Apostila Basica de Hidraulica - CONCEITOS DE HIDRAULICA
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por Gilberto Baksa Junior - Marketing 1
HIDRÁULICA 1 Introdução
Existem apenas três métodos conhecidos de transmissão de potência na esfera comercial: (1) a mecânica, (2) a elétrica e (3) a fluídica. Naturalmente, a transmissão mecânica é a 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, cames, correias, 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 melhor 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. A grande vantagem da utilização da energia hidráulica consiste na facilidade de controle da velocidade e inversão, praticamente instantânea, do movimento. Além disso os sistemas são auto lubrificados e compactos se comparados com as demais formas de transmissão de energia. As desvantagens dos sistemas é que se comparados com a eletricidade, por exemplo, os sistemas têm um rendimento baixo, de modo geral em torno de 65%, principalmente devido a perdas de cargas e vazamentos internos nos componentes. A construção dos elementos necessita de tecnologia de precisão encarecendo os custos de produção.
2.1 FLUIDO
Fluido é qualquer substância capaz de deformar-se continuamente e assumir a forma do recipiente que a contém. Como o presente trabalho trata apenas de circuitos hidráulicos, o fluido que nos interessa é o óleo hidráulico. O fluido pode ser líquido ou gasoso.
2.2 FORÇA E PRESSÃO
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Pode-se definir força, como qualquer causa capaz de realizar trabalho. Por exemplo, se se quer movimentar um corpo qualquer, deve-se aplicar uma força sobre ele. O mesmo ocorre quando se quer pará-lo. Por outro lado, o conceito mais amplo de pressão pode ser entendido como a resistência oferecida pelo recipiente ao escoamento de um fluido. Disso decorre duas situações, as observações estática e dinâmica. Nas observações estáticas diz-se que "em um fluido confinado sobre áreas iguais atuam forças iguais"(princípio de Pascal), nas observações dinâmicas a pressão corresponde à energia necessária para vencer as resistência de escoamento decorrentes do atrito e choque dentro das tubulações. A aplicação mais simples do princípio de Pascal consiste em ao aplicar uma força "F" sobre uma superfície "A", defini-se como pressão "P" , a razão entre a força "F" e a superfície "A". Por exemplo, se se tem uma dada pressão igual a 300000N/m 2 (300kPa) distribuída em uma superfície de 1m2 , diz-se que em cada quadrado de lado igual a 1m da superfície considerada, está atuando uma força de 300000N (300kN) e pode-se dizer, ainda, que se tem 300kN de força atuando sobre o corpo.
No caso da FIG.1, sobre o êmbolo de 1m 2 de área atua a força de 300kN, resultando numa força de
900kN sobre o êmbolo de área de 3m2 . Portanto, com o aumento da área nota-se a multiplicação da força aplicada pela razão de acréscimo da área, considerando o equilíbrio, ou seja, sistema ideal
FIGURA 1 Prensa de Joseph Bramah O resumo matemático do princípio de Pascal é:
ou ainda onde: P = pressão
F = força A = área
A FIG. 2 representa um macaco hidráulico fundamental, onde F é a força que o operador faz e G e a força multiplicada pelo macaco. Na óleo-hidráulica diz-se 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.
P.A F ou
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Como exercício calcule a força "F" do operador do macaco hidráulico para elevar uma carga "G" de 20kN, considere as distâncias apresentadas em centímetros e o sistema ideal, sem atrito.
FIGURA 2 Macaco hidráulico fundamental
Manômetro de BOURDON O tubo de Bourdon consiste de uma escala calibrada em unidades de pressão e de um ponteiro ligado, através de um mecanismo, a um tubo oval, em forma de "C". Esse tubo é ligado à pressão a ser avaliada.
Observando a FIG. 3 Nota-se que com o aumento da pressão no sistema, o tubo de Bourdon tende a endireitar-se devido às diferenças nas áreas entre os diâmetros interno e externo do tubo. Esta ação de endireitamento provoca o movimento do ponteiro, proporcional ao movimento do tubo, que registra o valor da pressão no mostrador. Esses instrumentos são de boa precisão com valores de erro variando entre 0,1 e 3% da escala total.
FIGURA 3 Manômetro de Bourdon
A pressão é, normalmente, expressa por kgf/cm2 , PSI (pounds square inches - libras por polegadas quadradas), bars ou atmosferas. Porém de acordo com o sistema internacional de medidas, a pressão deve ser expressa em N/m 2 que corresponde a Pa. (Pascal) e seu múltiplos. O
QUAD. 1 apresenta valores de conversão das unidades de pressão mais usuais.
QUADRO 1 psi(lbf/pol2)
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2.3 VAZÃO VOLUMÉTRICA
A vazão de um fluido pode ser determinada de duas formas distintas. Como ela é dada por 1/min (litros por minuto) ou g.p.m. (galões por minuto) ou no sistema internacional em m3/seg., etc., pode-se determiná-la pela razão do volume escoado do fluido por unidade de tempo ou ainda pelo produto da velocidade do fluido versos a área da secção transversal na qual o mesmo está escoando.
