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SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS Sistem as Hidráulicos e Pneum áticos Marcelo Salamoni de AraújoMarcelo Salamoni de Araújo GRUPO SER EDUCACIONAL gente criando o futuro A � nalidade deste módulo é trazer elementos que possibilitem a compreensão das características físicas dos � uidos hidráulicos e sua aplicabilidade, através dos diver- sos elementos de trabalho e comando, em sistemas hidráulicos de controle de força e movimento, para processos industriais. A apresentação dos elementos que compõem um sistema hidráulico, sejam as bom- bas hidráulicas, atuadores (motores) ou os elementos de trabalho e comando de um sistema, contribuirá como suporte necessário à escolha e dimensionamento de com- ponentes de um projeto de sistema hidráulico, seja em máquinas ou ferramentas, uti- lizados pelos mais diversos setores produtivos. Na indústria, se buscam novas tecnologias para os sistemas de produção, substituin- do as tarefas humanas, minimizando a quantidade de falhas no processo produtivo e aumentando a uniformidade da produção. Constata-se um aumento progressivo nos avanços tecnológicos embarcados em máquinas, melhorando o desempenho de rea- lizar tarefas cada vez mais especí� cas. Atualmente, os processos compostos por sis- temas hidráulicos e pneumáticos são indispensáveis como métodos de transmissão de energia. Entende-se por sistemas hidráulicos e pneumáticos o controle de força e movimento por meio de � uidos. Com a automação dos processos industriais, a hidráulica e a pneumática ganham im- portância cada vez maior, pois grande parte do maquinário é parcial ou integralmente comandada por estes sistemas. Sistemas hidrauliscos.indd 1,3 27/08/2019 16:31:25 © Ser Educacional 2019 Rua Treze de Maio, nº 254, Santo Amaro Recife-PE – CEP 50100-160 *Todos os gráficos, tabelas e esquemas são creditados à autoria, salvo quando indicada a referência. Informamos que é de inteira responsabilidade da autoria a emissão de conceitos. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida por qualquer meio ou forma sem autorização. A violação dos direitos autorais é crime estabelecido pela Lei n.º 9.610/98 e punido pelo artigo 184 do Código Penal. Imagens de ícones/capa: © Shutterstock Presidente do Conselho de Administração Diretor-presidente Diretoria Executiva de Ensino Diretoria Executiva de Serviços Corporativos Diretoria de Ensino a Distância Autoria Projeto Gráfico e Capa Janguiê Diniz Jânyo Diniz Adriano Azevedo Joaldo Diniz Enzo Moreira Marcelo Salamoni de Araújo DP Content DADOS DO FORNECEDOR Análise de Qualidade, Edição de Texto, Design Instrucional, Edição de Arte, Diagramação, Design Gráfico e Revisão. SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 2 15/08/2019 16:58:24 Boxes ASSISTA Indicação de filmes, vídeos ou similares que trazem informações comple- mentares ou aprofundadas sobre o conteúdo estudado. CITANDO Dados essenciais e pertinentes sobre a vida de uma determinada pessoa relevante para o estudo do conteúdo abordado. CONTEXTUALIZANDO Dados que retratam onde e quando aconteceu determinado fato; demonstra-se a situação histórica do assunto. CURIOSIDADE Informação que revela algo desconhecido e interessante sobre o assunto tratado. DICA Um detalhe específico da informação, um breve conselho, um alerta, uma informação privilegiada sobre o conteúdo trabalhado. EXEMPLIFICANDO Informação que retrata de forma objetiva determinado assunto. EXPLICANDO Explicação, elucidação sobre uma palavra ou expressão específica da área de conhecimento trabalhada. SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 3 15/08/2019 16:58:24 Unidade 1 - Hidráulica Objetivos da unidade ........................................................................................................... 13 Introdução à hidráulica ....................................................................................................... 14 Apresentação da hidráulica .......................................................................................... 14 Conceitos fundamentais da hidráulica ........................................................................ 15 Características gerais dos sistemas hidráulicos .......................................................... 28 Constituição básica ......................................................................................................... 28 Características ................................................................................................................. 29 Áreas de aplicação ......................................................................................................... 30 Fluidos hidráulicos............................................................................................................... 30 Requisitos ......................................................................................................................... 30 Viscosidade ...................................................................................................................... 31 Características importantes .......................................................................................... 32 Bombas e motores hidráulicos .......................................................................................... 34 Apresentação da bomba hidráulica ............................................................................. 34 Parâmetros e tipos de bombas hidráulicas ................................................................ 35 Motores hidráulicos ........................................................................................................ 37 Válvulas de controle hidráulico ........................................................................................ 38 Tipos ................................................................................................................................... 38 Sintetizando ........................................................................................................................... 41 Referências bibliográficas ................................................................................................. 42 Sumário SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 4 15/08/2019 16:58:24 Sumário Unidade 2 - Hidráulica e pneumática Objetivos da unidade ........................................................................................................... 44 Elementos hidráulicos de potência .................................................................................. 45 Bombas hidráulicas ........................................................................................................ 45 Atuadores hidráulicos .................................................................................................... 50 Técnicas de comando hidráulico e aplicações a circuítos básicos ......................... 55 Hierarquia de elementos ................................................................................................ 56 Diagrama trajeto-passo .................................................................................................. 56 Identificação de sequência de movimentos ............................................................... 57 Identificação dos elementos de um circuito hidráulico ........................................... 58 Circuitos hidráulicos básicos ........................................................................................ 59 Introdução à pneumática .................................................................................................... 63 Comportamento do ar comprimido ............................................................................... 64 Arquitetura dos sistemas pneumáticos ....................................................................... 66 Características dos sistemas pneumáticos .................................................................... 69 Sintetizando ...........................................................................................................................71 Referências bibliográficas ................................................................................................. 72 SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 5 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 5 15/08/2019 16:58:24 Sumário Unidade 3 - Ar comprimido e compressores Objetivos da unidade ........................................................................................................... 74 Geração de ar comprimido ................................................................................................. 75 Conceitos básicos de ar comprimido ........................................................................... 75 Tipos de compressor ....................................................................................................... 77 Simbologia de compressores ........................................................................................ 83 Regulagem de compressores ........................................................................................ 84 Tratamento do ar comprimido ....................................................................................... 85 Instalação de estação de ar comprimido .................................................................... 94 Especificação de compressores ....................................................................................... 96 Distribuição de ar comprimido .......................................................................................... 97 Sistema de distribuição de ar comprimido ................................................................. 97 Configurações de redes de distribuição de ar ........................................................... 98 Componentes da rede de distribuição de ar comprimido ...................................... 