Hidráulica Industrial

📜 Aula 1: Introdução

1. PERSPECTIVA HISTÓRICA

No domínio da engenharia, existem três vetores energéticos primários para a transmissão de potência: o mecânico, o elétrico e o fluídico.

A transmissão mecânica, por sua natureza, é a de maior antiguidade e, por conseguinte, a mais difundida no imaginário comum. Suas origens remontam à invenção da roda, evoluindo para um complexo arsenal de dispositivos que incluem engrenagens de alta precisão, cames, sistemas de correias e correntes, molas, polias e outros elementos de máquina.

A transmissão elétrica, um pilar da era moderna, emprega uma matriz de componentes como geradores, motores, transformadores e semicondutores. Constitui o único vetor viável para a transmissão de energia em larga escala e a grandes distâncias.

A potência fluida, por sua vez, possui uma gênese que antecede a era Cristã em milênios. O marco tecnológico inicial de que se tem registro é a roda d'água, um dispositivo que converte a energia potencial gravitacional da água em trabalho mecânico. Posteriormente, o Império Romano demonstrou notável proficiência em engenharia hidráulica com seus aquedutos, projetados para o transporte e distribuição de água em larga escala.

Não obstante, a aplicação de fluidos sob pressão como meio primário para transmissão de potência é um desenvolvimento tecnológico mais recente, cujo crescimento exponencial ocorreu no período pós-Primeira Guerra Mundial.

Os eventos mais significativos na cronologia da energia fluida incluem:

• 1795: O engenheiro inglês Joseph Bramah patenteia e constrói a primeira prensa hidráulica, que aplicava o Princípio de Pascal utilizando água como fluido de trabalho.
• 1850: William Armstrong desenvolve o primeiro guindaste hidráulico e, como necessidade intrínseca ao projeto, o primeiro acumulador de pistão com peso.
• 1900: Ocorre nos Estados Unidos a construção da primeira bomba de pistões axiais de deslocamento variável. Este evento marca a transição da água para o óleo mineral como fluido de trabalho, o que representou um avanço significativo em termos de lubrificação, corrosão e range de temperatura operacional.

Atualmente, com os avanços da metalurgia e da química de polímeros (fluidos sintéticos), a ubiquidade e a criticidade da transmissão de potência óleo-hidráulica são manifestas, abrangendo desde sistemas de frenagem automotiva até complexos atuadores em aeronaves aeroespaciais e robótica industrial.

Na engenharia contemporânea, a tecnologia óleo-hidráulica é insubstituível. Qual outro vetor energético oferece a capacidade de gerar macro-esforços para erguer equipamentos de várias toneladas, e ao mesmo tempo, permitir micro-manipulações de alta precisão, como o manuseio de um objeto frágil sem danificá-lo?

2. CONCEITOS FUNDAMENTAIS

A seguir, são estabelecidas definições de rigor técnico que fundamentarão nosso estudo:

Fluido:
Em mecânica dos fluidos, define-se como uma substância que se deforma continuamente sob a aplicação de uma tensão de cisalhamento, por menor que seja sua magnitude. Para os fins desta disciplina, nosso objeto de estudo é o fluido hidráulico, tipicamente um óleo mineral ou sintético.

Hidráulica:
Ramo da ciência, especificamente da mecânica dos fluidos, que estuda o comportamento de líquidos em repouso (hidrostática) e em movimento (hidrodinâmica). Nosso foco é a óleo-hidráulica, uma subdisciplina da hidráulica aplicada que emprega óleos como fluido de trabalho para transmitir energia.

Sistemas Óleo-Hidráulicos:
Configurações de componentes projetadas para transmitir e controlar potência através de um fluido hidráulico pressurizado. A funcionalidade destes sistemas baseia-se na idealização prática da incompressibilidade do óleo em pressões operacionais comuns. Classificam-se em duas categorias principais: estáticos (hidrostáticos) e cinéticos (hidrodinâmicos).

Sistemas Óleo-Hidráulicos Estáticos (Hidrostáticos):
Sistemas onde a transmissão de energia se dá predominantemente pela energia de pressão (energia potencial) do fluido, caracterizados por alta pressão e baixa velocidade de escoamento. Pressões operacionais podem exceder 1000 bar (100 MPa).

Sistemas Óleo-Hidráulicos Cinéticos (Hidrodinâmicos):
Sistemas que utilizam a energia cinética do fluido para a transmissão de potência, caracterizados por altas velocidades de escoamento (da ordem de 50 m/s) e pressões relativamente baixas.

Este curso se concentrará nos sistemas hidrostáticos, que constituem a vasta maioria das aplicações industriais e móbeis, como prensas, máquinas operatrizes, equipamentos de construção civil e injetoras de plásticos.

3. TAXONOMIA DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS

A taxonomia dos sistemas hidráulicos pode ser estabelecida segundo múltiplos critérios técnicos.

3.1. De acordo com a Pressão de Operação:

Conforme as normas da extinta J.I.C. (Joint Industry Conference) e da vigente NFPA (National Fluid Power Association), a classificação por pressão é:

• 0 a 14 bar - Baixa pressão
• 14 a 35 bar - Média pressão
• 35 a 84 bar - Média-alta pressão
• 84 a 210 bar - Alta pressão
• Acima de 210 bar - Extra-alta pressão

3.2. De acordo com a Aplicação:

Classificados como sistemas de pressão contínua ou de pressão intermitente.

3.3. De acordo com o Tipo de Bomba:

Sistemas de vazão constante (deslocamento fixo) ou de vazão variável (deslocamento variável).

3.4. De acordo com o Controle Direcional:

Sistemas de uma via (unidirecionais, controlados por válvulas) ou de duas vias (bidirecionais, com bombas reversíveis).

4. ARQUITETURA FUNCIONAL DE UM SISTEMA HIDRÁULICO

Apesar da vasta diversidade de circuitos, a arquitetura funcional de qualquer sistema hidráulico pode ser segmentada em três subsistemas principais:

• 4.1. Unidade de Geração de Potência (HPU - Hydraulic Power Unit):
  Constituída pelo reservatório, sistema de filtragem, bomba hidráulica (conversor de energia mecânica em hidráulica), motor de acionamento, e pode incluir acumuladores, intensificadores de pressão e trocadores de calor.
• 4.2. Circuito de Comando e Controle:
  Composto pelo conjunto de válvulas responsáveis pela regulação da energia fluídica: válvulas controladoras de vazão, de pressão e direcionais.
• 4.3. Subsistema de Atuação:
  Onde a energia hidráulica é reconvertida em energia mecânica para realizar trabalho útil. Os componentes aqui são os atuadores, que podem ser lineares (cilindros) ou rotativos (motores hidráulicos e osciladores).

5. ANÁLISE COMPARATIVA DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS

A decisão de empregar um sistema hidráulico é frequentemente tomada onde a aplicação de sistemas puramente mecânicos ou elétricos é inviável ou ineficiente. Uma análise crítica revela as seguintes vantagens e desvantagens.

5.1. Vantagens

• Elevada Densidade de Potência: Relação potência/peso e potência/volume superior à dos sistemas elétricos e mecânicos, permitindo componentes mais compactos para uma mesma capacidade de força.
• Flexibilidade de Montagem: Os componentes são interligados por mangueiras e tubulações, oferecendo grande liberdade no design e na disposição física dos elementos.
• Dinâmica e Controle: A baixa inércia dos atuadores hidráulicos permite elevadas acelerações, desacelerações e rápidas reversões de movimento com controle preciso e suave.
• Controle de Velocidade: Permite a variação contínua da velocidade em uma ampla faixa, com ajustes de alta resolução (micrométricos), algo complexo e custoso em outros sistemas.
• Proteção contra Sobrecarga: A proteção do sistema é inerentemente simples e confiável, realizada por meio de válvulas de alívio de pressão.
• Lubrificação Intrínseca: O próprio fluido de trabalho atua como agente lubrificante para os componentes móveis do sistema.

5.2. Desvantagens

• Eficiência Energética: O rendimento global é limitado devido às múltiplas conversões de energia e às perdas inerentes ao sistema, que se dividem em:
  1. perdas na conversão de energia (elétrica → mecânica → hidráulica → mecânica);
  2. perdas volumétricas (vazamentos internos nos componentes, que aumentam com a pressão e o desgaste);
  3. perdas por atrito (mecânico e viscoso do fluido).
• Sensibilidade à Contaminação: A presença de partículas sólidas ou água no fluido é a principal causa de falhas prematuras, exigindo um rigoroso controle de filtragem e manutenção.
• Riscos Associados ao Fluido: Óleos minerais são inflamáveis, apresentando risco de incêndio. Fluidos resistentes ao fogo estão disponíveis, mas possuem custo mais elevado e, por vezes, características de desempenho inferiores.

5.3. Comparativo com Sistemas Pneumáticos

Em comparação direta, os sistemas hidráulicos oferecem um controle de força e velocidade muito mais preciso devido à baixa compressibilidade do óleo. Eles operam em níveis de pressão ordens de magnitude maiores que os sistemas pneumáticos, resultando em uma capacidade de transmissão de potência substancialmente superior para um mesmo volume de atuador. A principal vantagem dos sistemas pneumáticos reside em seu menor custo de aquisição e na simplicidade de seus componentes.

⚙️ Aula 2: Fundamentos

Assim como em qualquer disciplina da engenharia, a hidráulica industrial fundamenta-se em princípios físicos basilares. A proficiência em sua aplicação prática exige o domínio desses conceitos. Seria infrutífero, por exemplo, tentar dimensionar um circuito sem compreender as leis que governam a pressão e a energia. Este capítulo, portanto, abordará os princípios fundamentais da hidráulica e as formulações matemáticas mais empregadas na prática.