Q = vazão A = área v = velocidade V= volume t = tempo
Para efeito de dimensionamento de tubulações considera-se como velocidades econômicas de escoamento de fluxo os seguintes valores: sucção de 0,5m/s a 1,5m/s, para pressão até 10MPa 2m/s a 12m/s, e para pressão de 10,0MPa a 31,5Mpa. 3m/s a 12m/s e para retorno de 2m/s a 4m/s.(REXROTH, 1985)
2.4 POTÊNCIA HIDRÁULICA E POTÊNCIA DE ACIONAMENTO
A potência de um circuito hidráulico normalmente é concebida a partir do atuador para o motor de acionamento e para cálculos rápidos considera-se o rendimento total do sistema em torno de 65%. Daí a potência hidráulica pode ser definida a partir da seguinte expressão:
Ph = Potência hidráulica (Watt) F = Força desenvolvida considerando uma segurança de ± 10% na carga (Newton)
V = Velocidade de movimentação da carga (m/s)
Considerando as grandezas envolvidas num circuito hidráulico a expressão para cálculo da potência hidráulica é:
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Ph= Potência hidráulica (Watt)
P = pressão de trabalho do circuito (N/m2 = Pa)
Q = Vazão volumétrica (m3/s)
A potência de acionamento do motor considerando o rendimento do circuito pode ser calculado a partir da seguinte expressão:
FIGURA 4 Elevação de carga
Onde o denominador da relação é o rendimento total do circuito
2.5 UNIDADE DE POTÊNCIA HIDRÁULICA
O QUAD. 2 apresenta os componentes básicos de uma unidade de potência hidráulica representada na FIG. 5.
COMPONENTES DE UMA UNIDADE DE POTÊNCIA HIDRÁULICA 1. Motor elétrico 2. Entrada de energia elétrica 3. Capacitor 4. Chave liga/desliga 5. Saída de pressão 6. Válvula de segurança 7. Manômetro 8. Retorno para o tanque 9. Visor de nível 10. Conexão para o tanque 1. Reservatório 12. Dreno 13. Flange de acoplamento 14. Bomba de deslocamento positivo 15. Tubulação de sucção 16. Filtro de retorno
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FIGURA 5 Unidade de potência hidráulica
2.6 TRANSMISSÃO DE ENERGIA HIDRÁULICA
A óleo-hidráulica pode ser definida como um meio de transmitir energia, através de um líquido confinado sob pressão. O componente de entrada de um circuito hidráulico denomina-se bomba, e o de saída, atuador. A maior parte das bombas incorporam vários elementos de bombeamento tais como pistãos, palhetas, parafusos ou engrenagens,. Os atuadores, podem ser do tipo linear (cilindro), ou rotativo, no caso de motores hidráulicos. O circuito hidráulico não é uma fonte de energia. A fonte de energia é o acionador, tal como, o motor que gira a bomba. O leitor poderia perguntar então, porque não esquecer a hidráulica e ligar a parte mecânica diretamente ao acionador principal? A resposta está na versatilidade de um circuito hidráulico, o qual oferece algumas vantagens sobre outros meios de transmissão de energia.
3 COMPONENTES HIDRÁULICOS por Gilberto Baksa Junior - Marketing 7
A bomba é provavelmente o componente mais importante e menos compreendido no circuito hidráulico. Sua função é a de converter a energia mecânica em energia hidráulica, empurrando o fluido hidráulico no circuito. As bombas são feitas em vários tamanhos e formas, mecânicas e manuais com diversos mecanismos de bombeamento e para diversas aplicações. Todas as bombas, entretanto, são classificadas em uma de duas categorias básicas: Turbobombas (bombas centrífugas ou deslocamento dinâmico) ou bombas volumétricas (deslocamento positivo).
3.1.1 TIPOS DE BOMBAS PARA APLICAÇÃO ÓLEO HIDRÁULICA
3.1.1.1 Tipos de bombas de deslocamento positivo de vazão constante a- manuais b- engrenagens c- parafusos d- palhetas e- pistões radiais axiais
3.1.1.2 Tipos de bombas de deslocamento positivo de vazão variável a- manuais b- palhetas c- pistões radiais axiais
3.2 VÁLVULAS
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3.2.1 VÁLVULAS LIMITADORAS DE PRESSÃO, DE ALÍVIO OU DE SEGURANÇA
FIGURA 6 Válvula limitadora de pressão
A pressão máxima do circuito hidráulico pode se controlada com o uso de uma válvula limitadora de pressão normalmente fechada. (FIG. 6) Com a via primária da válvula conectada à pressão do sistema, e a via secundária conectada ao tanque, o carretel no corpo da válvula é acionado por um nível predeterminado de pressão, e neste ponto as vias primária e secundária são conectadas, e o fluxo é desviado para o tanque.
