Hidráulica Aplicada

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DISCIPLINA: HIDRAULICA APLICADA
APOSTILA:
HIDRÁULICA APLICADA
BALSAS
2018
INTRODUÇÃO
A Hidráulica consiste no estudo das características e usos dos fluidos. Desde o início dos tempos, o homem serviu-se dos fluidos para facilitar o seu trabalho. Não nos é difícil imaginar um homem das cavernas, com sua mulher, sentados em um tronco flutuando no rio e rebocando seus filhos e outros pertences num outro tronco com uma corda e um cipó.
A história antiga registra que dispositivos engenhosos, como bombas e rodas d'água já eram conhecidos desde épocas bem remotas. Entretanto, só no século XVII, o ramo da hidráulica que nos interessa, foi utilizado. O cientista francês Blaise Pascal formulou enunciado que viria a mudar totalmente o futuro das máquinas e equipamentos hidráulicos.
Somente, no princípio da revolução Industrial é que um mecânico britânico, Joseph Bramah veio a utilizar a descoberta de Pascal para desenvolver uma prensa hidráulica. 
Com a constante evolução tecnológica, tem-se no mercado a intensa necessidade de se desenvolverem técnicas de trabalho que possibilitem ao homem o aprimoramento dos processos produtivos e a busca da qualidade. Para se buscar a otimização de sistemas nos processos industriais, faz-se o uso da junção dos meios de transmissão de energia, sendo estes :
Mecânica
Elétrica
Eletrônica
Pneumática
Hidráulica
Experiências têm mostrado que a Hidráulica vem se destacando e ganhando espaço como um meio de transmissão de energia nos mais variados segmentos do mercado, sendo que a Hidráulica aplicada na indústria e a Hidráulica aplicada às máquinas as que apresentam um maior crescimento.
Porém, pode-se notar que a hidráulica está presente em todos os setores industriais. Amplas áreas de automatização foram possíveis com a introdução de sistemas hidráulicos de transmissão de energia e controle de movimentos.
Para um conhecimento detalhado e estudo da energia hidráulica vamos inicialmente entender o termo hidráulica. O termo hidráulica derivou-se da raiz grega Hidro, que tem o significado de água, por esta razão entendem-se por hidráulica todas as leis e comportamentos relativo a água ou outro fluido, ou seja, hidráulica é o estudo das características e uso dos fluidos sob pressão.
CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS
Frequentemente nos perguntam: - “Porque é necessária a energia hidráulica, se dispomos de conhecidas máquinas mecânicas, pneumáticas e elétricas?” 
Eis a resposta: - É porque um fluido confinado é um dos meios mais versáteis de modificar o movimento e transmitir força. É tão rígido quanto o aço, porém infinitamente flexível. Pode assumir instantaneamente, todas as formas possíveis e introduzir-se em qualquer objeto que resista ao seu avanço. Pode dividir-se em partes, cada qual realizando um trabalho de acordo com a sua dimensão e, novamente, reagrupar-se para trabalhar com um só corpo. Pode se movimentar rapidamente em um ponto e lento em outros. Nenhum meio é capaz de combinar o mesmo índice de positividade, exatidão e flexibilidade, mantendo a capacidade de transmitir em máximo de força ocupando mínimo espaço e baixo peso.
Logo, podemos concluir que as principais características dos sistemas hidráulicos são :
Dimensões reduzidas.
Baixa relação peso / potência.
Velocidade variável.
Reversibilidade.
Proteção contra sobrecargas.
Parada instantânea.
DEFINIÇÃO DE PRESSÃO
Pressão é a força exercida em determinada superfície ( área ). Em hidráulica, a pressão é expressa em Kgf/cm2 ( quilogramas força por centímetro quadrado ).
A pressão também pode ser expressa em psi ( libras por polegada quadrada ). No sistema internacional de unidades ( SI ) a pressão é expressa em N / m2
( Newtons por metro quadrado ).