1. Lei de Pascal

Blaise Pascal (1623-1662) foi um físico e matematico cujos trabalhos estabeleceram a base da hidrostática. Dentre seus postulados, destaca-se o "Princípio Fundamental da Hidráulica", que enuncia:

"A pressão aplicada a um ponto de um fluido incompressível em repouso, confinado em um recipiente, é transmitida integralmente e com a mesma intensidade a todos os pontos do fluido e às paredes do recipiente que o contém."

A Figura II.1 ilustra a aplicação deste princípio. Forças e movimentos podem ser transmitidos através do fluido, que atua como meio transmissor. Se uma pressão é aplicada no ponto "A", um manômetro posicionado no ponto "B" registrará um valor de pressão idêntico, desconsiderando efeitos gravitacionais.

2. Princípio da Conservação da Energia

A Primeira Lei da Termodinâmica, o Princípio da Conservação da Energia, postula que a energia não pode ser criada nem destruída, apenas convertida ou transferida de uma forma para outra. A energia total de um sistema isolado permanece constante.

Toda energia que utilizamos é, em sua essência, uma conversão de uma forma de energia preexistente na natureza. A energia térmica de uma caldeira provém da energia química armazenada em um combustível; a energia elétrica é gerada pela conversão da energia potencial gravitacional da água (hidrelétricas) ou da energia nuclear (termonucleares). Lavoisier enunciou: "Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma". Este princípio é diretamente aplicável à energia.

Em sistemas óleo-hidráulicos, observamos uma cadeia de conversões energéticas: a energia elétrica é convertida em energia mecânica (no motor elétrico), que por sua vez é convertida em energia hidráulica (pela bomba, que confere pressão e vazão ao óleo). Finalmente, esta energia hidráulica é reconvertida em mecânica no atuador.

A Figura II.2 ilustra um multiplicador de força hidráulico. Uma carga de 2.000 kg é deslocada por 1 centímetro pela aplicação de uma força equivalente a 1.000 kg, que atua ao longo de 2 centímetros. Isso é possível porque a área do pistão "B" é o dobro da área do pistão "A". Verifica-se que o trabalho realizado (Força × Deslocamento) é conservado em ambos os lados, demonstrando que um pequeno esforço com grande deslocamento pode gerar um grande esforço com pequeno deslocamento.

Este fenômeno é análogo ao Princípio da Alavanca, ilustrado na Figura II.3. Uma massa de 50 kg equilibra uma de 100 kg, pois a relação das distâncias ao ponto de apoio (fulcro) é de 2:1. Na hidráulica, a relação entre as áreas dos pistões cumpre o papel que as distâncias cumprem na alavanca. Este é o princípio que permite obter forças de grande magnitude a partir de fontes de potência relativamente pequenas.

3. Força e Pressão

Em física, Força (F) é definida como uma grandeza vetorial capaz de alterar o estado de inércia de um corpo ou de lhe causar uma deformação.

Quando uma força F é aplicada perpendicularmente sobre uma superfície de área A, define-se a Pressão (P) como a razão entre a magnitude da força e a área sobre a qual ela atua. A pressão é uma medida da força distribuída por unidade de área.

Em óleo-hidráulica, um conceito crucial deve ser compreendido: a bomba gera vazão (fluxo), não pressão. A pressão em um circuito hidráulico surge como uma reação a uma resistência imposta ao fluxo de óleo. Seja essa resistência uma carga externa em um atuador, uma restrição em uma válvula ou o atrito na tubulação. Sem resistência, não há pressão.

As unidades de pressão mais comuns na indústria são kg/cm², PSI (Pounds per Square Inch) e, de acordo com o Sistema Internacional (SI), o bar, onde 1 bar ≈ 1.02 kg/cm² ≈ 14.5 PSI.

4. Pressão Hidrostática

A Terra é envolta por uma camada gasosa, a atmosfera, que exerce uma pressão sobre a superfície. Ao nível do mar, essa pressão é definida como 1 atmosfera (1 atm). Pelo princípio de Pascal, essa pressão atmosférica é transmitida a qualquer fluido em um recipiente aberto.

Adicionalmente, a própria coluna de fluido dentro de um reservatório exerce uma pressão devido ao seu peso. A pressão total em qualquer ponto submerso em um fluido é a soma da pressão na superfície (ex: atmosférica) com a pressão exercida pela coluna de fluido acima desse ponto. A esta última parcela, damos o nome de pressão hidrostática.

A pressão hidrostática depende exclusivamente da altura da coluna de fluido e de sua densidade, e não do formato ou volume do recipiente, como ilustra a "experiência do manômetro" na Figura II.5. Embora o reservatório maior contenha um volume e peso de água muito maiores, a pressão registrada pelos manômetros na mesma profundidade (10 metros) é idêntica (1 kg/cm²), pois a pressão é uma medida de força por unidade de área.

A Figura II.6 demonstra experimentalmente a variação da pressão com a profundidade. O jato de líquido que emana do orifício mais baixo possui maior alcance, pois está submetido a uma maior pressão hidrostática.

5. Princípio de Bernoulli

Considere o sistema na Figura II.7, com duas câmaras interligadas por um duto de diâmetro reduzido (uma restrição). Se uma força no pistão "A" gera uma pressão de 100 bar, essa pressão é restabelecida na câmara "B". Contudo, um manômetro posicionado no duto "C" indicará uma pressão inferior a 100 bar.

Daniel Bernoulli (1700-1782) formulou o princípio que explica este fenômeno, uma forma da lei de conservação de energia para fluidos em movimento:

"Para um escoamento ideal (sem atrito), a soma das energias de pressão, cinética e potencial, por unidade de volume, é constante ao longo de uma linha de corrente."

Em termos simplificados, para uma mesma altura, onde a velocidade do fluido aumenta, sua pressão estática diminui. No duto "C", a área é menor, então para manter a vazão constante, a velocidade do fluido deve aumentar. Esse aumento da energia cinética ocorre às custas de uma redução na energia de pressão, explicando a leitura menor no manômetro.

6. Escoamento de Fluido em Tubulações

Um fluido em um sistema sempre seguirá o percurso de menor resistência. Se o fluxo de uma bomba se depara com três ramificações, cada uma com uma resistência diferente (exigindo 20 bar, 50 bar e 70 bar para serem transpostas), o fluido atuará sequencialmente: primeiro vencerá a resistência de 20 bar, depois a de 50 bar e, por último, a de 70 bar.

O escoamento em si pode ocorrer de duas formas distintas: laminar ou turbulento. O regime de escoamento depende de fatores como a viscosidade do fluido, sua velocidade, o diâmetro da tubulação e a rugosidade interna da mesma.

Para quantificar e prever o tipo de escoamento, utiliza-se o Número de Reynolds (Re), um grupo adimensional que representa a razão entre as forças de inércia e as forças de viscosidade do fluido.

Empiricamente, para escoamento em dutos, a seguinte classificação é adotada:

• Re < 2000: Regime de escoamento laminar, caracterizado por um movimento suave e em camadas paralelas.
• Re > 3000: Regime de escoamento turbulento, caracterizado
• 2000 < Re < 3000: Região de transição, onde o escoamento é instável e pode alternar entre os dois regimes.

O ideal para circuitos óleo-hidráulicos é que o regime de escoamento seja laminar (Re ≤ 2.000), pois em regimes turbulentos, as perdas de pressão (perdas de carga) são exponencialmente maiores. Sempre que possível, deve-se evitar na concepção dos circuitos o emprego de restrições ou curvas de raio curto, pois são indutores de turbulência.

7. Vazão em Tubulações

A vazão (Q) de um fluido, que representa o volume de fluido que atravessa uma determinada seção transversal por unidade de tempo, pode ser determinada de duas formas. Ela pode ser expressa como a razão entre o volume (V) e o tempo (t), ou como o produto da velocidade média do fluido (v) pela área da seção transversal (A) por onde ele escoa.

É de suma importância observar as velocidades de escoamento recomendadas para diferentes partes do circuito hidráulico. A RACINE, por exemplo, recomenda as seguintes faixas de velocidade para óleo hidráulico, visando otimizar a eficiência e a vida útil do sistema:

• Para Linhas de Sucção e Preenchimento:
  v = 60,96 a 121,92 cm/s (2 a 4 ft/s)
• Para Linhas de Retorno:
  v = 304,80 a 457,20 cm/s (10 a 15 ft/s)
• Para Retorno (após válvula de alívio):
  v = 457,20 a 762,20 cm/s (15 a 25 ft/s)
• Para Linhas de Pressão (abaixo de 210 bar):
  v = 457,20 a 762,20 cm/s (15 a 25 ft/s)
• Para Linhas de Pressão (acima de 210 bar):
  v = 457,20 a 609,60 cm/s (15 a 20 ft/s)

A observância dessas velocidades contribui para manter o regime de escoamento laminar, minimizando as perdas de carga e assegurando que o dimensionamento da tubulação resulte em diâmetros comerciais padronizados.

