente."

Fig. 11.1 - Lei de Pascal.

A figura 11.1. ilustra esse princípio. Os movimentos e forças podem ser transmitidos através do fluido que age de acordo com o princípio da Lei de Pascal. Se aplicarmos uma pressão no ponto "A", essa mesma oressão será re1üstrada no manômetro no nonto "B".

Manual de hidráulica básica

14

1

2. PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA

Não se consegue criar ou destruir energia. A energia provém da natureza Por exemplo, o calor de uma caldeira provém da queima do óleo que provém do petróleo; a energia elétrica pode ser obtida por hidrelétricas (água), usinas termelétricas (carvão), usinas termonncleares (urânio e derivados). Assim, como podemos ver, toda matéria-prima provém da natureza. Nós não criamos a energia, ela já está lá, sob outra forma. . Podemos, também, fazer a transformação da energia. Por exemplo, em uma usina hidrelétrica transformamos a energia potencial - derivada do armazenamento de água - em energia elétrica. Observando isso, podemos relembrar um princípio enunciado por Lavoisier: "Na natureza nada se cria e nada se perde, tudo se transforma". Ora, como a energia provém da natureza, podemos dizer, também, que não podemos nem criar ou destruir energia, porém, podemos transformá-la. Assim, é comum vermos em sistemas hidráulicos a energia elétrica transformada em mecânica (motor elétrico acionando bomba) e esta última transformada em hidráulica (energia mecânica transferida ao óleo através da bomba). Na figura II.2. vemos a transformação da energia (força) mecânica transformada em hidráulica e transformada novamente em mecânica.

2000kg IOOOkg

Pistão "A"

Pistão "D"

50cm

2

1

Fig. 11.2 - Princípio da conservação da energia.

Na figura II.2. podemos observar que o peso de 2.000kg é movimentado em uma distância de I centímetro por um outro peso de l.OOOkg que se desloca 2 centímetros, em virtude de que a área do pistão "A" é duas vezes menor do que a do "B". Vimos que ccim um peque.no esforço e grande deslocamento, conseguimos um grande esforço com pequeno deslocamento representando trabalhos iguais (fo,ça x deslocamento). Obsetve-se que a hidráulica obedece o "Princípio da Alavanca", isto é, vejamos a figura 113. Notamos que o peso de SOkg equilibra outro de !OOkg a partir de um apoio colocado a 2 metros do primeiro peso e a 1 metro do segundo. Se colocássemos o primeiro peso a 3 metros do apoio mantendo a mesma distância para o segundo, a barra penderia para a esquerda apesar de que SOkg é menor do que !OOkg. Vemos, portanto, que o paralelo que se estabelece entre o princípio da alavanca e a hidráulica, é que nesta última, podemos equilibrar dois pesos distintos desde que, haja uma relação entre as áreas envolvidas, enquanto que na alavanca, o comprimento da barra é o fator importante. Saliente-se ainda que, utilizando-se desse princípio na hidráulica, consegue-se obter grandes forças a partir. de uma oeauena forca fornecida.

Conhecimentos fundamentais

15

50

IOOkg

kg

lm

2m

IOOkg

50 kg

lm

Fig. 11.3 - Princípio da alavanca.

3. FORÇA E PRESSÃO

Podemos definir força, com qualquer causa capaz de realizar trabalho. Por exemplo, se quizermos movimentar um corpo qualquer, deverp.os aplicar uma força sobre ele. O mesmo ocorre' quando quizermos pará-lo.

Se, por outro lado, aplicarmos uma força "F" sobre uma superfície "A", definimos como pressão "P", a razão entre a força "F" e a superfície "A", de forma que, saberemos dizer a força aplicada por unidade de área considerada. Por exemplo, se temos uma dada pressão igual a 30kg/cm2 distribuída em uma superfície de 30cm2 , dizemos que a cada quadrado de lado igual a lcm da superfície considerada, temos atuando uma força de 30kg e podemos dizer, ainda, que temos 900kg de força atuando sobre o corpo. Portanto:

1

i' 1

ou ainda,

onde,

P = pressão F = força A= área

Na óleo-hidráulica dizemos que existe pressão em determinada parte do circuito hidráulico, quando existe resistência ao fluxo de óleo gerado pela bomba. A bomba nunca gera pressão, gera somente vazão de óleo. As resistências encontradas pelo óleo na sua- trajetória são as responsáveis pela geração da pressão. A pressão é, normalmente, expressa por kg/cm2, PSI (pounds per square inches - libras por polegadas quadradas), bárias ou atmosferas. Porém de acordo com o sistema internacional de medidas, a pressão deve ser expressa em bar. 4. PRESSÃO HIDROSTÃTICA

A terra encontra-se envolta por uma camada de ar que é composta de oxigênio, nitrogênio e gases raros. A essa camada, damos o nome de atmosfera. Essa camada de ar possui um peso

Manual de hidráulica básica 16 u convencionado dizer-se que, a nível do mar (nív el= zero), fico determinado e, a partir disso, ao é igual a 1 atmosfera (lat m). pressão exercida pela coluna de ar, ra 11.4, ao nível do mar. rvatório com líquido, como na figu Suponhamos que temos um rese

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Fig. 11.4 - Pressão atmosférica.

al, é distribuída igualmente como vimos pelo princípio de Pasc A pressão aplicada ao fluido, que , será igual a latm . por toda a parede do reservatório da coluna de fluido em um do ar tem influência, então, o peso Devemos observar que, se o peso a pressão existente em qualquer cálculo da pressão total. Por tant o, no terá bém tam na ório rvat rese o cert com a pressão exercida pela colu l à soma da pressão atmosférica igua será da, flui sa mas da to pon ostática. são, damos o nome de, pressão hidr fluida sobre esse pon to. A essa pres ominar de "experiência do experiência que resolvemos den Vale demonstrarmos aqui, uma man ôme tro" . lcm de diâmetro e outr o temos dois reservatórios, um com 3 Veja a fig. II. 5. Suponhamos que = lkg /dm ), a uma altura de 10 água, (densidade da águ a= m/v os cam colo os amb Em m. 20c com s dos manômetros. metros, correspondente às posiçõe 2 pois, aos man ôme tros não , 2 os manômetros será de lkg / cm A pressão marcada por ambos ler a força aplicada por cm para os brad cali o estã eles que já s, ório rvat interessa os diâmetros dos rese da área livre do líquido. lcm

-f

20cm

f 1000cm

1-.·· ....

ôme tro. Fig. 11.5 - Exp eriên cia do man

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17

Conhecimentos fu.ndamentais

No reservatório maior temos uma maior força aplicada sobre sua b~se em virtude de sua área exposta a pressão ser maior do que a área do reservatório pequeno. Pode-se fazer uma verificação prática da variação da pressão corri ~· variação da coluna do líquido. A fig. II.6., mostra um reseJ:Vatório com 3 furos laterais. No furo riiaiS próximo da base sai o jato mais forte, pois, quanto mais próximo da base estivermos, maior ser~.a'·pressão hidrostática e o jato de líquido irá mais longe. .

Fig. 11.6 - Variação da pressão com a altura da coluna üqÇidl'!,.

S. PRINCIPIO DE BERNOULLI

Observemos a fig. II. 7.. Temos duas cámaras "A" e "B" com um tubo de interligação de pequeno diâmetro "C". Suponhamos aplicado sobre o pistão da câmara /'A" uma força "F" que origine uma pressão de lOObar. O óleo tende a escoar pelo duto "C":' até a câmara "B", onde reproduz a mesma pressão de lOOatm Se colocarmos um manômetro no h'.1.bO "C" verificaremos que a leitura será menor do que 100 bar.

lOObar

lOObar

A

...·,·,

B

•..

1' •• •••

Fig. II. 7 - Princípio de Bernoulli.

Manual de hidráulica básica

18

Bernoulli, então, enunciou o seguinte princípio; "A soma da pressão e energia cinética, nos vários pontos de um sistema, é constante, para uma vazão constante". No nosso caso, a pressão em "C" será menor porque aí é maior a velocidade do fluido. Portanto, a pressão estática de um líquido em movimento varia em relação inversa a sua velocidade, i.é, quanto mais aumentarmos a velocidade do fluido, mais diminuiremos sua pressão.

6. ESCOAMENTO DO FLUIDO EM TUBULAÇÕES

Os fluidos possuem uma característica inerente de sempre percorrer "o caminho mais fácil", i.é, se o fluxo pode optar por 3 caminhos ( dutos) diferentes em um sistema hidráulico, é certo que ele optará pelo caminho mais fácil. Suponhamos ter um duto em cuja extremidade exista uma ramificação para três outros dutos, "A",. "B" e "C". No duto "A" temos uma válvula de seqüência que, para ser aberta, exige uma pressão de 50 bar;· no duto "B" temos a sua extremidade ligada à tomada de um cilindro que necessitará de 20 ba.:r de pressão para efetuar um trabalho qualquer. No duto "C", uma válvula de alívio que abrirá quando for atingida a pressão de 70 bar. dirigindo o fluido para tanque. O comportamento do fluxo será de primeiro transpor o duto "B" acionando o cilindro, para depois transpor o duto "A" abrindo a válvula de seqüência, e efetuando outro trabalho qualquer, para, finalmente, transpor o duto "C", abrindo a válvula de alívio e dirigindo-se para o reservatório. Existem dois tipos de escoamento a serem estudados; o escoamento laminar e o escoamento turbulento. O tipo de escoamento depende de vários fatores, entre eles, a rugosidade interna e o diâmetro do tubo onde ocorre o escoamento, a velocidade e viscosidade do fluido, etc. Para se saber quando o regime de escoamento é laminar ou turbulento devemos definir o número de Reynolds "R". O número de Reynolds é dado pela razão do produto da velocidade do fluido com o diâmetro do duto pela viscosidade cinemática.