A pressão também é criada quando temos uma coluna de um fluido. Por exemplo, sabemos que a cada 10 metros de coluna d’água, a pressão aumenta em 1,0 Kgf / cm2.
LEI DE PASCAL
A história antiga registra que dispositivos engenhosos como bombas e rodas d’água já eram conhecidos desde épocas bem remotas. Entretanto, só no século XVII, o ramo da hidráulica que nos interessa, foi utilizado. Baseava-se no princípio descoberto pelo cientista francês Pascal, que consistia no uso do fluido confinado para transmitir e multiplicar forças e modificar movimentos.
A Lei de Pascal resumia-se em : “ A pressão exercida em um ponto qualquer de um líquido estático é a mesma em todas asa direções e exerce forças iguais em áreas iguais.
 
 
 Figura 1 – Princípio de Pascal
Desta forma, quando aplicamos uma força de 10 Kgf em uma área de 10 cm2, obtemos como resultado uma pressão interna de 10 Kgf / cm2, agindo com a mesma intensidade em toda a parede do recipiente.
– COMO É CRIADA A PRESSÃO
A pressão resulta da resistência oferecida ao fluxo do fluido. A resistência ocorre em função de :
Da carga de um atuador;
De uma restrição ( ou orifício ) na tubulação.
A figura 4 é mostrado um exemplo de carga sobre um atuador. O peso de 1000 quilos oferece uma resistência ao fluxo sob o pistão e cria uma pressão no óleo. Se o peso aumenta, o mesmo acontece com a pressão.
A figura 5 é mostrado um exemplo de um fluxo através de um orifício. Ao fecharmos o orifício, percebemos um incremento da pressão antes dele, pois ocorreu uma restrição ao fluxo do fluido.
Figura 4 – Pressão criada pela resistência ao fluxo ( carga em atuador )
Figura 5 – Pressão criada pela resistência ao fluxo ( orifício )
TRANSMISSÃO DE ENERGIA HIDRÁULICA
A hidráulica também pode ser definida como um meio de transmissão de energia, pressionando um líquido confinado. O componente de entrada de um sistema hidráulico chama-se bomba e o de saída atuador.
Como veremos detalhadamente, podemos dispor de vários tipos de bombas : de engrenagens, de palhetas, de pistões axiais.
Também podemos ter dois tipos de atuadores : atuador linear ( cilindro hidráulico ) ou atuado rotativo. Este último também pode assumir várias formas construtivas : de engrenagens, de palhetas, de pistões axiais.
O sistema hidráulico não é uma fonte de energia. A fonte de energia são os acionadores, como por exemplo os motores elétricos que acionam as bombas hidráulicas. Então, novamente pode ser perguntado : -“ Porque então não esquecemos a hidráulica e ligamos diretamente a parte mecânica ao acionador principal ? “ . A resposta está no capítulo seguinte, onde veremos as vantagens do acionamento hidráulico.
6.FLUIDOS HIDRÁULICOS
A escolha e o cuidado do fluido hidráulico para uma máquina terão um efeito importante no seu desempenho e na vida dos componentes hidráulicos. A formulação e aplicação dos fluidos hidráulicos é por si mesma, uma ciência bem além da finalidade deste manual.
Neste capítulo encontraremos os fatores básicos envolvidos para a escolha de um fluido e sua utilização adequada.
Um fluido é qualquer líquido ou gás. Entretanto, o termo fluido no uso geral em hidráulica refere-se ao líquido utilizado como meio para transmitir a energia. Fluido significa fluido hidráulico, seja ele um óleo de petróleo especialmente composto ou um fluido especial resistente ao fogo, que pode ser composto sintético.
9.1 Objetivos do fluido
O fluido hidráulico tem quatro finalidades básicas :
Transmitir energia;
Lubrificar peças móveis;
Vedar as folgas existentes entre os componentes do sistema;
Resfriar ou dissipar calor.