100 Sintetizando ......................................................................................................................... 102 Referências bibliográficas ............................................................................................... 103 SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 6 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 6 15/08/2019 16:58:24 Sumário Unidade 4 - Distribuição de ar comprimido, sistemas pneumáticos e eletropneumáticos Objetivos da unidade ......................................................................................................... 105 Dimensionamento de redes de distribuição de ar comprimido ................................ 106 Arquitetura das redes de distribuição ..................................................................... 106 Elementos de redes de distribuição ......................................................................... 108 Dimensionamento de tubulações ............................................................................. 109 Controles pneumáticos...................................................................................................... 113 Tipos e representação gráfica de elementos de controle pneumáticos ........... 113 Dimensionamento de válvulas .................................................................................. 122 Atuadores pneumáticos .................................................................................................... 123 Tipos e representação gráfica de elementos atuadores ..................................... 123 Dimensionamento de atuadores pneumáticos ...................................................... 124 Circuitos pneumáticos básicos ....................................................................................... 125 Circuitos básicos de movimento de um atuador de ação simples ..................... 126 Circuitos básicos de movimento de um atuador de ação dupla ......................... 131 Comandos sequenciais ..................................................................................................... 134 Dispositivos eletro-hidráulicos e eletropneumáticos ................................................ 139 Tipos de dispositivos ................................................................................................... 139 Circuitos básicos com acionamento elétrico ......................................................... 140 Sintetizando ......................................................................................................................... 143 Referências bibliográficas ............................................................................................... 144 SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 7 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 7 15/08/2019 16:58:24 SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 8 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 8 15/08/2019 16:58:24 A fi nalidade deste módulo é trazer elementos que possibilitem a compreen- são das características físicas dos fl uidos hidráulicos e sua aplicabilidade, atra- vés dos diversos elementos de trabalho e comando, em sistemas hidráulicos de controle de força e movimento, para processos industriais. Na indústria, constata-se um aumento progressivo nos avanços tecnológi- cos embarcados em máquinas, melhorando o desempenho de realizar tarefas cada vez mais específi cas. Atualmente, os processos compostos por sistemas hidráulicos são indispensáveis como método de transmissão de energia e vêm se destacando e ganhando espaço nos mais variados segmentos do mercado, sendo a hidráulica industrial e móbil as que apresentam o maior crescimento. O estudo sobre o comportamento dos fl uidos hidráulicos, seus requisitos e características, assim como as grandezas físicas pressão, força, trabalho, ener- gia, entre outras, é de fundamental importância para o desenvolvimento de máquinas e ferramentas que garantam a efi ciência no controle dos processos industriais. A apresentação dos elementos que compõem um sistema hidráulico, se- jam as bombas hidráulicas, atuadores (motores) ou os elementos de trabalho e comando de um sistema, contribuirá como suporte necessário à escolha e di- mensionamento de componentes de um projeto de sistema hidráulico, seja em máquinas ou ferramentas, utilizados pelos mais diversos setores produtivos. Na indústria, se buscam novas tecnolo- gias para os sistemas de produção, substi- tuindo as tarefas humanas, minimizando a quantidade de falhas no processo pro- dutivo e aumentando a uniformidade da produção. Constata-se um aumento pro- gressivo nos avanços tecnológicos embar- SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 9 Apresentação SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 9 15/08/2019 16:58:24 cados em máquinas, melhorando o desempenho de realizar tarefas cada vez mais específicas. Atualmente, os processos compostos por sistemas hidráuli- cos e pneumáticos são indispensáveis como métodos de transmissão de ener- gia. Entende-se por sistemas hidráulicos e pneumáticos o controle de força e movimento por meio de fluidos. Com a automação dos processos industriais, a hidráulica e a pneumática ganham importância cada vez maior, pois grande parte do maquinário é parcial ou integralmente comandada por estes sistemas. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 10 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 10 15/08/2019 16:58:24 Dedico este trabalho aos profi ssionais de ensino das mais diversas épocas e instituições com os quais tive o privilégio de aprender e que hoje me qualifi cam para exercer minha atividade com profi ssionalismo e competência. O Professor Marcelo Salamoni de Araújo tem formação como Técnico em Eletrônica pelo Liceu de Artes e Ofícios de São Paulo (1985). É graduado em Tec- nologia em Automação Industrial (2014) e possui diversos cursos específi cos na área de Automação e Controle de Pro- cessos Industriais. Atualmente ocupa o cargo de professor em cursos técnicos de Eletrônica e Eletrotécnica, além de ser o responsável técnico em Elétrica, Eletrônica e Automação em empresas de soluções e desenvolvimento de má- quinas e melhoria de processos indus- triais. Currículo Lattes: http://lattes.cnpq.br/7957414085817626 SISTEMASHIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 11 O autor SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 11 15/08/2019 16:58:25 HIDRÁULICA 1 UNIDADE SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 12 15/08/2019 16:58:35 Objetivos da unidade Tópicos de estudo Apresentação de sistemas hidráulicos; Características gerais de sistemas e fluidos hidráulicos; Elementos dos sistemas hidráulicos. Introdução à hidráulica Apresentação da hidráulica Conceitos fundamentais da hidráulica Características gerais dos siste- mas hidráulicos Constituição básica Características Áreas de aplicação Fluidos hidráulicos Requisitos Viscosidade Características importantes Bombas e motores hidráulicos Apresentação da bomba hidráulica Parâmetros e tipos de bom- bas hidráulicas Motores hidráulicos Válvulas de controle hidráulico Tipos SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 13 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 13 15/08/2019 16:58:35 Introdução à hidráulica O termo “hidráulica” é derivado do grego hidro (água), razão pela qual enten- de-se por hidráulica todas as leis e comportamentos referentes à água ou outro líquido. Portanto, a hidráulica foca no estudo dos líquidos sob pressão e suas utilidades. É conhecida também como mecânica dos fl uidos, sendo responsável por determinar o uso e comportamento dos fl uidos, atuando como sistema de transmissão de energia. Pelo estudo, será possível compreender as leis que regem a conversão da energia hidráulica em mecânica, o transporte e o controle dos fl uidos, estando estes sob ação de variáveis como pressão, vazão, temperatura etc. Apresentação da hidráulica A lei fundamental para o estudo da hidráulica descreve que a pressão sobre um ponto qualquer em um líquido estático será a mesma em todas as direções, exercendo forças iguais em áreas iguais. O estudo da hidráulica é composto por três partes: • Hidrostática: estudo comportamental dos líquidos estáticos; • Hidrocinética: estudo dos líquidos em movimento; • Hidrodinâmica: estudo dos líquidos em movimento, considerando forças como gravidade e pressão, e características como viscosidade, compressi- bilidade, entre outras. Os métodos de transmissão de potência hoje em dia conhecidos são: trans- missão elétrica, mecânica e através de fl uidos. Destes, a transmissão mecâni- ca é a mais antiga e conhecida: teve início com a invenção da roda, sendo utilizada atualmente por muitos outros sistemas modernos como engrenagens, cames, correias, molas, polias e outros. A transmissão elétrica, com uso de geradores, motores elétricos, condutores e muitos outros componentes, é um sistema con- temporâneo. É o melhor meio de transmissão de energia a grandes distâncias. A utilização da força dos fl uidos é datada de milhares de anos. Um exemplo que se tem conhecimento foi seu uso em um sistema hidromecânico da roda d’água que empregava a energia da água armazenada em determinada altura para a geração de energia. O uso dos líquidos pressurizados para transmissão SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 14 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 14 15/08/2019 16:58:36 de energia é recente; essa tecnologia se desenvolveu, com maior intensidade, após as devastações dos meios de produção causadas pela primeira grande guerra. O controle da velocidade e inversão do sentido do fl uxo hidráulico ins- tantâneo e sistemas compactos comparados a outras formas de transmissão de energia são vantagens dos sistemas hidráulicos. Algumas desvantagens são as de que, se comparados a siste- mas elétricos, eles têm um rendimento, de modo geral, abaixo de 66%, causado por perdas e vazamentos internos no sistema, e também os componentes dos sis- temas hidráulicos exigem uma alta precisão na fabricação, o que encarece os custos de produ- ção, tornando o sistema caro. Conceitos fundamentais da hidráulica Fluido: substância capaz de, conti- nuamente, adequar-se perfeitamente à forma do conduto que o contém. Sua forma pode ser líquida ou gasosa e, no caso dos sistemas hidráulicos, a forma é líquida, onde sua função é a de trans- missão de força. Força: grandeza de qualquer cau- sa que tende a produzir ou modifi car movimento. Demonstrado por New- ton como sendo o produto da massa de um corpo pela sua aceleração (F = m . a). As unidades de medida para força e pressão são as mesmas, sendo que, no caso da força, esta não tem relação alguma com a medida de área. Segundo a 1ª Lei de Newton, “Todo corpo conti- nua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele”. A resistência à variação de velocidade depende do peso e do atrito que o objeto oferece às superfícies de contato. A unidade da grandeza força é comu- mente expressa em newtons, quilos ou libras. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 15 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 15 15/08/2019 16:58:37 TABELA 1. CONVERSÃO DAS PRINCIPAIS UNIDADES DE FORÇA TABELA 2. CONVERSÃO DAS PRINCIPAIS UNIDADES DE PRESSÃO Pressão: quantidade de força exercida em uma área determinada (P = F : A). Nos sistemas pneumáticos e hidráulicos, a pressão tem como grandeza de me- dida o kgf/cm2, o PSI (libra-força por polegada quadrada em inglês) e também o N/m2 . 1000 (bar no sistema francês). Outra unidade encontrada também é o Pa (Pascal), que é equivalente à força de 1 N/m2. N dina kgf gf mgf 1 105 0,1 0,1 101,97 dina N kgf gf mgf 1 10-5 1,0210-6 1,02.10-6 1,02.10-3 kgf N dina gf mgf 1 9,81 9,81.105 1 1000 gf N dina kgf mgf 1 9,81 9,81.105 1 103 mgf N dina kgf gf 1 0,01 980,67 0,01 0,001 N dina dinadina kgf 105 1 gf N 10 mgf kgf mgf kgf 9,81 1 0,1 9,81 kgf N kgf 1,0210 9,81 1,0210 gf dina 0,01 0,1 dina 9,81.105 0,01 0,1 9,81.105 dina gf dina 9,81.105 1,02.10 9,81.105 1,02.10 9,81.105 dina mgf gf 980,67 101,97 1 980,67 101,97 mgf kgf mgf 1,02.10 kgf 1,02.101,02.10-3 mgf kgf mgf 0,01 1000 mgfmgf 103103 gfgf 0,0010,001 atm psi kgf/cm2 bar mmHg Pa 1 14,6959 1,033 1,01325 760 101325 psi atm kgf/cm2 bar mmHg Pa 1 0,068046 0,0689476 51,7149 6894,76 kgf/cm2 atm psi bar mmHg Pa 1 1,033 14,2234 0,98 735,514 98066,5 bar atm psi kgf/cm2 mmHg Pa 1 0,986923 14,5038 0,0689476 51,7149 100000 mmHg atm psi kgf/cm2 bar Pa 1 0,00131579 0,0193368 0,00135951 0,0013322 133,322 Pa atm psi kgf/cm2 bar mmHg 1 9,8692.10-6 0,000145038 0,000010197 1.10-5 0,00750062 atmatm 1 psipsi psi 1 kgf/cm psi 14,6959 kgf/cm 14,6959 kgf/cm2 14,6959 atm kgf/cm atm 0,068046 bar kgf/cm 0,068046 kgf/cm2 1,033 0,068046 atm mmHg 1,033 kgf/cm2 1,033 mmHg kgf/cm2 1,033 atm mmHg 1 kgf/cm2 atm 0,986923 bar 0,986923 Pa 1,01325 psi 14,2234 0,986923 atm 1 1,01325 bar 14,2234 atm 0,00131579 bar 0,0689476 14,2234 psi 0,00131579 mmHg 0,0689476 psi 14,5038 0,00131579 atm 9,8692.10-6 mmHg 0,0689476 bar 14,5038 atm 9,8692.10-6 mmHg 760 bar 14,5038 psi 9,8692.10-6 mmHg 0,98 kgf/cm2 psi 0,0193368 9,8692.10-6 mmHg 51,7149 kgf/cm2 0,0689476 0,0193368 Pa 51,7149 kgf/cm2 0,0689476 0,0193368 psi 0,000145038 101325 51,7149 mmHg 0,0689476 kgf/cm 0,000145038 101325 mmHg 735,514 0,0689476 kgf/cm 0,00135951 0,000145038 101325 Pa 735,514 mmHg kgf/cm2 0,00135951 0,000145038 6894,76 735,514 mmHg 0,00135951 kgf/cm 6894,76 mmHg 51,7149 0,00135951 kgf/cm 0,000010197 Pa 51,7149 kgf/cm 0,000010197 98066,5 bar 0,0013322 0,000010197 98066,5 0,0013322 0,000010197 Pa 100000 0,0013322 bar 100000 bar 1.10-5 100000 Pa 1.10-5 Pa 133,322133,322133,322 mmHg 0,00750062 mmHg 0,007500620,007500620,00750062 SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 16 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 16 15/08/2019 16:58:38 Trabalho: defi nição para a força aplicada através de um deslocamento. Ma- tematicamente expressa por: T = F . d, onde: T = trabalho F = força d = distância TABELA 3. CONVERSÃO DAS PRINCIPAIS UNIDADES DE TRABALHO J kWh CVh kgf-m Kcal1 0,278.10-6 0,738.10-6 0,102 0,239.10-3 kWh J CVh Kgf-m Kcal 1 3,6.106 1,36 0,367.106 860 CVh J kWh kgf-m Kcal 1 3,6.106 0,736 0,270.106 632 kgf-m J kWh CVh Kcal 1 9,805 65 2,72.10-6 3,70.10-6 2,345.10-3 Kcal J kWh CVh kgf-m 1 4186 1,16.10-3 1,58.10-3 426,9 J kWh kWhkWh 0,278.10 CVh 0,278.10 1 0,278.10-6 kgf-m J kgf-m 3,6.10 Kcal CVh 3,6.106 Kcal CVh 0,738.10 3,6.10 1 0,738.10 3,6.10 0,738.10-6 CVh J 9,805 65 CVh 9,805 65 1,36 9,805 65 kgf-m kWh 4186 kgf-m 0,102 kWh 0,736 4186 0,102 Kgf-m 0,736 kWh Kgf-m kWh 2,72.10 Kgf-m 0,367.10 2,72.10 0,367.10 kgf-m 2,72.10-6 kWh 1,16.10 Kcal 0,239.10 kgf-m 0,270.10 1,16.10 0,239.10 kgf-m 0,270.10 1,16.10-3 0,239.10 Kcal 0,270.10 CVh Kcal CVh 3,70.10 860 3,70.10 Kcal CVh 1,58.10 Kcal 1,58.10 632 1,58.10-3 Kcal 2,345.102,345.102,345.10 kgf-mkgf-m 426,9426,9 Potência: é a velocidade que uma carga executa um trabalho em um deter- minado espaço de tempo. Matematicamente expressa por: P = F . V, onde: P = potência F = força V = velocidade de deslocamento Resumindo, potência é a velocidade de um trabalho realizado. Quanto me- nor o tempo de execução, maior a potência do sistema. Energia: é a potência aplicada a uma determinada carga durante um perío- do de tempo específi co. Analogamente, podemos dizer que a potência é a gran- deza inerente ao projeto, enquanto que a energia está relacionada ao período ao qual esse equipamento será utilizado. Matematicamente expressa por: E = P . t, onde: E = energia P = potência SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 17 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 17 15/08/2019 16:58:38 t = tempo Rendimento: grandeza sem unidade de medida, que especifica a quantida- de de energia que um equipamento transforma em trabalho. Pode ser escrito como a razão entre potência de saída e potência de entrada. Matematicamente expressa por: η = Pin / Pout, onde: η = rendimento Pin = potência de entrada Pout = potência de saída Lei de Arquimedes Considerando um volume de água confinado em um recipiente (e estando um corpo em repouso dentro deste), o peso da água acima dele necessaria- mente estará contrabalançado pela pressão interna deste recipiente. Para um reservatório cujo volume tende para zero, em determinado ponto, a pressão será a pressão atmosférica. EXPLICANDO A pressão atmosférica indica a pressão que o ar da atmosfera está reali- zando sobre a superfície do nosso planeta. Essa pressão varia de acordo com a região do planeta, sendo maior em regiões de baixa altitude e menor em regiões mais altas. Matematicamente expressa por: P = ρ . g . h, onde (utilizando o SI): P = pressão hidro (em Pascal) ρ = massa específica da água (em quilograma por metro cúbico) g = aceleração da gravidade (em metros por segundo ao quadrado) h = altura do líquido acima do ponto (em metros) No caso da pressão atmosférica ser considerável, necessita-se somar este valor da pressão, modificando a equação para: P = ρ0 + ρgh O também conhecido como Princípio de Arquimedes afirma que a força de empuxo ascendente exercida sobre um corpo imerso em um fluido, total ou parcialmente submerso, é igual ao peso do fluido que o corpo desloca e atua na direção ascendente no centro de massa do fluido deslocado. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 18 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 18 15/08/2019 16:58:38 Matematicamente expressa por: FE = Wfluido = ρfluido . Vdeslocado . G CURIOSIDADE Arquimedes nasceu no ano de 287 a.C., na região que hoje em dia se encontra a Itália. Ele foi um matemático e inventor e suas invenções e teorias são utilizadas até os dias de hoje. O Princípio de Arquimedes leva seu nome por conta de seus estudos envolvendo o empuxo. Um exemplo clássico seria o de que, tendo uma embarcação, seu peso será contrabalançado por uma força de impulsão igual ao volume de água que o mesmo desloca, que corresponderá ao volume da embarcação abaixo do nível d’água. Se for acrescido peso a esta embarcação, o volume embaixo d’água au- mentará, e com ele a força de impulsão, fazendo assim com que a embarcação flutue. Outro nome conhecido para esta força é força de empuxo. Lei de Pascal Uma variação de pressão sobre um ponto qualquer em um fluido em repou- so será transmitida a todos os outros pontos deste mesmo fluido, inclusive às paredes do conduto que o contém. Considerando uma pressão (p) em determinado ponto (P) que está a uma altura (H), caso haja variação (Δρ) na pressão deste ponto, passaremos a ter que: pP = pP + Δp Como (P) é um ponto genérico, todos os pontos do fluido serão acrescidos de Δp. mas, Δp = F : A Então para dois pontos distintos no fluido, P1 e P2: ΔpP1 = ΔpP2 logo, FP1/AreaP1 = FP2/AreaP2 Um exemplo característico de aplicação prática é para um elevador hidráuli- co, onde a aplicação de uma força de 10 kgf em um pistão de área igual a 1 cm2 resultaria uma pressão de 10 kgf/cm2 em todos os pontos do líquido confinados SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 19 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 19 15/08/2019 16:58:38 no conduto, suportando assim um peso de 100 kgf caso a área do outro pistão seja de 10 cm2. Figura 1. Princípio da prensa hidráulica. Figura 2. Tanque de água. FORÇA 10 kgf FORÇA 10 kgf Lei de Stevin Segundo o estabelecido pelo físico, engenheiro e matemático Simon Stevin, a pressão absoluta num ponto de um líquido homogêneo e incompressível, de densidade e distante da superfície com valor h, é igual à pressão atmosférica mais a pressão efetiva. Considere, na Figura 2, um líquido homogêneo em repouso sob a ação da força da gravidade (g), onde encontramos os pontos P1 e P2 submersos nesse líquido e desnivelados pela altura h. h g P2 P1 SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 20 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 20 15/08/2019 16:58:38 Sendo p1 a pressão no ponto P1 e P2 a pressão no ponto P2, verifica-se: P2 = P1 + dgh Onde: g = aceleração da gravidade d = densidade do líquido Caso um ponto P