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IR= v D 1(v para óleo a 220SSU e 38°C = 47,5 centistokes) Quando em um determinado escoamento o número de Reynolds encontra-se na faixa de O a 2.000, dizemos que o escoamento é laminar. Se, porém, o número de Reynolds for maior .do que 3.000, dizemos que o escoamento é turbulento. Na faixa de 2.000 a 3.000 não podemos afirmar CQffi certeza se o escoamento é laminar ou turbulento, podendo ocorrer qualquer um dos dois. Vale observarmos que, se no cálculo introduzirmos D effi cm,v em cm/seg e v em st, "R" resultará um número puro.

Fig. II.8 - Escoamento laminar.

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Fig. 11.9 - Escoamento turbulento.

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19

Conhecimentos fundamentais

O ideal para circuitos óleo-hidráulicos, é que o regime de escoamento seja laminar, (R,,;; 2.000) pois, em escoamentos de regimes turbulentos, as perdas de pressão ( carga) são maiores. Sempre que possível, deve·se evitar o emprego de restrições ou curvas abruptas nos circuitos, pois, fora de dúvidas, são um convite ao regime turbulento.

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Fig. 11.10 - Restrições ou cunras abru p tas.

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Fig. 11.11 - Restrições ou curvas suaves.

7. VAZÃO EM TUBULAÇÕES

A vazão de um fluido pode ser determinada de duas formas distintas. Como ela é dada por 1/min ou g.p.m. (galões por minuto) ou m3 /seg., etc., podemos determiná-la pela razão do volume ldado do fluido por unidade de tempo ou ainda_ pelo produto da velocidade do fluido pela área à

d. o mesmo está escoando. lo=TI (]) lo=v. Al(2)

de

(2) daí, lo=f -AI pois IV =fl

Porém:

s. A=V

V

Q=- (1)=(2) t

Generalizando: Q =v. A=

y_t

ou v =

g_

A

ou A= g_ ou V= Q . t ou t = V

Onde,

Q vazão v = velocidade t tempo

A= área

V=volume s = espaço ou curso

y_

Q

Manual de hidráulica básica

20

•

Deve-se sempre observar a velocidade recomendada para o escoamento do fluido. A RACINE recomenda aos seus clielltes as seguintes velocidades de escoamento para o óleo hidráulico: - Para Sucção e Pfeenchimento:

v = 60,96 a J2! ,92cm/s (2 a 4 f t/s) · - Para Retorno:

v = 304,80 a 457,20cn{/s (10 a 15 ft/s) - Para Retorno apó.~· haver passado por uma válvula reguladora de pressão do tipo alívio:

v '= 457,20 a 76,2,20cm/s (15 a 25 f t/s) - Para Pressão abàiio de 210 bar v

=762,20 a 9l4;40cm/s (25 a 30 ft/s)

- Para Pressão aci;,.,a de '210 bar: v = 457,20 a 509,60cm/s (15 a 20 ft/s) Observando-se est!].s ·.velocidades, estaremos contribuindo para que o sistema tenha escoamento laminar (menor perda d_e Ç3.rga), e o cálculo da tubulação invariavelmente resultará em um diâmetro comercial.

8. PERDA DE CARGA NA LINHA DE PRESSÃO DE UM SISTEMA lllDRÁULICO

Durante o escoarpeilto do fluido através do sistema hidráulico, pode ocorrer uma perda de pressão (mais comumeilte' denominada perda de carga), que é devida a vários fatores. Todos esses fatores entram no cálculo de perda de carga no sistema hidráulico que é feito da seguinte maneira:

llP

=

f.

L

D.

v2:

.:Y

9,266

1 215915

onde,

l\P = perda:d~ carga do sistema em bar f ;' fator dei fricção (número puro) L U + Ls '= comprimento total da tubulação em centímetros U = comprimento da tubulação retilínea em centímetros Ls = compi;ililento equivalente das singularidades em centímetros D diâme.tro interno da tubulação em centímetro v veloci~ade de escoamento do fluido em centímetros/segundo (cm/seg.) y densidade do fluido em libras pé cúbico (kg/m3) (é igual a 881,1.para o óleo

SAE-10}. 215915x9266 = fator de::conversão para a uniformização das unidades. ,, . \

Esta é uma fórmula\simplificada

9. CÁLCULOS

9 .1. Determiuação do fator "f' Esse fator "f' é devído a temperatura do fluido e rugosidade interna do duto, i.é, quanto mais rugoso for internamente.,o duto, maior dificuldade terá o óleo para escuar.

A figura a seguir J,dstra a parede interna de um duto de cobre e moléculas de óleo (polímeros) aumentados microscopiÇari.'1.ente. Podemos notar os picos na parte interna e imaginamos a dificuldade

que os· polímeros teriaql para ultrapassá-los. Essa dificuldade gera um atrito que será o responsável pela perda de carga. ·

Conhecimentos fundamentais

21

Fig. II.12 - Rugosidade de um duto.

X= 64 para tubos rígidos e temperatura constante. X= 75 para tubos rígidos e temperatura variável ou para tubos flexíveis e temperatura constante. X= 90 para tubos flexíveis e temperatura variável. R = número de Reynolds IR= v

f=~ R

~ DI,

onde

v = velocidade do fluido em cm/seg. D= diâmetro interno da tubulação em cm. v = viscosidade cinemática do ·fluido em stokes ( de 0,45 a 0,50 para o óleo hidráu-

lico). O< R

~

2000 escoamento laminar.

2000 < R < 3000 escoamento indeterminado. R

~

3000 escoamento turbulento.

1

9.2. Detenmnação de Ls, LI e L 1

Como salientamos anteriormente, restrições, curvas, bifurcaçõeS, etc., causam perda de carga e aquecimento do fluido. A esse tipo de perda de c~rga, damos o nome de perda de carga localizada. A RACINE através dos seus catálogos, fornece a seus clientes, as perdas de carga que ocorrem em _cada tipo de válvula; por exemplo: a válvula de controle direcional 1/4", quando trabalhando a 200 bar e44~/mindevazão, (2902 psi) possui uma perda de carga localizada de3,Sbar (50,78 psi). Essa queda de pressão é normal em qualquer tipo d, válvula ej quanto maior for a resistência a passagem do óleo, maior será a perda de carga localizada. Podemos observar, então, que as curvas de 90, 45.ou 30 graus, bifurcações, cotovelos, etc., também fornecem uma certà resistência ao fluxo de óleo, ocasionando, portanto, outra perda de carga localizada. Como é milito difícil se estabelecer uma queda de pressão para cada tipo de cotovelo ou curva, etc., o que se costuma fazer é· transformar, em cálculos, esse cotovelo ou curva em um "comprimento equivalente" de canalizaçêlo retilínea, e para tal, existem tabelas que nos auxiliam nestas transformações. Saliente-se que estes cotovelos, curvas, registros, etc., são denominados de singularidades. A ·seguir, apresentamos uma tabela de transformação de singularidades em comprimentos equivalenÍes.

----

~

Fig. II.12A - COMPRIMENTOS EQUNALENTES A PERDAS LOCALIZADAS (EM POLEGADAS DE CANALIZAÇÃO RJlTILÍNEA)

DIÂMETRO

mm 3,175

I

1

1/8

Cotovelo

Cotovelo

Cotovelo

Curva

90° R Longo

90°

90º

45º

90º

CUm 90°

R. Médio

R. Curro

R. L 1

Registro de gaveta

Entrada de borda

normal

1

3,94

7.87

3.94

7,87

7.87

7.87

7.87

11.81

7,'67

7,87

11,81

7)37

ll.81

15.75

7.87

!J75

7J!,7

7.87

i

3.94

3.94

1

3,94

1

JLSO

1

27.Sú j

3,94

51.18

3,94

19.69

7S.74

7.'67

102.36

ll,81

122.05 1--1-1.73

7.87

J.94

94.4'>

7.87

1 l);l

3,94

145.67

7.87

15.75

3.'l--1-

l'l2.bre óleo mineral e fluidos resistent"es ao fogo, p_ódem ser obtidas junto à RACINE através dos boletins técnicos TPSP/3 (Óleo Mineral) é TPSP/4 (Utilização de Fluidos Resistentes ao Fogo).

1

i'

55

Reservatón·os e acessórios

V - RESERVATÔRIOS E ACESSÔRIOS 1

1

Um reservatório hi.Óráulico possui várias funções. A mais evidente delas é como depósito do fluido a ser utilizado no sistema Outras funções importantes são, a ajuda que ele fornece ao sistema no resfriamento do fluido e a precipitação das impurezas.

