REPÚBLICA DE ANGOLA
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO POLITÉCNICO DE CABINDA
I.P.C
Área: Mecânica
Elaborado por:
Manuel João Gomes Pinto
Cabinda, Dezembro de 2012
Manual de:
Hidráulica
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hidraulica, Notas de estudo de Mecatrônica
amaby engenharia
Tipologia: Notas de estudo
2016
1 / 60
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REPÚBLICA DE ANGOLA
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO POLITÉCNICO DE CABINDA
I.P.C
Área: Mecânica
Elaborado por: Manuel João Gomes Pinto
Cabinda, Dezembro de 2012
Manual de:
Hidráulica
Tecnologia de Comando Hidráulica
Tecnologia de Comando Hidráulica
Autores: Manuel João Gomes Pinto Revisão em (^) 4/
1 Introdução
Experiências têm mostrado que a hidráulica vem se destacando e ganhando espaço como um meio de transmissão de energia nos mais variados segmentos do mercado, sendo a Hidráulica Industrial e Móbil as que apresentam um maior crescimento. Porém, pode-se notar que a hidráulica está presente em todos os sectores industriais. Amplas áreas de automatização foram possíveis com a introdução de sistemas hidráulicos para controlo de movimentos. Para um conhecimento detalhado e estudo da energia hidráulica vamos inicialmente entender o termo Hidráulica. O termo Hidráulica derivou-se da raiz grega Hidro, que tem o significado de água, por essa razão entendem-se por Hidráulica todas as leis e comportamentos relativos à água ou outro fluido, ou seja, Hidráulica é o estudo das características e uso dos fluidos sob pressão.
DIVISÕES DA HIDRÁULICA E APLICAÇÕES Estacionária
Esmeriladeira cilíndrica hidráulica Prensa hidráulica
Móbil
Tecnologia de Comando Hidráulica
Autores: Manuel João Gomes Pinto Revisão em (^) 5/
2 Princípios Físicos Da Hidráulica
2.1 Definição de Pressão
Pressão é a força exercida por unidade de superfície. Em hidráulica, a pressão é expressa em Pa, kgf/cm^2 , atm ou bar. A pressão também poderá ser expressa em psi (Pound per squareinch) que significa libra força por polegada quadrada, abrevia- se lbf/pol^2.
FATORES DE CONVERSÃO DE UNIDADES DE PRESSÃO
Equivalência entre Unidades de Pressão
Na prática, podemos considerar:
2.2 Conservação de Energia
Relembrando um princípio enunciado por Lavoisier, onde ele menciona: "Na natureza nada se cria e nada se perde tudo se transforma." Realmente não podemos criar uma nova energia e nem tão pouco destruí-la e sim transformá-la em novas formas de energia. Quando desejamos realizar uma multiplicação de forças significa que teremos o pistão maior, movido pelo fluido deslocado pelo pistão menor, sendo que a distância de cada pistão seja inversamente proporcional às suas áreas. O que se ganha em relação à força tem que ser sacrificado em distância ou velocidade.
Tecnologia de Comando Hidráulica
Autores: Manuel João Gomes Pinto Revisão em (^) 7/
2.4 Fluido Hidráulico
O fluido hidráulico é o elemento vital de um sistema hidráulico industrial. Ele é um meio de transmissão de energia, um lubrificante, um vedador e um veículo de transferência de calor. O fluido hidráulico à base de petróleo é o mais comum.
2.4.1 Fluido à Base de Petróleo
O fluido à base de petróleo é mais do que um óleo comum. Os aditivos são ingredientes importantes na sua composição. Os aditivos dão ao óleo características que o tornam apropriado para uso em sistemas hidráulicos.
ÍNDICE DE VISCOSIDADE (IV) O índice de viscosidade é um número puro que indica como um fluido varia em viscosidade quando a temperatura muda. Um fluido com um alto índice de viscosidade mudaria relativamente pouco com a temperatura. A maior parte dos sistemas hidráulicos industriais requer um fluido com um índice de viscosidade de 90 ou mais.