estivesse na superfície livre de água, a pressão neste pon- to seria igual à pressão atmosférica. Ainda de acordo com a Lei de Stevin, pontos diferentes em um mesmo líqui- do inerte e que estejam nivelados estarão submetidos à mesma pressão, como podemos representar na Figura 3 pelos pontos P. Figura 3. Tanque de água. P1 P2 P3 Portanto, P1 = P2 = P3 Outra constatação é que a pressão independe da forma do recipiente, como no caso da Figura 4, supondo-se que nos dois recipientes haja líquidos iguais, portanto temos: Figura 4. Equivalência de pressão em tanques diferentes. P2P1 SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 21 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 21 15/08/2019 16:58:39 Portanto, pP1 = pP2, onde p é a pressão no ponto. Na situação a seguir, os dois lados do tubo estão submetidos à pressão atmosférica: Figura 5. Equivalência e pressão em tubos. Pressão atmosférica Pressão atmosférica P1 P2 Então temos que: pP1 = pP2 Segundo a Lei de Stevin, os pontos P1 e P2 devem estar no mesmo nível, assim como o líquido nos dois lados do tubo. Lei de Bernoulli (Lei da Vazão) O princípio de Bernoulli, equação de Bernoulli, trinômio ou ainda Teorema de Bernoulli se caracteriza pela descrição do comportamento de um fluido em movimento dentro de um conduto, trazendo para os fluidos o princípio da conservação da energia. Segundo Bernoulli, caso a velocidade de uma partí- cula componente de um fluido sofra aceleração enquanto movimenta-se ao longo do conduto que o contém, a pressão desse fluido deve diminuir – e vice-versa. A velocidade de deslocamento de um fluido (vazão) pode ser determinada de duas maneiras: pela razão entre o volume escoado ao longo de uma unida- de de tempo, ou então pelo produto da velocidade deste fluido pela área do conduto no qual o mesmo escoa. Ou seja: Q = V / t ou Q = v . A SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 22 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 22 15/08/2019 16:58:39 Onde: Q = vazão A = área v = velocidadeV = volume t = tempo Para o dimensionamento de tubulações, consideram-se como velocidades razoáveis de escoamento de fluxo os seguintes valores: • sucção de 0,5 m/s a 1,5 m/s; • para pressões até 10MPa, 2 m/s a 12 m/s; • para pressões entre 10,0MPa e 31,5MPa, 3 m/s a 12 m/s e para retorno de 2 m/s a 4 m/s. No estudo da dinâmica dos fluidos, a equação de Bernoulli descreve o com- portamento de um fluido que se move ao longo de um tubo com diferentes conceitos para fluidos incompressíveis e para fluidos compressíveis. A equação de Bernoulli para um fluxo de fluido incompressível sob a ação de uma força de gravidade invariável e uniforme, em pequenas altitudes, é: (v2 / 2) + gh + (p / ρ) = constante ou (pv2 / 2) + pgh + p = constante, onde: g = aceleração da gravidade v = velocidade do fluido ao longo do conduto que o confina ρ = peso específico do fluido h = altura em relação à referência p = pressão ao longo do conduto que o confina Algumas condições predeterminadas devem ser satisfeitas para que se apli- que a equação: • Fluxo do fluido sem atrito entre as lâminas do mesmo e entre as paredes do recipiente que o contém (viscosidade); • Escoamento em regime permanente; • Peso específico do fluido (ρ) em todo o escoamento. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 23 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 23 15/08/2019 16:58:39 Normalmente, esta equação vale a todo o conduto para fluxos de fluidos de potencial de peso específico constante; ela será aplicada a toda a área do cam- po do fluxo. A pressão é reduzida concomitantemente ao aumento da veloci- dade do fluido, como demonstrado pela equação. Este é chamado de princípio de Bernoulli. A equação é atribuída a Bernoulli, embora sua apresentação na forma que se encontra foi feita por Leonhard Euler. (v2 / 2) + + ω = constante Outra escrita para a equação de Bernoulli é a formulada para fluidos com- pressíveis, onde é a razão entre a energia da gravidade pela unidade de mas- sa, cujo valor é demonstrado por = gh no caso do um campo gravitacional uniforme e ω é a entalpia do fluido por unidade de massa: ω = ε + p / ρ Sendo ε a energia termodinâmica do fluido por unidade de massa, conheci- da também como energia interna específica ou SIE. A constante à direita da equação é comumente nominada de constante de Bernoulli e indicada pela letra “b”. Para o fluxo adiabático do fluido, sem vis- cosidade e sem nenhuma outra fonte de energia, “b” será invariável ao longo de todo o escoamento. EXPLICANDO Adiabático nomina um sistema que está isolado de quaisquer trocas de calor. Mesmo em casos de variações de “b” ao longo do conduto, essa constante ainda se mostra muito útil, pois se relaciona com a quantidade de pressão do fluido. Caso haja qualquer abalo ou choque, vários dos parâmetros pertencentes na equação de Bernoulli serão modificados; a constante de Bernoulli, porém, permanecerá inalte- rada. A exceção à regra seriam os choques radioativos, que violam as convenções definidas para a equação de Bernoulli, como a falta de vazões ou fontes de energia. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 24 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 24 15/08/2019 16:58:39 Equação de Bernoulli para fluidos incompressíveis Integrando-se às equações de Euler ou aplicando a Lei da Conservação de Energia em duas áreas ao longo do conduto, desprezam-se características es- pecíficas como viscosidade do fluido, a compressibilidade e efeitos térmicos. É correto afirmar que o trabalho mecânico executado pelas forças no fluido + redução na energia potencial = aumento da energia cinética. Figura 6. Lei de Bernoulli. P1 V 1 V 2 h 2 A 2h 1A 1 P 2 O trabalho feito exercido pelas forças: F1s1 – F2s2 = p1A1v1Δt – p2A2v2Δt O decréscimo da energia potencial: mgh1 – mgh2 = ρgA1v1Δth1 - ρgA2v2Δth2 O incremento da energia cinética: ½ . mv22 – ½ . Mv12 = ½ . ΡA2v2Δtv22 - ½ . ΡA1v1Δtv12 Somando-se todos os termos, temos: p1A1v1Δt - p2A2v2Δt + ρgA1v1Δth1 - ρgA2v2Δth2 = ½ . ΡA2v2Δtv22 – ½ . ΡA1v1Δtv12 V 1 Δ t = s 1 V 2 Δ t = s 2 SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 25 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 25 15/08/2019 16:58:39 Ou então: (ρA1v1Δtv12)/2 + ρgA1v1Δth1 + p1A1v1Δt = (ρA2v2Δtv22)/2 + ρgA2v2Δth2 + p2A2v2Δt Após a divisão de todos os termos por Δt, ρ e A1v1 (= vazão = A2v2 já que o fluido é incompressível), encontra-se: (v12)/2 + gh1 + (p1 / ρ) = (v22)/2 + gh2 + (p2/ρ) ou v2 / 2 + gh + p / ρ = C A divisão acrescida por g resulta em: v2 / 2g + h + p / ρg = C A queda livre de uma massa qualquer, de uma altura h (no vácuo), alcançará uma velocidade: v = √2gh ou h = v2 / 2g A pressão hidrostática é definida como: p = ρgh ou h = p / ρg O termo p / ρg é nominado também como altura de pressão ou carga de pressão. Um modo direto de verificar a relação disso com a conservação de energia é pelo produto entre a densidade e volume unitário (que pode ser feito, pois ambos são constantes). O resultado é: v2ρ + P = constante e mV2 + P . volume = constante A lógica de análise para fluidos compressíveis é parecida. De novo, a dedu- ção vai depender de: 1 – Conservação da massa; 2 – Conservação da energia. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 26 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 26 15/08/2019 16:58:39 Na Figura 6, é demonstrado que a manutenção da massa faz com que, em um intervalo de tempo Δt, o volume de massa que passa pelo limite de área A1 seja semelhante ao volume de massa que passa por fora do limite da área A2. 0 = ΔM1 – ΔM2 = ρ1A1v1Δt – ρ1A2v2Δt De modo semelhante, aplica-se a conservação de energia: confirma-se que a mudança na energia do volume no conduto definido pelas áreas A1 e A2 é de responsabilidade da energia que transita em qualquer sentido por qualquer um dos limites de A1 ou A2. Obviamente, numa situação mais complexa, tal qual uma vazão de fluido em conjunto com radiação, a conservação de energia não será satisfeita. De qualquer forma, entende-se que seja este o caso, e que o fluxo está em estado estacionário, de forma que a mudança líquida de energia é zero; temos que: 0 = ΔE1 – ΔE2 Onde: ΔE1 e ΔE2 são as energias que entram através de A1 e que saem por A2, respectivamente. A energia que entra por A1 é a soma das energias afluentes: cinética, poten- cial gravitacional, termodinâmica do fluido e da energia na forma de trabalho mecânico pdV: ΔE1 = ½ρ1v12 + 1ρ1 + ε1ρ1 + p1A1v1Δt Uma expressão parecida para ΔE2 pode ser desenvolvida facilmente, fazen- do agora 0 = ΔE1 – ΔE2, obtemos: 0 = ½ρ1v12 + 1ρ1 + ε1ρ1 + p1 A1v1Δt - 1/2ρ2v22 + 2ρ2 + ε2ρ2 + p2 A2v2Δt Reescrevendo: 0 = ½v12 + 1 + ε1 + (p1 / ρ1) ρ1A1v1Δt - ½v22 + 2 + ε2 + (p2 / ρ2) ρ2A2v2Δt SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 27 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 27 15/08/2019 16:58:39 Com o resultado obtido acima, a partir da conservação da massa, simplifi - cando, obtemos a forma: ½v2 + + ε + p / ρ = constante ≡ b Que é a solução procurada. Características gerais dos sistemas hidráulicos Com constantes avanços tecnológicos, o mercado apresenta uma extrema necessidade de desenvolvimento de novas técnicas de produção que possibili- tem melhorias nos processos produtivos e busca pela excelência na qualidade. Para a otimização dos sistemas de processos industriais, faz-se uso da in- tegração entre os sistemas de transmissão de energia, sejam eles mecânicos, sejam elétricos, eletrônicos, pneumáticos ou hidráulicos. O sistema hidráulico se sobressai e ganha espaço como um meio de transmissão de energia nos mais diversos setores produtivos, sendo os setores industriais e móbil os com maior demanda. Vastos campos na área de automação só foram possíveis após a implantação de sistemas hidráulicos no controle de força e movimento. Constituição básica Fonte primária de energia Execução de um trabalho BLOCO DE CONTROLE BLOCO DE GERAÇÃO BLOCO DE ATUAÇÃO SISTEMA HIDRÁULICO BLOCO DE LIGAÇÃO Figura 7. Sistema hidráulico. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 28 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd28 15/08/2019 16:58:39 Um sistema hidráulico é responsável por gerar, controlar e aplicar potência hidráulica na realização de um trabalho. Sua constituição básica pode ser veri- fi cada na Figura 7, a qual é dividida em blocos de funções, cada qual com uma característica e função, tais quais: Fonte de energia: constituída ge- ralmente por um motor elétrico ou a combustão. Grupo de geração: responsável pela transformação da potência mecânica em potência hidráulica, constituída pe- las bombas hidráulicas. Grupo de controle: tem a função de controlar e direcionar a potência hidráuli- ca pelo sistema. Neste grupo encontramos os comandos e as válvulas hidráulicas. Grupo de atuação: responsável por transformar a potência hidráulica em po- tência mecânica através de atuadores e motores hidráulicos. Grupo de ligação: constituído pelas conexões, tubos e mangueiras do sistema. Comumente, nos sistemas hidráulicos encontramos mangueiras fl exíveis como elementos de ligação entre os elementos, uma vez que este tipo de material é capaz de absorver vibrações vindas do sistema e também facilitam a mudança de direção de transmissão de força dos fl uidos hidráulicos em movimento. Características Os sistemas hidráulicos estão sendo amplamente utilizados por suas carac- terísticas específi cas, sendo elas: • Rápida parada e inversão de movimentos; • Variações micrométricas de velocidades; • Sistema autolubrifi cante; • Tamanho e peso reduzidos, se comparado à potência consumida; • Sistemas seguros contra sobrecargas; • Alta potência (força). VIDEOAULA Clique aqui SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 29 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 29 15/08/2019 16:58:41 Áreas de aplicação A abrangência de utilização dos sistemas hidráulicos torna-se maior à me- dida que outros dispositivos, eletroeletrônicos, por exemplo, são utilizados em conjunto. Entre outras áreas de aplicação, temos: • Máquinas para construção civil; • Aeroespacial; • Veículos; • Robótica; • Manufatura; • Máquinas agrícolas; • Indústria do plástico; • Indústria têxtil; • Indústria alimentícia; • Mineração. Requisitos Um fl uido hidráulico, além de exercer a força para o movimento, deve ter condições de lubrifi car as peças móveis com uma fi na camada que não se rom- pa. Este rompimento pode ocorrer devido a diversos outros fatores, tais como altas pressões, insufi ciência no fornecimento de óleo, viscosidade baixa e velo- cidades de deslizamento muito baixas ou muito altas. Consequências podem ser os desgastes por engripamento, desgaste por abrasão, por cansaço do ma- terial ou ainda a corrosão. Fluidos hidráulicos Um fl uido hidráulico utilizado em uma instalação tem a função de transmissão de força e movimento, mas, devido às múltiplas maneiras de serem aplicados, os acionamentos hidráulicos necessitam de outras funções e propriedades dos fl ui- dos. É necessário considerar características específi cas para a escolha do fl uido utilizado para determinada aplicação, garantindo, assim, uma operação efi ciente e econômica. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 30 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 30 15/08/2019 16:58:41 Desgaste por abrasão ocorre por contaminação por partículas sólidas no fl uido hidráulico quando não fi ltrado de maneira adequada. Igualmente, estas partículas estranhas serão transportadas junto ao fl uido em altas velocidades, causando, assim, abrasão nos elementos do sistema. O aparecimento de bolhas de vapor ou gás no fl uido hidráulico (cavita- ção) devido à redução da pressão do sistema pode alterar a estrutura física dos elementos, induzindo-os ao desgaste por fadiga do material. Um desgaste mais sério e profundo poderá ocorrer nos eixos mancais das bombas, caso o fl uido hidráulico seja contaminado com água. Parada da instalação hidráulica por grandes períodos e uso de fl uidos hidráulicos inadequados podem também ser causas para desgastes por cor- rosão por formarem ferrugem devido à presença de umidade sobre as paredes de deslizamento, levando a um sério desgaste dos elementos do sistema. Viscosidade Viscosidade é uma propriedade de um fl uido hidráulico que diz respeito à resistência contra o deslocamento das lâminas de suas camadas, é a re- sistência interna para fl uir. Exemplo: a água é “fi na”, portanto, tem baixa vis- cosidade, enquanto um óleo vegetal é mais “grosso”, com uma alta viscosida- de. A viscosidade é uma característica fundamental na seleção de um fl uido hidráulico; ela não determina a qua- lidade do fl uido, mas sim seu comportamento em relação à temperatura de trabalho. Devido aos limites da capacidade dos elementos de um sistema hi- dráulico, valores de viscosidade máximos e mínimos devem ser considerados quando da escolha de um fl uido hidráulico, valores estes informados nos catá- logos dos fabricantes destes componentes. O fl uido hidráulico não deve, independentemente da área dos condutos do sistema hidráulico, apresentar variação na sua viscosidade. Caso haja variações SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 31 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 31 15/08/2019 16:58:42 na temperatura de trabalho, pontos de estrangulamento do fl uxo aparecerão pelo sistema. Alta viscosidade é necessária em sistemas sujeitos a variações elevadas de temperatura, como máquinas utilizadas em trabalho móbil, veículos e aerona- ves. O índice de viscosidade de um fl uido hidráulico varia com o aumento da pressão: quanto maior a pressão, maior a viscosidade do fl uido. Características importantes Para tratar com esse tema, é importante lembrar que os fl uidos possuem uma série de individualidades que podem infl uenciar o trabalho, além das já citadas. Entre os pontos, é interessante citar: • O fl uido hidráulico deve ser compatível com os demais materiais utilizados na instalação hidráulica, tais como tintas, vedações, borrachas, mangueiras etc.; • Não alterar suas propriedades com variações térmicas sucessivas. O fl uido hidráulico poderá aquecer ou esfriar dependendo do ciclo do processo de ope- ração do sistema hidráulico. Estas variações de temperatura afetam sua vida útil; • O oxigênio, a temperatura, a luz e a catalização têm infl uência no processo de envelhecimento do fl uido hidráulico. Um fl uido hidráulico deve conter alta resistência a esse envelhecimento, possuindo agentes que possam inibir a oxi- dação e evitando assim uma ação do oxigênio; • Compressibilidade, ou melhor, a propriedade apresentada pelo fl uido de reduzir em maior ou menor grau seu volume quando submetido à ação de for- ças equitativamente distribuídas. O ar transportado junto ao fl uido hidráulico condiciona a compressão deste fl uido, característica esta que tem infl uência direta na precisão do funcionamento dos elementos de acionamento hidráuli- co; já nos processos de comando e controle, a infl uência está no tempo de resposta destes elementos, caso altos volumes sob pressão sejam abertos rapidamen- te, poderão ocorrer picos de descarga na instalação. A compressibilidade do fl uido hidráulico tende a aumen- tar com a elevação da temperatura e diminuir com o aumento da pressão. O SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 32 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 32 15/08/2019 16:58:42 índice de compressibilidade do fluido hidráulico aumenta consideravelmen- te quando transportado misturado com ar não solubilizado (bolhas de ar). Através do tamanho e construção in- correta do reservatório, assim como a utilização de condutos inadequados, esse ar não se separa do fluido hidráu- lico, piorando consideravelmente o fa- tor de compressibilidade; • Baixa expansão do fluido sob in- fluência da variação de temperatura: um fluido aquecido e sob pressão at- mosférica tende a ter um aumento do seu volume, portanto a temperatura de operação do sistema hidráulico deve ser considerada quando o projeto de siste- mas tem grandes volumes de preenchimento; • Não apresentar formação de espuma:na superfície do reservatório po- dem aparecer bolhas de ar ascendentes, formando uma espuma. Agentes quí- micos adicionados aos fluidos hidráulicos reduzem a possibilidade de forma- ção dessa espuma. O envelhecimento do fluido hidráulico também propicia a formação da espuma; • Imunidade à absorção de ar e alta capacidade de eliminação de ar: compo- nentes químicos adicionados à composição do fluido hidráulico auxiliam nesse processo; • Ponto de ebulição: maior poderá ser a temperatura máxima de operação da instalação hidráulica quanto maior for o ponto de ebulição do fluido hidráu- lico do sistema; • Quociente entre massa e volume do fluido (densidade): como a densidade mede o grau de concentração de fluido em determinado volume, melhor será um fluido com densidade alta, podendo assim transmitir uma maior potência com o menor volume. Para os sistemas de acionamento hidrostático, essa ca- racterística é menos importante em relação aos acionamentos hidrodinâmi- cos. A densidade é necessária para a conversão da viscosidade cinemática para a viscosidade dinâmica, onde a recíproca também é verdadeira; SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 33 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 33 15/08/2019 16:58:44 • Transferência de calor ou condutibilidade térmica: os elementos da insta- lação hidráulica, tais como bombas, válvulas, motores, cilindros etc. são gera- dores de calor. Este calor deverá ser transportado pelo fl uido hidráulico até o reservatório, onde será, em parte, irradiado para o ambiente. Caso a irradiação não seja sufi ciente, equipamentos auxiliares de resfriamento deverão ser ins- talados no sistema hidráulico, comumente conhecidos por trocadores de calor; • Não atrair umidade (higroscópio); • Não infl amável: locais quentes ou com chamas também recebem instala- ções hidráulicas de acordo com a necessidade da planta, onde elementos do sistema correm riscos de ruptura. Para