1. AS FUNÇÕES DO RESERVATÔRIO 1.1. Armazenamento. de óleo O fluido utilizado 'e.~ um sistema hidráulico deve ser armazenado de tal forma que ele nunca seja insuficiente ou excessivo. O reseivatório, portanto, deve suprir tantO,_àis ne_cessidades mínimas com máximas do sistema Vej'amos o caso de um cilindro de haste simples, eWo, diâmetro àahaste'Seja metade do diâmetro dd.pt(rt.ãó. Quando estendermos o cilindro, obviaJ:!1~n1:_e.,iremos precisar de um volume de fluido bem mai4?r do que aquele que usaremos para retornà.r o cilindro. Haverá, portanto, uma flutuação cohstante' dÓ·nível de fluido e o reservatório deverá ser dimensiortado de tal forma que, essa flutuação, não altere as condições de operação do sistema. 1.1.1. Dimensionaménto Uma regra prática de dimensionamento de reservatório é fazer·se com que o seu volume ·seja igual ou maior a três veze.s a vazão da(s) bomba(s) que alimenta(m) o sistema. Por exemplo, seja tini sistema hidráulico qualquer que possua uma bomba que fornece uma fazão de 22,71Q/min (6 galões por minuto), o volume mínimo desse reservatório deverá ser de: 22, 71 x 3 = 6ll;l3 litros (18 galões). Essa regra entretanto, nem sempre pode ser aplicada, pois em sistemas mais complexos, com muitos cilindros e linh;is de transmissões grandes, devemos estudá.los como se fossem um "caso particular", levando sempre em consideração que não podemos ter nem fluidó a menoS ou a mais. 1.1.2. Regra da altura do ftltro de sucção Se o· ftltro de _sticção não estiver completamente submerso no fluido, introduziremos uma grande quantidade de át sistema (Fig. V.!). Se, entretanto, o ftltro estiver mergulhado a uma altura muito pequena, poderetilos ter a formação de vórtice (redemoinho) na sucção, o que também acarretará a entrada de (Fig. V.2).

no :ar

,:

'' 1

i

Manual de hidráulica básica

56

Fig. V.1 - Filtro acima do nível d? fluido_.

Fig. V.2 - Formação de vórtice.

Algumas normas recomendam que a cota mínima "h" do nível do fluido ao filtro seja de 76,2mm (3 polegadas) (ver fig. V.3). A extinta J.I.C. formulou como cota mínima, uma vez e meia o diâmetro do duto de sucção; por exemplo, se o duto de sucção é de 76,2mm, a cota "h" deverá ser de 114,3mm. Como segurança, adotamos o critério que nos forneça a maior cota. Salientamos ainda, que a cota h 1 deve ser de no mínimo 50mm, a Ílffi de que as impurezas precipitadas no fundo do reservatório, não venham a entupir a parte inferior do filtro de sucção.

Duto de

sucção

-......---.

Respiro

.......... Nível do fluido

ídtro

Fig. V.3 - Regra da altura do fluido.

.

''' Reservatórios e acessórios

57

Caso seja impossível se observar uma dessas duas condições da cota h, costuma-se introduzir no reservatório uma chicana horizontal um pouco abaixo do nível do fluido, pois dessa forma, mesmo que ocorra a formação de um vórtice, o mesmo se extinguirá antes de chegar ao filtro. Respiro

I

Duto de

sucção

-----.

Nível mínimo

·.= :. . . .· ·.. ··,..

.- ... -..

.·.··· . .-

.·..

Chicana horizontal

Filtro Fig. V.4 - Chicana horizontal.

1.2. Resfriamento do fluido A geração de calor em um sistema hidráulico pode ser devida a vários fatores: - Perdas mecânicas na bomba ou motor hidráulico; - Restrições na linha devido a curvas mal elaboradas ou introdução de válvulas, tais como reguladoras de pressão e vazão; - Válvulas mal dimensionadas, i.é, válvulas que permitam uma vazão máxima menor do que aquela exigida pelo sistema; - Manifolds com excesso de válvulas; - Fricção nas vedações internas dos cilindros, etc. Grande quantidade desse calor gerado pelo sistema é levado para o reservatório, através do próprio fluxo de fluido. De acordo com a complexidade do circuito hidráulico, esse calor pode ser dissipado apenas através das paredes dos cilindros e da tubulação e, principalmente, no reservatório. Em contato com as paredes do tanque, o calor do fluido é trocado através da condução e radiação (ver fig. V.5). pois o calor é transmitido de um corpo mais quente para outro mais frio. O corpo mais quente, nesse caso, é o fluido, e o mais frio, o ar.

~--~

\~ti/!(//

AR

~

..__,....___

~?r -~ ....._...,__

Radiação

Fluido

Condução

'/

Fig. V.5 - Transmissão de calor no reservatório.

!

.!

11

Manual de hidráulica básica

58

Um fator importante a ser levado em consideração é de nunca se colocar o duto de retorno próximo do duto de sucção, pois o fluido que retorna ao reservatório volta imediatamente para o circuito hidráulico, sem efetuar a troca de calor. Como conseqüência, teremos um sistema superaquecido e em pouco tempo o equipamento entrará em pane. ··

Um artifício muito. usado e normalizado pela NFPA, é a introdução de uma chicàna vertical, que obriga a circulação do fluido (fig. V.6). Quando do retorno fluido, o mesmo é obrigado a percorrer por duas vezes o comprimento do reseivatório para chegar ao duto de sucção. Ao percorrer todo esse caminho, o calor contido no fluido vai se dissipando da forma como vimos anteriormente.

Chicana

Duto de

/retorno

Duto de

sucção 1

11

Fig. V.6 - Chicana vertical.

Dependendo da necessjdade, introduzimos um maior número de chicanas verticais para forçar mais a circulação do fluido (ver fig. V.7), aumentando a troca do calor pelo fenômeno da convecção. Quando não conseguimos uma boa troca de calor e redução de temperatura a um nível satisfatório, devemos usar um trocador de calor.

1

"

Fig. V. 7 - Chicanas para circulação do fluido.

59

Reservatórios e acessórios 1.3. Precipitação de impurezas

Quando o fluido retorna para o reservatório, sua velocidade pode decrescer de 304,BOcm/s (lOft/s) até um valor bem baixo. Dessa maneira, se torna fácil a precipitação das impurezas no fundo do tanque (fig. V.8). Essas impurezas precipitadas formam uma espécie de borra que seria um meio termo entre o pixe asfáltico e um óleo sujo de alta viscosidade. Para efetuarmos essa limpeza no momento da troca do fluido, devemos nos munir de um jato de óleo diesel a alta pressão e panos limpos (ver o item que trata sobre a hora da troca do fluido no cap. IV).

Duto de dreno

Precipitação

Fig. V.8 - Circulação do fluido e precipitação de impurezas.

1.4. Circulação interna de ar Todo reservatório hidráulico deve possuir um respiro na base superior (fig. V.4.). Quando succionamos fluido para o sistema, o nível decresce e aquele espaço antes ocupado pelo fluido, deve ser ocupàdo por alguma outra coisa, pois, do contrário, teríamos a formação de uma pressão negativa (Pint < Patm) e não conseguiríamos succionar o fluido para o reservatório. Na cohdição opost~, i.é, quando ocorre o retomo do fluido ao reservatório, o nível elevar-se-á novamente e teremos que desocupar algum espaço para que isso ocorra pois, do contrário, teríamos \UJ;ia.çontrapressão na linha de retorno. Em outras palavras, a pressão interna .do reservatório deverá . Ser sempre igual a pressão atmosférica, excetuando-se, evidentemente, o caso de termos um reser.:~·á.tórí:Ô pressurizado. - Esse espaço deve ser ocupado ou desocupado pelo ar atmosférico, e assim fica eyidente a -;'~tilizaçã do respiro. U111 outro fator importante a ser levado em conta é o fato de que, o fluido quando retorna ao ·.,:re·seÍvatório pode absorver ar, devido a movimentação da superfície livre, que deve ser eliminado para . que· sejam eyitados problemas na sucção ( ver item referente no capítulo IV). Essa desaeração só pode ser feita através do escape do ar contido nas bolhas de espuma, e esse escape é feito pelo respiro.

i

·,!

Manual de hidráulica básica

60 2. CONSTRUÇÃO DO RESERVATÕRIO

De acordo com norma NFP A, vários caminhos devem ser seguidos para a construção do reservatório. Quanto a sua capacidade, já vimos que deve comportar um volume tal que, poderia suprir o sistema durante 3 minutos sem que houvesse retomo do fluido (3 vezes a vazão da bomba). A base do reservatório dêve ter o fundo suportado por quatro pés de no mínimo l 50mm ( 6pol) de altura, para facilitar a sua remoção, drenagem, troca de calor com o ambiente. Os pés devem possuir furos para facilitar a fixação do tanque ao solo. No interior do reservatório deve existir uma chicana vertical para assegurar a circulação do óleo, e se necessário, uma outra chicana horizontal para se evitar a formação do vórtice. Nas laterais menores, devem existir duas tampas de inspeção para auxiliar no momento da limpeza. O fundo do reservatório deve ser confeccionado de tal forma que todo o fluido armazenado possa ser drenado. A parte superior deve ser bem rígida para suportar uma possível montagem de componentes do sistema, tais como, motor elétrico, bomba, válvulas, manifolds, painéis, etc.; para tanto, costuma~se colocar um prato metálico com as perfurações adequadas para a montagem do equipamento (ver fig.V.9). Essa tampa deve ser soldada perlmentralmente às paredes do reservatório. Todos os dutos que venham a ter início ou fim no reservatório, devem possuir uma vedação perfeita através de anéis, flanges ou outros dispositivos. O duto de sucção deve terminar a uma altura. mínima de SOmm (2") do fundo do tanque e os dutos de retorno e dreno deverão estar mergulhados, no mínimo, 75mm (3") abaixo do nível do fluido, ou ainda, como regra básica, uma vez e meia o diâmetro do duto de retorno. O reservatório deve ser pintado interna e externamente para se evitar a oxidação. No caso de fluidos sensíveis ao fogo, consulte o fabricante para saber que tipo de tinta pode ser utilizada.

Duto de Duto de sucção

Respiro

Flange com vedação

Dreno do tanque

Tampa de inspeção

Fig. V.9 - Vista "explodida" de uma unidade hidráulica.

Reservatórios e acessórios

61

Fig. V.10 - Exemplo de unidade hidráulica.

