Hidráulica Básica UNESP

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Trabalho de Hidráulica
Técnico em Mecânica
Autores:
Marco Antonio Sbaraglini
Rodrigo Ráfaga
BAURU/2013
Sumário
1.Princípios da Hidráulica	1
2.Manômetros	2
3.Viscosidade	3
4.Fluidos Hidráulicos	5
5.Reservatórios	6
6.Filtros	7
7.Bombas Hidráulicas	8
8.Atuadores	13
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9.Válvulas Direcionais	17
10.Válvulas Reguladoras de Pressão	19
11.Válvulas de Retenção	20
12.Cálculos para Cilindros	21
13.Cálculos para Motores Hidráulicos	22
14.Acumuladores de Pressão Hidráulica	23
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PRINCIPIOS DA HIDRÁULICA
FORÇA: “É uma grandeza que tem capacidade de vencer a inércia”
Mas o que é Inércia? É uma propriedade física que funciona como um “incentivo” ao movimento ou ao repouso de um corpo. 
	Exemplos:
*Se um bloco está em repouso, ele tende a ficar nesse estado até que uma força atue sobre ele. 
* Se uma moto está em movimento ela ficará em movimento até alguma força atue sobre ela.
TIPOS DE FORÇA
RESISTÊNCIA: “ É uma força capaz de se opor ao movimento”
	Para entendermos melhor, a resistência funciona como uma “parede” que pode dificultar ou impedir o movimento de algum corpo ou força.
 Resistência Elétrica
Um tipo de resistência muito utilizada e encontrada, é a resistência elétrica. Que tem o papel de resistir a passagem de corrente elétrica por um circuíto. Gerando calor que pode ser utilizado para aquecer um equipamento ou iluminar ambientes.
Na hidráulica a resistência pode ser utilizada para controlar o fluxo de um líquido.
ENERGIA: “É uma força capaz de parar ou movimentar um corpo”.
Até mesmo a inércia de um corpo pode ser usada como energia. Existem vários tipos de energia:
Elétrica	 Fotovoltáica 
Existem outros tipos de energia : Luminosa, Eólica, Mecânica, Maremotriz, etc.
MANOMETROS
São instrumentos utilizados para informar a pressão de um determinado fluido.
Existem basicamente, dois tipos de manômetros:
1º - Manômetro de Bourdon
S
A pressão aplicada no tubo de cobre curvado fará com que ele tende a se movimentar até ficar retilíneo. Com isso será informado a pressão exercida na rede.
2º Manômetro de Núcleo Móvel
Esse manômetro consiste de um núcleo ligado ao sistema de pressão, de uma mola de retração, de um ponteiro e de uma escala graduada em Kgf/cm² ou Psi. Esses tipos de manômetros são duráveis e econômicos.
VISCOSIDADE
“É resistência que os líquidos oferecem ao escoamento”.
Quanto maior a viscosidade, menor a velocidade em que o fluido se movimenta. A viscosidade de um líquido pode estar ligada diretamente à temperatura exposta, sendo que, o aumento da temperatura proporciona menor viscosidade, com isso um aumento na velocidade de escoamento. 
Exemplo: O açúcar queimado, utilizado na culinária em baixa temperatura, tem um difícil escoamento, com isso uma ALTA viscosidade.
	Agora, se ele estiver em alta temperatura terá uma maior facilidade de escoar, ou seja, uma menor viscosidade.
	Para medir a viscosidade, utilizamos o princípio de Saybolt. Que media a viscosidade de um fluido através de um ensaio mecânico. Um tipo de fluido era colocado em um recipiente e envolvido por outro tipo de óleo que seria aquecido a 40ºC. Depois disso uma valvula era aberta para drenar o sistema, e contado os segundos que demorasse para encher um recipiente com 60ml. O tempo demorado para encher esse recipiente era conhecido como SSU- Sencond Saybolt Universal.
Existem outros tipos de Viscosímetros:
No viscosímetro de Stokes, também chamado viscosímetro de esfera, uma esfera é imersa em um tubo vertical contendo o fluido e deixada cair livremente sob ação da gravidade. Inicialmente acelerada, ela atingirá depois de algum tempo, devido à resistência do fluido, uma velocidade constante (velocidade terminal). Marcações de nível no tubo, que é transparente, permitem a medição dessa velocidade.
Esse instrumento é simples e barato, mas apresenta as seguintes desvantagens:
O fluido precisa ser transparente.
O tubo precisa ser comprido o suficiente para que a esfera atinja a velocidade terminal.
O tubo precisa ser largo o suficiente para que a queda da esfera não seja influenciada pelas paredes.