8. Perda de Carga em Sistemas Hidráulicos

Durante o escoamento do fluido através do sistema, ocorre uma queda de pressão, tecnicamente denominada perda de carga (ΔP). Esta perda é atribuível ao atrito do fluido com as paredes da tubulação (perda de carga distribuída) e às perturbações no fluxo causadas por componentes como curvas, válvulas e conexões (perda de carga localizada). A fórmula geral de Darcy-Weisbach, aqui apresentada de forma simplificada para uso prático, permite o cálculo dessa perda:

• ΔP: Perda de carga do sistema [bar]
• f: Fator de atrito de Darcy (adimensional)
• L: Comprimento total da tubulação [cm] (L = L_l + L_s)
• L_l: Comprimento da tubulação retilínea [cm]
• L_s: Comprimento equivalente das singularidades [cm]
• D: Diâmetro interno da tubulação [cm]
• v: Velocidade de escoamento do fluido [cm/s]
• γ: Massa específica do fluido [kg/m³] (para óleo SAE-10, γ ≈ 881,1 kg/m³)

9. Detalhamento dos Cálculos

9.1. Determinação do Fator "f"

O fator de atrito "f" é uma função do Número de Reynolds e da rugosidade relativa da parede interna do duto. Quanto maior a rugosidade, maior a resistência ao escoamento e, consequentemente, maior a perda de carga. A figura a seguir ilustra, em escala microscópica, a interação entre as moléculas do fluido (polímeros) e as irregularidades da superfície da tubulação, que geram o atrito responsável pela perda de energia.

9.2. Determinação de Ls, Ll e L

Como salientado, restrições, curvas e válvulas causam perdas de carga localizadas. Fabricantes como a RACINE fornecem em seus catálogos as quedas de pressão para cada componente sob condições específicas de vazão e pressão.

Para elementos geométricos como curvas e cotovelos, a prática comum é determinar um "comprimento equivalente" (L_s) de tubulação retilínea que produziria a mesma perda de carga. Existem tabelas, como a apresentada a seguir, para estimar esses valores. O comprimento total (L) para o cálculo é então a soma do comprimento retilíneo real (L_l) com a soma dos comprimentos equivalentes de todas as singularidades (L_s).

9.3. Determinação de "D"

O diâmetro interno (D) da tubulação é um parâmetro crítico, calculado a partir da área da seção transversal (A) necessária para acomodar a vazão (Q) do sistema à velocidade (v) recomendada.

Adotando a velocidade recomendada para linhas de pressão (v ≈ 457,20 cm/s ou 15 ft/s), a fórmula para a área se torna:

Uma vez determinada a área "A", o diâmetro "D" é obtido pela relação geométrica:

9.4. Determinação de "v" e "γ"

A velocidade do fluido (v) deve ser a recomendada para cada seção do circuito, conforme item 7. A utilização dessas velocidades é uma heurística de projeto que visa manter o Número de Reynolds abaixo de 2.000, garantindo o escoamento laminar.

A massa específica (γ) para um óleo hidráulico padrão, como o SAE-10, é de aproximadamente 881,1 kg/m³.

9.6. Procedimento de Cálculo

1. Determine o fator de atrito "f".
2. Calcule o comprimento equivalente das singularidades "Ls" e some ao comprimento retilíneo "Ll" para obter o comprimento total "L". Some as perdas de carga localizadas específicas das válvulas (obtidas em catálogos).
3. Calcule a perda de carga distribuída (ΔP) usando a fórmula e some-a às perdas localizadas das válvulas para obter a perda de carga total do sistema.
4. Verifique se a pressão disponível na bomba é suficiente para vencer a perda de carga total e ainda realizar o trabalho necessário. Se P_bomba - ΔP_total < P_trabalho, o sistema é inadequado.

9.7. Observação Final sobre Perdas e Aquecimento

O cálculo de perda de carga é de importância crítica no projeto de sistemas hidráulicos. Restrições no percurso do fluxo, como reduções de diâmetro ou orifícios, são as maiores contribuintes para a perda de carga e, consequentemente, para o aquecimento do óleo.

O atrito entre as moléculas do fluido (polímeros) ao passarem por uma restrição gera calor. Este fenômeno é análogo ao aquecimento das mãos ao esfregá-las com força. O aquecimento excessivo degrada o óleo, reduzindo sua viscosidade e vida útil.

Na prática de montagem, é crucial que as curvas em tubulações tenham um raio de, no mínimo, 2.5 a 3 vezes o diâmetro externo do duto, para evitar o "enrugamento" interno, que cria uma restrição e um ponto de perda de carga.

10. Exemplos de Cálculos

10.1. Cálculo da Área da Seção de um Duto

10.1.1. Calcular a área da seção de um duto de 10 cm de diâmetro.

10.1.2. Calcular a área da seção de um duto de 1 1/4" de diâmetro.

10.2. Cálculo do Diâmetro Interno a Partir da Área

10.2.1. Calcular o diâmetro do duto cuja seção possui uma área de 1,267 cm².

10.3. Dimensionamento de Dutos a Partir da Vazão

10.3.1. Calcular as áreas e diâmetros para as linhas de pressão, sucção e retorno de um sistema com vazão máxima de 6 litros/minuto.

Q = 6 l/min = 100 cm³/s

a) Linha de pressão (v_p ≈ 457,2 cm/s):

Adota-se D_pressão = 0,524 cm (próximo a 3/16").

b) Linha de retorno (v_r ≈ 304,8 cm/s):

Adota-se D_retorno = 0,635 cm (1/4").

10.3.2. Calcular as áreas e diâmetros para um sistema com vazão máxima de 60 litros/minuto.

Q = 60 l/min = 1000 cm³/s

a) Linha de pressão (v_p ≈ 457,2 cm/s):

Adotamos o duto comercial de diâmetro superior mais próximo: D_pressão = 19mm (3/4").

b) Na sucção (v_s ≈ 121,92 cm/s):

Adotamos o duto comercial de diâmetro superior mais próximo: D_sucção = 35mm (1 3/8").

c) No retorno (v_r ≈ 304,80 cm/s):

Adotamos o duto comercial de diâmetro superior mais próximo: D_retorno = 21mm (7/8").

10.4. Determinação do Tipo de Escoamento

10.4.1. Determinar o tipo de escoamento em uma linha de pressão de 15mm de diâmetro interno.

10.4.2. Determinar o tipo de escoamento em uma linha de pressão de 22mm de diâmetro interno.

10.4.3. Determinar o tipo de escoamento em uma linha de pressão de 55mm de diâmetro interno.

10.5. Exemplo de Cálculo de Perda de Carga de um Sistema

10.5.1. Calcular a perda de carga total de um sistema dadas as seguintes condições:

1. Vazão máxima: Q = 18,925 l/min (5 GPM)
2. Velocidade de fluxo recomendada (linha de pressão): v = 457,20 cm/s (15 ft/s)
3. Condições: Tubos curvados, temperatura do fluido variável.
4. Comprimento da tubulação retilínea (L_l): 1346 cm
5. Singularidades encontradas no sistema:
   • 2 cotovelos de 90° (raio longo)
   • 2 cotovelos de 90° (raio curto)
   • 2 cotovelos de 45°
   • 4 curvas de 90° (raio longo)
   • 2 "tês" de saída bilateral
   • 1 registro de globo
6. Válvulas RACINE na linha de pressão (perdas localizadas a serem consideradas):
   • 2 válvulas de controle direcional de 1/4"
   • 2 válvulas de sequência de 3/8"
   • 1 válvula de controle de vazão (vazão máx. 30 l/min)
   • 1 válvula de retenção pilotada de 3/4" (montada em placa)
7. Fluido utilizado: Óleo SAE-10.

Questão: Sabendo que o sistema necessita de uma pressão mínima de 160 bar no atuador e que a pressão máxima fornecida pela bomba é de 210 bar, qual a conclusão sobre a viabilidade do sistema?

Solução:

- Determinação do diâmetro interno (D) da tubulação:

Adota-se o diâmetro comercial padrão: D = 0,9525 cm (3/8").

- Verificação do regime de escoamento (cálculo de "f"):

Como Re < 2.000, o escoamento é laminar. Para este regime, o fator de atrito 'f' pode ser calculado pela fórmula f = 64/Re. Adotando uma viscosidade cinemática de 0,5 Stokes (fator de segurança para obter um 'f' e ΔP maiores), temos:

- Determinação do comprimento equivalente das singularidades (L_s):

Utilizando a tabela de comprimentos equivalentes (Figura II.12.A) para um diâmetro de 3/8":

- Determinação da perda de carga localizada nas válvulas (ΔP_válvulas):

Dados obtidos dos catálogos técnicos da RACINE para as condições de operação:

- Cálculo da perda de carga total no sistema (ΔP_total):

Primeiro, a perda de carga distribuída e das singularidades geométricas:

Agora, somamos a perda das válvulas:

ΔP_total = ΔP + ΔP_válvulas = 21,125 + 17,04 = 38,165 bar

- Conclusão Final:

Na prática, este procedimento é realizado para cada ramificação do circuito que leva a um atuador diferente, garantindo que a pressão de trabalho seja adequada em todos os pontos.

A título de ilustração, a perda de carga total (ΔP_total) representa a potência do sistema que é convertida em calor:

Aula 3: Simbologia

1. REPRESENTAÇÃO BÁSICA

Aula 4: Fluidos

IV - FLUIDOS HIDRÁULICOS

O equipamento hidráulico, como já vimos, possui um custo elevado. Dessa forma, justifica-se o fato de querer obter-se deles o máximo rendimento com um mínimo de manutenção.

Um dos principais fatores que se deve levar em consideração para que se estabeleça um bom rendimento e pouca manutenção, é a escolha correta do fluido hidráulico a ser utilizado.

Portanto, o fluido hidráulico deve satisfazer, principalmente, a duas finalidades básicas:
a) Transmitir com eficiência a potência que lhe é fornecida;
b) Lubrificar, satisfatoriamente, os componentes internos do sistema.

Quanto à transmissão de potência, se o fluido hidráulico é líquido, teremos uma compressibilidade que varia de 0,5 a 2% a cada 70bar (1015 psi), de acordo com o tipo de fluido utilizado e temperatura de trabalho.
Podemos dizer, então, que o fluido é, praticamente, incompressível e que transmitirá, satisfatoriamente, a potência que a ele é fornecida.