9.1.a ) Transmissão de energia
Como meio de transmitir energia, o fluido precisa circular livremente nas linhas e passagens dos componentes. Muita resistência ao fluxo, cria uma perda de energia considerável. O fluido precisa também ser o mais incompressível possível para que haja uma ação instantânea quando se liga uma bombaou se ativa uma válvula.
9.1.b) Lubrificação
Na maioria dos componentes hidráulicos, o fluido fornece a lubrificação interna. Os elementos da bomba e outras peças de desgaste deslizam sobre uma película de fluido entre si. ( Ver figura 10 ).
Para maior durabilidade dos componentes, o fluido precisa possuir aditivos especiais para assegurar as características anti desgaste. Nem todos os fluidos possuem esta característica.
9.2 Requisitos de qualidade
Complementando estas funções básicas, o fluido hidráulico poderá ter vários outros requisitos de qualidade, tais como :
Impedir a ferrugem;
Impedir a formação de lodo;
Diminuir a formação de espuma;
Manter-se estável e consequentemente reduzir os custos da substituição;
Manter um índice de viscosidade relativamente estável numa ampla faixa de temperatura;
Impedir a corrosão e a erosão;
Separar a água;
Compatibilidade com vedações.
A ferrugem é a reação química entre o ferro ( ou aço ) e o oxigênio. A corrosão é a reação química entre o metal e um produto químico, geralmente um ácido. Os ácidos resultam da união química entre a água e certos elementos.
Como é impossível que o ar e a umidade penetrem no sistema hidráulico, sempre há possibilidade de ferrugem e corrosão. Durante estes processos, partículas de metal são dissolvidas no fluido e contaminam o sistema, promovendo o desgaste.
A ferrugem e a corrosão podem ser inibidas pela incorporação de aditivos ao fluido, que revestem as superfícies do metal, evitando que estas sejam atacadas quimicamente.
Uma pequena quantidade de água pode ser tolerada na maioria dos sistemas hidráulicos. De fato, alguns aditivos contra a ferrugem promovem um grau de emulsificação, ou seja, a mistura com a água que entra no sistema. Isto impede que a água se assente e penetre através da película anti ferrugem. Entretanto, muita água no fluido pode prender válvulas acelerando o desgaste. Um fluido hidráulico bem refinado deve ter um alto grau de demulsibilidade, ou seja, a capacidade de isolar a água.
 BOMBAS HIDRÁULICAS
As bombas utilizadas nos sistemas hidráulicos são de “deslocamento positivo “, ou seja, o deslocamento é constante independentemente da pressão. A saída da bomba é positivamente separada da entrada. Isto significa que não há comunicação entre as conexões de entrada e saída.
A única função das bombas hidráulicas é de criar o fluxo. A pressão no sistema é gerada pela resistência ao fluxo. É comum responsabilizar a bomba por qualquer perda de pressão que ocorra no sistema. Com poucas exceções, a perda depressão só ocorre quando houver um vazamento de forma a desviar o fluxo da bomba.
Para que o fluxo seja criado, os elementos internos da bomba geram uma condição de succionamento do fluido,para depois então transportá-lo para os atuadores.
 TIPOS DE BOMBAS HIDRÁULICAS
Para que a bomba execute a sua função, os engenheiros especialistas em hidráulica desenvolveram alguns tipos que podem ser usados de acordo às variáveis presentes no sistema hidráulico.
Desta forma, podemos ter os seguintes tipos de bombas :
Bomba de engrenagens.
Bomba de palhetas.
Bomba de pistões axiais.
Bomba de pistões radiais.
Serão elementos de estudo em nosso curso as três primeiras categorias,que representam juntas 95 % das aplicações presentes na prática.
10.1.a) Bomba de engrenagens
A bomba de engrenagens consiste basicamente de uma carcaça com orifícios de entrada e saída e de um mecanismo de bombeamento composto de duas engrenagens. Uma engrenagem é a motora, que é ligada ao eixo do acionador principal. A outra é a engrenagem movida.
