Prévia do material em texto
Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos de Aeronaves 2. Componentes do Sistema Hidráulico Prof. Luis Henrique Santos 2.1 Fluído hidráulico – Conceitos básicos O primeiro componete a ser abordado será o fluído hidráulico ou óleo hidráulico. Em um sistema hidráulico, o fluído que percorre as tubulações possui a função primária de transmitir força do ponto em que ele é bombeado até o componente que se deseja atuar. Sua característica de incompressibilidade, ou seja, a capacidade de deformar muito pouco quando submetidos a altas pressões, permite uma transmissão de força normalmente mais eficiente se comparado aos conjuntos mecânicos e elétricos. Fabricantes de fluídos hidráulicos argumentam que eles são fabricados de acordo com o trabalho que irão executar, levando em consideração condições de trabalho como: temperatura de operação do sistema, temperatura ambiente, possibilidade de corrosão, entre outros. Assim, torna-se necessário entender algumas características importantes destes fluídos antes de escolhê- los. Dentre elas estão a viscosidade, a estabilidade química, o ponto de fulgor e finalmente o ponto de ignição. A viscosidade, que é caracterizada como a resistência interna de um fluído ao deslocamento, pode ser considerada como uma das mais importantes propriedades dos óleos hidráulicos. Óleos com alta viscosidade escoam com dificuldade pelas tubulações, de forma mais lenta do que líquidos que possuem menos viscosidade. Como exemplo pode-se comparar a gasolina e o óleo lubrificante utilizado nos motores automotivos. Ao colocar a mesma quantidade de ambos sobre uma superfície plana de vidro percebe-se que a gasolina ecoa com maior facilidade, o mesmo não acontece com o óleo lubrificante. Nesta comparação verifica-se que a gasolina possui menor viscosidade em relação ao óleo lubrificante. É importante ressaltar que esta propriedade é alterada pela temperatura, ou seja, quanto maior a temperatura na qual o óleo é submetido menor será a viscosidade e mais facilmente ele fluirá. O contrário ocorre para os casos em que a temperatura é muito baixa. Sua viscosidade aumentará elevando também sua resistência ao escoamento. A estabilidade química é outra propriedade importante. Ela pode ser caracterizada como a propriedade que o fluído possui de resistir a oxidação e a deterioração por longos períodos de tempo. Todo óleo esta sujeito a sofrer alterações químicas quando operando em condições extremas como, por exemplo, a operação por longos períodos de tempo em altas temperaturas. Altas temperaturas tem grande influência na vida útil do óleo causando variações em suas propriedades físico químicas. É interessante ressaltar que a temperatura que é mostrada no indicador de temperatura instalado no reservatório hidráulico nem sempre representa a leitura real de temperatura de operação do óleo. Existem ao longo do sistema hidráulicos diversos pontos quentes que podem expor o óleo a condições de temperatura acima da qual ele foi projetado. Estas condições devem ser observadas tanto na etapa de projeto do sistema quanto na etapa de projeto do óleo. O ponto de fulgor e o ponto de ignição também são duas características imprescindíveis de serem observadas no momento da escolha do óleo hidráulico. A diferença entre eles reside basicamente no conceito de cada um. O ponto de fulgor pode ser caracterizado como a temperatura em que o óleo libera vapores em quantidades suficientes para que haja a ignição. Já o ponto de ignição é a temperatura em que o óleo libera vapores em quantidade suficiente para sustentar a chama na presença de um ponto de ignição, seja ele uma centelha ou a própria chama. 2.1.1 Fluído hidráulico – Tipos Existem três tipos de óleos hidráulicos utilizados na aviação atual. São eles: a) Óleos Minerais b) Óleos a base de poli olefinas ou poli alquenos. c) Óleos a base de éster fosfato. Os óleos minerais são fabricados desde a década de 40 a partir da destilação fracionada do petróleo. Sua cor característica é vermelha e eles são totalmente compatíveis entre si. Na aviação são muito aplicados em sistemas hidráulicos que não apresentam alto risco de incêndio e os selos e anéis de vedação resistentes a este tipo de óleo são fabricados de borracha sintética. Dentre eles pode-se citar o óleo MIL-H-5606 que é utilizado em aeronaves como o Lear Jet serie 20 e 30 fabricados pela Bombardier, o King Air fabricado pela Beechcraft e o EMB110 e EMB120 da Embraer. A segunda família de óleo que começou a ser fabricada na década de 60 é a base de polímeros denominados poli alquenos. Os alquenos são hidrocarbonetos alifáticos insaturados que possuem como fórmula geral C�H��. Eles possuem a característica de resistência ao fogo não encontrada nos MIL-H-5606, porém sua desvantagem reside na alta viscosidade de trabalho em baixas temperaturas ficando sua faixa de operação limitada a -40°C. Dentre os óleos desta família destaca-se o MIL-H-83282. Ele é compatível com os selos, os anéis de vedação e mangueiras utilizadas em sistemas hidráulicos que trabalham com o MIL-H-5606 motivo pelas quais pequenas aeronaves que predominantemente utilizam os 5606 tem o substituído pelos 83283. A terceira e última família de óleos hidráulicos utilizados na aviação são os de base éster fosfato. Comercialmente conhecido como Skydrol ® ou HyJet IV®, eles são amplamente utilizados nos grandes jatos que voam na aviação comercial. Dentre eles os modelos 737, 767 e 747 da Boeing, Airbus 310, 319 e 320 e os EMBRAER 145, 170 e 190. Estes óleos possuem alta resistência ao fogo e foram desenvolvidas durante a Segunda Grande Guerra como resultado as pesquisas para minimizar a ocorrência de fogo nos freios das aeronaves da época. Varias gerações deste óleo foram criadas e as principais diferenças estão em suas performances. Atualmente as versões IV e V são as mais utilizadas. Na versão IV existem duas classes diferentes, a classe I e a classe II. Suas diferenças básicas estão na densidade e na capacidade de reduzir peso. A classe I apresenta uma densidade menor e consequentemente menor peso se comparado a classe II. A versão V possui maior estabilidade térmica e maior resistência ao desgaste. Ela resiste melhor as altas temperaturas de trabalho sendo mais indicada as operações em pressões elevadas. 2.1.2 Fluído hidráulico – Contaminação A experiência mostra que grande parte dos problemas encontrados nos sistemas hidráulicos foi proveniente de algum tipo de contaminação. Dentre estes problemas destacam-se as falhas de componentes ocasionadas pelo mau funcionamento das unidades ou sua destruição completa. Dentre os contaminantes estão: a) As partículas abrasivas: se enquadram nesta categoria areia, pequenas partículas metálicas e detritos. b) As partículas não abrasivas: estão nesta categoria as partículas leves, impurezas causadas pela oxidação do óleo e detritos provenientes do desgaste dos selos e anéis de vedação. Uma das formas de verificar se o sistema hidráulico esta contaminado é por meio da inspeção visual dos elementos filtrantes. Eles normalmente estão instalados nas linhas de pressão e retorno do sistema e possuem função de reter todas as impurezas que se encontram no óleo hidráulico. Uma inspeção visual em busca de partículas metálicas, não metálicas e outros tipos de contaminação podem apresentar importantes pistas quanto a problemas de desgaste e degradação de componentes do sistema. O reabastecimento do reservatório hidráulico com o óleo correto é outro item que deve ser cuidadosamente observado, pois vários deles não são compatíveis e misturá-los poderá ocasionar contaminação. Um exemplo é a contaminação pelo reabastecimento errôneo de óleo de base éster fosfato (Skydrol®) em um reservatório de óleo mineral. O Skydrol® irá deteriorar os anéis e selos de vedação que são fabricadosde borracha sintética para a operação com óleo mineral ocasionando vazamentos internos nas linhas de alimentação e componentes do sistema. 2.2 Sistema hidráulico – Componentes Os sistemas hidráulicos podem ser divididos em três partes: o sistema de geração que são constituídos pelos reservatórios que armazenam o fluído hidráulico, filtros, bombas, motores e acumuladores. O Sistema de distribuição e controle que é constituído por válvulas controladoras de pressão, vazão e válvulas direcionais. E finalmente o sistema de aplicação de energia, constituído por motores, cilindros e osciladores. A Figura 1 mostra a configuração básica de um sistema hidráulico utilizado em uma aeronave de pequeno porte. Nele, pode-se visualizar o reservatório (reservoir), o filtro (filter), a bomba manual (hand pump) e a bomba elétrica (motor-driven pump) que contemplam o sistema de geração. Também pode ser visualizada a válvula de alívio de pressão (pressure relief valve), uma válvula de única via (one-way check valve) e um válvula direcional que conecta as linhas de pressão (pressure) e retorno (return). Estes componentes fazem parte do sistema de distribuição. O sistema de aplicação de energia é representado pelo atuador hidráulico (actuating cylinder). O funcionamento do circuito hidráulico se dá no momento em que a bomba começa a funcionar. Durante seu funcionamento baixa pressão é criada nas linhas de recalque do sistema deslocando fluído hidráulico do reservatório para o interior da bomba. Estas linhas são mostradas na Figura 1 na cor rosa. Neste circuito existem duas bombas: uma operada manualmente e outra que funciona por meio de um motor elétrico. Figura 66: Sistema hidráulico aeronáutico – configuração básica Na saída de ambas podem-se visualizar válvulas que permitem a passagem de fluido em apenas uma direção. Elas protegem as bombas de danos causados por fluxo reverso do óleo hidráulico. A linha posterior a bomba é chamada de linha de pressão e pode ser visualizada em vermelho no esquema em estudo. Ela é o caminho a ser seguido pelo fluído pressurizado pela bomba. Seguindo a linha de pressão (linhas vermelhas) encontra-se a válvula seletora e posteriormente um atuado hidráulico que também é conhecido como cilindro hidráulico. A válvula seletora tem a função de direcionar o fluído pressurizado para o atuador hidráulico e conectar a linha de retorno do reservatório (linha verde). Na linha de retorno existe um filtro que tem como principal objetivo a retenção de impurezas existentes no óleo permitindo que fluído limpo chegue ao reservatório. 