Quanto à lubrificação, estudaremos adiante a viscosidade do fluido para um perfeito efeito lubrificante.

Dentre os fluidos utilizados em sistemas óleo-hidráulicos, podemos destacar os seguintes tipos:

• óleo mineral;
• fluidos resistentes ao fogo, entre eles:
• fosfatos de ésteres;
• cloridratos de hidrocarbonos;
• água glicóis ou glicóis de água;
• água em óleo.

Estudaremos a seguir esses diversos tipos de fluidos.

1. O ÓLEO MINERAL

Quando nos referimos a "óleo-hidráulico", normalmente subentende-se que, estamos falando sobre óleo mineral. O óleo mineral, aplicado em sistemas óleo-hidráulicos, é o óleo derivado do petróleo através de um cuidadoso processo de refinamento, que consiste em separar os diversos derivados do ouro negro.

O óleo deve possuir uma série de qualidades, algumas inerentes e outras que são adicionadas (aditivos), a fim de que seja assegurada uma boa performance ao sistema hidráulico.

1.1. As qualidades
1.1.1. Viscosidade
A viscosidade de um fluido qualquer, é a medida da resistência que ele oferece ao escoamento, assim como, a sua capacidade de evitar o contato "metal com metal" e efetuar uma boa lubrificação. Poderíamos exemplificar dizendo que, a viscosidade seria a "grossura" do óleo.

Quando a viscosidade aumenta, aumenta a resistência ao escoamento. Essa relação causa grandes problemas na sucção do óleo para o sistema. Dessa forma, a RACINE confeccionou uma tabela onde mostra a qual viscosidade cada equipamento seu poderá trabalhar.

Podemos notar que, quanto mais viscoso for o óleo, mais difícil se tornará sua sucção através da bomba.
Em contraposição, se a viscosidade do óleo for muito baixa, o desgaste das superfícies metálicas em contato será muito maior, pois, a lubrificação será deficiente e os "picos" das superfícies em questão, irão se tocar mais frequentemente (ver fig. II.12.).

Existem várias maneiras de se medir a viscosidade do óleo através de diferentes tipos de viscosímetros. A mais conhecida delas, que foi adotada pela ASTM (American Society for Testing Materials), é a Segundos Saybolt Universal (SSU). Na figura IV.2., vemos como essa medida é feita.

A medida de viscosidades SSU de um óleo é o tempo, em segundos, que 60ml do óleo levam para escoar através de um orifício determinado, a uma temperatura constante de 38ºC (100ºF).

Assim como existe a SSU, existem as medidas Stoke (St), Centistoke (ct) que é igual a um centésimo do Stoke, há Graus Engler (ºE), etc. A seguir, fornecemos uma tabela de conversão de unidades de viscosidade.

A viscosidade de um óleo varia com a temperatura; é evidente, portanto, que é necessário ter-se um controle de temperatura adequado para evitar que a viscosidade ultrapasse os limites mínimos e máximos recomendados pelo fabricante do equipamento hidráulico. Os equipamentos RACINE admitem, de acordo com o tipo do óleo que está sendo usado, uma temperatura máxima de 65°C.

Em sistemas em que essa temperatura é ultrapassada, torna-se necessária a utilização de trocador de calor (resfriador). Por outro lado, em sistemas muito frios (caso de câmaras frigoríficas), são utilizados aquecedores para que o óleo seja mantido a uma temperatura satisfatória.

1.1.1.1. Índice de viscosidade (IV)
O índice de viscosidade é a medida que estabelece a variação da viscosidade do óleo de acordo com a variação da temperatura. Ele é de grande importância quando o sistema hidráulico não possui um controle adequado de temperatura ou quando está sujeito a grande variação na escala termométrica.

Um óleo possui um índice de viscosidade alto quando possui uma pequena variação de viscosidade com a temperatura.
Há muitos anos atrás, a ASTM resolveu estabelecer "IV= 0" para um óleo derivado de petróleo extraído no Golfo do México e "IV= 100", para outro da Pensilvânia. Hoje, com o descobrimento de novos poços, podemos encontrar óleos com "IV" abaixo de 0 e "IV" acima de 100.
Na sequência, fornecemos uma tabela de vários tipos de óleos recomendados pela RACINE, na utilização de seus equipamentos.

1.1.2. Anti-emulsificação
Um óleo que dizemos ser anti-emulsionável é aquele que tem grande capacidade de separar-se da água. O óleo hidráulico deve possuir essa característica e não pode perdê-la com o uso. A água se introduz no sistema hidráulico através da condensação, vazamentos em trocadores de calor, ou ainda, de ar umedecido.

1.1.3. Número de neutralização
É a medida de acidez do óleo ou em casos mais raros, da alcalinidade. Uma mudança do número de neutralização indica a formação de substâncias prejudiciais ao sistema hidráulico. Essa acidez causa a corrosão dos metais e ataca os elementos de vedação do sistema quando se torna exageradamente grande.

A maioria dos distribuidores de óleo mineral, admitem uma variação de, no máximo, 0,5% do número de neutralização. O número mínimo é de 1 grama de hidróxido de potássio para um litro de óleo, também denominado TAN (total acid number).

1.1.4. Ponto de Anilina (P.A.)
É a temperatura na qual o óleo e anilina, em solução bifásica, assumem uma única coloração, formando uma solução única. Valores abaixo de 200°F (93,3°C) são considerados baixos, e acima, altos.

Um óleo com baixo "P.A.", possui uma ação solvente na borracha. Se usarmos elementos de vedação indicados para baixo "P.A." e trabalharmos com um óleo de "P.A." elevado, os elementos de vedação se tornarão duros e quebradiços. Se ocorrer o inverso, as vedações tornar-se-ão macias e de fácil dissolução.

1.1.5. Aditivos
Para se melhorar as características do óleo, costumamos introduzir aditivos que irão preservar o sistema hidráulico de outros tipos de "ataques". São eles:

1.1.5.1. Antioxidação:
A oxidação é a reação química que ocorre entre o óleo e o oxigênio, produzindo ácido e borra. Temperaturas elevadas e impurezas, agem como catalisadores e aceleram essa reação.

1.1.5.2. Antiespumante
Quando ocorre problemas de vedação, falta de óleo em um sistema hidráulico etc., ocorre a formação de bolhas de ar, originando a espuma. A espuma irá provocar, tanto a cavitação da bomba, assim como, um ciclo de trabalho defeituoso, já que o ar é altamente compressível. Quando introduzimos ao óleo um aditivo antiespumante, fazemos com que a sua desaeração seja feita mais rapidamente.

1.1.5.3. Antidesgastante
É o que chamamos "a nova geração de fluidos". São aditivos que, somados ao óleo, fazem com que seja reduzido o desgaste em bombas, motores e outros equipamentos quando se está trabalhando em condições adversas. Esses fluidos são, geralmente, recomendados no trabalho em que temos a aplicação de bombas de palhetas girando a grandes velocidades.

1.1.5.4. Detergentes
O óleo deve sempre estar livre de sujeira, borra, tinta e partículas abrasivas, pois do contrário, reduziremos a vida útil do sistema. Assim sendo, devemos cuidar de filtrar bem o óleo, assim como, introduzir magnetos no sistema, para reter as partículas ferrosas. As partículas maiores irão se depositar no fundo do reservatório. Aditivos detergentes não são recomendados em sistemas óleo-hidráulicos, pois dissolveriam mais ainda as impurezas, tornando difícil sua filtragem, o que, portanto, iria criar mais problemas do que propriamente resolvê-los.

2. FLUIDOS RESISTENTES AO FOGO
Como vimos anteriormente, entre os fluidos resistentes ao fogo encontramos, mais comumente, os fosfatos de ésteres, cloridratos de hidrocarbonos, água glicóis e água em óleo.

Além de ser resistente ao fogo, esse tipo de fluido possui muitas outras características que o difere do óleo mineral. Essas características devem ser levadas em consideração quando esse fluido é utilizado. Entre elas podemos incluir:

• Aumento do desgaste do equipamento quando da utilização de base aquosa;
• Deterioração de pinturas (internas no reservatório) vedações, metais e isolantes térmicos;
• Redução de viscosidade através do uso normal;
• Separação da base aquosa através das partes móveis dos componentes do sistema.

Não podemos dizer que os fluidos resistentes ao fogo são inflamáveis. O que ocorre na realidade é que eles não propagam o fogo, por exemplo, se em dois tonéis distintos, um contendo óleo mineral e outro um fluido resistente ao fogo, introduzimos pela metade uma barra de aço incandescente, no tonel em que temos óleo mineral, o fogo irá se propagar enquanto que, no outro, ele se localizará apenas na região em que foi introduzida a barra.

2.1. Os sintéticos
São eles os fosfatos de ésteres e cloridratos de hidrocarbonos, que devido as suas estruturas químicas oferecem resistência a propagação do fogo. Possuem boas características de lubrificação e resistem bem ao tempo de uso. Um dos grandes inconvenientes apresentados é o alto custo de aquisição.

Os fluidos sintéticos tendem a deteriorar os elementos elásticos e de isolamento elétrico do sistema, assim como agem semelhantemente a um solvente quando em contato com tintas (por esse motivo não se recomenda a pintura interna de um reservatório quando utilizamos um fluido sintético). Os fosfatos de ésteres e cloridratos de hidrocarbonos requerem elementos de vedação especiais, tais como o "Viton A", desenvolvido pela Du Pont. O "Viton A" é compatível com a grande maioria dos fluidos hidráulicos, inclusive com o próprio óleo mineral. A tabela da fig. IV.5. nos mostra como podemos utilizar o "Viton A" ou o "Buna N".