3. ACFSSÔRIOS Ao reservatório, podem ser adicionados uma série de acessórios que auxiliam no trabalho do sistema 3.1. Bocal de enchimento Quando colocamos fluido no reservatório, nos servimos de um bocal, que é chamado "bocal de enchimento". Essa peça pode vir acompanhada de um filtro de tela, com abertura entre as malhas de, aproximadamente, 20()µ (0,2mm). A função desse filtro é evitar que qualquer objeto sólido entre no reseIVatório, pois caso o sistema não tenha filtro de sucção ou foi retirado o filtro, esse objeto será succionado pela bomba, danificando-a de forma irreparável.

DE TOPO

LATERAL

Fig. V.11-Tipos de bocais de enchimento.

'.'

Manual de hidráulica básica

62 3.2. Respiro

O respiro deve ter a forma de um capacete que impeça a precipitação de impurezas sobre a tomada de ar. No interior do respiro existe um sistema que ftltra o ar que entra no reservatório em um "bypass" (passagem em paralelo), que permite a livre saída do ar no interior do tanque. Reservatórios de grande capacidade necessitam vários respiras, para que seja mantida a pressão atmosférica no interior. A nor!fia NFPA, dita que o filtro do respiro deve ter uma malha de no mínimo 40µ (0,04mm) e que o elemento filtrante deve estar protegido contra danos físicos.

Fig. V.12 - Respiro normalizado.

3.3. Indicadores de nível Os indicadores de nível de fluido, em número geralmente de 2, devem estar localizados de tal forma que indiquem o nível núnimo e máximo de fluido no reservatório. O traço indicador do mínimo, deve estar a 75mm da extremidade inferior do indicador de nível; e o traço indicador do máximo nível, a 75mm da extremidade superior. Para o visor, recomenda-se o uso de vidro pirex, que resiste melhor a variações de temperatura. Pode ser incluído no visor um termômetro que efetua a leitura da temperatura do fluido. Existe em disponibilidade comercial esse tipo de indicador de nível com termômetro acoplado.

o

Fig. V.13 - Indicadores de nível de fluido.

Reservatórios e acessórios

63

3.4. Magnetos São imãs utilizados para a captação de limalhas contidas no fluido, provenientes do desgaste do equipamento hidráulico ou mesmo, de um ambiente contaminado com esse tipo de impureza.

1

Fig. V.14 - Magnetos.

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Veremos mais adiante, no capítulo de bombas, a utilização de reservatórios elevados ou pressurizados.

Filtros

65

. VI - FILTROS

O fluido hidráulico, como vimos, deve estar sempre livre de impurezas, pois do contrário encurtamos a vida útil do sistema hidráulico. A função do filtro é livrar o fluido dessas impurezas para assegurar o bom funcionamento do circuito. Existem dois tipos de filtros:

- o filtro químico e - o ftltro mecânico O filtro químico é utilizado em raras ocasiões, quando se requer uma limpeza absoluta do fluido. Como sabemos, o óleo mineral pode tornar-se ácido, alcalino, etc. O filtro químico nada mais é do que um reator que anula o efeito ácido ou básico do óleo, transformando a substância nociva em água e cloreto de sódio, efetuando, a seguir, a separação destes últimos, deixando passar, apenas, óleo mineral puro. O ftltro mecânico é aquele em que nos deteremos mais, pois sua aplicação é decisiva e obrigatória, em todos sistemas hidráulicos.

1. PRINClPIO DA FILTRAGEM MECÂNICA

0

® Fig. VI.l - Filtragem única e filtragem em série.

Manual de hidráulica básica

66

O filtro mecânico é constituído de uma série de "malhas" ou poros. Chamamos de "mesh" e quantidade de malhas existentes por polegada linear do fütro. A figura Vl.l, mostra o princípio de funcionamento do filtro. Na figura ''a" temos um filtro comum, que retém as partículas maiores e deixa passar as menores. Na "b", uma filtragem sucessiva em que a abertura dos poros vai diminuindo e vai retendo partículas cada vez menores, até efetuar a filtragem total ou pelo menos, quase total do fluido. Em ambos os casos, vemos que existem poros em que houve um acúmulo de impurezas, quando a grande maioria dos poros estiver dessa forma, o filtro estará entupido e deverá ser limpo ou trocado.

No princípio do entupimento, se o filtro for de sucção, a bomba ·succionará uma quantidade de fluido menor do que aquela requerida e terá sua vida útil abreviada em virtude da cavitação. Existem vários tamanhos de filtros, cada qual para uma determinada vazão máxima. Caso a vazão requerida pelo sistema não comporte a utilização de 1 filtro apenas, podemos associar outros filtros em paralelo para resolver esse problema. Veja por exemplo a figura VI.2; o sistema precisa de 75 .Q,/min de vazão. Suponhamos que o filtro que admita a maior vazão seja um filtro de 30 9, min. Dessa forma, associamos dois filtros de 30 ,Q, /min e um de 20 ,Q, /min em paralelo capacitando a passagem de uma vazão de 80 ,Q, /min máxima. Observe que, dimensionamos 5 ,Q, /min a mais do que o necessário, pois, como vimos, as impurezas vão entupindo, gradualmente, o filtro e se dimensioª namos o valor exato da vazão, após pouco tempo de uso temos que limpar ou trocar o ftltro.

~

30 ,Q,/min

30t/min

209,/min

Fig. Vl.2 - Filtros em paralelo.

O que se costuma fazer na prática, é se escolher um filtro que permita uma vazão máxima igual a três vezes a vazão da bomba. Esse tamanho de filtro assegura wn bom tempo de uso sem ser necessária troca ou limpeza. É comum se encontrar filtros que possuam incorporado uma válvula de r~tenção simples em bypass (em paralelo). Essa válvula, como mostra a figura VI.3, abre uma passagem livre para o fluido

Filtros

67

uma vez que é atingida a pressão de abertura quando bloqueado o filtro. O fluido vence a pressão da mola e passa livremente. Esse tipo de válvula é igualmente utilizada em filtros de retorno. Em realidade, essa válvula de retenção atua como proteção para evitar o colapso do elemento, o que representaria um dano maior ao s.istema do que não se filtrar o fluido.

•

Sentido do fluxo

Anel dl' fiXa(.·5o du mola 1, '

Mola de

65 PSI

Fig_ VL3 - VáJvu_la de rcten\·Jo silnples usada em filtros como "bypass".

Alguns fluidos contém um indicador de contaminação que indica quando se deve fazer a troca do elemento filtrante. Se a pressão necessária para abrir a mola for de 1 bar, quando o manômetro estiver marcando 0,9bardevem os efetuar a troca do elemento filtrante. Nfo podemos nos esquecer, também, da regra da altura do filtro, ( veja Cap. V).

11

Fig. VI.4 - "a" filtro de sucção simples; "b" filtro de sucção com válvula de retenção simples incorporada cm bypass.

Existem diversos tipos de filtros mecânicos: filtro de linha de pressão, filtro de sucção e ftltro de retorno.

Manual de hidráulica básica

68 1.1. Filtro de linha de pressão

Como o próprio nome diz, ele é montado na linha de pressão do sistema. É utilizado, geralmente, quando se necessita uma perfeita limpeza do fluido a ser introduzido em determinado componente do sistema. A esse tipo de filtro, também pode ser incorporada uma válvula de retenção simples em bypass, funcionando como válvula de ·proteção. A figura VI.S, mostra que, em um sentido, o fluido é obrigado a passar pelo elemento filtrante (intercambiável) até que este esteja bloqueado ocasionando a abertura da válvula pelo acionamento da mola menor.

Prato

Válvula

M11la

Elemento filtrante

Fig. VI.5 - Ftltro em linha.

Esse tipo de filtro é geralmente utilizado quando se deseja fazer uma filtragem mais perfeita do fluido, a fim de se prolongar o máximo possível a vida útil de um detenninado componente do sistema,de alto custo de aquisição. 1

1.2. Filtro de sucção Se encontra instalado no reservatório, abaixo d.o nível do fluido (ver fig. V.9). Sua função é impedir que corpos sólidos de maior tamanho sejam succionados pela bomba, danificando,a"'total· mente. As malhas desse ftltro devem ser maiores do que as malhas dos filtros de pressão e retorno, pois, nunca podemos causar problemas na suCÇão. A abertura existente entre as malhas é de 149µ {O, 149mm-med ida adotada pela Racine e normalizada pela NFPA).

1.3. Filtro de retorno Esse filtro é o responsável pela filtragem de todo o fluido que retorna ao tanque, carregado de impurezas que foram absorvidas no ciclo de trabalho. Geralmente apresenta·se na forma de um "T" e é constituído, basicamente, de três partes: a caneca, o elemento filtrante e o corpo superior, onde se encontra a válvula de retenção simples operando como uma válvula protetora do elemento filtrante. O fluido que entra é obrigado a. passar pelo elemento filtrante confeccionado a partir de um papel poroso especial de 10µ de abertura de poro (vemos, portanto, que a filtragem é muito boa). Quando o elemento filtrante vai ficando contaminado , a pressão vai aumentando até chegar a 1,0bar, quando aciona a mola da válvula em bypass. Dessa forma, é sempre interessante termos um manômetro de leitura "O a· lübar, colocado antes da válvula, como mostra a figura VI.6, pois sabemos que chegou a hora de trocar o elemento filtrante quando esse manômetro estiver registrando l.Obar.

1

'

Filtros

69

!1

,, 1

'

Caneca

Elemento filtrante

Fig. VI.6 - Filtro de retorno tipo "T".

2. EXEMPLO DE APLICAÇÃO

A figura VI. 7, mostra um exemplo de aplicação de filtros.

'i1

Fig. VI. 7 - Aplicação de filtros.