Figura 14 – Componentes de uma bomba de engrenagens 
10.1.a.1) Princípio de funcionamento
Nas bombas de engrenagens externas, as engrenagens giram em sentidos opostos criando um vácuo parcial na câmara de entrada da bomba. O fluido é introduzido nos vãos dos dentes e é transportado junto a carcaça até a câmara de saída. Ao se engrenarem novamente, os dentes forçam o fluido para a conexão de saída.
Notar que, a região onde ocorre o aumento das câmaras onde o fluido é confinado, é a região de sucção. E, a região onde ocorre a diminuição das câmaras onde o fluido é confinado, é a região de descarga da bomba.
Figura 15 – Bomba de engrenagens externas – funcionamento básico
A alta pressão na conexão de saída da bomba impõe uma carga radial ( em direção ao eixo ) desequilibrada nas engrenagens e rolamentos que as suportam.
10.1.a.2) Classificação das bombas de engrenagens
De engrenagens externas ( abordadas no item anterior ).
De engrenagem interna.
Uma bomba de engrenagem interna consiste de uma engrenagem externa cujos dentes se engrenam na circunferência interna de uma engrenagem maior. O tipo mais comum de bomba de engrenagem interna nos sistemas hidráulicos é a bomba tipo gerotor.
A bomba tipo gerotor é uma bomba de engrenagem interna motora e uma engrenagem movida externa. A engrenagem interna tem um dente a menos que a engrenagem externa. De acordo ao mesmo princípio anterior, de um lado do mecanismo de bombeamento forma-se um voluma crescente, enquanto os dentes das engrenagens se desengrenam, gerando a sucção do fluido. Do outro lado da bomba é formado um volume decrescente, onde ocorre a descarga do fluido.
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Figura 16 – Bomba de engrenagem interna ( gerotor )– funcionamento básico
10.1.a.3) Características das bombas de engrenagens
Figura 17 – Bomba de engrenagens
Devido ao fato de serem do tipo não balanceado, são geralmente unidades de baixa pressão, porém existem bombas de engrenagens que trabalham com até 200 Kgf / cm2. Com o desgaste dos elementos, o vazamento interno aumenta. Entretanto, as unidades são duráveis e toleram fluidos com mais sujidades que outras.
A construção mecânica das bombas de engrenagens não permitem a variação do fluxo enquanto em funcionamento. Podemos apenas variar o fluxo destas bombas em duas situações :
Com a troca das engrenagens.
Com a variação da velocidade angular.
 
10.1.a.4) Vantagens das bombas de engrenagens
Eficiente, projeto simples;
Compacta e leve para a sua capacidade;
Alta tolerância a contaminações dos sistemas;
Resistente aos efeitos da cavitação.
10.1.b) Bomba de palhetas
A bomba de palhetas consiste basicamente de uma carcaça com conexões de entrada e saída e de um mecanismo de bombeamento composto de um rotor, palhetas, carcaça, anel da carcaça e uma placa de orifício com aberturas de entrada e saída.
Da mesma forma que nas bombas de engrenagens, o fluido é succionado na região onde ocorre o aumento de volume das câmaras de bombeamento e é descarregado na região onde ocorre a redução do volume das câmaras de bombeamento.
Devido a sua alta versatilidade, a bomba de palhetas é largamente usada na indústria em geral, seja em circuitos hidráulicos industriais ou circuitos hidráulicos em máquinas móveis ( móbil ).
Figura 18 – Componentes de uma bomba de palhetas 
10.1.c) Bomba de pistões axiais
Podem ser do tipo disco inclinado ou eixo inclinado. 
Figura 22: Bombas de pistões axiais com eixo inclinado (esq.) e disco inclinado (dir.) 
A bomba do tipo disco inclinado é constituída por um corpo rotativo contendo os cilindros com seus êmbolos. O corpo rotativo forma uma estrutura única com o eixo, que está ligado ao motor de acionamento. Ainda nesse rotor existe um anel fixo, onde existem dois rasgos em forma de rim os quais comunicam-se com as tubulações de descarga e sucção, respectivamente. 