estes casos, fl uidos hidráulicos de alto ponto de ignição são os mais indicados; • Toxicidade do fl uido hidráulico: evita a periculosidade para a saúde e para o ambiente, observando sempre instruções especifi cadas pelos fabricantes dos fl uidos hidráulicos; • Proteção contra corrosão; • Outras características devem ser levadas em consideração na hora da es- colha do fl uido hidráulico, tais como facilidade para fi ltragem, compatibilidade com componentes do sistema, fácil manutenção, não agredir o meio ambiente, custos e disponibilidade de compra. Bombas e motores hidráulicos Um sistema hidráulico é responsável pela conversão de uma energia me- cânica em energia de força e movimento por meio de um fl uido. As bombas hidráulicas têm a função de oferecer movimento ao fl uido hidráulico e este, por sua vez, executará o trabalho de força e movimento através dos atuadores, entre eles os motores hidráulicos. Apresentação da bomba hidráulica O elemento-chave na conversão da energia hidráulica é a bomba hidráuli- ca. A fonte de energia mecânica primária necessária para o funcionamento do sistema hidráulico é normalmente fornecida por um motor elétrico, cuja carac- terística é a transformação de energia elétrica em mecânica. Em menor escala, SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 34 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 34 15/08/2019 16:58:44 temos a utilização de motores de combustão interna. O eixo do motor elétrico é acoplado à bomba hidráulica que, por sua vez, tem a função de converter esta energia mecânica em energia hidráulica. As bombas hidráulicas são responsá- veis pelo transporte do fl uido hidráulico vindo do reservatório até os elemen- tos atuadores, dando-lhes condições de execução de seu trabalho mecânico. As bombas não geram pressão no sistema hidráulico, a pressão é gerada em função da atuação de elementos que difi cultam o escoamento do fl uido pelos condutos do sistema; a bomba simplesmente movimenta o fl uido. As bombas empregadas nos sistemas hidráulicos são do tipo de deslocamento positivo. Parâmetros e tipos de bombas hidráulicas Os parâmetros principais que caracterizam uma bomba hidráulica e que devem ser considerados em projeto são: pressão máxima, vazão máxima, ro- tação e rendimento. Pressão: o limite máximo de pressão de uma bomba hidráulica é estipulada pela condição de funcionamento sem que se verifi quem vazamentos, internos e externos, ou que apresente riscos ao conjunto mecânico do sistema. Vazão: caracterizada pela capacidade da bomba hidráulica em deslocar de- terminado volume de fl uido pelo sistema. Essa capacidade tem como referên- cia o volume fornecido a cada volta completa da bomba. Rotação: é o número de revoluções do eixo por minuto no qual a bomba consegue manter o regime de trabalho sem que haja cavitação no sistema ou por outras limitações mecânicas. Parâmetros de rotação mínima e máxima são fornecidos pelos fabricantes, facilitando o projeto das instalações hidráulicas. Rendimento: o rendimento é uma carac- terística relacionada diretamente a qualidade de construção da bomba hidráulica, sendo que devemos levar em consideração três rendimentos distintos para análise da qualidade: • Rendimento volumétrico: cuja caracte- rística é apresentada pela relação entre vazão nominal e vazão real da bomba; SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 35 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 35 15/08/2019 16:58:44 • Rendimento global: onde temos a relação entre a potência mecânica de entrada e a potência hidráulica de saída; • Rendimento mecânico: é a rela- ção entre o rendimento global e o rendi- mento volumétrico. Tipos Bomba de engrenagens: o desloca- mento de fluido das bombas de engre- nagens é constante, não podendo variar durante o processo de operação. Bomba de palhetas: a forma cons- trutiva das bombas de palhetas simples permite que haja variação na vazão do fluxo hidráulico com manutenção da rotação constante. O controle dessa vazão é conseguido através da alteração da excentricidade, ajuste esse que é feito me- canicamente por meio de parafuso e mola de compressão. Bombas de pistões axiais, com disco ou eixo inclinado: a construção des- se tipo de bomba é composta por um corpo rotativo que contém os cilindros e seus êmbolos, formando uma estrutura única com o eixo que está diretamente ligado ao motor de acionamento. A vazão fornecida por esse tipo de bomba de- pende do curso do cilindro, que pode assumir valores diferentes, dependendo da variação do ângulo de inclinação da base por onde estes pistões deslizam. Geralmente, o ângulo de inclinação não ultrapassa os 30°. Quanto maior o valor deste ângulo, maior a vazão e, em alguns tipos de sistemas hidráulicos, o ângu- lo pode ser negativo, invertendo assim o sentido de vazão do fluido hidráulico. Bombas múltiplas: em projetos de sistemas hidráulicos onde o processo exige diferentes pressões e vazões, a alternativa mais coerente é a utilização de duas ou mais bombas, que atuarão ou não de acordo com a necessidade de carga do processo, estas bombas também podem ser conhecidas por bombas germinadas. Um sistema de bombas hidráulicas padrão conhecido por “alta- -baixa” está disponível no mercado, onde os acionamentos individuais de cada bomba são automaticamente feitos de acordo com a necessidade de pressão ou vazão do sistema. A denominação deste sistema é em função de possuir SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 36 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 36 15/08/2019 16:58:46 duas bombas, onde uma delas fornece elevada vazão sob baixa pressão, e a outra fornece baixa vazão sob alta pressão, ambas tendo um rotor comum de acionamento. Motores hidráulicos Os motores hidráulicos têm a função de converter energia hidráulica em energia mecânica através de um eixo rotacional, utilizando-se da pressão do fl uido para a geração de força e movimento. Têm características construtivas semelhantes às bombas hidráulicas, porém com uma função inversa. Como as bombas, os motores podem ser unidirecionais ou bidirecionais,com vazão fi xa ou variável do fl uxo hidráulico, de acordo com a necessidade. Características como capacidade de carga, velocidade e facilidade na manu- tenção devem ser consideradas para o projeto das instalações hidráulicas. Os tipos de motores utilizados pelo mercado são: motor de engrenagem, motor de palheta ou ventoinha, motor de pistão, atuador com pinhão e cremalheira e atuadores giratórios. Atuador pinhão e cremalheira: este tipo de motor produz uma energia que é determinada pelo fl uxo do fl uido hidráulico e a diminuição da pressão no motor. O movimento e a queda da pressão determinam a força que será criada. Motores de engrenagens: normalmente utilizados em sistemas hidráuli- cos para movimento de correias transportadoras e ventoinhas. Existem duas confi gurações distintas, sendo um dos tipos o motor de engrenagem, que possui construção similar ao de uma bomba externa de engrenagem, sendo um motor para ser utilizado quando se necessita de alta velocidade; o outro tipo é o motor de órbita ou arco, empregado em sistemas de baixas velocidades. Motores de palheta ou ventoinha: indicados para aplicações industriais. Possuem vazamento interno menor se comparados aos moto- res de engrenagens, por isso mesmo são mais adequados para serem usa- dos em baixas rotações. Podem ser utili- zados também em sistemas pneumáticos. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 37 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 37 15/08/2019 16:58:46 Motores hidráulicos de pistão: motores empregados em movimentações que exijam grandes forças, tais como guinchos, guindastes para embarcações etc. Atuadores giratórios: são empregados principalmente para a abertura de válvulas tipo borboleta e outros sistemas que necessitem da função de empur- rar, puxar, levantar etc. Válvulas de controle hidráulico Qualquer sistema que utiliza fl uido hidráulico para geração de trabalho ne- cessita de algum tipo de válvula. As válvulas são responsáveis pelo controle da pressão, controle da velocidade ou da quantidade do fl uxo, e também pelo di- recionamento do fl uxo hidráulico por todo o sistema. Uma válvula isolada é res- ponsável pela execução de apenas uma tarefa, mas encontramos no mercado duas ou mais válvulas combinadas em uma só estrutura construtiva, forman- do, assim, uma válvula mista com mais de uma função. As válvulas hidráulicas são os componentes primordiais para o controle e confi abilidade de um siste- ma hidráulico. Atualmente, a tendência é o uso de plástico para construção das válvulas e a redução signifi cativa na sua dimensão. Tipos Válvulas de controle de pressão: empregadas para controle da pressão máxima de um sistema hidráulico (caso da válvula de alívio de pressão), ajuste de determinada contrapressão (válvula de contrabalanço) ou então sua utiliza- ção pode ser a de fornecer um sinal caso um valor de pressão predeterminado seja alcançado. Na maioria das válvulas de pressão, o controle da pressão hi- dráulica é feito por molas, controlando a abertura ou fechamento na área de vazão do fl uido hidráulico – que retorna ao reservatório. A válvula de alívio: tem, na sua maioria, a confi guração NC (normally clo- sed ou normalmente fechada), mudando seu estado sempre que uma pressão predeterminada for atingida, derivando assim o fl uido hidráulico para o reser- vatório. A válvula de descarga: permite um fl uxo hidráulico livre assim que um co- mando seja aplicado ao seu piloto (pino de controle), descarga de fl uxo esta SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 38 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 38 15/08/2019 16:58:46 geralmente feita através de carretel tensionado por mola, cuja tensão pode ser ajustada para controlar a pressão de descarga. A válvula de contrabalanço: deve equilibrar a carga que está sendo manti- da por um cilindro ou motor hidráulico. Uma pequena pressão no piloto desta válvula será suficiente para sua