INIBIDORES DE OXIDAÇÃO A oxidação do óleo ocorre por causa de uma reacção entre o óleo e o oxigénio do ar. A oxidação resulta em baixa capacidade de lubrificação na formação de ácido e na geração de partículas de carbono e aumento da viscosidade do fluido. A oxidação do óleo é aumentada por três factores: Alta temperatura do óleo. Catalisadores metálicos, tais como cobre, ferro ou chumbo. O aumento no fornecimento de oxigénio.
INIBIDORES DE CORROSÃO Os inibidores de corrosão protegem as superfícies de metal do ataque por ácidos e material oxidante. Este inibidor forma um filme protector sobre as superfícies do metal e neutraliza o material corrosivo ácido à medida que ele se forma.
Tecnologia de Comando Hidráulica
Autores: Manuel João Gomes Pinto Revisão em (^) 8/
ADITIVOS DE EXTREMA PRESSÃO OU ANTIDESGASTE
Estes aditivos são usados em aplicações de alta temperatura e alta pressão. Em pontos localizados onde ocorrem temperaturas ou pressões altas (por exemplo, as extremidades das palhetas numa bomba ou motor de palheta).
ADITIVOS ANTIESPUMANTES Os aditivos antiespumantes não permitem que bolhas de ar sejam recolhidas pelo óleo, o que resulta numa falha do sistema de lubrificação. Estes inibidores operam combinando as pequenas bolhas de ar em bolhas grandes que se desprendem da superfície do fluido e estouram.
FLUIDOS RESISTENTES AO FOGO Uma característica inconveniente do fluido proveniente do petróleo é que ele é inflamável. Não é seguro usá-lo perto de superfícies quentes ou de chama. Por esta razão, foram desenvolvidos vários tipos de fluidos resistentes ao fogo.
EMULSÃO DE ÓLEO EM ÁGUA A emulsão de óleo em água resulta em um fluido resistente ao fogo que consiste de uma mistura de óleo numa quantidade de água. A mistura pode variar em torno de 1% de óleo e 99% de água a 40% de óleo e 60% de água. A água é sempre o elemento dominante.
EMULSÃO DE ÁGUA EM ÓLEO A emulsão de água em óleo é um fluido resistente ao fogo, que é também conhecido como emulsão invertida. A mistura é geralmente de 40% de água e 60% de óleo. O óleo é dominante. Este tipo de fluido tem características de lubrificação melhores do que as emulsões de óleo em água.
FLUIDO DE ÁGUA-GLICOL O fluido de água-glicol resistente ao fogo é uma solução de glicol (anticongelante) e água. A mistura é geralmente de 60% de glicol e 40% de água.
SINTÉTICO Os fluidos sintéticos, resistentes ao fogo, consistem geralmente de ésteres de fosfato, hidrocarbonetos clorados, ou uma mistura dos dois com fracções de petróleo. Este é o tipo mais caro de fluido resistente ao fogo. Os componentes que operam com fluidos sintéticos resistentes ao fogo necessitam de guarnições de material especial.
Tecnologia de Comando Hidráulica
Autores: Manuel João Gomes Pinto Revisão em (^) 10/
2.6 Pressão por forças externas (Lei de Pascal)
A pressão se distribui uniformemente em todas as direcções, e age com a mesma intensidade em todos os pontos.
ᡂ = 〇。 Como a pressão se distribui igualmente em todas as direcções, a forma do reservatório não importa. Para podermos trabalhar com a pressão resultante da actuação de força externa, usamos um sistema como o representado na fig. ᠲ ᠧ1 =
As forças são directamente proporcionais às áreas. Quando aplicamos uma força de 10 kgf em uma área de 1cm^2 , obtemos como resultado uma pressão interna de 10 kgf/cm^2 agindo em toda a parede do recipiente com a mesma intensidade. Este princípio, descoberto e enunciado por Pascal, levou à construção da primeira prensa hidráulica no princípio da Revolução Industrial. Quem desenvolveu a descoberta de Pascal foi o mecânico Joseph Bramah.
2.6.1 Princípio da Multiplicação de Pressão
F1 = F2 = F ; P1. A1 =F1; P2. A2 = F
Então ᡂ ᡂ2 =
Num multiplicador de pressão; as pressões são inversamente proporcionais às áreas.