É importante observarmos que, quando trabalhando a alta temperatura, o fluido sintético, em forma de vapor, pode atacar o sistema elétrico causando danos irreparáveis e por vezes, de consequências desastrosas.
Esse tipo de fluido tende, com o tempo de uso, a ter um decréscimo considerável na sua viscosidade. Devido a isso costuma-se usar aditivos que suavizam, porém, não resolvem o problema.

2.2. Água-glicóis
As soluções de água glicóis vêm, geralmente, na mistura de 25 a 50% de água com etileno ou propileno de glicol. A resistência ao fogo, evidentemente, é devida a água, porém, essa resistência decresce e a viscosidade aumenta com a evaporação da água. Assim sendo, análises constantes do fluido devem ser feitas a fim de que o sistema hidráulico não seja afetado.

Certos tipos de aditivos auxiliam na lubrificação e agem contra a corrosão que pode ser provocada pela evaporação da água. A temperatura de operação do fluido deve ser limitada a 50ºC a fim de se prevenir uma evaporação excessiva da água, aparecimento de espuma e evaporação dos aditivos. Altas temperaturas tendem a formar compostos pastosos do fluido que, mesmo com a redução da temperatura, não voltarão à fase líquida. Esses compostos pastosos causarão entupimento do filtro e a sucção da bomba será afetada.

A vida útil do água glicol é bem menor do que a do óleo mineral ou do fluido sintético.
A água adicionada ao sistema deve ser destilada e deionizada a fim de se prevenir a falência de metais como o ferro, devido à formação de corrente galvânica no sistema. Por essa razão, metais como zinco, cádmio, manganês e outros, não podem estar presentes no sistema.

As impurezas, geralmente, ficam em suspensão, dessa forma uma boa filtragem deve ser feita. Em certos casos entretanto, não podemos usar uma malha menor do que 25µ no filtro para evitar problemas de sucção.

2.3. Emulsões de água em óleo
Esse tipo de fluido é geralmente uma solução de óleo, água (geralmente a 40%) e um emulsificador. A emulsão de água em óleo é o fluido menos dispendioso dos resistentes ao fogo. Pequenas variações na percentagem de água causam grandes variações na viscosidade da solução.
Algumas considerações levantadas no água glicol também devem ser observadas nas emulsões de água em óleo como, por exemplo, os efeitos da temperatura, a ação solvente dos emulsificantes e aditivos e a qualidade da água adicionada.

Os emulsificantes tendem a isolar as impurezas e mantê-las em suspensão, sendo que, uma boa filtragem, é recomendada. Filtros químicos não devem ser usados, pois, poderiam reter qualquer emulsificante ou aditivo. Os filtros, em geral, não podem ser de malha muito fina, pois, separariam o óleo da água.

Podem ser usados os mesmos tipos de vedação e metal, presentes em circuitos com óleo mineral, salientando-se, apenas, que no caso de certos tipos de metais, o desgaste seria mais acelerado devido a presença da água nesse tipo de fluido (corrente galvânica).

Verificamos, portanto, que podemos esperar uma redução da vida útil do componente hidráulico quando aplicamos emulsões de água em óleo. A aceleração ou não da redução dessa vida útil irá depender do ciclo de trabalho, temperatura e volume em percentagem de água contida no fluido.

2.4. Sumário
A seguir fornecemos duas tabelas. A primeira, que demonstra as recomendações da RACINE na utilização de seus equipamentos com fluidos resistentes a fogo (fig. IV.6) e a última, que indica fabricantes desses tipos de fluidos (fig. IV.7).

3. A Hora da Troca: Procedimentos

Não há um momento exato para a troca do fluido hidráulico. Se você utiliza fluido resistente ao fogo, é crucial consultar o fabricante do equipamento hidráulico para obter orientações específicas.

Para óleos minerais, a teoria sugere a troca após 4.000 horas de uso em ciclos de trabalho leves e 2.000 horas em ciclos de trabalho pesados. No entanto, na prática, essa regra nem sempre se aplica. Muitos aditivos no óleo podem se perder por evaporação ou deixar de cumprir suas funções devido ao ciclo de trabalho. Além disso, sistemas hidráulicos operando em ambientes com alta contaminação (corrosiva, alcalina, úmida ou com muita poeira) exigem atenção especial, com trocas mais frequentes dos elementos filtrantes.

Portanto, de forma geral, não existe uma regra fixa para a troca, mas podemos estabelecer algumas diretrizes baseadas em diversos fatores:

• 1.500 a 2.000 horas: Para ciclos de trabalho leve e sem contaminação.
• 1.000 a 1.500 horas: Para ciclos de trabalho leve com contaminação, ou ciclos de trabalho pesado sem contaminação.
• 500 a 1.000 horas: Para ciclos de trabalho pesado com contaminação.

Outro ponto importante é a quantidade de óleo a ser trocada. Se o volume for grande, é preferível optar por uma filtragem mais precisa. Nesses casos, siga as condições acima e adicione novos aditivos ao óleo de 3 a 4 vezes antes de realizar a troca completa.

Para finalizar, sempre use o óleo recomendado pelo fabricante do equipamento hidráulico. Nunca misture diferentes marcas de óleo, pois seus aditivos e inibidores podem ser incompatíveis. Armazene o óleo novo em recipientes limpos, fechados e protegidos da poeira. Marque todos os recipientes para evitar erros.

Procedimentos para a Troca do Óleo Hidráulico:

1. Drene o óleo usado de ambos os lados do cilindro.
2. Drene o óleo do tanque.
3. Limpe o reservatório com um jato de alta pressão de óleo diesel e seque-o completamente com panos secos (não use estopa!).
4. Se houver filtro de sucção, remova-o e limpe-o.
5. Coloque um novo elemento filtrante no filtro de retorno.
6. Encha o reservatório com o óleo novo.
7. Dê a partida na máquina e faça o óleo circular da bomba diretamente para o tanque por 20 minutos.
8. Preencha o restante do sistema com o óleo novo e termine de encher o reservatório.
9. Faça o óleo circular por todo o circuito, sem carga, por 30 minutos.
10. Instale um novo elemento filtrante no filtro de retorno.
11. A máquina estará pronta para operar.

Aula 5: Reservatórios

V - RESERVATÓRIOS E ACESSÓRIOS

Um reservatório hidráulico possui várias funções. A mais evidente delas é como depósito do
fluido a ser utilizado no sistema. Outras funções importantes são, a ajuda que ele fornece ao sistema
no resfriamento do fluido e a precipitação das impurezas.

1. AS FUNÇÕES DO RESERVATÓRIO
1.1. Armazenamento de óleo
O fluido utilizado em um sistema hidráulico deve ser armazenado de tal forma que ele nunca
seja insuficiente ou excessivo. O reservatório, portanto, deve suprir tanto as necessidades mínimas
como máximas do sistema. Vejamos o caso de um cilindro de haste simples, cujo diâmetro da haste seja
metade do diâmetro do pistão. Quando estendemos o cilindro, obviamente, iremos precisar de um
volume de fluido bem maior do que aquele que usaremos para retornar o cilindro. Haverá, portanto,
uma flutuação constante do nível de fluido e o reservatório deverá ser dimensionado de tal forma que,
essa flutuação, não altere as condições de operação do sistema.

1.1.1. Dimensionamento
Uma regra prática de dimensionamento de reservatório é fazer-se com que o seu volume seja
igual ou maior a três vezes a vazão da(s) bomba(s) que alimenta(m) o sistema. Por exemplo, seja um
sistema hidráulico qualquer que possua uma bomba que fornece uma vazão de 22,71 l/min (6 galões
por minuto), o volume mínimo desse reservatório deverá ser de: 22,71 x 3 = 68,13 litros (18 galões).
Essa regra entretanto, nem sempre pode ser aplicada, pois em sistemas mais complexos, com
muitos cilindros e linhas de transmissões grandes, devemos estudá-los como se fossem um "caso
particular", levando sempre em consideração que não podemos ter nem fluido a menos ou a mais.

1.1.2. Regra da altura do filtro de sucção
Se o filtro de sucção não estiver completamente submerso no fluido, introduziremos uma
grande quantidade de ar no sistema (Fig. V.1). Se, entretanto, o filtro estiver mergulhado a uma altura
muito pequena, poderemos ter a formação de vórtice (redemoinho) na sucção, o que também
acarretará a entrada de ar (Fig. V.2).



Algumas normas recomendam que a cota mínima "h" do nível do fluido ao filtro seja de
76,2mm (3 polegadas) (ver fig. V.3). A extinta J.I.C. formulou como cota mínima, uma vez e meia o
diâmetro do duto de sucção; por exemplo, se o duto de sucção é de 76,2mm, a cota "h" deverá ser de
114,3mm. Como segurança, adotamos o critério que nos forneça a maior cota. Salientamos ainda,
que a cota h1 deve ser de no mínimo 50mm, a fim de que as impurezas precipitadas no fundo do
reservatório, não venham a entupir a parte inferior do filtro de sucção.



Caso seja impossível se observar uma dessas duas condições da cota h, costuma-se introduzir no
reservatório uma chicana horizontal um pouco abaixo do nível do fluido, pois dessa forma, mesmo
que ocorra a formação de um vórtice, o mesmo se extinguirá antes de chegar ao filtro.



1.2. Resfriamento do fluido
A geração de calor em um sistema hidráulico pode ser devida a vários fatores:

• Perdas mecânicas na bomba ou motor hidráulico;
• Restrições na linha devido a curvas mal elaboradas ou introdução de válvulas, tais como reguladoras de pressão e vazão;
• Válvulas mal dimensionadas, i.é, válvulas que permitam uma vazão máxima menor do que aquela exigida pelo sistema;
• Fricção nas vedações internas dos cilindros, etc.