comutação (mudança do estado do canal de passagem do fluido hidráulico), retirando da câmara do cilindro a contrapres- são. Quando a solicitação de pressão pela carga diminuir, a pressão piloto é perdida, criando-se a contrapressão; quando a solicitação de pressão pela car- ga aumentar, o piloto é acionado, retirando a contrapressão. Válvula de sequência: são válvulas responsáveis pela condução na se- quência de operação de máquinas exigidas pelo processo. Com característica construtiva do tipo normally closed (normalmente fechada), terá seu estado co- mutado quando uma pressão atingir um nível pré-ajustado ou quando o piloto desta válvula receber um sinal de acionamento, direcionando e controlando o fluxo hidráulico. Geralmente, válvulas de sequência têm acopladas em seu cor- po válvulas de retenção, evitando, assim, sentido invertido do fluxo hidráulico. Válvulas para controle da vazão (fluxo): têm a função de controlar a quan- tidade volumétrica de fluido que escoa através de um conduto por unidade de tempo. O controle da vazão pode ser feito variando-se a área de um conduto de escoamento do fluxo. A variação desta área pode ser feita pela válvula atra- vés do estrangulamento interno da seção transversal. As válvulas de controle de vazão podem ser do tipo com compensação e sem compensação. Válvula de controle de fluxo sem compensação: são os tipos de válvula de construção mais simples, controlam a vazão do fluido hidráulico simples- mente reduzindo a área da seção transversal do conduto de vazão. O volume de fluido hidráulico que passa em determinada unidade de tempo e a diminuição da exigência de força na carga es- tão diretamente relacionadas. Uma pressão maior con- sequentemente terá um fluxo maior na válvula. Válvula de controle de fluxo com compensa- ção: esta válvula, devido a suas características construtivas, consegue manter constante a va- zão do fluido hidráulico, independente das va- riações de pressão que possam ocorrer no sis- SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 39 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 39 15/08/2019 16:58:46 tema. Como as válvulas sem compensação, as válvulas compensadas possuem um orifício para ajuste desta vazão. Quando houver uma redução das neces- sidades da carga, neste orifício esta redução será utilizada para movimentar um eixo (conhecido como carretel), balanceado contra a pressão de uma mola. Outra denominação para este sistema é “balança de pressão” ou também “hi- drostato”. A movimentação deste eixo mantém constante a perda de carga no orifício, o qual foi ajustado, produzindo, assim, uma vazão constante. Neste tipo de válvula, é necessário observar o sentido correto de movimento do fluxo hidráulico, e também utilizá-la de maneira bem planejada, uma vez que seu custo é mais elevado em relação às válvulas não compensadas. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 40 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 40 15/08/2019 16:58:46 Sintetizando Nessa unidade, foram apresentados os sistemas hidráulicos, iniciando pelo entendimento dos conceitos que regem os fluidos sob pressão, tais como força, pressão, trabalho, potência, entre outros. Estudamos a evolução dos sistemas hidráulicos, acompanhando as necessidades da cadeia produtiva e o desenvol- vimento de novas tecnologias. Compreendemos que um sistema hidráulico é composto por diversos blocos, cada qual com uma característica de atuação, sejam eles de geração de energia, controle, ligação entre elementos ou grupo de execução de trabalho. Identifica- mos, através das características de um sistema pneumático, as diversas áreas de atuação, nas mais diversas áreas da cadeia produtiva e de serviços. Explanamos também sobre os fluidos utilizados nos sistemas hidráulicos, demonstrando que devem possuir requisitos que garantam um funcionamen- to adequado de todos os elementos do sistema. Entendemos que a viscosida- de não garante a qualidade do fluido, mas determina seu comportamento em relação à temperatura e que um fluido hidráulico não deve alterar suas carac- terísticas, deve apresentarbaixa compressibilidade, ser imune a absorção de água e apresentar boa condutividade térmica, auxiliando no resfriamento de todo o sistema hidráulico. Para finalizar, estudamos os elementos de geração de movimento do fluido hidráulico pelo sistema (bombas hidráulicas) e os elementos responsáveis pela execução do trabalho do sistema (motores hidráulicos), apresentando suas ca- racterísticas construtivas, determinando, assim, qual o melhor tipo de elemen- to para determinada aplicação, sempre considerando a aplicação, o rendimen- to e o custo do sistema hidráulico. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 41 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 41 15/08/2019 16:58:46 Referências bibliográficas AZEVEDO NETTO, J. M. et al. Manual de hidráulica. 8. ed. São Paulo: Edgard Blü- cher, 1998. DRAPINSK, J. Hidráulica e pneumática industrial e móvel. São Paulo: McGraw Hill do Brasil, 1977. PARKER HANNIFIN CO. Tecnologia hidráulica industrial. Disponível em: <ht- tps://www.parker.com/literature/Brazil/Apres%20Hidrau%2027-04.pdf>. Acesso em: 18 jul. 2019. REXROTH. Treinamento hidráulico. Disponível em: <https://pt.scribd.com/do- cument/169938983/Treinamento-Hidraulico-Rexroth-2>. Acesso em: 18 jul. 2019. SILVESTRE, P. Hidráulica geral. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1979. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 42 SER_CA_SHIPNE_UNID1_V1.indd 42 15/08/2019 16:58:46 HIDRÁULICA E PNEUMÁTICA 2 UNIDADE SER_CIENC_AERO_SISTE_HIDRA_Uni2.indd 43 29/07/2019 14:32:01 Objetivos da unidade Tópicos de estudo Apresentação dos elementos hidráulicos de potência; Aprendizado para desenvolvimento de técnicas de comando hidráulico; Aplicações e construções de circuitos hidráulicos básicos; Introdução aos sistemas pneumáticos. Elementos hidráulicos de potência Bombas hidráulicas Atuadores hidráulicos Técnicas de comando hidráulico e aplicações a circuitos básicos Hierarquia de elementos Diagrama trajeto-passo Identificação de sequência de movimentos Identificação dos elementos de um circuito hidráulico Circuitos hidráulicos básicos Introdução à pneumática Comportamento do ar comprimido Arquitetura dos sistemas pneumáticos Características dos sistemas pneumáticos SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 44 SER_CIENC_AERO_SISTE_HIDRA_Uni2.indd 44 29/07/2019 14:32:01 Elementos hidráulicos de potência Elementos primários dos sistemas hidráulicos têm a responsabilidade de “fazer fluir” ou gerar o movimento pelos condutos do sistema hidráuli- co. Este, por sua vez, é utilizado para a geração, o controle e a transmissão de energia. Bombas hidráulicas As bombas hidráulicas precisam de uma força mecânica externa, conectada ao seu eixo, para que realizem trabalho. Essa força geralmente é fornecida por um motor elétrico, que é o meio mais comum e mais barato utilizado nos dias atuais. Outros elementos também podem fornecer essa força primária, como é o caso de motores de combustão interna, que são menos empregados. A bomba hidráulica converte a energia mecânica aplicada ao seu eixo em energia hidráulica, criando a vazão do fl uido hidráulico pelo sistema. Um de- talhe importante é o de que uma bomba hidráulica não tem a capacidade de gerar a pressão do sistema, apenas a vazão do fl uido. Bomba de deslocamento negativo São bombas de deslocamento de fluxo contínuo, também conhecidas como bombas hidrodinâmicas. Es- sas bombas são utilizadas em sis- temas cuja necessidade é apenas o movimento de líquidos sob baixa pressão, e a única resistência en- tre entrada e saída é a resistência criada pelo próprio peso do fluido hidráulico e pelo atrito deste en- tre suas próprias lâminas e entre as paredes da bomba. São bombas raramente utilizadas em sistemas hidráulicos por terem uma redução na capacidade de deslocamento de fluido com o aumento da resistência. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 45 SER_CIENC_AERO_SISTE_HIDRA_Uni2.indd 45 29/07/2019 14:32:11 Bombas de fluxo radiais ou centrifugas Bomba de fluxo axial Saída Impulsor centrifugo Hélice rotativa Saída Entrada Láminas do impulsor Figura 1. Bombas hidráulicas. Fonte: JUNIOR, s.d. Acesso em: 17/07/2019. (Adaptado). Bombas de deslocamento positivo Também conhecidas como bombas volumétricas, são bombas que, após a rotação completa do seu eixo, deslocam um volume fixo de fluido, indepen- dente da resistência apresentada pela carga. São bombas que produzem uma vazão do fluido hidráulico em forma de pulsos e, diferentemente das bombas de deslocamento negativo, possuem vedação entre entrada e saída, logo sua capacidade de deslocamento do fluxo não é muito afetada pela variação da resistência do sistema. Entretanto, verifica-se uma perda de vazão em torno de 10% quando utilizada para bombeamento de líquidos de baixa viscosida- de e sob altas pressões. A vazão das bombas de deslocamento positivo pode ser alterada ou não; para isso, é necessário variar a área de suas câmaras. As bombas que permitem essa variação são conhecidas como bombas de deslo- camento variável, as outras, onde não é possível essa variação, são conhecidas como bombas de deslocamento fixo. Bomba de engrenagens Como pode ser observado na Figura 2, as bombas de engrenagens são constituídas de uma câmara e duas engrenagens internas, as quais se acoplam perfeitamente às paredes da câmara, isolando fisicamente os canais de entra- da e de saída de fluido. Com a rotação das engrenagens, em certo momento, o fluido hidráulico que entra na bomba será pressionado entre os dentes das engrenagens e as paredes da câmara (carcaça da bomba), impulsionado para o canal de saída da bomba. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 46 SER_CIENC_AERO_SISTE_HIDRA_Uni2.indd 46 29/07/2019 14:32:11 Características das bombas de engrenagens: • São de simples construção e manutenção, por conterem poucas partes móveis; • Vazão fixa; • Pela simplicidade, têm custo reduzido se comparadas a outros tipos de bombas; • Pressão máxima de operação gira em torno de 250 kgf/cm2; • Elevada emissão de ruídos; • Rendimento gira em torno de 80 a 85%. Carcaça Fluido sendo carregado Entrada de fluido Engrenagem movida Engrenagem motriz Saída de fluido Desengrenamento Engrenamento Figura 2.Bombas de engrenagens. Fonte: JUNIOR, s.d. Acesso em: 17/07/2019. (Adaptado). Outros tipos conhecidos de bombas de engrenagens que possuem as mes- mas características de funcionamento com pequenas variações construtivas são as bombas de engrenagens internas e bombas de engrenagens helicoidais. Bombas de palhetas São bombas que apresentam baixa intensidade na pulsação e constância no fluxo do fluido hidráulico fornecido, características essas que agregam um grau de ruído menor do conjunto mesmo em rotações elevadas, apresentando vantagens em relação aos outros tipos de bombas. Podem ser de vazão fixa ou vazão variável. Características das bombas de palhetas: • Simples construção e simples manutenção; • Podem ser de vazão fixa ou variável; • Baixo nível de ruído; • Rendimento gira em torno de 75 a 80%; • Pouco tolerantes às impurezas no fluido hidráulico. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 47 SER_CIENC_AERO_SISTE_HIDRA_Uni2.indd 47 29/07/2019 14:32:11 Figura 3. Bomba de vazão fixa. Fonte: JUNIOR, s.d. Acesso em: 17/07/2019. (Adaptado). Controle da vazão Pressão MAX0 Volume MAX0 Parafuso de ajuste de pressão Figura 4. Bomba de vazão variável com pressão compensada. Fonte: JUNIOR, s.d. Acesso em: 17/07/2019. (Adaptado). Bomba de palhetas de vazão fixa (balanceada) Bomba de vazão variável com pressão compensada Bomba de pistões Características da bomba de pistões: • Necessita de alta precisão para sua construção; • São de difícil manutenção e custo elevado; • Vazão fixa ou variável; • Ótimo rendimento, girando em torno de 95%; • Não toleram impurezas nos fluidos hidráulicos; • Operam com baixo ruído. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 48 SER_CIENC_AERO_SISTE_HIDRA_Uni2.indd48 29/07/2019 14:32:11 Para a montagem combinada de bombas hidráulicas, existem dois tipos de instalações: a instalação em série e a instalação em paralelo. 2 3 6 5 4 8 7 1 Legenda: 1 - Carcaça 2 - Eixo 3 - Placa cardânica 4 - Tambor 5 - Pistões 6 - Hastes 7 - Placa de comando 8 - Pino central Ângulo = 25º Figura 5. Bomba de pistões axiais de eixo inclinado. Fonte: JUNIOR, 2008. Acesso em: 17/07/2019. (Adaptado). Figura 6. Bomba de pistões axiais de placa ou disco inclinado. Fonte: JUNIOR, 2008. Acesso em: 17/07/2019. (Adaptado). Bomba de pistões axiais de eixo inclinado Bomba de pistões de disco inclinado EXPLICANDO Utiliza-se a instalação em série quando o poder de sucção da bomba principal é insuficiente, sendo assim, uma bomba auxiliar é ligada em série na linha de alimentação do circuito hidráulico. Já a instalação em paralelo é empregada em casos onde é necessário o funcio- namento dos atuadores em velocidades distintas, sendo uma lenta e uma outra rápida. No caso da velocidade, rápida não é necessário grande força, mas no caso da velocidade baixa, essa força tem que ser grande. Esse sistema também é utilizado em casos de sistemas hidráulicos com independência de seus circuitos. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 49 SER_CIENC_AERO_SISTE_HIDRA_Uni2.indd 49 29/07/2019 14:32:14 Cuidados necessários de instalação e manutenção • Instalação: as bombas hidráulicas, como qualquer outro elemento elétrico ou mecânico, necessitam de procedimentos adequados de instalação, garantin- do, assim, o rendimento desejado e o prolongamento de sua vida útil. Para um alinhamento correto entre a bomba e o motor elétrico de acionamento, tanto no sentido vertical, horizontal ou angular, é aconselhável o uso de acoplamentos fl e- xíveis, compensando possíveis imperfeições desse alinhamento. Outros cuidados necessários são a verifi cação do sentido de rotação e o funcionamento sem o fl ui- do hidráulico, evitando, desse modo, o aquecimento e a inutilização da bomba; • Manutenção: manutenções periódicas preventivas são necessárias em quais- quer dispositivos pertencentes a sistemas elétricos, eletrônicos, mecânicos, hidráu- licos, pneumáticos etc. No caso das bombas hidráulicas, essa verifi cação deve rece- ber uma atenção especial devido a fatores que podem danifi car e encurtar a vida útil do equipamento. Um dos maiores problemas que precisam ser detectados e corrigidos é o da cavitação, que é a formação de bolhas no fl uido hidráulico devido a quedas de pressão, chegando até ao estado de vapor. Com o aumento da pres- são, as bolhas se dissolvem, implodindo e cavando materiais das superfícies que estavam em contato com a bolha. Verifi cação de entupimento de fi ltros e respiros, qualidade da viscosidade do fl uido e verifi cação da pressão adequada ao sistema são procedimentos preventivos para um desempenho satisfatório. Atuadores hidráulicos Os atuadores hidráulicos são os responsáveis em converter a energia do fl uido hidráulico em energia mecânica. Respondem por toda a atividade de geração de movimento e força, e devem ser um dos itens principais a serem considerados no projeto de qualquer sistema. Os atuadores hidráulicos divi- dem-se em atuadores lineares e atuadores rotativos. Atuadores lineares Os atuadores lineares, também conhecidos como cilindros, têm a função de transformar a energia do fl uido hidráulico em força e movimento mecânico linear através de sua haste. A composição básica dos cilindros lineares consiste em: camisa, êmbolo e haste. Enquanto a camisa é o “corpo” onde são alojados os outros elementos, o êmbolo tem como característica criar e isolar duas câ- SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 50 SER_CIENC_AERO_SISTE_HIDRA_Uni2.indd 50 29/07/2019 14:32:14 maras dentro do corpo do cilindro e sofrer a pressão do fluido que enche e esvazia essas câmaras. O êmbolo está ligado à haste do cilindro que, por sua vez, executa através deste o movimento linear de avanço ou recuo. Existem várias configurações de cilindros hidráulicos, sendo as mais comuns: Cilindro de ação simples O fluido hidráulico é injetado em uma câmara que faz com que o conjunto êmbolo/haste seja deslocado para fora. Para o retorno do conjunto à posição original, basta uma força contrária na haste, ao mesmo tempo em que a câma- ra é esvaziada do fluido hidráulico. Câmara Entrada e saída do fluido Êmbolo Haste Figura 7. Pistão de ação simples. Câmara Entrada e saída do fluido Entrada e saída do fluido Êmbolo Câmara recuo Haste Figura 8. Pistão de ação dupla. Cilindro de ação dupla Para avanço da haste, supondo-se que esta esteja no estado inicial recua- do, o fluido hidráulico é carregado na câmara de avanço, enquanto o fluido hidráulico é retirado da câmara de retorno, movimentando a haste para fora. Para o movimento contrário, o fluido hidráulico carrega a câmara de retorno, enquanto a câmara de avanço é esvaziada. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 51 SER_CIENC_AERO_SISTE_HIDRA_Uni2.indd 51 29/07/2019 14:32:14 Cilindro telescópico O fluido hidráulico carrega a câmara fazendo com que o primeiro conjun- to êmbolo/haste faça o movimento de avanço. Em determinado ponto, outra câmara é aberta, carregando o fluido hidráulico para avanço do segundo con- junto êmbolo/haste. O retorno dos conjuntos é feito quando uma força atua na ponta da haste, ao mesmo tempo em que as câmaras têm os fluidos drenados Figura 9. Pistão telescópico. Câmara Entrada e saída do fluido Êmbolo Mola Haste Câmara Êmbolo/haste 1 Êmbolo/haste 2 Entrada e saída do fluido Figura 10. Pistão de ação simples retorno mola. Cilindro de ação simples retorno mola O funcionamento desse cilindro assemelha-se ao cilindro de ação simples. No entanto, nesse caso, a força para recolhimento da haste é exercida por uma mola interna ao corpo do cilindro. Essa força, por sua vez, atua em conjunto com a drenagem do fluido hidráulico da câmara fazendo com que a haste retorne. SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 52 SER_CIENC_AERO_SISTE_HIDRA_Uni2.indd 52 29/07/2019 14:32:14 Cilindro de dupla haste Este cilindro possui movimento bidirecional, contando com um êmbolo cen- tral ligado a duas hastes. O movimento acontece quando em determinada câ- mara acontece o carregamento do fluido hidráulico, enquanto em outra câma- ra existe a drenagem do fluido, deslocando, assim, o conjunto êmbolo/hastes para um lado ou para o outro. Câmara 1 Câmara 2 Entrada e saída do fluido Entrada e saída do fluido Entrada e saída do fluido Êmbolo Haste 2Haste 1 Figura 11. Pistão de dupla haste. Outros acessórios podem ser incorporados aos cilindros lineares, como amortecedores de fim de curso, cuja finalidade é suavizar a parada do pistão quando esse chega no seu recuo ou avanço máximo. Atuadores rotativos Os atuadores rotativos têm como função básica a transformação da energia hidráulica em força e movimento de rotação. Um conhecido atuador rotativo é o motor hidráulico, cuja construção é semelhante ao de uma bomba hidráulica. Outros tipos comuns de atuadores rotativos são: motores oscilantes, motor de engrenagens, motor de palheta, motor de pistão, pinhão e cremalheira, oscila- dor com cilindro, oscilador com rosca sem fim e oscilador de palheta. Motores hidráulicos Os motores hidráulicos convertem energia hidráulica em energia mecânica por meio do seu eixo rotacional. Para essa conversão, e consequente geração de força e movimento, utiliza-se a pressão do fluido hidráulico. Suas caracte- rísticas construtivas são semelhantes às bombas hidráulicas, mas com uma função inversa. Capacidade de carga, velocidade e manutenção dos motores SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 53 SER_CIENC_AERO_SISTE_HIDRA_Uni2.indd 53 29/07/2019 14:32:14 devem ser observados para um projeto de instalação hidráulica. Existem vários tipos de motores hidráulicos disponíveis no mercado, dependendo da necessi- dade de cada sistema. Os motores podem ser
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