Manual de hidráulica básica

70

O filtro "!" é um filtro de sucção de 149µ (!OOmesh) com uma válvula de retenção simples incorporada em "bypass" Sua função é evitar que, corpos de maior tamanho, sejàm succionados pela bomba. O filtro "2" está montado em linha e é de 80µ aproximadamente. Sua função é idêntica a do filtro "3" - também 1nontado em linha - ié, ambos asseguram que o fluido que vai para os cilindros "A" e "B" esteja limpo de impurezas. O filtro "3" difere do "2", pois este último filtra o fluido que entra em ambos os lados do cilindro "B", enquanto que, o primeiro filtra apenas o fluido que sai, em uma das tomadas do cilindro "A". O filtro "4" é o de retomo, semelhante àquele da fig. VI.6. Sua abertura é de 10µ, para garantir uma melh-oi: limpeza do fluido que retorna ao reservatório.

Finalizando, o filtro "5", trata-se de um tipo igual àquele do bocal de enchimento, visto no item que fala sobre "Acessórios do Reservatório", no Capítulo V.

1

1

1,

3. CONSIDERAÇÕES FINAIS

3.1. O choque hidráulico por descompressão Existem dois tipos de choques hidráulicos: por compressão e por descompressão. Falaremos sobre o primeiro quando estudarmos bombas. Ocasionamos um choque hidráulico pOr descompressão, quando abrimos repentinamente o retorno de um fluido que esteja sobre pressão em determinada parte do sistema hidráulico. Esse tipo de choque poderá afetar diretamente o filtro de retorno, danificando totalmente o elemento filtrante. Existem casos até que, o choque é tão grande, que expulsa a caneca do corpo do filtro, espanando a rosca que serve como elemento de fixação. 3.2. Vazões Excessivas

Se o filtro de sucção tiver uma vazão nominal menor que a vazão do sistema, iremos prejudicar a bomba. Se o mesmo ocorrer com o filtro de retomo, ·tomo conseqüência teremos o colapso do ele~ menta filtrante. Isso fará com que a filtragem já não átinja os objetivos, pois, haverá passagem direta no filtro, e ainda, como agravante, poderíamos ter pedaços de papel indo parar no reseivatório e bloqueando o filtro de sucção ou mesmo até, sendo succionados pela bomba. Podemos adotar como regra de que o filtro de sucção deve deixar passar uma vazão igual ou maior a três vezes a(s) vazão(ões) nominal(is) da(s) bomba(s) do sistema; e o ftltro de retorno, uma vazão igual ou maior a três vezes a vazão máxima "do sistema" (ver vazão induzida em cilindros no capítulo que segue). 3 .3. Vibrações no sistema Um sistema hidrãulico mal balanceado provoca vibrações mecânicas. Essas vibrações podem, também, desintegrar o papel do elemento filtrante, assim como, determinar a falência de todas as vedações. 3 .4. Magnetos Mergulliados no fluido contido no reservatório os magnetos não deixam de ser um tipo especial de filtro. Como vimos no capítulo anterior, o desgaste excessivo do equipamento hidráulico provoca a formação de limalhas. Às vezes, essas limalhas são menores do que 10µ e passam pelo filtro de retomo, porém, ficam retidas no magneto.

i:

1

Filtros

71

3.5. A hora da troca Em um sistema hidráulico novo, após 50 horas de uso, os filtros devem ser retirados e limpos, ou trocados. Após 500 horas, repetir novamente essa operação, para realizá-la, novamente, após 1000 horas, sob condições normais de trabalho, nunca excedendo a 2000 horas. Para serviços mais pesados, estabeleça uma escala de troca de 500 horas ou 90 dias. Toda a vez que entre esses intervalos for efetuada a troca do fluido, é recomendável fazer-se, também, uma inspeção dos elemenÍos filtrantes. 3.6. Determinação do tipo de filtragem Em realidade, não existe uma regra fixa para a aplicação de determinado tipo de filtro em qualquer sistema hidráulico. A utilização desse equipamento depende de diversos fatores que devem ser considerados e que variam de sistema para sistema Deve-se levar em conta, por exemplo, que tipo de fluido está sendo utilizado, pois, um elemento filtrante bom para o óleo mineral, não necessariamente será bom para outro tipo de fluido que, de acordo com sua composição, poderá ou não atacar esse elemento. Outro fator importante é o grau de filtragem que se quer ou se deve ter no sistema. De a.::ordo com esse desejo, utilizam-se elementos filtrantes com abertura de malha ou poro indicada para o sistema. Não podemos esquecer também, as condições de trabalho a que o circuito está exposto, assim como, o grau de contaminação, seja ela líquida ou sólida, determinando, assim, o tipo ou tipos de ftltros a serem utilizados. Finalizando, procure sempre seguir as especificações do fabricante dos componentes do sistema, pois, dessa maneira, o equipamento irá desenvolver um trabalho satisfatório, conservando uma vida útil dentro da faixa requerida.

73

Cilindros

vn - CILINDROS

Relembrando o Capítulo I, o sistema hidráulico é subdividido em três outros subsistemas. Desses três, o que nos interessará no momento, é o sistema de aplicação onde encontramos os atuadores. O cilindro hidráulico é um atuador linear, i.é, o movimento e força que ele executa são transmitidos retilineamente.

Por se tratar de um atuador, a função básica de um cilindro hidráulico é transformar força, potência ou energia hidráulica em força, potênciª" ou energia mecânica.

O cilindro hidráulico é composto de diversas partes. A figura VII.1 define bem os diferentes elementos que, unidos, compõe esse equipamento.

Tampa do lado da haste

Vedações do êmbolo

Camisa do cilindro

! Mancai da haste e

Tomadas

retentor

Fig. VII.1 - Componentes do cilindro

Tampa do lado da cabeça

Manual de hidráulica básica

74

1

,,!i

!. TIPOS DE CILINDROS Dentre os diversos tipos de cilindros, podemos destacar dois principais:

,1 1: 11

,,'

- de simples ação ou simples efeito

·11

- de dupla ação ou duplo efeito A seguir, poderíamos clru.sificar outros tipos com relação à construção como, os cilindros de haste dupla, telescópicos, posicionais e macacos hidráulicos ( tipo especial de simples efeito).

li

""~ IV"vvvv

i - - - --

1

(b) - Simples ação com

(a) - Simples ação

retorno por mola

i

11 -1

(d) - Dupla ação

( e) - Macaco hidráulico

(0 - Telescópio

(e) - Haste dupla

c:r::r:1 (g) - posicional

Fig. VII.2 - Tipos de cilindros

1.1. Cilindro de simples ação ou simples efeito O cilindro de simples ação ou simples efeito, é assim denominado em virtude de ter em um sentido, o movimento por efeito de pressão e vazão hidráulica e, no outro, por outro agente qualquer, que não o fluido hidráulico.

'·

11

I'

·I

1,

l

Cilindros

75 Tomada para o fluido

Mola

Vedação do pistão

Respiro

1

Guiada mola

1!

Mola

1

Vedação Respiro Vedação

Tomada para o fluido

Fig. Vll.3 - Cilindros de simples efeito com retorno por mola

Podemos observar na Fig. VIl.3 que ambos os cilindros possuem um movimento por pressão e vazão hidráulica e outro pela ação da mola. No cilindro acima, o movimento de ação do pistão é feito através da vazão e pressão exercida pelo fluido e o seu movimento de retorno é feito pela ação da mola. No cilindro abaixo ocorre o oposto. Nos dois, existe um respiro no lado da mola para a livre circulação do ar. Notamos que neste tipo de cilindro perdemos em força, pois, a mola, é uma reação ao movimento.

Na fig. Vll.4, temos dois cilindros de simples efeito com retorno ou avanço pela ação da gravidade. É o mais aplicado desse tipo de cilindro, pois toda a força originada pela aplicação de pressão do fluido é aproveitada.

1 1 1

11111

li

Carga

·~ li-- Fluido e....:

Carga

---'

11111 1,,,

/\?)J}jjJf~; .___ Fluido

Fig. VII.4 - Cilindros de simples ação com avanço ou retomo por gravidade

Manual de hidráulica básica

76

1:

1

1. 2. O macaco hidráulico

Pistão 1 5 cm2

Válvula 3

Válvula 1

5 Kgf/cm2 _

Válvula 2

Pistão 2 250 cm2

Pistão 1 5 cm2

'~25Kgf

Olindro~

Válvula 3 Válvula 1 5 Kgf/cm2

Válvula 2

I

i

Fig. Vll.5 - Princípio de macaco hidráulico

O macaco hidráulico é o típico equipamento que utiliza o princípio da alavanca (ver item 2 do Cap. ID, i.é, uma força menor aplicada em um cilindro de menor área, resulta em uma força maior efetuad_a por outro cilindro de área maior. Na figura "A" o cilindro "1" de área de pistão igual a 5 centímetros quadrados, é acionado para c.ima fechando a ·válvula "l" e abrindo a "2", succionando fluido do reservatório. A seguir, como mostra a figura "B", o cilindro "!" é empurrado para baixo com uma força de 25Kgf. Nesse momento, a válvula "2" é fechada automaticamente, ao mesmo tempo em que se abre a válvula "1 ". Essa força de 25 Kgf aplicada na área de 5 centúnetros quadrados do pistão"! ';_origina uma pressão, de 5Kgf/cm2 que aplicada à ãrea de 250 centímetros quadrados resulta em uma força de 1250Kgf. Durante a operação de força e levantamento do macaco hidráulico, a válvula 3 fica fechada para ser aberta quando efetuado o trabalho, proporcionando o retorno do fluido para o reservatório. 1

1.3. Cilindro de dupla ação ou duplo efeito Esse cilindro é assim denominado, pois, o movimento do pistão é feito através da entrada do fluido em qualquer uma das tomadas a uma determinada vazão e pressão.

1

1

1

Cilindros

77

_____ ..... I i

' 1 1

1

Fig. Vll.6 - Cihndro de duplo efeito 1

!