COMPONENTES DA VÁLVULA LIMITADORA DE PRESSÃO 1. Cone de vedação 2. Sede da válvula 3. Mola 4. Botão de ajuste 5. Encaixe do parafuso 6. Porca de trava
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3.2.2 VÁLVULAS DE RETENÇÃO
FIGURA 7 Válvula de retenção
As válvulas de retenção (FIG.7) são aparentemente pequenas quando comparadas aos outros componentes hidráulicos, mas elas são componentes que servem à funções importantes e muito variadas. Uma válvula de retenção consiste basicamente de corpo da válvula , vias de entrada e saída e de um assento móvel que é preso por uma mola de pressão
COMPONENTES DA VÁLVULA RETENÇÃO 1. Corpo da válvula 2. Esfera de vedação 3. Mola A- Engate macho B- Engate rápido (femea)
3.2.3 VÁLVULAS DE CONTROLE DE FLUXO
A função da válvula controladora de fluxo (FIG. 8) é a de reduzir a vazão em uma linha do circuito. Ela desempenha a sua função por ser uma restrição maior que a normal do sistema. Para vencer a restrição é necessário uma pressão maior provocando o desvio do fluxo para outra parte do circuito, ou promovendo a abertura da válvula limitadora de pressão deslocando o fluxo para o reservatório. São utilizadas quando se deseja controlar a velocidade em determinados atuadores.
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FIGURA 8 Válvula controladora de fluxo
COMPONENTES DA VÁLVULA CONTROLADORA DE FLUXO 1. Corpo da válvula 2. Botão de ajuste 3. Válvula estranguladora 4. Sede da válvula 5. Esfera de vedação 6. Mola A- União macho B- Engate rápido(femea)
3.2.4 VÁLVULAS DIRECIONAIS
3.2.4.1 Considerações Iniciais
Em sua grande maioria, os circuitos hidráulicos necessitam de meios para se controlar a direção e o sentido do fluxo de fluido. Através desse controle, pode-se obter movimentos desejados dos por Gilberto Baksa Junior - Marketing 1 atuadores (cilindros, motores e osciladores hidráulicos, etc.), de tal forma que, seja possível se efetuar o trabalho exigido. O processo mais utilizado para se controlar a direção e sentido do fluxo de fluido em um circuito, é a utilização de válvulas de controle direcional, comumente denominadas apenas de válvulas direcionais. Esses tipos de válvulas podem ser de múltiplas vias que, com o movimento rápido de um só elemento, controla a direção ou sentido de um ou mais fluxos diversos de fluido que vão ter à válvula.
3.2.4.2 IDENTIFICAÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE DIRECIONAL
Para identificação da simbologia das válvulas direcionais (ISO – ABNT)deve-se considerar: - Número de posições
- Número de vias
- Posição normal
Os quadrados (FIG. 9) unidos representam o número de posições ou manobras distintas que uma válvula pode assumir. Deve-se saber que uma válvula direcional possui no mínimo dois quadrados, ou seja realiza pelo menos duas manobras. O número de vias corresponde ao número de conexões úteis que uma válvula pode possuir, podem ser vias de passagem ou vias de bloqueio ou a combinação de ambas. A posição normal de uma válvula de controle direcional é a posição em que se encontram os elementos internos quando a mesma não foi acionada, geralmente é mantida por força de uma mola.
FIGURA 9 Simbologia de válvulas direcionais As numerações de vias e comandos são indicadas por números ou letras:
- vias para utilização (saídas): A - B - C - D ou 2 - 4 - 6 - 8
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- linhas de alimentação (entrada): P ou 1 - Tanque, escapes (exaustão): R - S - T ou 3 - 5 - 7
- linha de comando (pilotagem): Z - Y - X ou 12 - 14 - 16
3.2.4.3 TIPOS DE VÁLVULAS DIRECIONAIS
FIGURA 10 Válvula direcional principal 4/2vias acionada por alavanca e retorno por mola QUADRO 6
COMPONENTES DA VÁLVULA DIRECIONAL 4/2 VIAS 1. Carretel 2. Mola 3. Mola 4. Sede 5. Alavanca P – Via de pressão A – Via de utilização B – Via de utilização T – Via de retorno
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COMPONENTES DA VÁLVULA DIRECIONAL 4/3 VIAS, CENTRO ABERTO 1. Carretel 2. Sede 3. Mola 4. Mola 5. Alavanca 6. Mecanismo de encosto P – Via de pressão A – Via de utilização B – Via de Utilização T – Via de retorno
FIGURA 1 Válvula de controle direcional 4/3 vias, centro aberto, alavanca e centrada por mola
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FIGURA 12 Válvula de controle direcional 4/3 vias, centro fechado, acionada por alavanca e centrada por mola
COMPONENTES DA VÁLVULA DIRECIONAL 4/3 VIAS, CENTRO FECHADO 1. Carretel 2. Sede 3. Mola 4. Mola 5. Alavanca 6. Mecanismo de encosto P – Via de pressão A – Via de utilização B – Via de Utilização T – Via de retorno
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3.3 ATUADORES HIDRÁULICOS 3.3.1 Atuadores lineares
FIGURA 13 Atuador linear ou cilindro hidráulico
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 FIG. 13 define bem os diferentes elementos que, unidos, compõe esse equipamento.