2.2.1 Sistema hidráulico – Descrição dos principais componentes Reservatório hidráulico: o reservatório hidráulico é normalmente fabricado em material resistente a corrosão sendo a liga de alumínio ou aço inox os mais comuns. Ele tem a função de armazenar o óleo hidráulico para utilização no sistema sendo responsável por prover a quantidade de óleo necessária conforme a demanda operacional do circuito. Permitir a expansão térmica do óleo, que ocorre devido a elevação de temperatura, também é uma de suas funções assim como repor a quantidade de óleo hidráulico perdida devido vazamentos internos dos componentes do sistema. Existem dois tipos de reservatórios utilizados em aeronaves, os não pressurizados e pressurizados. Os reservatórios não pressurizados são utilizados em aeronaves projetadas para voo que não contemplem manobras violentas e que voem em baixas altitudes. Isto porque manobras como o voo de dorso, por exemplo, podem ocasionar falta de fluído na linha de sucção da bomba pelo escoamento do óleo para extremidades afastadas da porta de alimentação. A baixa pressão atmosférica das altas altitudes pode proporcionar queda de pressão na linha de sucção da bomba, o que pode ocasionar a sua cavitação. Estes dois fenômenos são críticos para a operação do sistema hidráulico e podem ocasionar perda no controle da aeronave. Os reservatórios pressurizados são instalados em aeronaves projetadas para voos em altas altitudes e são muito utilizados nas aeronaves fabricadas para uso na aviação comercial. A pressurização, que normalmente é feita com o ar proveniente do sistema pneumático, é necessária porque estes reservatórios geralmente estão instalados em áreas externas e não pressurizadas das aeronaves, como o compartimento do trem de pouso principal. A pressão interna do reservatório gira em torno de 45 a 50 psi. A Figura 2 mostra um reservatório hidráulico pressurizado utilizado em aeronaves de grande porte. Figura 2: Componentes de um reservatório hidráulico pressurizado Na descrição de seus componentes pode-se visualizar a porta para a conexão da linha de ar que pressuriza o tanque (connection for vent line), o indicador de nível (glass sight gauge), a porta de reabastecimento de óleo (filler neck), a porta para a conexão com a linha de sucção da bomba (Connection for main system pump), a porta de conexão com a linha de retorno do sistema (connection for return line) e a porta de conexão com a linha da bomba de emergência (connection for emergency system pump). Os fins e baffles possuem a função de estabilizar o óleo durante o voo reduzindo sua agitação dentro do tanque. Filtros: os filtros são componentes utilizados para limpar o óleo hidráulico retirando dele impurezas, partículas sólidas sejam elas metálicas ou não e prevenindo a permanência de substancias contaminante no sistema. As principais fontes de contaminação em sistemas hidráulicos são as partículas sólidas não metálicas provenientes do desgaste de anéis e selos de vedação e partículas sólidas metálicas provenientes do desgaste de bombas, motores e atuadores hidráulicos. Os filtros estão localizados entre o reservatório e a linha de pressão do sistema, normalmente após a bomba, e também na linha de retorno do reservatório. O conjunto é composto de uma base onde são conectadas as linhas hidráulicas do sistema, um copo onde esta contido o elemento filtrante e o próprio elemento filtrante. Na Figura 3 pode-se observar um módulo de hidráulico composto de dois filtros. A base anteriormente comentada esta descrita como filter head assembly with by pass valve, sendo que a by pass valve é uma válvula que se abre para os casos em que a passagem pelo filtro esta completamente obstruída. Esta função é incorporada em sistemas hidráulicos que trabalham com componentes essenciais para ao voo. Neste caso o óleo hidráulico segue para o sistema sem ser filtrado mantendo-o em funcionamento. Como exemplo pode-se citar as aeronaves que possuem o sistema de comando das superfícies de voo comandadas hidraulicamente e necessitam do óleo pressurizado para movimentar os atuadores. Figura 3: Módulo de pressão contendo dois conjuntos de filtros. O indicador de pressão diferencial ou differential pressure indicator tem a função de indicar para as equipes de manutenção quando o elemento filtrante esta obstruído, assim havendo a necessidade de sua troca. O copo (bow) é a parte do conjunto que contém o elemento filtrante (filter), este por sua vez este contido em seu interior. Este componente é o responsável pela filtragem do fluído sendo a sua construção semelhante a uma malha metálica muito fina ou feita de papel poroso. Esta porosidade depende da arquitetura do sistema hidráulico, mas geralmente retém partículas com dimensões inferiores a 10 microns1. A Figura 4 mostra a relação entre o tamanho das partículas retidas pelos filtros hidráulicos e o fio de cabelo humano. Figura 4: Relação entre as dimensões da porosidade dos filtros e o cabelo humano. 1 1 micron equivale a 0,000394 polegadas. Tubulações e mangueiras: As tubulações e mangueiras são utilizadas para conduzir o óleo hidráulico até os diversos componentes dosistema. Normalmente são utilizados tubos de liga de aço resistente a corrosão nas linhas de alta pressão e tubos de alumínio em linhas de baixa pressão ou retorno. As mangueiras são utilizadas em locais em que há a necessidade de flexibilidade para permitir o movimento. Como exemplo pode-se citar as linhas hidráulicas dos trens de pouso. A Figura 5 mostra as tubulações de pressão e retorno de uma válvula hidráulica, elas são fabricadas de aço inoxidável para suportar uma pressão nominal de 3.000psi. Figura 5: Tubulações de pressão e retorno de uma válvula hidráulica. Tubulação é o termo geral que engloba os vários tipos de condutos que transportam o fluido hidráulico entre os componentes assim como as conexões utilizadas entre eles. Os sistemas hidráulicos utilizam principalmente 3 tipos de condutos: - Tubos rígidos. - Tubos semi-rígidos. - Mangueiras flexíveis. Atualmente, o tubo rígido é o mais barato dos três enquanto que os tubos semi-rígidos e mangueiras são mais convenientes e de manutenção mais simples. Tubos rígidos Os tubos rígidos foram os primeiros condutos a serem usados em sistemas hidráulicos e ainda o são devido a seu baixo custo. Recomenda-se o uso de tubos de aço sem costura, com o seu interior livre de ferrugem, escamas ou sujeira. Vedações para tubos rígidos: As roscas de tubos rígidos são cônicas, contrariamente às dos tubos semi-rígidos e algumas conexões de mangueiras que têm roscas paralelas. As juntas são vedadas pela adaptação entre as roscas do macho e da fêmea quando estas são apertadas. Quando se quebra uma junção, o tubo precisa ser apertado um tanto mais para se obter vedação novamente. Freqüentemente isto requer uma substituição de parte do encanamento com as seções um pouco mais longas. Entretanto, essa dificuldade é superada pelo uso de teflon ou outros compostos para vedar novamente as juntas dos tubos defeituosas. É necessário o uso de machos e de tarraxas especiais para abertura de roscas do sistema hidráulico. As roscas são do tipo de "vedação seca". Estas são diferentes das roscas "standard", pois os fundos e os topos das roscas se tocam antes dos flancos, evitando-se assim a folga espiral. Figura 6 - Vedações para tubos. Conexões: Como os tubos rígidos só podem ter roscas machos, e não podem ser dobrados, vários tipos de conexões são usadas para uni-los e modificar-lhes a direção. Figura 7 - Tipos de conexões. Normalmente as conexões têm rosca fêmea para acoplamento com os tubos, embora existam também conexões com rosca macho para alguns tipos de montagem em válvulas e bombas, e também para certas interligações entre conexões. As conexões num circuito representam vários pontos para ocorrência de vazamento, especialmente para altas pressões. As conexões rosqueadas são usadas até 11/4", para bitolas maiores, as conexões são substituídas por flanges soldados aos canos. Usam-se gaxetas ou anéis "O" para vedá-los. Figura 8 - Conexões flangeadas para tubos rígidos de grande diâmetro. Tubulação semi-rígida Uma instalação feita com tubos de aço sem costura oferece vantagens bem visíveis sobre uma instalação feita com tubos rígidos. Os tubos de aço sem costura podem ser dobrados, são mais fáceis de trabalhar e podem ser montados e desmontados freqüentemente sem problemas de vedação. Normalmente, a quantidade de conexões é reduzida. Nos sistemas de baixa vazão, suportam pressões mais elevadas