A fig. VIl.6, por si só, explica bem, o funcionamento do cilindro de dupla ação. 1.4. Cilindro de haste dupla Geralmente o cilindro de haste dupla é de duplo efeito, não querendo dizer que não possa ser de simples efeito. A figura a seguir, exemplifica bem, o funcionamento desse tipo de cilindro.

~---Fig. VII. 7 - Cilindro de haste dupla

O cilindro de haste dupla é, normalmente, utilizado quando se quer efetuar trabalho tanto no movimento de avanço como de retorno (fig. VII), ou ainda, quando se quer a mesma força e velocidade nestes mesmos movimentos para uma dada pressão e vazão do fluido, respectivamente.

Posição de

Posição de trabalho

trabalho

t Fig. VIl.8 - Aplicação de cilindro de haste dupla

Manual de hidráulica básica

78 l. S. Cilindro telescópico

Algumas vezes precisamos fazer com que o curso do cilindro seja grande e quando retraído, ocupe o menor espaço possível. Quando isso ocorre, lançamos mão do cilindro telescópico. Sua utilização é evidenciada em guindastes hidráulicos e outros equipamentos da linha mobile.

2. 0 estágio

0

t. 0 estágio

Tomada da aleta

~to)

3. estágio

Olhal

~·

"\.

\

\ 1 Fig. VII. 9 - Cilindro telescópico

1.6. Cilindro posicional A vantagem du cilindro posicional (ver des. "g" da fig. VII.2) é poder receber o fluido naquele caso em particular - de qualquer uma das tomadas, podendo, inclusive, receber fluido de duas tomadas consecutivas ou expelir fluido da mesma maneira.

2. VEDAÇÕES NOS CILINDROS

Em um cilindro hidráulico, temos, normalmente, duas câmaras trabalhando a pressões diferentes ( cilindro de duplo efeito), ou somente uma ( cilindro de simples efeito). Se não houver uma perfeita vedação entre essas câmaras ou mesmo entre o cilindro e o ambiente, teremos uma . perda de pressão e vazão muito grande que não permitirá o trabalho ideal do equipamento. Existem div_ersos tipos de vedação que variam de acordo com o tipo de trabalho que o cilindro executará, assim como, a pressão máxima que ele suportará. 2.1. Anéis de segmento Esse tipo de vedação também é comurnente encontrado nos pistões dos motores a explosão. Ê excelente para uma garantia de vida longa e aplicação de cargas instantâneas. Os anéis são em número de dois ou mais e são confeccionados a partir do ferro fundido. Devido ao baixo atrito que esse tipo de vedação proporciona, o rendimento do conjunto aumenta consideravelmente, principalmente, em cilindros de alta velocidade. Anéis de segmento

Pistão

Fig. Vll.10 - Vedação por anéis de segmento

1

0/indros

79

2.2. Anéis do tipo "O" ("O" Ring) A figura Vil.II nos mostra uma vedação simples, efetuada com anel de borracha . Esse sistema, porém, causa danos ao anel quando submetido a pressão, como os demonst rados na figura VIL 14. Dessa forma, utilizamos o sistema de vedação "backup " (lê-se "béc ap") que consiste do mesmo anel limitado por dois outros anéis de teflon ( ou outro material semelhante) que servem de encosto do "O Ring".

··o Ring"

"Backup "

Pistão

Fig. VII.11 -Anel "O" de borracha

Fig. VII.12 - Vedação tipo "Back-up "

(Buna N)

Anel de plástico

Fig. VII.13 - Anel de plástico

Camisa

~stão

Espaço vazio

Anel "o"

Fig. VIl.14 - Princípio do "Back-up "

Anéis de plástico

Manual de hidráulica básica

80

em conjunt o por um anel de Na figura Vll.13 vemos outro tipo de vedação no pistão que é feita ntos pela parte inferior do vazame contra veda teflon e outro de borrach a que faz o papel de "mola" e rasgo.

de vedação. Quando, Quando trabalhamos com um máximo de 105bar, usamos o primeiro tipo terceiro também é vantajoso, porém, essa faixa é ultrapassada, passamos para o segundo tipo. O atritos maiores conduzem a pois, praticamente não necessita de lubrificação e a ausência de um trabalho mais eficiente. · 2.3. Anéis em "V" São usados em grupo de 2, .4 São assim denominados, pois, a secção reta assemelha-se a um "V''. s de dupla ação, são utilizados ou 6 anéis, ·de acordo com a pressão de trabalho. No caso de cilindro os lábios dos anéis que recebem a dois jogos, um em cada lado do pistão. Como podemos notar, são existentes. Para se determinar o pressão. Esse conjunt o de vedação é considerado um dos mais macios

cada 35 a 50 bar, coloca-se um número de anéis a ser utilizado, estabelece-se uma regra de que, para anel, levando-se em conta, sempr~, um número mínimo de dois anéis.

1

Camisa

Adaptadores

1

li 1, !

1' 11

Pistão

Fig. VII.15 - Anéis cm ''V"

2.4. Anéis "U" e "Block V" originalmente de borrach a e Os anéis "U" são mais econômicos em relação ao tipo anterior. São

or. Como desvantagem, vida de fácil reposição, além de não necessitarem de qualquer tipo de adaptad mais curta que os anéis em "V". ão dos anéis Block V para Para sistema que trabalha com pressão elevad·a, recomenda-se a utilizaç se obter um melhor rendim ento do equipam ento.

Anéis Block V

Anéis V

/l /

r

Pistão

'

/

/

Fig. Vll.16 - Anéis de "V" e "Block V"

/

•

Cilindros

81

2.S. Anéis tipo "copo" Provavelmente, esse tipo de vedação foi um dos primeiros a ser utilizado. O material com que é feito o anel pode ser de borracha ou couro animal. Como trabalha em faixas de pressão mais baixas, sua utilização evidencia·se mais em cilindros pneumáticos.

Anel copo

Fig. Vll.17 - Vedação com anel copo

2.6. Anéis tipo "lábio" de dupla ação Borracha sintética é colada ao pistão e cargas laterais são evitadas pela adição de um prató guia. Semelhantemente a vedação anterior, como trabalha apenas em baixas pressões, recomenda·se seu uso na pneumática.

Prato guia

Anel colado ao pistão

Fig. Vll.18 - Anel lábio de dupla ação

2.7. Vedações da tampa no lado da haste Existem diversos tipos de vedações dessa natureza. A vedação "a" é de múltiplos "V", também denominadas de anéis chevron. O número de anéis a ser introduzido é igual àquele que vimos para o pistão. Ê sempre interessante se fazer uma pré-carga no cilindro ou utilizar molas para o assento dos anéis, a fim de assegurar uma perfeita vedação.

Manual de hidráulica básica

82

Flànge Enchimento

(b)

(e)

(a)

Back-up

(d)

(e)

Fig. VII.19 - Tipos de vedações da tampa do lado da haste

1

Na fig. "b" é o tipo "U'; utilizado em circuitos de baixa pressão ou pneumáticos. A "e" col).siste em um enchimento feito com material vedante. Deve-se apertar bem o flange para que esse material assegure uma boa vedação.

No tipo "d", podemos usar tanto um anel "O" como um anel quadrado. Devemos sempre utilizar anéis de apoio (backup) para evitarmos a extensão do anel. Finalmente, no "e", temos a vedação tipo chapéu, que pode ser feita com borracha ou couro animal. Deve traballiar somente em baixas pressões ou apenas em sistemas pneumáticos. 2.8. Observações finais sobre vedações Como vimos, as vedações podem ser de vários tipos de materiais. Quando utilizado fluido sintético, devemos utilizar vedações de compostos especiais. Em todo caso, é sempre interessante consultar o fabricante do equipamento e do fluido utilizado.

3. APLICAÇÕES A utilização de um cilindro hidráulico pode ser a mais variada possível. No maquinário podemos encontrá-lo comumente acionando prensas, guilhotinas, injetoras, sopradoras, extrusoras, máquinas operatrizes em geral, calandras, acionamento de fornos, guindastes, scrapers, escavadeiras e uma infinidade de outros equipamentos. A 'seguir, ilustrações de aplicações:

83

Cilindros

'/

Alavanca

Alavane2 2.0 tipo

1.0 tipo

Redutor de trancas

Alavanca 3.0 tipo

Multiplicação de velocidade

Movimento

Movimento rotativo,

horizontal paralêlo

Movimento

Empurrar

retilíneo em duas direções

ou puxar

Catraca

Movimento rotativo rápido, usando "sem-fins"

praticamente contínuo

o

Quatro posições distintas p/ dois cilindros

Joelho

I

Taramela

Fig. VII.20 - Aplicações p/cilindros

Movimento transferido para um ponto distante

Manual de hidráulica básica

84

4.CÁLCULOS Geralmente, o que mais nos interessa em um cilindro, é a força que ele pode fornecer, assim

como, a velocidade de traballio ou tempo de avanço e retorno. Basicamente, as fórmulas mais empregadas para o cálculo do cilindro são:

:

4) 1 V=%

1 OU I S

= V• t

I OU I

t =;

1

i

1

onde:

P = pressão F = força

Vt = volume total t = tempo

A= área Q = vazão

n = número de ciclos

v = velocidade

1r =

3,1416 ·

D= diâmetro

V= volume Vl = volume para estender o pistão

s = curso

V2 = volume para retrair o pistão Adotando o número 1 para simbolizar o avanço do pistão e o número 2 para simbolizar o retomo, das fórmulas acima podemos tirar: 1) 1 Ap = :~

1

e I Ac = :;

1

ou

F_l_=_P_l_._A_p~I e I F2 = P2 . Ac I

-1

onde 1r

·Dh 2

I Ac=Ap-AhllAp=~l l Ah=-4IDp=~

li

Dh=~

Obs.: Supondo que a pressão no avanço é igual no retorno (Pl = P2), simbolizamos essa pressão simplesmente por P. Ap = Área do pistão Ah = Área da haste Ac = Área da coroa Dp = Diâmetro do pistão Dh = Diâmetro da haste

1

85

Cilindros

· I

i I I i

Obs.: Supondo que a vazão para o avanço é igual a vazão para retorno (Ql essa vazão simplesmente por Q. 3) 1vi = I

ÜI ou I ti = : 1 1 ou

v2 = : 2

1

ou

I

t2 = : 2

1

Is=

ou

ti · vi

= Q2), simbolizamos

I

s = t2 • v2 /

I

4.1. Força, pressão e área

4.1.1. Exemplo de cálculo de força Problema:

i:

Calcular a força exercida no avanço e no retorno de um cilindro de 7,62cm (3") de diâmetro de pistão e 3,81 cm(] 1/2") de diâmetro de haste, sabendo que a pressão fornecida é de 210 bárias. FI =?