Os pistões estão unidos a uma placa, solidária ao disco inclinado, podendo (os pistões) movimentarem-se na direção de seu próprio eixo. Os pistões e a placa são induzidos a realizarem um movimento de rotação, pelo eixo de acionamento. Isso promove aos pistões um movimentoalternativo. 
Cada pistão é preenchido com fluido quando passa por um dos rasgos (volume interno crescente), e esvazia-se quando passa em frente ao rasgo oposto (volume interno decrescente). 
Uma vez que a vazão fornecida pela bomba é dependente do curso do cilindro, essa pode assumir diferentes valores conforme a variação do ângulo de inclinação do prato por onde deslizam os pistões. 
10.1.d) Bombas múltiplas
Em casos onde a demanda do sistema requeira um número de diferentes vazões e pressões, o mesmo desempenha uma melhor operação através da combinação de duas ou mais bombas as quais são acionadas ou não conforme a carga existente. 
Essas bombas são algumas vezes denominadas de bombas geminadas. 
Um tipo padrão, disponível comercialmente, é o denominado sistema "alta-baixa", onde as saídas das bombas são automaticamente chaveadas com o circuito de acordo com a demanda de pressão do sistema. Esse sistema é assim denominado por possuir duas bombas, onde uma delas tem a capacidade de fornecer alta vazão sob baixa pressão; enquanto a outra bomba pode fornecer baixa vazão sob alta pressão, pois as duas bombas têm um rotor único ligado ao motor de acionamento.
10.2 ) Parâmetros para seleção de bombas hidráulicas
Os parâmetros mais importantes, referentes a determinação da capacidade e as características técnicas das bombas hidráulicas são: pressão máxima, vazão máxima, rotação e rendimento. 
Pressão: A faixa de pressão de uma bomba é geralmente limitada pela capacidade da bomba em suportar uma determinada pressão sem que verifique-se um indesejável aumento de vazamentos internos e sem perigo ao conjunto mecânico (mancais, rotor, carcaça, etc.) Em geral, as bombas de engrenagens externas e de palhetas suportam uma pressão máxima entre 130 a 250 bar. Bombas de engrenamento interno, suportam pressões inferiores entre 100 - 150 bar. As bombas de pistão suportam elevadas pressões, chegando até 350 bar. 
Vazão: A segunda consideração mais importante na seleção de uma bomba é o seu tamanho (deslocamento) e o fornecimento de fluido. O deslocamento significa o volume fornecido pela bomba quando a mesma realiza um volta completa em seu eixo de acionamento. Geralmente é expressa em cm3/rot. Muitas vezes faz-se referência ao tamanho da bomba, como a vazão volumétrica de saída, em litros por minuto (l/min). Outras formas de referir-se a mesma capacidade é fluxo. 
Rotação: A terceira consideração é a taxa de rotação do eixo de acionamento, a qual é limitada pela habilidade da bomba trabalhar sem cavitar ou por outras considerações mecânicas. A faixa de rotação mínima e máxima, assim como a pressão na entrada, são claramente fornecidos pelo fabricante para facilitar a seleção da bomba numa necessidade de projeto. 
Rendimento: A qualidade da bomba é indicada em termos de rendimento, sendo três os rendimentos comumente utilizados para isso: 
11 ) Reservatório do fluido
A função de um reservatório de fluido num sistema hidráulico são as seguintes: 
Fornecer uma câmara na qual qualquer variação em volume de fluido no circuito hidráulico possa ser acomodado. Quando um cilindro avança, ocorre um aumento no volume de fluido no circuito e consequentemente existe uma redução nível do reservatório. 
Suprir o fluido perdido por algum vazamento que tenha ocorrido no sistema. 
Servir como local de enchimento de fluido ao sistema. 
Favorecer a troca de calor de calor com o ambiente, permitindo o arrefecimento do fluido. 
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