É necessário usar um volume grande de fluido.
VISCOSÍMETRO DE COPO
Neste caso, mede-se o tempo que o líquido leva para escoar de um reservatório por meio de um orifício aberto no fundo. Os modelos mais conhecidos são o viscosímetro de copo Ford, o viscosímetro de copo Shell e o viscosímetro de copo Zahn; este último possui vários orifícios de tamanhos diferentes, dos quais apenas um é mantido aberto em cada medição, e é muito usado na indústria de tintas. O tempo de escoamento é proporcional à viscosidade cinemática do fluido, e depende tanto do diâmetro do furo quanto da temperatura de ensaio, que deve ser mantida constante durante a medição.
Instrumentos similares são o funil de Marsh e o cone de Marsh, usados para fluidos muito viscosos, como lama e petróleo.
FLUIDOS HIDRÁULICOS
São elementos de extrema importância para o sistema, os fluidos hidráulicos possuem 4 funções básicas: Transmitem movimento para os atuadores, lubrificam todo o sistema, funcionam como sitema de vedante, e auxiliam no resfriamento do sistema.
	 Os fluidos se classificam em:
LUBRIFICANTES e ACIONAMENTO
Fluido Lubrificante: Utilizado para lubrificação de componente mecânicos, mancais, caixas de direção, caixas de mudanças, motores de combustão interna.
Fluido de Acionamento: São utilizados para acionar elementos mecânicos conhecidos como atuadores.
Os fluidos de acionamento são classificados em 3 categorias.
Mineral = Derivado do Petróleo, o óleo mineral é o mais utilizado, pelo seu baixo custo e também pela alta pressão que exerce. Pode compor uma mistura de aditivos (elementos químicos que melhoram as características do óleo).
Sintético = São os fluidos fabricados em laboratório com relações próprias e contadas de aditivos, seu preço é superior ao Mineral, seu tempo de uso é superior aos demais. Porém pode ser prejudicial a saúde humana.
Anti Chamas = São fluidos utilizados em sistema de altíssima pressão onde existe uma possibilidade de incêncio pelo atrito. Esses fluidos são basicamente compostos por misturas.
Emulsões: Mistura de Água + Óleo ( Reduz o perigo de incêndio)
Água + Glicol: Mistura utilizado em radiadores que aumentam o ponto de ebulição da água, assim como melhora as características de evitar corrosão, oxidação.
RESERVATÓRIO DE FLUIDO
Reservatório de fluido são estruturas soldadas de aço carbono, capaz de armazenar o fluido hidráulico.
Os reservatório possuem também outras funções:
Permitir a inspeção do fluido
Separar contaminantes sólidos
Dissipar calor do fluido
Absorver a expansão térmica do fluido
Permitir a montagem de componentes na parte externa.
A pintura interna de um reservatório deve ser de tinta especial a base de epoxi, evitando assim qualquer tipo de oxidação ou corrosão através do fluido hidráulico.
Os reservatórios hidráulicos devem ter uma inclinação na sua estrutura, para que o sistema de drenagem funcione sem que fique poças de óleo na parte interna.
OBS: Os canos de sucção e de retorno devem ser cortados em ângulo de 45º e direcionados para as paredes do reservatório, facilitando a vazão e também auxiliando no resfriamento do líquido. Uma placa de aço é colocada no meio do reservatório (Chicana) com a intenção de “atrapalhar” a transição do óleo, fazendo que ele não vá direto para sucção assim que retornar, tendo que fazer o caminho mais longo, seu resfriamento será maior, e também a extinção de bolhas de ar.
	
O reservatóriodeve conter também, capacidade de armazenar 3 vezes mais óleo do que a bomba é capaz de mandar para o sistema em litros por minuto.
Exemplo:
Se uma bomba hidráulica do tipo Engrenagens externas tem a capacidade de enviar 10 litros por minuto de fluido. O reservatório do sistema deve conter 30 litros de óleo.
Somando a outra informação de que no reservatório deve conter pelo menos 10% de espaço livre, para a expansão do líquido e movimentação do mesmo.
FILTROS
Os filtros são elementos que retem as impurezas do óleo, afim de minimizar falhas e aumentar a vida útil dos equipamentos. Eles são geralmente fabricados de nylon, mas possuem versões em papelão hidráulico.
A malha de sua filtragem é medida em µm (microns). Quanto menor o valor em microns, melhor será a filtragem do fluido.
Exemplo:
 Um filtro com 250µm é considerado um filtro de baixa filtragem, pois sua malha possuem grandes espaços.