bem como conduzem o fluxo ocupando menos espaço com peso menor. Entretanto, são mais caras, assim como são, as conexões que os acompanham. Especificação de tubulação: A especificação para tubos semi-rígidos se refere ao diâmetro externo. As medidas disponíveis são encontradas em incrementos de 1/16", de 1/8" até 1" de diâmetro externo e em incrementos de 1/4", para diâmetros maiores que 1", em várias espessuras de parede para cada tamanho. O diâmetro interno é igual ao diâmetro externo menos duas vezes a espessura da parede. tdd ei ×−= 2 Conexões para tubos semi-rígidos: A vedação não ocorre por roscas e sim por conexões de diversos tipos. Algumas destas conexões vedam pelo contato de metal com metal e são conhecidas como conexões de compressão. Podem utilizar tubos com ponta biselada ou não. Outras usam anéis tipo "O" ou então retentores. Além das conexões rosqueadas, os flanges também são usados para serem soldados aos tubos de dimensões maiores. Conexões biseladas A conexão Biselada de 37° é a mais comum para tubos que possam ter a extremidade moldada para esse ângulo. As conexões mostradas na figura A-B são vedadas pela compressão da extremidade do tubo previamente aberto em forma de funil e apertado por meio de uma porca sobre a superfície cônica existente na extremidade do corpo da conexão. Uma luva ou extensão da porca tem por finalidade suportar o tubo a fim de diminuir a vibração. A conexão biselada padrão 45° é utilizada para pressões muito altas. Esta também é feita num desenho invertido com roscas macho na porca de compressão. Conexões de compressão de luva ou com anel de borracha tipo "O" Para tubos que não possam ser biselados ou simplesmente para evitar a necessidade de afunilá-los já existem várias conexões de compressão com anel de penetração, (vistas D-F), e juntas de compressão cuja vedação é assegurada por anéis tipo "O" (vista E). A junta com anel tipo "O" permite uma ligeira variação no comprimento e na perpendicularidade do corte na extremidade do tubo. Conector com anel "O" de rosca reta Quando um componente hidráulico está equipado com pórticos de rosca reta, pode-se usar juntas conforme mostra a figura C. Isto é ideal para a aplicação de alta pressão, pois é comprimida com o aumento da pressão. Figura 9 - Conexões e adaptadores rosqueados usados com tubos semi-rígidos. Mangueira flexível A mangueira flexível é recomendada quando as linhas hidráulicas são sujeitas ao movimento, por exemplo, as linhas ligadas ao cabeçote de uma furadeira. A mangueira é fabricada em camadas de borracha sintética e trançados têxteis ou em fios de aço. As com trançados em fio de aço naturalmente permitem pressões mais elevadas. A camada interna da mangueira deve ser compatível com o fluido usado. A camada externa é normalmente de borracha para proteger a camada trançada. A mangueira deve ter no mínimo 3 camadas múltiplas, dependendo da pressão do sistema. Quando existem várias camadas de fio de aço elas podem ser alternadas com camadas de borracha ou simplesmente montadas umas sobre as outras. Figura 10 - Construção das mangueiras (tubos flexíveis). Conexões para mangueira: As conexões para as mangueiras são essencialmente as mesmas usadas para os tubos. Existem conexões para as extremidades da maioria das mangueiras, apesar de existirem conectores reaproveitáveis do tipo parafusado ou grampeado à ponta da mangueira. É geralmente desejável conectar as extremidades das mangueiras com juntas tipos união com porcas giratórias. A união é normalmente acoplada ao conector, porém pode ser construída para ser acoplada à mangueira. Uma mangueira tem normalmente uma conexão não rotativa em uma extremidade e uma união rotativa na outra, para permitir sua montagem, pois nunca se deve torcer uma mangueira na instalação. Consideração de pressão e fluxo As normas padrão da indústria recomendam um fator de segurança de pelo menos 4, até 8, em capacidade de pressão. Se a pressão de operação for de 0 a 70 bar, o fator de segurança deverá ser de 8 vezes. De 70 a 170 bar, o fator deve ser 6 vezes e para as pressões acima de 170 bar, recomenda-se uma fator de segurança de 4 vezes. Fator de segurança (FS) = Pressão de ruptura Pressão de trabalho Portanto, será necessário verificar-se o diâmetro interno adequado para comportar o fluxo na velocidade recomendada, bem comoespessura de parede suficiente para suportar a pressão. A figura a seguir é um nomograma que pode ser útil para: Tabela 1 - Tabela para selecionar diâmetro interno dos tubos. 1. Selecionar o diâmetro interno se a vazão for conhecida. 2. Determinar precisamente qual seria a velocidade, se o tamanho do tubo e a vazão forem conhecidos. 3. Para usar esta tabela, coloque uma régua ligando dois valores conhecidos e leia o valor desejado na 3ª coluna. Os fabricantes de tubos normalmente fornecem dados sobre as capacidades de pressão e suas respectivas bitolas, veja exemplo na figura abaixo. Tabela 2 - Dimensionamento de tubos. Considerações sobre o material Se o custo não for proibitivo, é preferível usar tubos semi-rígidos devido a uma melhor vedação, além da conveniência de serem reaproveitáveis e de manutenção mais rápida. Mangueiras flexíveis não precisam ser limitadas às aplicações móveis. Podem ser convenientemente usadas em linhas curtas e têm capacidade de amortecer choques hidráulicos. As conexões hidráulicas devem ser de aço, com exceção das linhas de sucção, linhas de retorno e de dreno onde o ferro maleável pode ser usado. Canos e conexões galvanizados devem ser evitados porque o zinco pode reagir com certos aditivos do óleo. Tubulações de cobre também devem ser evitadas porque as vibrações do sistema hidráulico podem temperar o cobre rachando-o nas juntas. Além disso, o cobre diminui a vida do óleo. Recomendações de instalação Uma instalação apropriada é essencial para evitar vazamentos, contaminação do sistema e operação barulhenta. Algumas recomendações gerais de instalação seguem: Limpeza: A maior causa de falhas em sistemas hidráulicos é o óleo sujo. Os componentes de precisão estão especialmente sujeitos os danos devidos a resíduos na instalação da tubulação. Portanto, é necessário limpá-la bem na instalação. Quando são feitas as operações tais como cortar, afunilar e rosquear, verifique sempre se os cavacos de metal não se depositaram em lugares onde o óleo possa ser contaminado. Os métodos recomendados para o tratamento de tubos antes da instalação são: jatos de areia, eliminação de graxa e decapagem química. Mais informações sobre estes processos pode ser obtido dos fabricantes de componentes e dos distribuidores de equipamentos de limpeza. Preparação de tubos e conexões antes da instalação de um sistema hidráulico: Ao se instalar os diversos tipos de tubos e conexões em um sistema hidráulico, é absolutamente necessário que estejam limpos, livres de cavacos e de outros materiais estranhos. Para alcançar este objetivo algumas regras básicas devem ser obedecidas, pois um sistema contaminado é uma fonte certa de inúmeros problemas. Assim tem-se: 1. Após o corte, as bordas dos tubos e canos devem ser escariadas, para evitar rebarbas. 2. As peças são então decapadas numa solução adequada até a remoção total de carepas e ferrugem. A preparação para a decapagem exige um desengraxamento em tricloretileno ou outro solvente comercial. 3. Neutralizar a solução de decapagem. 4. Lavar as peças e preparar para armazenagem. 5. Os tubos não devem ser soldados após a montagem, pois se torna impossível uma limpeza adequada. Eles devem ser dobrados e ajustados com exatidão para evitar força-los quando por ocasião de montagem. 6. Quando se usam conexões flangeadas, deve-se ter cuidado de montá-las em esquadro com as faces de montagem e as prender com parafusos de comprimentos adequados. Os parafusos e pinos devem ser apertados de modo uniforme para evitar distorções. 7. Deve-se assegurar sempre que todas as aberturas do sistema hidráulico estejam protegidas a fim de impedir a entrada de sujeira, de cavacos de metal etc., quando ocorrer um trabalho de usinagem, solda etc... perto da unidade. 8. Ao usar conexões rosqueadas o sistema deve ser inspecionado para evitar que as rebarbas das roscas sejam introduzidas no sistema. 9. Antes de introduzir o óleo no reservatório, certifique-se que o óleo é o especificado e que está limpo. Não use filtros de tecido e óleos estocados em recipientes contaminados. 10. Use um filtro de malha de 120 ao colocar óleo no reservatório. Opere por um certo período de tempo para eliminar o ar das linhas. Acrescente mais fluido se for necessário. 11. Precauções de Segurança Normalmente os produtos químicos usados para limpeza e decapagem, são perigosos. Eles devem ser guardados em recipientes próprios e ser manuseados com extremo cuidado. Suportes: As linhas hidráulicas longas estão sujeitas as vibrações e choques quando o óleo que nelas flui é parado repentinamente ou tem seu sentido de escoamento invertido. Vazamentos podem ocorrer pela fadiga das juntas ou quando elas se soltarem. As linhas devem ter apoios a intervalos regulares, com abraçadeiras ou grampos, sendo melhor colocá-los afastados das conexões para facilitar a montagem e desmontagem. Materiais moles tais como: madeira ou plástico são melhores para este fim. Funções das linhas hidráulicas: Há numerosas considerações especiais relativas às funções das linhas (tubulações) que devem ser mencionadas: 1. O pórtico de entrada da bomba é normalmente maior que a da saída para acomodar uma linha de bitola maior. É recomendável manter esta bitola por toda a linha de sucção e a fazê-la tão curta quanto possível. As curvas devem ser evitadas e a quantidade de conexões deve ser reduzida ao mínimo. 