Grande quantidade desse calor gerado pelo sistema é levado para o reservatório, através do
próprio fluxo de fluido. De acordo com a complexidade do circuito hidráulico, esse calor pode ser dissipado apenas
através das paredes dos cilindros e da tubulação e, principalmente, no reservatório.
Em contato com as paredes do tanque, o calor do fluido é trocado através da condução e radiação (ver fig. V.5). pois o calor é transmitido de um corpo mais quente para outro mais frio. O corpo mais quente, nesse caso, é o fluido, e o mais frio, o ar.



Um fator importante a ser levado em consideração é de nunca se colocar o duto de retorno
próximo do duto de sucção, pois o fluido que retorna ao reservatório volta imediatamente para o
circuito hidráulico, sem efetuar a troca de calor. Como consequência, teremos um sistema superaquecido e em pouco tempo o equipamento entrará em pane.

Um artifício muito usado e normalizado pela NFPA, é a introdução de uma chicana vertical,
que obriga a circulação do fluido. Quando do retorno do fluido, o mesmo é obrigado a
percorrer por duas vezes o comprimento do reservatório para chegar ao duto de sucção. Ao percorrer
todo esse caminho, o calor contido no fluido vai se dissipando da forma como vimos anteriormente.



Dependendo da necessjdade, introduzimos um maior número de chicanas verticais para forçar mais a circulação do fluido (ver fig. V.7), aumentando a troca do calor pelo fenômeno da convecção.
Quando não conseguimos uma boa troca de calor e redução de temperatura a um nível
satisfatório, devemos usar um trocador de calor.



1.3. Precipitação de impurezas
Quando o fluido retorna para o reservatório, sua velocidade pode decrescer de 304,80cm/s
(10ft/s) até um valor bem baixo. Dessa maneira, se torna fácil a precipitação das impurezas no fundo
do tanque. Essas impurezas precipitadas formam uma espécie de borra. Para efetuarmos essa limpeza no
momento da troca do fluido, devemos nos munir de um jato de óleo diesel a alta pressão e panos
limpos (ver o item que trata sobre a hora da troca do fluido no cap. IV).



1.4. Circulação interna de ar
Todo reservatório hidráulico deve possuir um respiro na base superior. Quando
succionamos fluido para o sistema, o nível decresce e aquele espaço antes ocupado pelo fluido, deve
ser ocupado por alguma outra coisa, pois, do contrário, teríamos a formação de uma pressão negativa
(Pint < Patm) e não conseguiríamos succionar o fluido. Na condição oposta, i.é, quando ocorre o retorno do fluido ao reservatório, o nível se elevará
novamente e teremos que desocupar algum espaço para que isso ocorra pois, do contrário, teríamos
uma contrapressão na linha de retorno. Em outras palavras, a pressão interna do reservatório deverá
ser sempre igual a pressão atmosférica, excetuando-se, evidentemente, o caso de termos um reservatório pressurizado.
- Esse espaço deve ser ocupado ou desocupado pelo ar atmosférico, e assim fica evidente a
utilização do respiro. Um outro fator importante a ser levado em conta é o fato de que, o fluido quando retorna ao
reservatório pode absorver ar, devido a movimentação da superfície livre, que deve ser eliminado para
que sejam evitados problemas na sucção. Essa desaeração só pode
ser feita através do escape do ar contido nas bolhas de espuma, e esse escape é feito pelo respiro.

2. CONSTRUÇÃO DO RESERVATÓRIO
De acordo com norma NFPA, vários caminhos devem ser seguidos para a construção do
reservatório. Quanto a sua capacidade, já vimos que deve comportar um volume tal que poderia suprir o
sistema durante 3 minutos sem que houvesse retorno do fluido (3 vezes a vazão da bomba).

A base do reservatório deve ter o fundo suportado por quatro pés de no mínimo 150mm (6pol)
de altura, para facilitar a sua remoção, drenagem, troca de calor com o ambiente. Os pés devem
possuir furos para facilitar a fixação do tanque ao solo. No interior do reservatório deve existir uma chicana vertical para assegurar a circulação do óleo,
e se necessário, uma outra chicana horizontal para se evitar a formação do vórtice. Nas laterais menores, devem existir duas tampas de inspeção para auxiliar no momento da
limpeza. O fundo do reservatório deve ser confeccionado de tal forma que todo o fluido armazenado
possa ser drenado.

A parte superior deve ser bem rígida para suportar uma possível montagem de
componentes do sistema, tais como, motor elétrico, bomba, válvulas, manifolds, etc.; para
tanto, costuma-se colocar um prato metálico com as perfurações adequadas para a montagem do
equipamento. Essa tampa deve ser soldada perimetralmente às paredes do reservatório.

Todos os dutos que venham a ter início ou fim no reservatório, devem possuir uma vedação
perfeita através de anéis, flanges ou outros dispositivos. O duto de sucção deve terminar a uma altura
mínima de 50mm (2") do fundo do tanque e os dutos de retorno e dreno deverão estar mergulhados,
no mínimo, 75mm (3") abaixo do nível do fluido, ou ainda, como regra básica, uma vez e meia o
diâmetro do duto de retorno.
O reservatório deve ser pintado interna e externamente para se evitar a oxidação. No caso de
fluidos sensíveis ao fogo, consulte o fabricante para saber que tipo de tinta pode ser utilizada.





3. ACESSÓRIOS
Ao reservatório, podem ser adicionados uma série de acessórios que auxiliam no trabalho do
sistema.

3.1. Bocal de enchimento
Quando colocamos fluido no reservatório, nos servimos de um bocal, que é chamado "bocal de
enchimento". Essa peça pode vir acompanhada de um filtro de tela, com abertura entre as malhas de,
aproximadamente, 200µ (0,2mm). A função desse filtro é evitar que qualquer objeto sólido entre no
reservatório, pois caso o sistema não tenha filtro de sucção ou o filtro foi retirado, esse objeto será
succionado pela bomba, danificando-a de forma irreparável.



3.2. Respiro
O respiro deve ter a forma de um capacete que impeça a precipitação de impurezas sobre a
tomada de ar. No interior do respiro existe um sistema que filtra o ar que entra no reservatório em um
"bypass" (passagem em paralelo), que permite a livre saída do ar no interior do tanque. Reservatórios de grande capacidade necessitam vários respiros, para que seja mantida a pressão
atmosférica no interior. A norma NFPA dita que o filtro do respiro deve ter uma malha de no
mínimo 40µ (0,04mm) e que o elemento filtrante deve estar protegido contra danos físicos.



3.3. Indicadores de nível
Os indicadores de nível de fluido, em número geralmente de 2, devem estar localizados de tal
forma que indiquem o nível mínimo e máximo de fluido no reservatório. O traço indicador do mínimo, deve estar a 75mm da extremidade inferior do indicador de nível;
e o traço indicador do máximo nível, a 75mm da extremidade superior. Para o visor, recomenda-se o uso de vidro pirex, que resiste melhor a variações de temperatura.
Pode ser incluído no visor um termômetro que efetua a leitura da temperatura do fluido. Existe
em disponibilidade comercial esse tipo de indicador de nível com termômetro acoplado.



3.4. Magnetos
São ímãs utilizados para a captação de limalhas contidas no fluido, provenientes do desgaste do
equipamento hidráulico ou mesmo, de um ambiente contaminado com esse tipo de impureza.



4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Veremos mais adiante, no capítulo de bombas, a utilização de reservatórios elevados ou
pressurizados.

Aula 6: Filtros

VI - FILTROS

O fluido hidráulico, como vimos, deve estar sempre livre de impurezas, pois do contrário
encurtamos a vida útil do sistema hidráulico. A função do filtro é livrar o fluido dessas impurezas para
assegurar o bom funcionamento do circuito.

Existem dois tipos de filtros:
- o filtro químico e
- o filtro mecânico

O filtro químico é utilizado em raras ocasiões, quando se requer uma limpeza absoluta do
fluido. Como sabemos, o óleo mineral pode tornar-se ácido, alcalino, etc. O filtro químico nada mais
é do que um reator que anula o efeito ácido ou básico do óleo, transformando a substância nociva em
água e cloreto de sódio, efetuando, a seguir, a separação destes últimos, deixando passar, apenas, óleo
mineral puro.

O filtro mecânico é aquele em que nos deteremos mais, pois sua aplicação é decisiva e obrigatória, em todos os sistemas hidráulicos.

1. PRINCÍPIO DA FILTRAGEM MECÂNICA


O filtro mecânico é constituído de uma série de "malhas" ou poros. Chamamos de "mesh" a
quantidade de malhas existentes por polegada linear do filtro. A figura VI.1 mostra o princípio de funcionamento do filtro.
Na figura "a" temos um filtro comum, que retém as partículas maiores e deixa passar as menores. Na "b", uma filtragem sucessiva
em que a abertura dos poros vai diminuindo e vai retendo partículas cada vez menores, até efetuar a
filtragem total ou pelo menos, quase total do fluido. Em ambos os casos, vemos que existem poros em
que houve um acúmulo de impurezas; quando a grande maioria dos poros estiver dessa forma, o filtro
estará entupido e deverá ser limpo ou trocado.

No princípio do entupimento, se o filtro for de sucção, a bomba supcionará uma quantidade de
fluido menor do que aquela requerida e terá sua vida útil abreviada em virtude da cavitação.