	FILTRO DE SUCÇÃO INTERNA
Trabalha dentro do reservatório, filtra apenas as impurezas maiores.
	FILTROS DE SUCÇÃO EXTERNA
Trabalha fora do reservatório, tem maior capacidade de filtração, manda o fluido filtrado para a bomba.
	FILTRO DE PRESSÃO
Trabalha depois da bomba, e pode ser posicionado antes de um atuador ou válvula direcional. Funciona como uma filtragem extra no sistema.
	FILTRO DE RETORNO
Após o trabalho realizado, o fluido que passa pelas válvulas direcionais e atuadores é filtrado antes de chegar no reservatório.
BOMBAS HIDRÁULICAS
Das bombas hidráulicas, temos dois modelos: Hidrodinâmicas e Hidrostáticas
As bombas hidráulicas convertem energia mecânica em energia hidráulica.
Ao contrário do que em geral se pensa, as bombas não são elementos que geram pressão, somente fornecem um fluxo. A pressão se origina pela dificuldade de escoamento do fluido, causada, por exemplo, por uma restrição ou uma carga no elemento de trabalho.
Sem resistência não há pressão.
As bombas hidráulicas são bombas de deslocamento positivo, ou seja, não existe a possibilidade de retorno ou recirculação do fluido. Todo o volume admitido na sucção é obrigatoriamente levado ao sistema.
BOMBAS HIDROSTÁTICAS
São as bombas utilizadas em sistemas hidráulicos industriais, para transmitirem força sob alta pressão. Esse tipo de bomba não é utilizado para o deslocamento em massa do fluido.
Bombas de Engrenagens de Dentes Externos
Duas engrenagens são montadas em uma carcaça. A engrenagem 1, acionada pelo eixo, gira em sentido horário, transmitindo o movimento à engrenagem 2, que gira em sentido horário, transmitindo o movimento à engrenagem 2, que gira em sentido contrário.
Bomba de Engrenagens de Dentes Internos ( GEROTOR )
A engrenagem interna é acionada pelo eixo e transmite o movimento para a engrenagem de dentes internos, que gira no mesmo sentido.
O funcionamento é idêntico ao da bomba de engrenagens de dentes externos, onde as câmaras de bombeamento são formadas entre os dentes das engrenagens. Na região onde ocorre o transporte do fluido, é montada uma vedação em forma de meia lua entre as engrenagens.
Bomba de Parafusos
Dois fusos são montados dentro de uma carcaça. Um dos fusos é acionado pelo motor e transmite o movimento ao outro. Com a rotação cria-se espaços que são preenchidos pelo fluido, que a partir daí é transportado em direção à saída.
A grande vantagem da bomba de parafusos é o fluxo sem qualquer pulsação, já que o fornecimento é contínuo.
Existem outros tipos de bombas hidrostáticas utilizadas nos sistemas hidráulicos industriais.
Bomba de Pistões Axiais
Bomba de Pistões Radiais
BOMBAS HIDRODINÂMICAS
Bomba centrífuga é uma turbo-máquina e é o equipamento mais utilizado para bombear líquidos: no saneamento básico, na irrigação de lavouras, nos edifícios residenciais, na indústria em geral, elevando, pressurizando ou transferindo líquidos de um local para outro.
A bomba centrífuga cede energia para o fluido à medida que este escoa continuamente pelo interior da bomba. Embora a força centrífuga seja uma ação particular das forças de inércia, ela da o nome a esta classe de bombas. A potência a ser fornecida é externa à bomba, seja um motor elétrico, um motor a diesel, uma turbina a vapor, etc. A transferência de energia é efetuada por um ou mais rotores que giram dentro do corpo da bomba, movimentando o fluido e transferindo a energia para este. A energia é em grande parte cedida sob a forma de energia cinética - aumento de velocidade - e esta pode ser convertida em energia de pressão.
OBS: Tantos as bombas hidrodinâmicas quantos as bombas hidrostáticas podem sofrer com um fenômeno muito conhecido no mundo hidráulico industrial, é a CAVITAÇÃO e AERAÇÃO.
2°BIMESTRE
ATUADOR HIDRÁULICO
É um dispositivo mecânico capaz de converter a energia hidráulica em energia mecânica com o intuito de gerar um movimento linear ou rotativo. A energia mecânica produzida é geralmente utilizada para levantar e transportar objetos, operação esta, que requer uma grande quantidade de energia. Equipamentos pesados geralmente se baseiam em vários atuadores hidráulicos para funcionarem. Um trator, por exemplo, é capaz de levantar várias toneladas de entulho através dos atuadores encontrados em seu braço de elevação.