TEXTO DE APOIO Tecnologia de Comando
Autores: Manuel João Gomes Pinto Data: Dezembro 2012
2.7 Hidromecânica (mecânica dos fluidos em movimento)
2.7.1 Tipos de fluxos
2.7.2 Leis da vazão:
Nos sistemas dinâmicos, o fluido que passa pela tubulação se desloca a certa velocidade. Esta é a velocidade do fluido, que de modo geral é medida em centímetros por segundo (cm/seg.). O volume do fluido passando pela tubulação em um determinado período de tempo é a vazão (Q = V.A), em litros por segundo (l/s). A relação entre velocidade e vazão pode ser vista na ilustração.
Se um fluido fluí por um tubo com vários diâmetros, o volume que passa numa unidade de tempo é mesmo independente da secção. A velocidade do f
ᡃ = 〣ぇ Q – Vazão (volume por unidade tempo) [m
Para encher um recipiente de 20 litros em um minuto, o volume de fluido em um cano de grande diâmetro deve passar a uma velocidade de 300 cm/s. No tubo de pequeno diâmetro, o volume deve uma velocidade de 600 cm/s para encher o recipiente no tempo de um minuto. Em ambos os casos a vazão é de 20 litros/minuto, mas as velocidades do fluido são diferentes.
TEXTO DE APOIO Hidráulica
Revisão em Dezembro 2012
Hidromecânica (mecânica dos fluidos em movimento)
LAMINAR: as camadas de fluido se deslocam paralelamente umas às outras. Nesse tipo de fluxo, a velocidade d na medida em que se afasta das paredes do tubo, ou seja, a velocidade máxima é atingida pela cama central do fluido. TURBULENTO: as camadas de fluido se deslocam de maneira aleatória, umas em relação às outras
dinâmicos, o fluido que passa pela tubulação se desloca a
Esta é a velocidade do fluido, que de modo geral é medida em centímetros
O volume do fluido passando pela tubulação em um determinado período zão (Q = V.A), em litros por segundo (l/s). A relação entre velocidade e vazão pode ser vista na ilustração.
por um tubo com vários diâmetros, o volume que passa numa unidade de tempo é A velocidade do fluxo varia. Vazão (volume por unidade tempo) [m^3 /s]
Para encher um recipiente de 20 litros em um minuto, o volume de fluido em um cano de grande diâmetro deve passar a uma velocidade de 300 cm/s. No tubo de pequeno diâmetro, o volume deve uma velocidade de 600 cm/s para encher o recipiente no tempo de um minuto. Em ambos os casos a vazão é de 20 litros/minuto, mas as velocidades do fluido são diferentes.
Revisão em (^) 11/ Dezembro 2012
as camadas de fluido se deslocam paralelamente umas às outras. Nesse tipo de fluxo, a velocidade do fluido aumenta na medida em que se afasta das paredes do tubo, ou seja, a velocidade máxima é atingida pela cama central do fluido. as camadas de fluido se deslocam de maneira
por um tubo com vários diâmetros, o volume que passa numa unidade de tempo é o
Para encher um recipiente de 20 litros em um minuto, o volume de fluido em um cano de grande diâmetro deve passar a uma velocidade de 300 cm/s. No tubo de pequeno diâmetro, o volume deve passar a
Em ambos os casos a vazão é de 20 litros/minuto, mas as velocidades do fluido são diferentes.
Tecnologia de Comando Hidráulica
Autores: Manuel João Gomes Pinto Revisão em (^) 13/
2.7.5 Cavitação
A cavitação é provocada quando, por algum motivo, gera-se uma zona de depressão, ou pressão negativa. Quando isso ocorre, o fluido tende a vaporizar formando bolhas de ar. Ao passar da zona de depressão, o fluido volta a ficar submetido à pressão de trabalho e, as bolhas de ar implodem provocando ondas de choque, que provocam desgaste, corrosão e até mesmo destroem pedaços dos rotores, carcaças e tubulações.