2. Como sempre há uma depressão na entrada de uma bomba, as conexões na linha de entrada precisam ser montadas de modo a não permitir a entrada de ar no sistema. 3. Nas linhas de retorno, as restrições são responsáveis pela contra pressão, resultando em desperdício de energia. Usar bitolas adequadas para assegurar a velocidade baixa. Aqui também se deve evitar curvas e muitas conexões. 4. As linhas de retorno soltas podem também admitir ar no sistema pela aspiração. Estas linhas precisam ser apertadas e devem terminar abaixo do nível do óleo para que não haja aeração nem turbulência. 5. As linhas entre os atuadores e válvulas de controle de fluxo devem ser curtas e firmes para um controle de fluxo preciso. Instalação de mangueiras As mangueiras flexíveis devem ser instaladas de modo que não se torçam durante a operação da máquina. Deve- se permitir uma folga para o movimento livre e para a absorção dos picos de pressão. Mangueiras muito longas e com possibilidades de sofrer torção devem ser evitadas. Pode-se tornar necessário o uso de braçadeiras para evitar que a mangueira se enrosque ou se embarace com peças móveis. A mangueira sujeita a atritos com qualquer peça deve ser protegida. Retentores e vazamento Vazamento excessivo num circuito hidráulico reduz o rendimento, consumindo energia. Vazamento interno: A maioria dos componentes é construído com uma tolerância que permite certa quantidade de vazamento interno. As peças móveis naturalmente precisam ser lubrificadas e as passagens são projetadas para esse fim, além disso, certos controles têm passagens de vazamento interno para evitar o desequilíbrio de êmbolos e válvulas e pistões. O vazamento interno não significa perda do fluido. Este volta através de um dreno externo ou interno do componente. O aumento de vazamento ocorre quando houver desgaste do componente e a folga entre as peças aumenta. Este aumento de vazamento reduz a eficiência do sistema diminuindo a velocidade de trabalho e gerando calor. Finalmente, se a passagem interna for suficientemente grande, toda a vazão da bomba pode passar através dela e a máquina deixa de operar. Vazamento externo O vazamento externo é desagradável e pode ser tornar perigoso. É antieconômico porque raramente se pode reaproveitar o óleo. A causa principal do vazamento externo é uma instalação inadequada. O vazamento pelas juntas é devido a má instalação ou a vibrações e choquesque ocasionam a soltura das linhas. Linhas de dreno inadequadas, pressão de operação excessiva e contaminação do fluido são fatores que danificam os retentores. Vedação A vedação é necessária para manter a pressão, impedir a perda de óleo e manter afastados os contaminantes. São vários os métodos de vedar os componentes hidráulicos, dependendo se os retentores precisam ser positivos ou não positivos, se a aplicação da vedação será estática ou dinâmica, da pressão a ser usada, e outros fatores. Um retentor positivo não deixa passar nada. Um retentor não positivo permite uma pequena quantidade de vazamento interno tal como: a folga mínima de um êmbolo no corpo de uma válvula para fornecer uma camada de lubrificação. Retentores estáticos Um retentor que é comprimido entre duas peças solidamente conectadas, é classificado como um retentor estático. O retentor pode se movimentar um pouco, conforme a pressão seja aplicada ou não alternadamente, porém as duas peças não se movimentam em relação a si próprias. Alguns exemplos de retentores estáticos são gaxetas, conexões de roscas de cano, retentores de juntas flangeadas, conexões de anéis sob compressão e anéis de borracha tipo "O". As aplicações de vedação estática são relativamente simples, pois os retentores não estão sujeitos a atritos e se desgastam muito pouco quando montados corretamente. Figura 11 – Retentores Retentores dinâmicos Os retentores dinâmicos são instalados entre peças que se movem uma em relação à outra. Assim pelo menos uma das peças fricciona contra o retentor, o que faz com que os retentores dinâmicos estejam sujeitos a desgastes. Isto naturalmente torna seu projeto e sua aplicação mais difíceis. Retentores tipo anel "O" Provavelmente o retentor mais comum usado em equipamento hidráulico, é o anel "O". Um anel "O" é de borracha sintética moldada e tem sua seção transversal circular. O anel de borracha é instalado num encaixe usinado numa das peças. Na instalação, este anel é comprimido em ambos os diâmetros, tanto interno como externo. Entretanto, é um retentor tanto atuado por pressão como compressão. A pressão força o anel contra um lado do encaixe e para fora em ambos os diâmetros. Assim a vedação é positiva contra duas superfícies circulares e uma superfície plana. O acréscimo de pressão significa maior força contra as superfícies de vedação, permitindo reter pressões extremamente altas. Os anéis "O" são usados principalmente em aplicações estáticas. Entretanto, podem ser usados também em aplicações dinâmicas quando há movimentos recíprocos de curta extensão. Não são adequadas para vedar peças com movimento rotativo (eixos) ou em aplicações onde a vibração é um problema. Anéis de encosto - (Backup) Sob pressões elevadas, o anel de borracha de seção circular tem a tendência de ser extrudado entre as folgas das peças que se acoplam. Numa aplicação estática, isto não seria tão grave, porém a extrusão pode causar desgaste acelerado numa aplicação dinâmica. Isto pode ser superado, instalando um anel de encosto rígido, no encaixe do anel "O", no lado oposto ao da pressão. Utilize anéis de encosto em ambos os lados do anel tipo "O", quando a pressão atuar alternadamente, nos dois lados do retentor. Figura 22 – Anel de secção redonda. Figura 12 - Anel de encosto. Anéis cortados em torno Em aplicações estáticas, o retentor cortado em torno é um substituto aceitável para um anel de borracha de seção circular. Os anéis torneados são mais econômicos que os de tipo "O", sendo cortados de tubos extrudados e não moldados individualmente. Existem muitas aplicações onde os retentores torneados e os anéis do tipo "O" são intercambiáveis, se forem do mesmo material. Figura 13 - Retentores de secção retangular (cortados em torno). Anel do tipo "T" O anel tipo "T" é largamente utilizado para vedar os pistões dos cilindros, haste e outras partes que se movimentam alternadamente. É feito de borracha sintética moldado na forma "T" e é apoiado por anéis de encosto nos dois lados. Os pontos de vedação são arredondados e a vedação é semelhante à de anel "O". Obviamente, este retentor não terá a tendência de rolar como o tipo "O". O anel T não é limitado às aplicações de curso curto. Figura 14 - Anel tipo "T". Retentor labial Estes retentores são dinâmicos de baixa pressão, usados, principalmente para vedar eixos rotativos. Um retentor típico de lábio consiste de um receptáculo metálico para suporte e alinhamento da borracha sintética ou couro formando um lábio que é encaixado no eixo. Freqüentemente se usa uma mola para manter o lábio em contato com o eixo. Os retentores labiais são do tipo positivo. A vedação até certo ponto é ajudada pela pressão. A pressão agindo no lábio (ou depressão atrás dele) produz uma aderência maior deste contra o eixo, produzindo a vedação adequada. Figura 15 - Retentor labial. Altas pressões não podem ser retidas porque o lábio não tem apoio. Em certas aplicações, a câmara que está sendo vedada, alterna sua condição de pressão à de depressão. Existem retentores com dois lábios opostos para essas aplicações, para impedir a entrada de ar ou sujeira bem como para reter o óleo. Retentores tipo copo O retentor tipo copo, é um retentor positivo utilizado em muitos pistões de cilindros. É atuado pela pressão em ambas as direções. A vedação é efetuada forçando o lábio do copo contra a parede do cilindro. Este tipo de retentor é aplicado e suporta altas pressões. Os retentores tipo copo precisam ser bem apertados e ajustados no lugar. O pistão do cilindro é realmente uma placa circular, onde são fixados os retentores tipo copo. Figura 16 - Retentor tipo copo. Anéis de pistão Os anéis de pistão são fabricados de ferro fundido ou de aço, polidos e as vezes cromados. Figura 17 - Anéis de pistão. Oferecem menor atrito ao movimento que o couro ou os retentores sintéticos. São freqüentemente utilizados em pistões de cilindros. Um anel único não forma necessariamente uma vedação positiva. A vedação torna-se positiva quando vários anéis são colocados lado a lado. São capazes de suportar altas pressões. Gaxetas de compressão As gaxetas de compressão formam um dos primeiros dispositivos para vedação utilizados em sistemas hidráulicos e são usadas em aplicações tanto estáticas como dinâmicas. Em aplicações estáticas as gaxetas estão sendo substituídas pelos anéis "O" ou então retentores torneados. A maioria das gaxetas em uso atualmente são moldadas em forma de "U" ou "V", e são usadas gaxetas múltiplas para tornar a vedação eficaz. As gaxetas são comprimidas apertando-se um anel flangeado. Um ajuste apropriado é crítico, porque o aperto excessivo acelerará o desgaste. Em certas aplicações a gaxeta é suportada por uma mola para manter a força e diminuir o desgaste. Figura 18 - Gaxetas de compressão. Retentor de face Um retentor de face é usado