Existem basicamente três tipos de atuadores hidráulicos:
Atuador Hidráulico Linear (Cilindro Hidráulico):
Constituído de uma haste de aço carbono polido e revestido por banho de cromo, êmbolo de ferro fundido cinzento e camisa de aço carbono. 
Os atuadores lineares podem ser de simples ação ou dupla ação. Cada um deles com a sua importância e devida aplicação na indústria.
Atuador linear de simples ação
	
	Os cilindros de ação simples desenvolvem trabalho somente em um sentido, o retorno à posição inicial é realizado por mola ou por gravidade.
Cilindros de Ação Dupla
	Os cilindros de ação dupla desenvolvem trabalho no curso de avanço e retorno. Enquanto uma das câmaras recebe o fluido, a outra está ligada ao reservatório.
1. Tampa de fundo			5. Haste			 9. Área de retorno
2. Tubo cilíndrico 			6. Bucha 		10. Vedação 
3. Tampa com mancal 		7. Dispositivo de fixação. 
4. Êmbolo. 				8. Área de avanço. 
	Estes cilindros são chamados de cilindros diferenciais por possuírem áreas diferentes no avanço e retorno. A relação de áreas é a divisão da área de avanço pela área de retorno.
	Em todo cilindro diferencial a força máxima é maior no avanço do que no retorno, porém a velocidade de retorno é maior. A relação entre as forças e as velocidades depende da relação de áreas.
Cilindros de Haste Passante ou Haste Dupla
	Com o deslocamento do êmbolo, enquanto uma haste sai a outra é recolhida.
	As áreas de avanço e retorno são iguais, portanto, não é um cilindro diferencial. As forças e velocidades são iguais nos dois sentidos de movimento.
Cilindro Telescópico
	O cilindro telescópico possui várias hastes, uma montada no interior da outra.
Os mais utilizados são os de ação simples, com retorno por gravidade.
	A grande vantagem deste cilindro é obter um curso longo com um espaço de montagem reduzido.
Motores Hidráulicos
	Os motores hidráulicos convertem a energia hidráulica em energia mecânica, desenvolvendo movimento de rotação.
	A construção dos motores é idêntica a das bombas, sendo que algumas podem desenvolver as duas funções.
Vantagens da utilização de motores hidráulicos.
• Para a mesma potência as dimensões são muito reduzidas em relação aos motores
Elétricos.
• Possibilidade de regulagem do momento de giro e rotação,
• Controle de aceleração e desaceleração,
• Início do movimento com plena carga;
• Facilidade para parada e inversão do sentido de rotação.
• Frenagem realizadapelo próprio circuito hidráulico.
	Os motores hidráulicos podem ser de engrenagens, palhetas, lóbulos, pistões axiais. Seu funcionamento é semelhante às bombas hidráulicas.
VÁLVULAS DIRECIONAIS
	
	As válvulas direcionais determinam o trajeto a ser percorrido pelo fluido dentro de um circuito.
	Suas principais características são o número de posições, o número de vias e o princípio de construção. As posições são representadas por quadrados. O número de quadrados identifica o número de posições. 
	
	
Existem vários tipos de acionamentos para válvulas direcionais, podem ser mecânicos ou eletricamente, conhecido também como válvula de acionamento por solenoide.
	O engate para esse tipo de válvula costuma ser do tipo (engate rápido) para facilitar o manuseio e também a segurança do operador e do sistema. Existem válvulas com engate roscado.
Através das diferenças construtivas dos êmbolos se obtém diversas posições centrais.
VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESSÃO
	A válvula limitadora de pressão, também chamada de segurança ou alívio, limita a pressão máxima do sistema, desviando o fluxo ao reservatório quando a pressão ajustada é atingida.
	A conexão P é ligada na linha de saída da bomba, e a conexão T ao reservatório.
	A pressão do sistema atua sobre o cone 1. Quando esta pressão, agindo sobre a área do cone resultar em uma força maior que a da mola 3, esta é vencida e o cone deslocado, permitindo a passagem do fluxo ao reservatório. A pressão máxima fica limitada ao ajuste feito no parafuso de regulagem 2.
VÁLVULA DE RETENÇÃO
Válvula de Retenção Simples
	A válvula de retenção simples permite o fluxo livre somente em um sentido e bloqueia em sentido contrário.
Válvula de Retenção Pilotada
	Nesta válvula, através de uma pilotagem hidráulica, é possível desbloquear a retenção.
	A passagem de A para B é livre e o bloqueio ocorre de B para A.