Solução:

F2 =?

Dp = 7,62cm

Dn = 3,8lcm

P = 210bar = 214,07 Kgf/cm2 Ap

• Dn' = 11~ = 45,60cm2

Ac

= Ap -

Fl

= P · Ap

F2

= P. Ac = 214,07 x 34,20 = 7321,2 Kgf

Ah =

11 •

Dn' = 11 40cm2 4 '

Ah = 34,20cm2 =

214,07 x 45,60

=

9761,6 Kgf

Como podemos observar, a força de retorno F2 é menor do que a força de avanço Fl. Isso explica-se devido ao fato de que, para uma mesma pressão temos uma área de pistão ( onde atuará a pressão no avanço) maior do que a área d~ coroa ( onde a mesma pressão atua no retomo).

A figura Vll.21 nos fornece uma boa idéia sobre a relação de áreas. Área da coroa

Ârea do pist.ão

Fig. VII.21 - Área do pistão, área da coroa

1

' 1

1

Manual de hidráulica básica

86

1 1:

2 Observemos também que, se a relação de área for 2:1, por exemplo, Ap -50cm e Ac -25cm2 a relação entre as forças para uma mesma pressão também será de 2:1, i.é, se Fl-3000kgf, F2 será igual a ! 500kgf. 4.1.2. Exemplo de cálculo de pressão

Problema: Calcular a pressão necessária para se obter uma força de 15 toneladas força no avanço de um cilindro de diâmetro de pistão igual a 10,16 centrímetros (4"). Soluçã():

P - ? Fl - !5tonf - 15000kgf Dp - lo ,16cm ...· Ap ·. p _ ~ .. Ap

1t,

0pZ 4

- 81,07 cm2

_ 15ooo _ 185 03kgf/ 2 - 181 51 bar 8107 ' cm ' '

4.1.3. Exemplo de cálculo de área de pistão, haste e coroa e diâmetro do pistão e da haste.

Problema: Para uma pressão de 2 lObar quero obter uma força de avanço de 30 toneladas força e outra de retomo de 23 toneladas.força:Calcule as áreas de pistão, haste e coroa e diâmetro de pistão e haste para que isso possa ocorrer. Solução:

P - 210bar - 214,07 Kgf/cm2 Fl - 30tonf - 30000kgf F2 - 23tonf - 23000kgf Ap,Ahe Ac-?

Dp,Dhe De-?

_ Fl _30000 _ 2 , Ap - p - 140,14 cm 214 07 Dp Ae

-J-4.Ap 1T

_ F2 P

_

~v/4.140,17 3 1416 '

_

1336 ' cm

23000 _ 107 44 cm2 214 07 ' '

Ah-Ap -Ac-5,145sqin Dh-'V .±,Ah'_ /4.107,44 -IJ,70cm 11 · :./ 3,1416 4.1.4. O que ocorre na prática O que geralmente acontece é que, a partir de uma força que precisamos, adotamos uma pressão igual a 70, 140 ou 210 batias (geralménte adotamos 70 ou 210 batias conforme a força que· necéssitamos) e, calculamos a área determinando o diâmetro. Uma vez calculado o diâmetro, procuramos o diâmetro comercial superior mais próximo e calculamos a nova pressão necessária (NP) a fnn de verificarmos se a bomba irá trabalhar folgada, i.é, não irá trabalhar sempre na pressão máxima. Caso o diâmetro de pistão calculado for maior do que 25,4cm (10 in), dividimos a força por dois ou três e como resultado usaremos dois ou três cilindros cuja soma das forças seíá igual àquela que necessitamos e. teremos uma economia maior adotando esse nrocesso_ levanilo-sP. ~mnTP. P.m r-nn1:.L

Cilindros

87

deração o espaço d.1sponível e a disposição da máquina na escolha dessa solução

Obs.: Para melhor compreensão das soluções dos problemas, tenha a mão um catálogo de cilindros da RACINE. Problema 1:

Calcular o cilindro de um tomo automático que tenha de ter uma força de avanço de 5000kgf e Fr = O) e em cilindros de simples efeito. Em realidade, podemos observar na figura VIl.24. que

e que

~ ~

2

ou lvl=Q Ac

I ou I vi= Ql I Ap

sendo: Fr = força resultante P = pressão fornecida Ah = Área da haste Ap = Área do pistão

Ac = Área da coroa QB = Vazão da bomba Q2 = Vazão que sai da câmara "A" QI = QB + 02

Manual de hidráulica básica

94

l

'''

,']

4.3.1. Exemplos de circuitos de sistema regenerativo

S2

/

1

1 1

1

1

L - - _I

Fig. VII.25 - Circuito regenerativo. Quando ligados os solenóides "Sl" e "S2", no avanço do cilindro, acionamos o sistema regenerativo

CTlindros

95

1

1 1

'

'1 1

1

1

E--

A

Fig. VII.26 - Circuito regenerativo seqüencial. Quando a haste do cilindro encoSta na peça "1" a pressão aumenta e a válvula de seqüência "A" é acionada desligando o sistema regenerativo

Manual de hidráulica básica

96

~ /

.1 !

s,

1 /

1 1

1 1

L __ 11

Fig. Vll.27 - Circuito regenerativo posicional. Em determinado ponto do curso do cilindro, a haste aciona o limitador L.S. que liga o solenoide "Sl ", que por sua vez, aciona a válvula correspondente, desligando o sistema regenerativo

11

Cilindros

97

4.3.2. Exemplo de cdlculo de um sistema ,ezeneratho Problema:

Sabendo que um cilindro que trabalha em sistema regenerativo, recebe óleo da bomba a uma vazão de 56,78 .Q/min pür minuto e pressão máxima de 82,72bar (84,32 Kgf/cm2), calcular a força resultante e a velocidade de avanço para um diâmetro de pistão igual a 20,32cm e diâmetro de haste igual a 12,7cm. Adotando um curso de 500mm, em quanto tempo o cilindro se estende rá? Faça a seguir, o cálculo da força, velocidade e tempo de avanço, uWizan do os mesmos dados acima e imaginando como se o sistema não fosse regenerativo. Estabeleça conclusões entre o primeiro e segundos casos. Solução:

, ·1

:

1

'i

Dados, Q8 = 56, 78 t/min = 56780cm3/min P = 82,72 bar= 84,32 Kgf/cm2 Dp = 20,32cm-,. Ap =

TI' ~

0 32 2 , = 324,29 cm2

Ac =Ap -Ah Dh = 12,7cm-,. Ah=

TI-

12, 7 2 4

=

126 68cm2 '

Ac = 324,29 - 126,68 = 197,61 cm2 Ac = 197,61 cm2 s = 500mm = 50cm 1

a) Sistema regenerativo 1

!

1

1

J

---

--

--oAc

Ap

---

-

--,,~- --- - -

1

Dp

t

t

Q1

-

-

-

- -

--

__-,._,_,"

,..,

...

"

7",6

'" "'"

1-1/4"11

1-J/•

,_,,.

"

1-J/ QB)

1

Qir = Vazão induzida no retomo

2. 0 método: À partir da relação entre as áreas do pistão e coroa(r) -No avanço

-No.recuo

Qir= QB · r 11 (Qir> QB) Onde, QB = vazão fornecida pela bomba. 5.5.1. Exemplo de cálculo do t. 0 e 2. 0 métodos.

Problema: Suponhamos ter uma bomba que forneça 37,85 .Q,/min a um cilindro de 12,7 cm de diâmetro de pistão e 7,62cm de diâmetro de haste. Detenninar as vazões induzidas no avanço e retomo do cilindro. Solução: Q8 = 37,85 R-/min = 37850 cm 3 /min

Dp= 127 ,crn ...Ap= Dh

7,62-+- Ah

=

n.12,72 4

= 126,68 cm 2

rr. 7,622 4

= 45,60 cm2

=

Ac = Ap - Ah= 126,68-45,60 = .81,08 cm2

l

19 método:------ 1Qia = vi , Ac

~

vl = QB _ 37850 Ap 126,68 Qia

=

298, 78 cm/min

298,78, 81,08 = 24225,08 cm3/min

lQir =v2. Ap

vZ =

=

QB Ac

=

=

24,23 R-/min

I

37850 = 460,66 81,08

cm/min

Qlr = 460,66 • 126,68 = 58356,41 cm3/min - 58,36

9/mln

Qlindros

119

2.º método:

126,68 81,08 Qia

~

QB r

~ 1,562 : 1

- 37 ;35 - 1,563

~

24,239/min

Qir ~ QB , r ~ 37,85 , 1,563 ~ 58,36 R./min Observamos portanto que filtros, dutos de retorno e válvulas em geral que receberão fluido proveniente de cilindros, devem sempre ser dimensionados à partir da máxima vazão, i.é, a vazão induzida de retorno Oir, pois do contrário, estaremos criando uma "pressão induzida". Nos cilindros de haste dupla e duplo efeito, a vazão induzida é igual a vazão fornecida pela bomba.