em aplicações onde se necessita uma vedação para alta pressão, ao redor de um eixo rotativo. A vedação se efetua pelo contato permanente entre duas superfícies planas bem lisas, freqüentemente carbono e aço. O anel estacionário é colocado no corpo da unidade. O outro é colocado no eixo e gira contra o primeiro, estacionário. Uma das peças geralmente tem uma mola para melhorar o contato inicial e absorver o desgaste. A pressão aumenta a força de contato, melhorando a vedação. Como se pode esperar, a multiplicidade de peças e a precisão de usinagem nas faces de vedação tornam este tipo de retentor bem dispendioso. Figura 19 - Retentor de face. Juntas Juntas são dispositivos utilizados para vedar superfícies planas. Os projetos antigos previam juntas para vedação de flanges e válvulas em subplacas, atualmente utilizam-se anéis "O". Materiais de vedação Até o desenvolvimento de borrachas sintéticas, na II Guerra Mundial,utilizava-se couro, cortiça ou fibras impregnadas para se promover a vedação. Em função das alterações sofridas pela borracha natural (alteração de forma e decomposição química) quando em contato com óleo mineral, seu uso é raro em equipamentos hidráulicos. As borrachas sintéticas são compatíveis com óleo mineral, e em função do tipo de operação, podem apresentar várias composições diferentes. A maioria dos retentores para equipamentos hidráulicos é feito de: - Buna N (borracha nitrílica); - Silicone; - Neoprene; - Teflon ou butyl. Buna N O elastômero Buna N (borracha nitrílica) é o material de vedação mais usado nos sistemas hidráulicos modernos. É razoavelmente resistente, seu desgaste é moderado e é econômico. Há muitas composições compatíveis com o óleo mineral. A maioria se molda facilmente em qualquer forma. A Buna N tem uma faixa de temperatura razoavelmente alta, quando em contato com a maioria dos óleos minerais. Entretanto, pode se deformar (inchar) em contato com alguns fluidos sintéticos. Silicone O silicone é um elastômero que conserva suas características numa faixa de temperatura mais ampla que a Buna N é, portanto um material com boas características para vedar eixos rotativos e para ser usado como retentor estático em sistemas onde há variações muito grandes de temperatura. Este mantém sua forma e a capacidade de vedar desde -50°C até 260°C. A altas temperaturas, o silicone tende a absorver óleo e inchar. Isto, entretanto, não é uma desvantagem em aplicações estáticas. Não é usado para retentores em movimento alternativo, porque se rasga e sofre abrasão com muita facilidade. Retentores de silicone são compatíveis com a maioria dos fluidos, sendo mais usados com fluidos resistentes ao fogo do que com os a base de petróleo. Neoprene Um dos materiais elásticos mais antigos utilizados para vedação nos sistemas hidráulicos é o Neoprene. É um material resistente, porém de uso limitado para sistemas usando óleos minerais a baixa temperatura. Acima de 70°C, não convém usar Neoprene, pois este tem tendência de se vulcanizar. Plásticos Flúor-plásticos e Flúor-elastômeros. Vários materiais de vedação são sintéticos, pela combinação de flúor com um elastômero ou plástico. Entre estes podemos citar o "Kel-F", "Viton A" e o "Teflon". O nylon é outro material sintético com propriedades semelhantes, é freqüentemente combinado com elastômeros para torná-los mais resistentes. Ambos, nylon e teflon são usados como anéis de encosto, bem como para vedação. O teflon é usado em forma de fita, para a vedação de juntas de tubos. Todos estes têm resistência excepcional à alta temperatura (até 260°C) e são compatíveis com a maioria dos fluidos hidráulicos. Como evitar vazamentos As três considerações gerais para se evitar um vazamento são: 1. Projetar um sistema que diminua essa probabilidade. (gaxetas ou montagem com subplaca) 2. Instalação apropriada 3. Controle das condições de operação. Vamos analisar rapidamente cada um desses casos: Projeto contra vazamento Já vimos que os projetos de conexões com roscas retas e flanges soldados apresentam menor possibilidade de vazamento do que as conexões padrão para tubos. A instalação de válvulas com os tubos conectados permanentemente às placas de montagem tem feito uma grande diferença em evitar vazamentos bem como facilitar a manutenção. A maioria das válvulas construídas atualmente é desse tipo. A expressão "montagem por gaxeta", foi originalmente aplicada a este desenho porque as gaxetas foram usadas nas primeiras válvulas montadas com subplaca. O termo montagem "por gaxeta" ou em subplaca, é ainda usado para fazer referência às válvulas montadas em subplacas vedadas com anéis de borracha tipo "O" ou anéis torneados. Mais um passo foi dado nesse tipo de montagem, é o uso de blocos (Manifold). Alguns são furados e outros combinam placas de montagem com placas recortadas, soldadas umas sobre as outras, providenciando ligações entre as válvulas e eliminando tubulação externa. Instalação apropriada Uma instalação cuidadosa, não "mordendo" ou torcendo um retentor, assegura uma conexão à prova de vazamento. Os fabricantes freqüentemente recomendam uma ferramenta especial para a colocação correta de retentores de eixo do tipo labial. A vibração e a tensão nas juntas são os fatores mais comuns que causam os vazamentos externos. Devem ser evitados em uma instalação adequada. Condições de trabalho O controle sobre as condições de trabalho pode se tornar muito importante para a vida do retentor. Os seguintes fatores de operação podem ajudar a evitar um vazamento: - Evitar a contaminação Um ambiente contaminado com umidade, sujeira ou qualquer material abrasivo, tende a encurtar a vida dos retentores de eixo e de hastes de pistões ao ar. Deve-se usar dispositivos de proteção nos ambientes contaminados. Igualmente importante é ter o fluido limpo para evitar dano aos retentores internos. - Compatibilidade de fluido Alguns fluidos resistentes ao fogo atacam quimicamente e desintegram certos retentores. Poucos retentores são compatíveis com todos os fluidos. O fabricante deve ser sempre consultado quando da mudança de tipo de fluido, se houver qualquer dúvida quanto ao retentor apropriado a ser usado. Os aditivos para fluidos (colocados pelo usuário de máquinas), também podem atacar os retentores e devem ser usados somente após recomendação do fornecedor do fluido. - Temperatura Em temperaturas extremamente baixas um retentor pode se tornar quebradiço, perdendo assim sua função. Em temperaturas muito altas, um retentor pode ficar duro, mole ou deformado. A temperatura de operação deve ser mantida dentro da faixa de resistência dos retentores em uso. - A Pressão O excesso de pressão no fluido, pode danificar um retentor, causando o vazamento. - Lubrificação Nenhum retentor deve ser instalado ou operado a seco. Deverá ser lubrificado caso contrário ele se gastará rapidamente e permitirá vazamento. Os retentores de couro devem ser embebidos no fluido antes da instalação. Os retentores sintéticos não são absorventes como o couro, porém devem ser lubrificados antes da instalação. Bombas: Todo sistema hidráulico aeronáutico conjuntos de bombas mecânicas que geralmente estão instaladas no motor da aeronave, bombas elétricas que funcionam por meio de motores elétricos trifásicos e também bombas de ação manual. Como regra geral, as bombas elétricas são utilizadas somente em casos de emergência, quando as bombas ligadas aos motores não estão funcionando, ou em operações com a aeronave em solo. Assim, as bombas dos motores são consideradas a fonte primária de energia hidráulica do sistema. As bombas manuais são utilizadas em algumas aeronaves mais antigas servindo como unidade de emergência nas aeronaves de pequeno porte mais novas. A bomba é provavelmente o componente mais importante e menos compreendido no sistema hidráulico. Sua função é a de converter a energia mecânica em energia hidráulica, recalcando o fluido hidráulico ao sistema. 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: Hidrodinâmica ou Hidrostática. Hidrodinâmica As bombas de deslocamento não positivo, por exemplo, as centrífugas, são usadas normalmente na transferência de fluidos, onde a resistência ao escoamento é provocada apenas pelo peso do fluido e pelos atritos conseqüentes ao escoamento. A maioria das bombas de deslocamento não positivo opera pela força centrífuga onde o fluido, ao entrar na bomba, é expelido para a saída por meio de um impulsor que gira rapidamente. Não existe uma vedação positiva entre os pórticos de entrada e de saída e as capacidades de pressão dependem da velocidade de giro.Embora estas bombas forneçam um fluxo suave e contínuo, sua vazão diminui quando a resistência aumenta. É possível bloquear completamente o pórtico da saída em pleno funcionamento da bomba. Por estas razões, as bombas de deslocamento não positivo são raramente usadas em sistemas hidráulicos. Figura 20 - Bombas centrífugas. Hidrostática As bombas de deslocamento positivo são denominadas, também, de bombas hidrostáticas. Uma vedação mecânica separa a entrada e saída da bomba, e o volume de fluido succionado é transferido para o lado de saída e fornecido para o sistema. A sucessão de pequenos volumes de fluidos transferidos dessa forma proporciona uma vazão bem uniforme, independente do aumento de pressão no sistema, tendo-se assim, uma quantidade de fluido positiva que é transferida ao mesmo sistema por unidade de revolução ou curso. Naturalmente, a vazão poderá ser mais ou menos uniforme, de