Existem vários tamanhos de filtros, cada qual para uma determinada vazão máxima. Caso a
vazão requerida pelo sistema não comporte a utilização de 1 filtro apenas, podemos associar outros
filtros em paralelo para resolver esse problema. Observe que, dimensionamos 5 l/min a mais do que
o necessário, pois, como vimos, as impurezas vão entupindo, gradualmente, o filtro e se dimensionamos o valor exato da vazão, após pouco tempo de uso temos que limpar ou trocar o filtro.



O que se costuma fazer na prática, é se escolher um filtro que permita uma vazão máxima igual
a três vezes a vazão da bomba. Esse tamanho de filtro assegura um bom tempo de uso sem ser
necessária troca ou limpeza.

É comum se encontrar filtros que possuam incorporado uma válvula de retenção simples em
bypass (em paralelo). Essa válvula, como mostra a figura VI.3, abre uma passagem livre para o fluido
uma vez que é atingida a pressão de abertura quando bloqueado o filtro. O fluido vence a pressão da
mola e passa livremente. Esse tipo de válvula é igualmente utilizada em filtros de retorno. Em
realidade, essa válvula de retenção atua como proteção para evitar o colapso do elemento, o que
representaria um dano maior ao sistema do que não se filtrar o fluido.



Alguns filtros contêm um indicador de contaminação que indica quando se deve fazer a troca
do elemento filtrante. Se a pressão necessária para abrir a mola for de 1 bar, quando o manômetro
estiver marcando 0,9 bar devemos efetuar a troca do elemento filtrante.
Não podemos nos esquecer, também, da regra da altura do filtro (veja Cap. V).



Existem diversos tipos de filtros mecânicos: filtro de linha de pressão, filtro de sucção e filtro de
retorno.

1.1. Filtro de linha de pressão
Como o próprio nome diz, ele é montado na linha de pressão do sistema. É utilizado, geralmente, quando se necessita uma perfeita limpeza do fluido a ser introduzido em determinado componente do sistema.
A esse tipo de filtro, também pode ser incorporada uma válvula de retenção simples em bypass,
funcionando como válvula de proteção. Em um sentido, o fluido é
obrigado a passar pelo elemento filtrante (intercambiável) até que este esteja bloqueado, ocasionando
a abertura da válvula pelo acionamento da mola menor.



Esse tipo de filtro é geralmente utilizado quando se deseja fazer uma filtragem mais perfeita do
fluido, a fim de se prolongar o máximo possível a vida útil de um determinado componente do
sistema, de alto custo de aquisição.

1.2. Filtro de sucção
Se encontra instalado no reservatório, abaixo do nível do fluido (ver fig. V.9). Sua função é
impedir que corpos sólidos de maior tamanho sejam succionados pela bomba, danificando-a totalmente.
As malhas desse filtro devem ser maiores do que as malhas dos filtros de pressão e retorno, pois,
nunca podemos causar problemas na sucção. A abertura existente entre as malhas é de
149µ (0,149mm - medida adotada pela Racine e normalizada pela NFPA).

1.3. Filtro de retorno
Esse filtro é o responsável pela filtragem de todo o fluido que retorna ao tanque, carregado de
impurezas que foram absorvidas no ciclo de trabalho. Geralmente apresenta-se na forma de um "T" e
é constituído, basicamente, de três partes: a caneca, o elemento filtrante e o corpo superior, onde se
encontra a válvula de retenção simples operando como uma válvula protetora do elemento filtrante.
O fluido que entra é obrigado a passar pelo elemento filtrante confeccionado a partir de um
papel poroso especial de 10µ de abertura de poro (vemos, portanto, que a filtragem é muito boa).
Quando o elemento filtrante vai ficando contaminado, a pressão vai aumentando até chegar a
1,0 bar, quando aciona a mola da válvula em bypass. Dessa forma, é sempre interessante termos um
manômetro de leitura "0 a 10 bar", colocado antes da válvula, pois
sabemos que chegou a hora de trocar o elemento filtrante quando esse manômetro estiver registrando
1,0 bar.



2. EXEMPLO DE APLICAÇÃO


O filtro "1" é um filtro de sucção de 149µ (100mesh) com uma válvula de retenção simples
incorporada em "bypass". Sua função é evitar que corpos de maior tamanho sejam succionados pela
bomba.
O filtro "2" está montado em linha e é de 80µ aproximadamente. Sua função é idêntica à do
filtro "3" - também montado em linha - i.e., ambos asseguram que o fluido que vai para os cilindros
"A" e "B" esteja limpo de impurezas. O filtro "3" difere do "2", pois este último filtra o fluido que
entra em ambos os lados do cilindro "B", enquanto que o primeiro filtra apenas o fluido que sai, em
uma das tomadas do cilindro "A". O filtro "4" é o de retorno. Sua abertura é de 10µ, para garantir
uma melhor limpeza do fluido que retorna ao reservatório.
Finalizando, o filtro "5", trata-se de um tipo igual àquele do bocal de enchimento, visto no
item que fala sobre "Acessórios do Reservatório", no Capítulo V.

3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
3.1. O choque hidráulico por descompressão
Existem dois tipos de choques hidráulicos: por compressão e por descompressão.
Ocasionamos um choque hidráulico por descompressão, quando abrimos repentinamente o
retorno de um fluido que esteja sob pressão em determinada parte do sistema hidráulico. Esse tipo
de choque poderá afetar diretamente o filtro de retorno, danificando totalmente o elemento filtrante.
Existem casos até que, o choque é tão grande, que expulsa a caneca do corpo do filtro, espanando a
rosca que serve como elemento de fixação.

3.2. Vazões Excessivas
Se o filtro de sucção tiver uma vazão nominal menor que a vazão do sistema, iremos prejudicar
a bomba. Se o mesmo ocorrer com o filtro de retorno, como consequência teremos o colapso do elemento filtrante.
Isso fará com que a filtragem já não atinja os objetivos, pois haverá passagem direta
no filtro, e ainda, como agravante, poderíamos ter pedaços de papel indo parar no reservatório e
bloqueando o filtro de sucção ou mesmo até, sendo succionados pela bomba.

Podemos adotar como regra que o filtro de sucção deve deixar passar uma vazão igual ou
maior a três vezes a(s) vazão(ões) nominal(is) da(s) bomba(s) do sistema; e o filtro de retorno, uma
vazão igual ou maior a três vezes a vazão máxima "do sistema" (ver vazão induzida em cilindros no
capítulo que segue).

3.3. Vibrações no sistema
Um sistema hidráulico mal balanceado provoca vibrações mecânicas. Essas vibrações podem,
também, desintegrar o papel do elemento filtrante, assim como, determinar a falência de todas as
vedações.

3.4. Magnetos
Mergulhados no fluido contido no reservatório, os magnetos não deixam de ser um tipo especial
de filtro. Como vimos no capítulo anterior, o desgaste excessivo do equipamento hidráulico provoca a
formação de limalhas. Às vezes, essas limalhas são menores do que 10µ e passam pelo filtro de
retorno, porém, ficam retidas no magneto.

3.5. A hora da troca
Em um sistema hidráulico novo, após 50 horas de uso, os filtros devem ser retirados e limpos,
ou trocados. Após 500 horas, repetir novamente essa operação, para realizá-la, novamente, após 1000
horas. Sob condições normais de trabalho, nunca excedendo a 2000 horas. Para serviços mais pesados,
estabeleça uma escala de troca de 500 horas ou 90 dias.
Toda a vez que entre esses intervalos for efetuada a troca do fluido, é recomendável fazer-se,
também, uma inspeção dos elementos filtrantes.

3.6. Determinação do tipo de filtragem
Em realidade, não existe uma regra fixa para a aplicação de determinado tipo de filtro em
qualquer sistema hidráulico. A utilização desse equipamento depende de diversos fatores que devem ser considerados e que
variam de sistema para sistema.
Deve-se levar em conta, por exemplo, que tipo de fluido está sendo utilizado, pois, um elemento
filtrante bom para o óleo mineral, não necessariamente será bom para outro tipo de fluido que, de
acordo com sua composição, poderá ou não atacar esse elemento.
Outro fator importante é o grau de filtragem que se quer ou se deve ter no sistema. De acordo
com esse desejo, utilizam-se elementos filtrantes com abertura de malha ou poro indicada para o
sistema.
Não podemos esquecer também, as condições de trabalho a que o circuito está exposto, assim
como, o grau de contaminação, seja ela líquida ou sólida, determinando, assim, o tipo ou tipos de
filtros a serem utilizados.

Finalizando, procure sempre seguir as especificações do fabricante dos componentes do sistema,
pois, dessa maneira, o equipamento irá desenvolver um trabalho satisfatório, conservando uma vida
útil dentro da faixa requerida.

Aula 7: Cilindros

VII - CILINDROS

Relembrando o Capítulo I, o sistema hidráulico é subdividido em três outros subsistemas. Desses três, o que nos interessará no momento, é o sistema de aplicação onde encontramos os atuadores.

O cilindro hidráulico é um atuador linear, i.e., o movimento e força que ele executa são transmitidos retilineamente. Por se tratar de um atuador, a função básica de um cilindro hidráulico é transformar força, potência ou energia hidráulica em força, potência ou energia mecânica.

O cilindro hidráulico é composto de diversas partes. A figura VII.1 define bem os diferentes elementos que, unidos, compõem esse equipamento.



1. TIPOS DE CILINDROS
Dentre os diversos tipos de cilindros, podemos destacar dois principais:
- de simples ação ou simples efeito
- de dupla ação ou duplo efeito
A seguir, poderíamos classificar outros tipos com relação à construção como, os cilindros de haste dupla, telescópicos, posicionais e macacos hidráulicos (tipo especial de simples efeito).