CAUSAS DA CAVITAÇÃO: Filtro da linha de sucção saturado Respiro do reservatório fechado ou entupido Linha de sucção muito longa Muitas curvas na linha de sucção (perdas de cargas) Estrangulamento na linha de sucção Altura estática da linha de sucção Linha de sucção congelada
EXEMPLO DE DEFEITO PROVOCADO PELA CAVITAÇÃO: Corrosão das palhetas da bomba.
CARACTERÍSTICAS DE UMA BOMBA EM CAVITAÇÃO
Queda de rendimento Marcha irregular Vibração provocada pelo desbalanceamento Ruído provocado pela implosão das bolhas
Tecnologia de Comando Hidráulica
Autores: Manuel João Gomes Pinto Revisão em (^) 14/
2.8 Grupo de accionamento e reservatório hidráulico
A função de um reservatório hidráulico é conter ou armazenar o fluido hidráulico de um sistema. Os reservatórios hidráulicos consistem de quatro paredes (geralmente de aço); uma base abaulada; um topo plano com uma placa de apoio, quatro pés; linhas de sucção, retorno e drenos; plugue do dreno; indicador de nível de óleo; tampa para respiradouro e enchimento; tampa para limpeza e placa deflectora (Chicana).
2.8.1 FUNCIONAMENTO
Quando o fluido retorna ao reservatório, a placa deflectora impede que este fluido vá directamente à linha de sucção. Isto cria uma zona de repouso onde as impurezas maiores sedimentam, o ar sobe à superfície do fluido e dá condições para que o calor, no fluido, seja dissipado para as paredes do reservatório. Todas as linhas de retorno devem estar localizadas abaixo do nível do fluido e no lado do deflector oposto à linha de sucção.
2.8.2 Filtros hidráulicos
Todos os fluidos hidráulicos contêm certa quantidade de contaminantes. A necessidade do filtro, no entanto, não é reconhecida na maioria das vezes, pois o acréscimo deste componente particular não aumenta, de forma aparente, a acção da máquina. Mas o pessoal experiente de manutenção concorda que a grande maioria dos casos de mau funcionamento de componentes e sistemas é causada por contaminação. As partículas de sujeira podem fazer com que máquinas caras e grandes falhem.
Tecnologia de Comando Hidráulica
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LIMITE DE VISIBILIDADE
O menor limite de visibilidade para o olho é de 40 mícron. Em outras palavras, uma pessoa normal pode enxergar uma partícula que mede 40 mícron, no mínimo. Isto significa que, embora uma amostra de fluido hidráulico pareça estar limpa, ela não está necessariamente limpa. Muito da contaminação prejudicial em um sistema
hidráulico está abaixo de 40 mícron.
ELEMENTOS FILTRANTES A função de um filtro é remover impurezas do fluido hidráulico. Isto é feito forçando o fluxo do fluido a passar por um elemento filtrante que retém a contaminação. Os elementos filtrantes são divididos em tipos de profundidade e de superfície.
ELEMENTOS DE FILTRO DE PROFUNDIDADE
Os elementos do filtro de profundidade forçam o fluido a passar através de uma espessura apreciável de várias camadas de material. A contaminação é retida por causa do entrelaçamento das fibras e a consequente trajectória irregular que o fluido deve tomar. Os papéis tratados e os materiais sintéticos são usados comumente como materiais porosos de elementos de filtro de profundidade.
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ELEMENTOS DO TIPO DE SUPERFÍCIE
Num filtro do tipo de superfície, um fluxo de fluido tem uma trajectória directa de fluxo através de uma camada de material. A sujeira é retida na superfície do elemento que está voltada para o fluxo. Telas de arame ou metal perfurado são tipos comuns de materiais usados como elemento de filtro de superfície.
TIPO DE FILTRAGEM PELA POSIÇÃO NO SISTEMA O filtro é a protecção para o componente hidráulico. Seria ideal que cada componente do sistema fosse equipado com o seu próprio filtro, mas isso não é economicamente prático na maioria dos casos. Para se obterem melhores resultados, a prática usual é colocar filtros em pontos estratégicos do sistema.