acordo com a característica construtiva da bomba. Como permitem a transmissão de potência, essas bombas são aplicadas em circuitos óleos-hidráulicos. As bombas de deslocamento positivo são geralmente, apresentadas pela sua capacidade máxima de pressão a que pode resistir e vazão nominal, a partir de uma determinada rotação e potência fornecidas. A vazão da bomba aumenta ou diminui em uma relação direta com a rotação fornecida. As bombas podem ser de deslocamento fixo ou variável, sendo que, as variáveis podem ter a possibilidade de variar a vazão de um valor máximo até zero, em sentido único ou com reversão de sentido. As bombas de deslocamento positivo fornecem uma dada quantidade de fluido para cada rotação ou ciclo. A vazão, à exceção de perdas por vazamento é independente da pressão, tornando-se adequadas para transmitir força. Especificações de bombas As bombas são geralmente classificadas por sua capacidade de pressão e pela sua vazão a uma dada velocidade de giro. Pressão nominal A faixa de pressão de uma bomba é determinada pelo fabricante, baseado numa vida útil razoável da bomba sob condições de operação específicas. É importante notar que não há um fator de segurança padronizado nesta relação. Operando com pressões elevadas pode-se reduzir a vida de serviço da bomba ou causar danos sérios. Deslocamento Uma bomba é caracterizada por sua vazão nominal. Realmente sem carga a vazão recalcada é maior que à pressão de trabalho. Sua vazão também é proporcional à velocidade de giro. O deslocamento é o volume de fluido transferido numa rotação. É equivalente ao volume de uma câmara de bombeamento multiplicado pelo número de câmaras. Expressa-se o deslocamento em cm³/rot. A maioria das bombas tem um deslocamento fixo que não pode ser modificado a não ser pela substituição de certos componentes. É possível, entretanto, variar as dimensões da câmara de bombeamento por meio de controles externos, variando assim o deslocamento. Em certas bombas de palhetas não balanceadas e também em muitas unidades de pistões, o deslocamento pode ser variado de zero ao máximo, tendo algumas ainda a possibilidade de inverter a direção do fluxo. A vazão (lpm) Muitos fabricantes fornecem uma tabela ou gráfico, mostrando a vazão de uma bomba e a demanda de energia sob condições de teste em relação às velocidades de rotação e pressão. Tabela 4 – Tabela Típica de Especificações O rendimento volumétrico Teoricamente, uma bomba desloca uma quantidade de fluido igual a seu deslocamento em cada ciclo ou rotação. Na realidade, o deslocamento verdadeiro é inferior devido a vazamentos internos. Quanto maior a pressão, maior será o vazamento da saída para a entrada da bomba ou para o dreno, reduzindo assim, o rendimento volumétrico. O rendimento volumétrico é igual à vazão real que a bomba recalca, dividida pela vazão que teoricamente recalcaria se não ocorressem vazamentos. ηv = Vazão real x 100 Vazão teórica Por exemplo, se teoricamente uma bomba recalcaria 40 l/min e a 70 bar recalca 36 l/min, seu rendimento volumétrico é de 90% a 70 bar. %90100 40 36 v =×=η Classificação e descrição das bombas As bombas de deslocamento positivo podem ser: A L Pistão ou Duplo efeito Simplex Duplex Acionadas por vapor T E R N A T I V A S Êmbolo Diafragma Simples efeito Duplo efeito Simplex Duplex Triplex Multiplex Simplex Multiplex Acionadas por motores de combustão interna ou elétricos Operação por fluido ou mecanicamente R O T A T I V A S Um só rotor Palhetas Pistão rotativo Elemento flexível Parafuso simples Engrenagens deslizantes oscilantes flexíveis exteriores interiores Rotores múltiplos Rotor lobular Pistões oscilatórios Parafusos duplos múltiplos Nas bombas volumógenas existe uma relação constante entre a descarga e a velocidade do órgão propulsor da bomba. Nas bombas alternativas, o líquido recebe a ação das forças diretamente de um pistão ou êmbolo (pistão alongado) ou de uma membrana flexível (diafragma). Podem ser de: Simples efeito - quando apenas uma face do êmbolo atua sobre o líquido. Duplo efeito - quando as duas faces atuam. Chamam-se ainda: Simplex - quando existe apenas uma câmara com pistão ou êmbolo. Duplex - quando são dois pistões ou êmbolos. Triplex - quando são três os pistões ou êmbolos. Multiplex - quando são quatro ou mais pistões ou êmbolos. Figura 21 - Bomba de êmbolo de simples efeito. Podem ser acionadas pela ação do vapor (steam pumps) ou por meio de motores elétricos ou também por motores de combustão interna (power pumps). Nas bombas citadas, o pistão ou êmbolo pode ser de simples ou duplo efeito. As figuras abaixo representam croquis de várias bombas de êmbolo. ` Figura 22 - Bomba de êmbolo de simples efeito. Figura 23 - Bomba alternativa de pistão de simples efeito. Figura 24 - Bomba alternativa de pistão de duplo efeito. Nas bombas rotativas, o líquido recebe a ação de forças provenientes de uma ou mais peças dotadas de movimento de rotação que, comunicando energia de pressão, provocam seu escoamento. A ação das forças se faz segundo a direção que é praticamente a do próprio movimento de escoamento do líquido. A descarga e a pressão do líquido bombeado sofrem pequenas variações quando a rotação é constante. Podem ser de um ou mais rotores. Existe uma grande variedade de tipos de bombas rotativas, entre as quais as indicadas na Fig. 48. Figura 25 - Bombas rotativas. Tipos de bombas - Tipos de bombas de vazão fixa: - manuais - engrenagens - parafusos - palhetas radiais - pistões axiais - Tipos de bombas de vazão variável: - manuais - palhetas radiais - pistões axiais Bombas manuais: A bomba manual é aquela que é acionada pela força muscular do operador. A mais conhecida delas é a bomba de poço, de aplicação bem conhecida em locais em que a água é obtida de poços. Seu funcionamento é simples, e, para melhor ilustrá-lo, explicaremos o acionamento da bomba manual na figura que segue. Figura 26 - Bomba manual de dupla ação. Quando movimentamos a alavanca no sentido indicado pela flecha, o pistão interno ao cilindro mover-se-á da esquerda para a direita, succionando fluido do reservatório pela entrada “1” e impulsionando óleo de dentro do cilindro pela saída “4”, ao mesmo tempo em que a entrada “2” permanece fechada pela ação da mola e da pressão do óleo que está sendo impulsionado, assim como a saída “3” também permanece fechada pela ação da mola e da pressão negativa ocasionada na sucção. O mesmo acontece no movimentoinverso em que a entrada do óleo se dá pelo orifício “2” e saída pelo “3” enquanto “1” e “4” permanecem fechados. Bombas de engrenagens: A bomba consiste de duas engrenagens, sendo uma motriz acionada pelo eixo e outra movida, montadas numa carcaça com placas laterais (chamadas placas de desgaste ou pressão). Figura 27 - Bomba de engrenagens externas. As engrenagens giram em sentidos opostos criando uma depressão na câmara de entrada da bomba. O fluido introduz-se nos vãos dos dentes e é transportado junto à carcaça até a câmara de saída. Ao se engrenarem novamente, os dentes forçam o fluido para a abertura de saída. A alta pressão na abertura de saída impõe uma carga radial desbalanceadora nas engrenagens e nos rolamentos que as apóiam. A figura abaixo, ilustra uma bomba típica de engrenagens com dentes internos, nesta, as câmeras de bombeamento são formadas entre os dentes das engrenagens. Uma vedação em forma de meia lua é montada entre as engrenagens e localizada no espaço entre a abertura de entrada e de saída, onde a folga entre os dentes das engrenagens é máxima. Figura 28 - Bombas de engrenagens internas. Características das bombas de engrenagens A maioria das bombas de engrenagens é de deslocamento fixo. Elas existem numa faixa de pequenas a grandes vazões. Devido ao fato de serem do tipo não balanceado, são geralmente unidades de baixa pressão, porém existem bombas de engrenagens que atingem até 200 bar. Com o desgaste, o vazamento interno aumenta. Entretanto, as unidades são razoavelmente duráveis e toleram a sujeira mais do que outros tipos. Uma bomba de engrenagens com muitas câmaras de bombeamento gera freqüências altas e, portanto tende a fazer mais barulho, porém, foram feitos muitos melhoramentos nestes últimos anos, com o intuito de diminuir o nível de ruído. Bomba de rotores lobulares Seu princípio de funcionamento é idêntico ao das bombas de engrenagens, sendo que, as engrenagens, são substituídas pelos rotores do tipo Roots, que chamamos de lóbulos. Figura 29 - Bomba de rotores lobulares Aqui não existe o contato direto entre os lóbulos como ocorre na bomba de engrenagens. Os rotores são acionados por duas engrenagens que ficam externamente à bomba. Podemos notar que, a vazão menos suave neste tipo de bomba e o nível de ruído será mais elevado, além de seu custo também ser relativamente alto. Sua utilização, portanto, será limitada a casos específicos. Bombas de palhetas O princípio de funcionamento de uma bomba de palhetas é mostrado na figura abaixo. Um motor provido de ranhuras gira dentro de um anel excêntrico. Nas ranhuras do rotor são colocadas as palhetas as quais entram em contato com a face interna do anel quando o rotor gira. Figura 30 - Funcionamento de uma bomba de palhetas não balanceadas. A força centrífuga e a pressão sob as palhetas as mantém contra o anel. Formam-se câmaras de bombeamento entre palhetas, rotor, anel e as duas placas laterais. Na abertura de entrada, a pressão diminui quando aumenta o volume entre o rotor e o anel. O óleo que entra