Hidraulica e Técnicas de Comando, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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HIDRÁULICA E TÉCNICASHIDRÁULICA E TÉCNICASHIDRÁULICA E TÉCNICASHIDRÁULICA E TÉCNICASHIDRÁULICA E TÉCNICAS

DE COMANDODE COMANDODE COMANDODE COMANDODE COMANDO

José Fernando Xavier Faraco Presidente da FIESC

Sérgio Roberto Arruda Diretor Regional do SENAI/SC

Antônio José Carradore Diretor de Educação e Tecnologia do SENAI/SC

Marco Antônio Dociatti Diretor de Desenvolvimento Organizacional do SENAI/SC

É autorizada reprodução total ou parcial deste material por qualquer meio ou sistema desde que a fonte seja citada

Equipe Técnica:

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Adagir Saggin Adalberto Silveira Guilherme de Oliveira Camargo Irineu Parolin Natalino Uggioni Sandro Feltrin Vilmo Loshstein

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Rafael Viana Silva

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Rafael Viana Silva Samay Milet Freitas

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A finalidade deste material é proporcionar aos interessados, uma visão do mundo da hidráulica. As experiências têm revelado, que atualmente a hidráulica é indispensável como um método moderno de transmissão de ener- gia. O termo hidráulica é uma palavra que deriva da raiz grega HIDRO que significa água. Hoje, entende-se por hidráulica a transmissão, controle de forças e movimentos por meio de fluidos líquidos (óleos minerais e sintéti- cos). Fluido é toda a substância que flui e toma a forma do recipiente no qual está confinado. Com a automatização os acionamentos e comandos hidráulicos ga- nharam importância através do tempo. Grande parte das modernas e mais produtivas máquinas e instalações são hoje parcial ou totalmente comanda- das por sistemas hidráulicos. Apesar da multiplicidade dos campos de aplica- ção da hidráulica, o conhecimento dessa matéria ainda não está totalmente difundido. Como resultado disso, a aplicação do sistema hidráulico tem sido restrita. O conteúdo inclui a descrição de sistemas hidráulicos para a transfe- rência de forças ou movimentos, seus princípios de funcionamento, detalhes construtivos dos componentes e a montagem de comandos hidráulicos na bancada, fazendo com que haja um relacionamento entre teoria e prática.

Existem apenas três métodos de transmissão de energia na esfera co- mercial: A elétrica, a mecânica e a fluídica (hidráulica e a pneumática). Naturalmente a mecânica é a mais antiga de todas, por conseguinte é a mais conhecida. Hoje utilizada de muitos outros artifícios mais apurados como engrenagens, cames, polias e outros. A elétrica, que usa geradores, motores elétricos, condutores e uma gama muito grande de outros componentes, é um método desenvolvido nos tempos modernos. É o único meio de transmissão de energia que pode ser transportado a grandes distâncias. A força fluídica tem origem, por incrível que pareça, a milhares de anos. O marco inicial que se tem conhecimento é a utilização da roda d’água, que emprega a energia potencial da água armazenada a uma certa altura, para a geração de energia mecânica. O uso do fluido sob pressão, como meio de transmissão de potência, já é mais recente, sendo que o seu desenvolvimento ocorreu, mais precisa- mente, após a primeira grande guerra mundial. Os fatos mais marcantes da história da energia fluídica poderiam ser relacionados como os seguintes:

ƒ Em 1795, um mecânico inglês, Joseph Bramah, construiu a pri- meira prensa hidráulica, usando como meio de transmissão a água;

ƒ Em 1850, Armstrong desenvolveu o primeiro guindaste hidráuli- co, e para fazê-lo, também desenvolveu o, primeiro acumulador hidráulico;

ƒ Em 1900, a construção da primeira bomba de pistões axiais nos Estados Unidos, ocorreu aqui à substituição da água por óleo mineral, com muitas vantagens.

Atualmente, com o desenvolvimento de novos metais e fluidos obti- dos sinteticamente, a versatilidade e a dependência do uso da transmissão de força hidráulica ou pneumática torna-se evidente, desde o seu uso para um simples sistema de frenagem em veículos até a sua utilização para com- plexos sistemas das eclusas, aeronaves e mísseis. Vamos pensar um pouco, sem a energia fluídica, a tecnologia moderna seria capaz de uma potência para elevar um container de grande tonelagem, ou potência suficientemente pequena para prender um ovo sem quebrar a casca?

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HIDRÁULICAHIDRÁULICAHIDRÁULICAHIDRÁULICAHIDRÁULICA

1.1 Histórico

Portanto, podemos afirmar:

Além da possibilidade de calcular as forças ou áreas que envolvem o sistema, também é possível calcular o deslocamento “S” dos êmbolos.

1.3.1 Leis da Vazão (Hidrodinâmica e Mecânica dos

Fluidos)

Se um fluido flui por um tubo com vários diâmetros, o volume que passa em uma unidade de tempo é o mesmo independente da seção. A velocidade do fluxo varia.