	Com a entrada do fluido na conexão X, o êmbolo 1 é deslocado empurrando o cone 2,deixando a passagem livre nos dois sentidos.
	Dependendo de como é montado a válvula no sistema, é possível regular a passagem do fluido no avanço ou no retorno do atuador. Se for possível regular o fluxo no avanço, esse tipo de situação é chamado de Meter In.
	Se a regulamente do fluxo for possível apenas no retorno do atuador, então temos o Meter Out.
CÁLCULO PARA CILINDROS
	Através de alguns cálculos podemos obter informações sobre o trabalho dos atuadores (pressão, força de avanço, força de retorno, velocidade de avanço, velocidade de retorno). 
Exemplo:
	Um atuador retilíneo de dupla ação possui Diâmetro do Êmbolo = 8cm			Diâmetro da Haste= 4cm, utilizando uma bomba de pistões axiais com pressão igual a 10Kgf/cm² e uma vazão igual a 10 L/min.
	Calcule a força no avanço, no retorno, a velocidade de avanço e de retorno e a potência.
1° Passo: Calcular área de avanço:
Aa= 0,7854. Diâmetro do Êmbolo²
Aa= 0,7854. 8²
Aa= 50,26 cm²
2° Passo: Calcular a área de retorno:
Ar= 0,7854. (Diâmetro do Êmbolo² - Diâmetro da Haste²)
Ar= 0,7854. (50,26- 16)
Ar= 26,91 cm²
3° Passo: Calcular a força no avanço:
F= P.Aa
F= 10x 50,26
F= 502,6 Kgf
4° Passo: Calcular a força no retorno:
F= P.Ar
F= 10. 26,91
F= 269,1 Kgf
5° Passo: Calcular a velocidade no avanço:
Va= Q/ Aa.0.006
Va= 10/ 50,26.0,006
Va= 33,16cm/s ou 198,9 cm/min
6° Passo: Calcular a velocidade no retorno:
Vr= Q/Ar.0,006
Vr= 10/ 26,91.0,006
Vr= 61,3cm/s ou 371,6cm/min
CÁLCULO PARA MOTORES HIDRÁULICOS (ATUADORES ROTATIVOS)
	Em hidráulica, o cálculo do torque no eixo do motor é feito considerando-se a pressão aplicada e o deslocamento do motor.
DESLOCAMENTO: É o volume consumido pelo motor em uma volta, sua unidade é o cm³/rot.
Exemplo:
Calcular o torque de um motor hidráulico que tem um d= 10cm³/rot, quando é aplicado a ele uma pressão de 150kgf/cm²
Torque = 150 x 10 / 6,28 x 100
Torque = 2,38 Kgf.m
VELOCIDADE NO EIXO MOTOR
Ve = Q x 1000 / d
Ve = 15 x 1000 / 10
Ve = 1500 RPM
POTÊNCIA NO MOTOR
P = Torque x Rotação / 729
P = 2,38 x 1500 / 729
P = 4,897 CV
TORQUE NOMINAL
É o torque do motor medido quando a pressão aplicada é uma pressão padrão de 7Kgf/cm²
Dados: 	P = 80Kgf/cm²	Q = 50lpm	d = 30cm³/rot
Torque = P x d / 2x3,14 x 100		Torque = 3,28 Kgf.m
ACUMULADOR DE PRESSÃO HIDRÁULICO
		Esse tipo de equipamento tem a finalidade de armazenar energia hidráulica em potencial, com a finalidade de suprir o sistema em caso de falhas ou instabilidade.
Sendo assim, os acumuladores de pressão podem exercer inúmeras funções como parte integrante de sistemas hidráulicos, tais como:
Reduzir o tempo de ciclo de trabalho de máquinas operatrizes, diminuindo o tempo de curso morto dos atuadores hidráulicos
Garantir a conclusão do ciclo de operação ou posicionamento seguro dos atuadores, em caso de falta de energia ou falha da bomba.
Efetuar frenagens rápidas e seguras de motores hidráulicos
Manter lubrificação de emergência para mancais ou sistemas mecânicos.
Suprir a necessidade de grandes volumes de óleo em curtos espaços de tempo.
Compensar as perdas de óleo por vazamento
Amortecer choques hidráulicos e oscilações de pressão
Atuar como molas hidráulicas.
Existem basicamente três tipos de acumuladores: 
Acumulador com peso
Acumulador com mola
Acumulador com carga de gás
Eólica
Viscosímetro Copo Ford
Viscosímetro Copo Shell
Funíl de Marsh
Óleo Mineral
5µm
250 µm
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