neste volume fica preso nas câmaras, sendo empurrado para a abertura de saída quando este volume diminui. A vazão da bomba depende da espessura do anel e do rotor, bem como do contorno do anel. Figura 31 - Deslocamento de uma bomba de palhetas. Bombas tipo não balanceado A construção da bomba é do tipo não balanceado e o eixo sofre uma carga radial quando houver pressão no sistema e, portanto, no rotor. Esta construção do tipo não balanceado é limitada, em grande parte, à bomba de deslocamento variável. Figura 32 - Bomba de palhetas de deslocamento variável compensado por pressão. O deslocamento desta bomba pode ser modificado através de um controle externo, tal como um volante ou então, um compensador de pressão. O controle movimenta o anel mudando a excentricidade entre o anel e o rotor, reduzindo ou aumentando, conforme a posição do anel e câmara de bombeamento. Bombas tipo balanceado Hoje, a maioria das bombas de palhetas de deslocamento fixo utiliza o conjunto balanceado idealizado por Harry Vickers, que desenvolveu a primeira bomba de palhetas hidraulicamente balanceada, de alta velocidade e de alta pressão, na década de 1920. Esta bomba e suas invenções subseqüentes contribuíram ao rápido avanço da indústria da hidráulica e da companhia por ele fundada, conhecida hoje como a divisão Vickers da TRINOVA. Neste tipo, o anel é elíptico ao invés de redondo, o que permite dois conjuntos de pórticos internos. Figura 33 - Princípio de balanceamento em uma bomba de palhetas. As duas aberturas de saída e as duas de entrada, são separadas de 180°, de tal forma que as forças de pressão ou de sucção no rotor se cancelam evitando a carga radial no eixo e nos rolamentos. O deslocamento de fluido deste tipo não pode ser variado. Porém, são fabricados anéis intercambiáveis com elipses diferentes, tornando possível modificar uma bomba para aumentar ou diminuir sua vazão. Bombas duplas redondas As bombas redondas também são construídas em versões duplas, com dois conjuntos rotativos e com um único eixo comum. A figura abaixo mostra uma bomba dupla. Figura 34 - Bomba dupla redonda. Bombas de palhetas tipo "quadrado" Estas bombas foram feitas originalmente projetadas para aplicações mobile. São também hidraulicamente balanceadas, porém sua construção é mais simples que as bombas redondas. O conjunto rotativo consiste de um anel, montado entre o corpo da bomba e a tampa, um rotor, doze palhetas e uma placa de pressão, comprimida por uma mola. O pórtico da entrada se encontra no corpo da bomba e o de saída na tampa a qual pode ser montada em quatro posições diferentes, para facilitar a montagem da tubulação. Figura 35 - Bomba de palheta tipo "quadrado". Bombas de palhetas de alto rendimento O mais recente projeto de bombas de palhetas balanceadas é a série de alto rendimento, para pressões mais altas e maiores velocidades de acionamento. Uma bomba simples típica e a bomba dupla é mostrada nas figuras abaixo. Figura 36 - Bomba de palhetas de alta eficiência. Figura 37 - Construção de bomba dupla de alto rendimento. Intrapalhetas Os conjuntos de bombas de alto rendimento incorporam intrapalhetas (pequenos suplementos nas palhetas), para variar a força de contato destas contra o anel, nos quadrantes de alta e baixa pressão. Figura 38 - Princípio de funcionamento. As bombas redondas e quadradas já mencionadas utilizam a pressão de saída na parte inferior das palhetas, constantemente, para promover o contato efetivo desta contra o anel. Nas unidades de alto rendimento, devido à relação entre tamanho e pressão, esta caracterização pode resultar em sobrecarga e desgaste prematuro nas pontas das palhetas e do contorno do anel. Nestas bombas a pressão é mantida nas duas extremidades das palhetas, por meio de furos especiais no rotor, bem como no vão proporcionado pela intrapalheta. Como a pressão atua nas duas extremidades da palheta, esta fica equilibrada, restando então somente a força centrífuga, para fazer o contato deste contra o anel. Esta característica elimina cargas excessivas no contato da palheta com o anel bem como impede que esta se separe do anel em condições de cavitação. Conjunto rotativo pré-montado (Cartucho) O conjunto rotativo utilizado na bomba de alto rendimento é composto de um anel, rotor, palhetas, intrapalhetas, placas de pressão flexíveis, placas de desgaste, pinos guia e parafusos pré-montados. Conjuntos para reposição são fornecidos (pré-testados) para substituição rápida. São montados para girar só à direita ou só à esquerda, porém podem ser alterados, se necessário, para girar em sentido oposto. As setas servem como guia do sentido de acionamento. Os pórticos de entradae saída da bomba não se modificam, tanto com rotação à direita quanto à esquerda. Figura 39 - Conjunto rotativo pré-montado. Posições dos pórticos As séries de bombas de alto rendimento assim como as bombas "quadradas" são construídas de tal maneira que as posições dos pórticos possam ser facilmente modificadas para qualquer uma das quatro combinações. Isto é conseguido removendo-se os quatro parafusos e girando a tampa. O conjunto dentro do corpo precisa ser girado também, caso contrário a abertura de entrada pode ser restringida pelo conjunto. Os dois pinos guia se encaixam nos furos de tampa para facilitar a montagem, bem como para assegurar a posição correta do conjunto. Características de operação de bombas de palhetas As bombas de palhetas cobrem uma faixa de pequena a grande vazão, com pressões de trabalho de até 200 bar. São seguras, de fácil manutenção. A superfície interna do anel e as pontas das palhetas são os pontos de maior desgaste, e esses são compensados pelas palhetas que podem se mover mais nas ranhuras do rotor. A limpeza e um fluido apropriado são essenciais para uma vida longa em serviço. Recomenda-se óleo de petróleo com boas características anti-desgaste. Entretanto, muitas bombas têm trabalhado, com sucesso com fluidos sintéticos. Bombas de pistão axial com placa inclinada Em bombas de pistão do tipo axial, o conjunto de cilindros e o eixo estão na mesma direção e os pistões se movimentam paralelamente ao eixo de acionamento. O tipo mais simples é mostrado na figura abaixo. Um eixo gira o bloco de cilindros. Os pistões são ajustados aos cilindros e apoiados por sapatas sobre uma placa inclinada. Figura 40 - Bomba de pistões em linha. Quando se gira o conjunto as sapatas seguem a inclinação da placa, causando um movimento alternado dos pistões nos seus cilindros. Figura 41 - Princípio de funcionamento. Os pórticos são localizados de tal maneira que a linha de sucção se situe onde os pistões começam a recuar e a abertura de saída onde os pistões começam a ser forçados para dentro dos cilindros no conjunto. Deslocamento Nessas bombas, o deslocamento também é determinado pelo tamanho, quantidade de pistões e seus cursos a função da placa inclinada é a de controlar o curso dos pistões. Nos modelos de deslocamento variável, a placa está instalada num balancim. Movimentado-se este, o ângulo da placa varia para aumentar ou diminuir o curso dos pistões. Este pode ser posicionado manualmente, por servo controle, por compensador de pressão, ou então por qualquer outro meio de controle. As figuras abaixo demonstram um controle por compensador. O ângulo máximo nas unidades mostradas é 17,5 graus. Figura 42 - Variação do deslocamento da bomba de pistões em linha. Funcionamento do compensador O funcionamento do compensador numa bomba de pistões em linha é mostrado esquematicamente na Figura 43. O controle consiste de uma válvula compensadora equilibrada entre a pressão do sistema e a força de uma mola, um pistão que é controlado pela válvula que movimenta o balancim e uma mola para retornar este balancim. Figura 43 - Funcionamento do compensador. Se não houver pressão no sistema a mola segura o balancim na inclinação máxima. A medida que a pressão do sistema for aumentando, ela age na extremidade do embolo da válvula. Quando esta pressão for suficiente para vencer a força da mola do embolo compensador, este se desloca e permite que o óleo entre no pistão (o que é movimentado pela pressão do óleo) diminuindo o ângulo do balancim e, portanto diminuindo o deslocamento da bomba. Se a pressão do sistema for menor que a força da mola, o êmbolo será forçado a voltar, o óleo do pistão será drenado na carcaça da bomba e uma mola empurra o balancim ao ângulo máximo. Assim, o compensador ajusta a vazão de óleo necessária para manter uma determinada pressão. Evita-se assim uma perda excessiva de energia, que normalmente ocorre através da válvula de segurança descarregando a vazão total da bomba durante operações de travamento. Um modelo muito utilizado nas aeronaves atuais, principalmente nos grandes jatos comerciais é a bomba de pressão constante e demanda variável. Ela tem a característica de manter a pressão nominal em diferentes situações de demanda do sistema. A Figura 44 mostra o esquema de uma bomba deste tipo. Nota-se que ela possui um prato (Yoke) ligado aos pistões da bomba. Quando a demanda aumenta no circuito hidráulico a pressão nas tubulações cai abaixo do valor nominal. Isso faz com que a linha de pressão de controle (Control Pressure - P�) – Linha azul, acione por meio hidráulico o pistão de atuação do Yoke. Uma vez atuado ele eleva o fluxo de fluído na saída da bomba. O contrário ocorre quando a demanda do circuito hidráulico é reduzida. Figura 44: Bomba de pressão constante e demanda variável. Válvulas: as válvulas tem a função principal de controlar a direção do óleo hidráulico no sistema. Elas são componentes essenciais na operação de atuadores e motores hidráulicos assim como no controle da vazão e pressão do sistema. Como exemplo de válvulas de controle de têm-se: as válvulas seletoras, válvulas unidirecionais, válvulas de sequência, válvulas de prioridade e os fusíveis hidráulicos. As válvulas seletoras são utilizadas para mudar o sentido de fluxo do óleo hidráulico no sistema. Elas são muito utilizadas na inversão no sentido de operação do atuador hidráulico linear e na inversão no sentido de rotação de motores hidráulicos. Como exemplo pode-se citar a extensão e retração dos trens de pouso de uma aeronave. A válvula unidirecional permite a passagem de fluído em uma determinada direção e bloqueia ou restringe a passagem do fluído no sentido oposto. Válvulas de sequência são instaladas em circuitos hidráulicos que necessitam de um retardo de atuação. Elas são encontradas no circuito hidráulico de recolhimento do trem de pouso de algumas aeronaves permitindo que as portas que o carena se feche após o recolhimento total do trem. As válvulas de prioridades são importantes, pois são responsáveis por estabelecer a prioridade de funcionamento entre circuitos hidráulicos. Elas podem ser encontradas no sistema de freio das aeronaves estabelecendo prioridade de funcionamento entre o sistema de freios normal e de emergência. Outro componente que funciona como proteção são os fusíveis hidráulicos. Eles são instalados em determinados pontos do sistema hidráulico com o objetivo de protegê-lo da perda total de fluído em casos de rompimento de uma linha hidráulica. Existem também as válvulas reguladoras de pressão e de vazão. Suas funções principais são manter a vazão e a pressão do fluído dentro do valor nominal de operação. As válvulas de corte, que também são instaladas em diversos pontos do circuito, tem o objetivo de interromper a vazão do fluído. A Figura 44 mostra alguns dos componentes citados. Figura 44: Válvulas de corte hidráulicas e fusíveis hidráulicos. Pode-se verificar na primeira figura as válvulas de corte hidráulicas ou shutt off valves. Elas são utilizadas para interromper a vazão de óleo hidráulico em determinadas partes do circuito. Na segunda figura têm-se os fusíveis hidráulicos que são utilizados na proteção do sistema. Acumulador: acumuladores de energia hidráulica são componentes criados para armazenar fluido hidráulico assim como os capacitores elétricos armazenam energia elétrica em suas placas. Eles podem ser esféricos ou cilíndricos e possuem duas câmaras separadas entre si. A Figura 45 mostra acumuladores utilizados em aeronave de pequeno porte são semelhantes a uma esfera de aço dividida em duas câmaras separadas por um diafragma fabricado em borracha sintética. A câmara superior contém fluído hidráulico sob pressão e a câmara inferior é abastecidacom nitrogênio ou ar. Figura 45: Acumulador esférico Acumuladores cilíndricos, como o que é mostrado na Figura 46, são comumente utilizados em aeronaves de grande porte que utilizam sistemas de alta pressão. Eles possuem um pistão interno que substitui o diafragma de borracha sintética. O abastecimento é semelhante ao esférico sendo que uma das câmaras contém ar ou nitrogênio e a outra o fluído hidráulico. O nitrogênio tem a função de deslocar óleo hidráulico sob pressão para o sistema no momento em que as bombas hidráulicas param de funcionar. Figura 46: Acumulador cilíndrico utilizado no Boeing 737. Os acumuladores possuem as funções de amortecer as vibrações causadas pelo efeito de pulsação da bomba, armazenar energia hidráulica para utilização em casos de falha das bombas, auxiliar na alimentação de óleo hidráulico no momento em que a demanda do sistema é grande e compensar pequenos vazamento por meio de um suprimento contínuo de óleo. Atuadores hidráulicos: são elementos que produzem movimento transmitindo força por meio de um fluído hidráulico. Eles são acionados por meio de comandos que podem ser manuais, elétricos ou mecânicos. Atuadores hidráulicos são dimensionados para converter energia hidráulica em força mecânica de forma a executar algum trabalho. Eles normalmente produzem movimentos lineares e são utilizados nas aeronaves para movimentar qualquer componente que se deseje certa precisão em seu deslocamento. Atuadores são fabricados por um corpo cilíndrico polido em seu interior. Possuem na sua seção externa portas para a conexão de mangueiras ou tubulações hidráulicas, elas o conectam as linhas e pressão e retorno do sistema. Em seu interior encontra-se instalado um pistão que se desloca transmitindo movimento linear ao componente que a ele está ligado. Selos de vedação separam as duas câmaras internas do cilindro permitindo que cada uma delas receba fluído sob pressão por vez. A seleção das câmaras para as linhas de pressão e retorno são normalmente feitas por meio de válvulas seletoras. Elas são atuadas conforme a necessidade de mudança do sentido de deslocamento do pistão. A Figura 47 mostra um atuador de ação única e um atuador de dupla ação. A diferença básica entre eles esta na ação de retorno do pistão. No atuador de ação única, desenho A, o retorno é feito através de uma mola que o empurra ao ponto de origem. No caso do atuador de dupla ação, desenho B, o efeito mola é ocasionado pelo próprio fluído hidráulico pressurizado. Ainda na Figura 10 é possível visualizar a seta amarela que indica fluído pressurizado entrando no atuador. A seta azul indica a saída de fluído hidráulico, à baixa pressão, do cilindro. Este fluido seguirá pela linha de retorno do sistema até chegar ao reservatório. Figura 47: Atuadores de ação (A) única e atuador de dupla ação (B). Estudo de caso - Sistema hidráulico do Boeing 737 A Figura 48 mostra o esquema hidráulico da aeronave 737-300. Nela pode-se visualizar o sistema de geração de força hidráulica desta aeronave. Ele é composto pelos dois grandes reservatórios de fluído em azul e verde. Estas cores representam os sistemas hidráulicos A e B da aeronave. As linhas vermelhas indicam o sistema hidráulico de emergência do avião. Válvulas de corte (shutt off valves) estão localizadas nos módulos hidráulicos localizados nas saídas dos reservátórios A e B. Elas têm a função de interromper o fluxo de óleo hidráulico em casos de vazamento, falha ou troca de algum componente. Como já citado, os reservatórios têm a função de armazenar o óleo hidráulico que será utilizado no sistema. Cada um possui a capacidade aproximadamente 49 litros de Skydrol® no reservatório A e 76 litros no reservatório B. Figura 11: Sistema hidráulico de uma aeronave modelo 737-300. O projeto desta aeronave também contempla a instalação de cinco bombas hidráulicas. Duas delas estão localizadas no motor (EDP) e entram em funcionamento juntamente com ele. Outras duas (EMDP) estão localizadas no compartimento do trem de pouso principal e funcionam por meio de motores elétricos trifásicos. Uma última bomba (EMDP), também elétrica, funciona somente em situações de emergência. É interessante ressaltar que são responsáveis por prover ao sistema fluído pressurizado a 3.000psi para a operação dos componentes do sistema. Existem dois tipos de filtros instalados no sistema hidráulico do Boeing 737: filtros de pressão e filtros de retorno. Os filtros de pressão estão instalados na linha de descarga das bombas EDP e EMDP. Eles são fabricados de uma fina malha de aço para suportar a alta pressão nominal do sistema, 3.000 psi. Sua principal função é reter partículas metálicas provenientes do desgaste interno das bombas. O filtro de retorno esta localizado na tubulação que conduz o fluído hidráulico para o reservatório. Ele é fabricado de um papel poroso específico para filtros. Sua principal função é reter impurezas como pequenos detritos de selos e anéis de vedação provenientes do desgaste normal dos componentes hidráulicos como: atuadores, acumuladores, válvulas e motores. O acumulador hidráulico do modelo 737 é muito semelhante ao apresentado na Figura 9. De construção cilíndrica, ele é abastecido com nitrogênio à pressão de 1.000 psi. Sua principal função é auxiliar na redução da pulsação produzida pela bomba e funcionar como fonte hidráulica alternada para a atuação do sistema de freios em caso de emergência. O sistema de aplicação de energia pode ser visualizado na figura por meio das indicações Thrust Reverses (Reversos), Rudder PCU (Atuador hidráulico2 do leme de direção), Aileron e Elevator PCU (Atuadores hidráulicos dos ailerons e profundores). Mantendo a relação entre força e área, o fluído desloca o pistão do atuador transmitindo movimento para os reversores localizados nos motores, para as superfícies de voo primárias instaladas nas asas e também para os trens de pouso. Pode-se observar que existem componentes que são alimentados por mais de um sistema. Como exemplo pode-se citar os ailerons (ailerons), os profundores (elevators) e os freios (brakes) que recebem óleo hidráulico tanto do sistema A (azul) quanto o sistema B (verde). Há ainda sistemas que possuem três alimentações diferentes, como é o caso do leme (rudder). Esta superfície recebe óleo hidráulico do sistema A, B e do sistema de emergência (stand by rudder). 2 Atuador hidráulico: é um elemento que produz movimento transmitindo força por meio de um fluído hidráulico. Ele é acionado por meio de comandos que podem ser manuais, elétricos ou mecânicos.