5.6. Pressão induzida em um cilindro

Já vimos que a pressão é originada à partir da resistência a passagem do fluxo de fluido. Um duto ou ftltro de retorno mal dimensionado, ou qualquer outra resistência à saída de fluido do cilindro, pode criar. uma pressão induzida. A pressão induzida, assim como a vazão induzida, poderá ser maior ou menor do que a pressão fornecida ao cilindro. Existem, também, duas formas de se calcular a pressão induzida (Pi).

1. 0 método: À partir das forças - No avanço do cilindro

Pia = Pressão induzida no avanço - No recuo I Pir =

~~

11 (Pir

< PB)

1

!

Pir = Pressão induzida no retomo

:

'

t 2. 0 método: À partir da relação entre as áreas do pistão e coroa (r) -No avanço

-No recuo

Onde, PB = pressão fornecida ao cilindro.

ii 'I

i

Manual de hidráulica básica

120 5.6.l. Exemplo de cálculo do Lº e 2. 0 métodos

Problema: Suponhamos ter uma bomba que resista a uma pressão máxima de 70 bar, sendo que essa pressão chega a um cilindro de 12,7cm de diâmetro de pistão e 7,62cm de difnaetro de haste . .J?.eterminar as pressões induzidas no avanço e retomo do cilindro, supondo que exista alguma resistência à passagem do fluxo de fluido para o reservatório a fim de que seja possível a geração da pres-

são induzida.

Solução:

PB - 70 bar - 71,36Kgf/cm2

Dp -12,7cm~Ap Dh - 7 62 '

Ah -

1f,

12,72 - 126,68cm2 4

7 622 rr ' • -45,60 cm2 .4

Ac -Ap -Ah - 81,08 cm2 19 método:

~ ~ Fl -PB. Ap - 71,36 x 126,68 - 9039,89 Kgf Pia -

9 9 2 ~:~: - 111,49 Kgf/cm - 109,38 bar

I Pi,-

~!

1

F2 -PB. Ac - 71,36 x 81,08 - 5785,87 Kgf 5785 87 Pir - 126,68 • -45 ' 67 Kgf/ cm 2 -44 ' 81 b ar 29 método:

~

LEJ 126,68 , - 1,562: 1 r81 08 Pia -PB. r - 70, 1,562 - 109,38 bar

· PB 70 Pir-- - - - -4481 bar r 1,562 ' 5.6.2. Outros tipos de pressão induzida, choque hidráulico por compressão Supondo que' esteja oçorrendo na prática algo semelhante como desenhado no circuito a seguir,

teríamos uma pressão induzida pela carga de I OOOkgf igual a Pi -

r; -

12,73 kgf/cm2

Cilindros

121

---- IOOOkg

Pi

=

l 2,73Kgf/cm2

,,

Dp =10cm Ap = 78,54cm 2

li

I 11

:I Fig. VIl.31 - Pressão induzida provocando choque hidráulico por compressão

1

·'

•

'

11

1 ' 1

Se acionármos a alavanca da válvula de controle direcional "A" no sentido indicado pela flecha, o fluido que está no cilindro quer descer e a bomba "B", inicialmente à pressão "zero", quer mandar fluido para cima a fim de estender o cilindro . Isso ocorrendo, iniciaremos a formação de um choque hidráulico por compressão. Se acionarmos a alavanca no sentido-contrário ao indicado pela flecha, estaremos originando um choque hidráulico por descompressão (como já vimos anteriormente em Filtros).

Verificamos, po.rtanto, que sempre que possível, devemos evitar a formação da pressão induzida, pois, indiretamente, estaremos evitando o choque hidráulico. Aqui, também, podemos observar que um cilindro de haste dupla e duplo efeito, a pressão induzida será igual a pressão fornecida ao cilindro.

5.7. Sincronização de cilindros Para que haja uma sincronização entre dois ou mais cilindros, existem várias alternativas: a) Se os cilindros possuem cargas ou efetuem forças distintas como sabemos, o fluido sempre percorre o caminho mais fácil, assim sendo, na figura VII.32, subirá primeiro o cilindro da esquerda para depoü; subir o da direita, pois o fluido necessitará de uma pressão maior para poder efetuar uma força que consiga levantar a carga. (Obs. Essa afirmação é feita supondo-se que os cilindros têm dimensões idênticas, e que os atritos internos são iguais.)

i

Manual de hidráulica básica

122

Para que os dois cilindros subissem exatamente ao mesmo tempo, as duas cargas e os atritos internos de cada cilindro deveriam ser exatamente iguais, o que é pouco provável que ocorra na prática. Carga menor

1

1

Carga maio,

-

-

-

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Fig. Vll.32 - Sincronização. Cilindros com cargas distintas

b) Para se corrigir o efeito de cargas distintas, podemos introduzir duas válvulas de controle de vazão, uma em cada tomada de entrada do cilindro (fig. VII.33). Dessa forma, poderíamos reduzir a vazão fornecida ao cilindro de menor carga, fechando um pouco a válvula "1" o que criará uma resistência a passagem do fluxo, originando uma pressão tal que, poderá erguer a carga maior.

Ao mesmo tempo, devemos ir abrindo a válvula "2" para que o diferencial de pressão "A - B" seja idêntico ao de "A- C". Na teoria, esse método é bom, porém, na prática, o que ocorre é que é muito difícil de se estabelecer o mesmo diferencial de pressão.

Carga maior

Carga menor

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l B

•

2

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•

Fig. Vll.33 - Sincronização. Cilindros com cargas distintas - introdução de controle de vazão

Cilindros

123

e) Na prática, o que se costuma fazer é fixar em cada haste um elemento de união como se fosse uma parelha (fig. VIl.34). Dessa forma, o cilindro de menor carga não pode subir enquanto não se estabelece a pressão necessária para erguer a carga maior. Uma vez estabelecida essa pressão, os cilindros se movimentam em conjunto com uma perfeita sincronização.

Carga maior

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Carga menor

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Fig. Vll.34 - Sincronização. Cargàs diferentes. Parelha

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5.8. Flambagem da haste Diâmetros de haste muito inferiores a do pistão e cursos grandes, concorrem para que apareça a flambagem da haste, como demonstrado na figura abaixo .

• CURSO

Fig. VIl.35 - Flambagem da haste

Para -Se evitar a flambagem da haste, existe uma tabela que mostra o diâmetro da haste que deve ser usado de acordo com curso e carga aplicada.

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Manual de hidráulica básica

124 Carga em Kgf

CURSO EM CENTIMETROS

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152,4

177,8

203,2

2,70

-

-

-

-

DH

1,75

2,38

3,02

3,49

3,81

-

-

2,06

2,22

2,86

3,49

3,97

4,13

4,76

-

5000

2,54

2,86

3,33

3,97

4,45

4,76

5,40

6,03

10000

3,49

3,65

4,13

4,76

5,08

5,40

6,19

6,99

20000

5,08

5,08

5,40

6,03

6,35

6,67

7,30

8,26

Á s N M T T E E 1 M T R E E o MT R

40000

6,99

6,99

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7,62

7,62

8,26

8,89

9,53

75000

9,53

9,53

9,84

10,16

10,16

10,48

11,11

11,43

150000

13,65

13,65

13,65'

13,97

13,97

13,97

14,61

15,24

25,4

50,8

750

-

-

1500

-

3000

254

304,8

e

I A E

D A

o s

Fig. VII.36 - Tabela de diâmetros de haste para se evitar a flambagem

5.9. Tubo de parada Quando um cilindro possui um curso relativamente grande e sofre a ação de uma carga perpendicular a haste (fig. Vll.37) as vedações da haste são afetadas, assim como as vedações do êmbolo e camisa interna do cilind!o.

Fig. VII.37 - Efeito de uma carga perpendicular a haste em um cilindro de curso elevado

Para se evitar a danificação do cilindro, costuma-se introduzir um tubo de parada como demonstrado na figura a seguir. Tubo -de parada

Fig. VII.38 - Carga perpendicular à haste com introdução de tubo de parada

125

Cilindros

5.9.1. Como determinar o tubo de parada Localize na figura qual o estilo correto da montagem do seu cilindro. Calcule a dimensão "L" com a haste completamente estendida.

Se o valor de "L" exceder a 1016mm então há necessidade do tubo de parada. Adicione 25,4mm para cada 254mm que "L" exceder 1016mm. Veja o exemplo: Suponhamos que temos um cilindro articulado em ambas as extremidades. Então a dimensão

"L" será igual a 70% da dimensão "M" calculada da seguinte maneira:

M = curso CLASSE DE MONT Ambas

ex-

tremidades orficu/adas

Cilindro fixo haste articulado em peça

guiado Cilindro

fixo h a sre I i vr e

+ XC + curso + A (veja montagem M5). ESTILO DE MONTAGENS USUAIS EM C/CATEGORI-A

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L=0.7M

L:0.711

L=0,58111

L=0,7M

L

CJ/1nd ro f iXO hoste fixo em peça guiado

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L•o-•a,

II

1

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L =0,7 M

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M

L=0-411

Para um curso de 900mm de um cilindro de --_i:::- ~ .o4

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15

q, in 2 Vazão GPM

CIPM

1

Orifício Álea (sq.in)

Perda de Carga (PSI)

307

Formulários, tabelas de conservação e unidades de medidas 4.2.2. Determinação do diâmetro interno do tubo a partir do número de Reynolds (Diagrama de Moody)

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