FILTROS DE SUCÇÃO Existem 2 tipos de filtro de sucção
Filtro de Sucção Interno: São os mais simples e mais utilizados. Têm a forma cilíndrica com tela metálica com malha de 74 a 150 mícron, não possuem carcaça e são instalados dentro do reservatório, abaixo, no nível do fluido. Apesar de serem chamados de filtro, impedem apenas a passagem de grandes partículas (na língua inglesa são chamados de “strainer”,que significa peneira).
Vantagens:
- Protegem a bomba da contaminação do reservatório.
- Por não terem carcaça são filtros baratos.
Desvantagens:
- São de difícil manutenção, especialmente se o fluido está quente.
- Não possuem indicador.
- Podem bloquear o fluxo de fluido e prejudicar a bomba se não estiverem dimensionados correctamente, ou se não conservados adequadamente.
- Não protegem os elementos do sistema das partículas geradas pela bomba.
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FILTRO DE LINHA DE RETORNO
Está posicionado no circuito próximo do reservatório. A dimensão habitualmente encontrada nos filtros de retorno é de 5 a 40 mícron.
Vantagens:
- Retém contaminação no sistema antes que ela entre no reservatório.
- A carcaça do filtro não opera sob pressão plena de sistema, por esta razão é mais barata do que um filtro de pressão.
- O fluido pode ter filtragem fina, visto que a pressão do sistema pode impulsionar o fluido através do elemento.
Desvantagens:
- Não há protecção directa para os componentes do circuito.
- Em filtros de retorno, de fluxo pleno, o fluxo que surge da descarga dos cilindros, dos atuadores e dos acumuladores pode ser considerado quando dimensionado.
- Alguns componentes do sistema podem ser afectados pela contrapressão gerada por um filtro de retorno.
2.8.3 Princípios básicos
A figura mostra, esquematicamente um sistema hidráulico básico. Actuamos com uma determinada força sobre o êmbolo de uma bomba manual simples. A força dividida pela área do pistão dá-nos a pressão que podemos alcançar Portanto, podemos dizer que a pressão é dependente da resistência que se opõe ao fluxo do líquido. A carga pode, portanto, ser movimentada, se conseguirmos atingir a pressão necessária para tanto. A velocidade com que se move a carga depende exclusivamente da rapidez com que conseguimos deslocar o óleo para a câmara do cilindro. A bomba é movimentada por um motor (eléctrico ou de combustão interna). Ela absorve o fluido do reservatório 2 e o desloca pelos tubos aos diversos equipamentos até chegar ao cilindro 4 (ou motor hidráulico Enquanto não houver uma resistência ao movimento de avanço do fluído, ele simplesmente circula.
Tecnologia de Comando Hidráulica
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O cilindro 4 oferece uma resistência, no fim da tubulação. Nesse momento a pressão aumenta até estar em condições de vencer esta resistência, ou seja, até que o cilindro se movimente.
Para que o sistema esteja protegido contra cargas muito elevadas (pressões muito altas) a pressão máxima deve ser limitada. Isto se consegue com a válvula limitadora de pressão 3. Uma mola, como força mecânica, pressiona uma esfera contra o assento. A pressão não conseguirá aumentar mais. Todo o fluido fornecido pela bomba retornará ao reservatório passando pela válvula 3. Se o êmbolo do cilindro 4.1 com haste 4.2 avança ou recua, é controlado pela válvula direccional 5 A haste 4.2 recua. A carga desloca-se na direcção oposta. O fluido sai da câmara oposta do cilindro e é deslocado através ela válvula 5, de B para T, de volta para o reservatório. Por deslocamento do êmbolo 6 na válvula de comando liga-se P com B. O fluido sai da bomba, pela válvula para a outra câmara do cilindro. O sentido do movimento do êmbolo 4.1 com a haste é controlado com a válvula direccional 5 Na prática não se representam os circuitos hidráulicos como mostrado nas figuras No lugar de cortes simplificados serão usados símbolos estilizados. A representação gráfica dum circuito hidráulico com esses símbolos é denominada esquema hidráulico. Um sistema óleo-hidráulico é um sistema de transmissão de energia