Vazão: ; Substituindo-se:V = A. s

Onde: Q = Vazão em litros por minutos V = Volume em litros ou dm^3 A = Área da seção transversal S = Curso ou comprimento.

O curso “S” na unidade de tempo “t” é:

Velocidade ; de onde podemos ter, com Q = A. v

Equação da continuidade

Q 1 = Q 2 J A 1. v 1 = A 2. v 2

Figura 1.3: Vazão Fonte: REXROTH, 1994 p.

1.3.2 Conservação da Energia

A Lei da conservação da energia nos diz que em um fluxo a energia permanece constante, enquanto não houver troca de energia com o exteri- or. Podemos dividir a energia total desta forma:

ƒ Energia de posição (energia potencial) que esta em função da altura da coluna do fluido. ƒ Energia de pressão que é a pressão estática. ƒ Energia cinética que é a energia de movimento em função da velocidade do fluxo ou pressão dinâmica.

Equação de Bernoulli para um sistema estacionário:

ñ. h. g + P +r. = Constante

Onde: P = Pressão estática;

ñ. h. g = Pressão da coluna do fluido

ñ. = Pressão dinâmica

Pela equação de Bernoulli, é possível comprovar que um fluido ao pas- sar por uma seção transversal reduzida provocará um aumento da velocida- de e como conseqüência um aumento da energia cinética. Com a figura abaixo podemos observar as diferenças de pressão em um tubo que possui um estrangulamento, a pressão é representada por uma coluna de fluido.

A altura das colunas representa pressão, portanto, observem no es- trangulamento. Em uma instalação hidráulica é importante a energia de pressão ou pressão estática. A energia de posição e a energia cinética são muito peque- nas, portanto podemos desprezá-las.

Figura 1.4: Coluna do fluido Fonte: Treinamento Hidráulico, REXROTH p.

Número de Reynolds: De 0 até 2000 Re – Fluxo laminar De 2000 até 3000 Re – Fluxo transitório Maior que 3000 Re – Fluxo turbulento.

1.3.6 Resistência à Passagem de Fluido

Se um fluido escoa por um tubo, a pressão vai se tornado cada vez menor em virtude da resistência à passagem. A queda de pressão depende do atrito interno do fluido e do atrito do fluido com as paredes. Mas, existem alguns fatores que influência, como: a velocidade, o regime de fluxo, a viscosidade, acabamento interno do tubo, as conexões, as válvulas, o diâmetro e comprimento do tubo. Por exemplo, em um tubo de 1 m de comprimento escoa uma vazão de 10 L/min. e se lê a diferença de pressão de 50 kPa se escreve:

Resistência à passagem

1.3.7 Dimensionamento de tubos em função da

velocidade

Tabela de velocidades de fluxo recomendadas no sistema oleodinâmico:

Partindo-se da velocidade recomendada, podemos dimensionar o diâ- metro da tubulação, sabendo-se a vazão do sistema.

Cuidado! Com as unidades das grandezas.

Onde: D = diâmetro interno do tubo; Q = vazão; v = velocidade do fluido.

TABELA 1.1: Tabela de velocidades

Exemplo em função da velocidade

Dimensionar o tubo de uma linha que trabalha com uma pressão de 80 bar e vazão de 50 l/min. A velocidade recomendada, conforme tabela acima. Dados: Q = 50 L/min. ou Q = 833,3 cm^3 /s

P = 80 bar, então adotaremos velocidade v=4,5 m/s ou v=450 cm/s

Solução: D = 1,536 cm

O diâmetro interno do tubo recomendado será de 1,536 cm ou 15, mm, mas comercialmente 5/8 de polegada.

1.3.8 Dimensionamento em função da perda de carga

Na linha de pressão de um sistema hidráulico: Durante o escoamento do fluido através do sistema hidráulico, pode ocorrer uma perda de carga, que é dividida em vários fatores. Todos os fato- res entram no calculo da perda de carga da seguinte forma:

Onde: P = Perda de carga na linha [bar]; f = Fator de fricção [adimensional]; L = L1 + Ls = Comprimento total [cm]; L1 = Comprimento da tubulação retilínea[cm]; Ls = Comprimento equivalente das singularidades [cm]; D = Diâmetro interno da tubulação [cm]; V = Velocidade de escoamento do fluido [cm/s]; y = Densidade do fluido [kg/m^3 ] (Para o óleo SAE10 igual a 881,1kg/m 3 ). 21591 e 9266 = Fator de conversão para a uniformização das unidades.

Fator de fricção “f”

Onde: X = 64 para tubos rígidos e temperaturas constates; X = 75 para tubos rígidos e temperaturas variáveis ou para tubos flexíveis e temperaturas constantes; X = 90 para tubos flexíveis e temperaturas variáveis