1.1. Cilindro de simples ação ou simples efeito
O cilindro de simples ação ou simples efeito, é assim denominado em virtude de ter em um sentido, o movimento por efeito de pressão e vazão hidráulica e, no outro, por outro agente qualquer, que não o fluido hidráulico.



Podemos observar na Fig. VIl.3 que ambos os cilindros possuem um movimento por pressão e vazão hidráulica e outro pela ação da mola.
No cilindro acima, o movimento de ação do pistão é feito através da vazão e pressão exercida pelo fluido e o seu movimento de retorno é feito pela ação da mola.
No cilindro abaixo ocorre o oposto. Nos dois, existe um respiro no lado da mola para a livre circulação do ar.
Notamos que neste tipo de cilindro perdemos em força, pois a mola é uma reação ao movimento.

Na Fig. VII.4, temos dois cilindros de simples efeito com retorno ou avanço pela ação da gravidade. É o mais aplicado desse tipo de cilindro, pois toda a força originada pela aplicação de pressão do fluido é aproveitada.



1.2. O macaco hidráulico


O macaco hidráulico é o típico equipamento que utiliza o princípio da alavanca, i.e., uma força menor aplicada em um cilindro de menor área, resulta em uma força maior efetuada por outro cilindro de área maior.
Na figura "A" o cilindro "1" de área de pistão igual a 5 centímetros quadrados, é acionado para cima fechando a válvula "1" e abrindo a "2", succionando fluido do reservatório. A seguir, como mostra a figura "B", o cilindro "1" é empurrado para baixo com uma força de 25 kgf. Nesse momento, a válvula "2" é fechada automaticamente, ao mesmo tempo em que se abre a válvula "1". Essa força de 25 kgf aplicada na área de 5 centímetros quadrados do pistão "1" origina uma pressão de 5 kgf/cm² que aplicada à área de 250 centímetros quadrados resulta em uma força de 1250 kgf.
Durante a operação de força e levantamento do macaco hidráulico, a válvula 3 fica fechada para ser aberta quando efetuado o trabalho, proporcionando o retorno do fluido para o reservatório.

1.3. Cilindro de dupla ação ou duplo efeito
Esse cilindro é assim denominado, pois o movimento do pistão é feito através da entrada do fluido em qualquer uma das tomadas a uma determinada vazão e pressão.



A fig. VIl.6, por si só, explica bem, o funcionamento do cilindro de dupla ação.

1.4. Cilindro de haste dupla
Geralmente o cilindro de haste dupla é de duplo efeito, não querendo dizer que não possa ser de simples efeito.
A figura a seguir, exemplifica bem, o funcionamento desse tipo de cilindro.



O cilindro de haste dupla é, normalmente, utilizado quando se quer efetuar trabalho tanto no movimento de avanço como de retorno, ou ainda, quando se quer a mesma força e velocidade nestes mesmos movimentos para uma dada pressão e vazão do fluido, respectivamente.


1.5. Cilindro telescópico
Algumas vezes precisamos fazer com que o curso do cilindro seja grande e quando retraído, ocupe o menor espaço possível. Quando isso ocorre, lançamos mão do cilindro telescópico. Sua utilização é evidenciada em guindastes hidráulicos e outros equipamentos da linha mobile.



1.6. Cilindro posicional
A vantagem do cilindro posicional é poder receber o fluido — naquele caso em particular — de qualquer uma das tomadas, podendo, inclusive, receber fluido de duas tomadas consecutivas ou expelir fluido da mesma maneira.

2. VEDAÇÕES NOS CILINDROS
Em um cilindro hidráulico, temos, normalmente, duas câmaras trabalhando a pressões diferentes (cilindro de duplo efeito), ou somente uma (cilindro de simples efeito). Se não houver uma perfeita vedação entre essas câmaras ou mesmo entre o cilindro e o ambiente, teremos uma perda de pressão e vazão muito grande que não permitirá o trabalho ideal do equipamento.

Existem diversos tipos de vedação que variam de acordo com o tipo de trabalho que o cilindro executará, assim como, a pressão máxima que ele suportará.

• 2.1. Anéis de segmento: Excelente para uma garantia de vida longa e aplicação de cargas instantâneas. São confeccionados a partir do ferro fundido.
  Devido ao baixo atrito que esse tipo de vedação proporciona, o rendimento do conjunto aumenta consideravelmente, principalmente, em cilindros de alta velocidade.



• 2.2. Anéis do tipo "O" ("O" Ring):
  A figura Vil.II nos mostra uma vedação simples, efetuada com anel de borracha. Esse sistema, porém, causa danos ao anel quando submetido a pressão, como os demonstrados na figura VIL 14.
  Dessa forma, utilizamos o sistema de vedação "backup" (lê-se "béc ap") que consiste do mesmo anel limitado por dois outros anéis de teflon ( ou outro material semelhante) que servem de encosto do "O´Ring".




Na figura Vll.13 vemos outro tipo de vedação no pistão que é feita em conjunto por um anel de teflon e outro de borracha que faz o papel de "mola" e veda contra vazamentos pela parte inferior do rasgo.
Quando trabalhamos com um máximo de 105bar, usamos o primeiro tipo de vedação. Quando, porém, essa faixa é ultrapassada, passamos para o segundo tipo.
O terceiro também é vantajoso, pois, praticamente não necessita de lubrificação e a ausência de atritos maiores conduzem a um trabalho mais eficiente.

• 2.3. Anéis em "V": São assim denominados, pois, a secção reta assemelha-se a um "V''. São usados em grupo de 2, 4 ou 6 anéis, de acordo com a pressão de trabalho.
  No caso de cilindros de dupla ação, são utilizados dois jogos, um em cada lado do pistão. Como podemos notar, são os lábios dos anéis que recebem a pressão.
  Esse conjunto de vedação é considerado um dos mais macios existentes. Para se determinar o número de anéis a ser utilizado, estabelece-se uma regra de que, para cada 35 a 50 bar, coloca-se um anel, levando-se em conta, sempre, um número mínimo de dois anéis.
  
  
• 2.4. Anéis "U" e "Block V": Os anéis "U" são mais econômicos em relação ao tipo anterior. São originalmente de borracha e de fácil reposição, além de não necessitarem de qualquer tipo de adaptador. Como desvantagem, vida mais curta que os anéis em "V".
  Para sistema que trabalha com pressão elevada, recomenda-se a utilização dos anéis Block V para se obter um melhor rendimento do equipamento.
  
  
• 2.5. Anéis tipo "copo": Provavelmente, este foi um dos primeiros a ser utilizado. O material pode ser de borracha ou couro animal. Sua utilização evidencia-se mais em cilindros pneumáticos.



• 2.6. Anéis tipo "lábio" de dupla ação
  Borracha sintética é colada ao pistão e cargas laterais são evitadas pela adição de um prató guia.
  Semelhantemente a vedação anterior, como trabalha apenas em baixas pressões, recomenda·se seu uso na pneumática.
  
  
• 2.7. Vedações da tampa no lado da haste:Existem diversos tipos de vedações dessa natureza.
  A vedação "a" é de múltiplos "V", também denominadas de anéis chevron. O número de anéis a ser introduzido é igual àquele que vimos para o pistão.
  É sempre interessante se fazer uma pré-carga no cilindro ou utilizar molas para o assento dos anéis, a fim de assegurar uma perfeita vedação.
  Na fig. "b" é o tipo "U'; utilizado em circuitos de baixa pressão ou pneumáticos.
  A "e" consiste em um enchimento feito com material vedante. Deve-se apertar bem o flange para que esse material assegure uma boa vedação.
  No tipo "d", podemos usar tanto um anel "O" como um anel quadrado. Devemos sempre utilizar anéis de apoio (backup) para evitarmos a extensão do anel.
  Finalmente, no "e", temos a vedação tipo chapéu, que pode ser feita com borracha ou couro animal. Deve trabalhar somente em baixas pressões ou apenas em sistemas pneumáticos.
  
• 2.8. Observações finais sobre vedações
  Como vimos, as vedações podem ser de vários tipos de materiais. Quando utilizado fluido sintético, devemos utilizar vedações de compostos especiais.
  Em todo caso, é sempre interessante consultar o fabricante do equipamento e do fluido utilizado.

3. APLICAÇÕES
A utilização de um cilindro hidráulico pode ser a mais variada possível. No maquinário podemos encontrá-lo comumente acionando prensas, guilhotinas, injetoras, sopradoras, extrusoras, máquinas operatrizes em geral, calandras, acionamento de fornos, guindastes, scrapers, escavadeiras e uma infinidade de outros equipamentos.
A seguir, ilustrações de aplicações:

Aula 8: Bombas

VIII - BOMBAS

1. CONCEITO
A bomba é responsável pela geração de vazão dentro de um sistema hidráulico, sendo portanto
também responsável pelo acionamento dos atuadores. Observamos então, que as bombas hidráulicas
são utilizadas para converter energia mecânica em energia hidráulica.
Podemos subdividir as bombas hidráulicas em dois grupos principais:

1.1. Bombas de deslocamento não-positivo
Aqui encontramos as bombas centrífugas como, por exemplo, a Pelton, Francis ou Kaplan.
Essas bombas também são denominadas de bombas hidrodinâmicas.
Nesse tipo de bomba, 'um pequeno aumento de pressão reduz consideravelmente sua capacidade de vazão.
São utilizadas principalmente na transferência de líquidos, sendo que, durante a operação, o único tipo de resistência encontrada é aquela causada pelo peso do próprio líquido ou ainda do atrito encontrado no escoamento pela tubulação ou singularidades, tais como curvas, cotovelos, registros, etc.



O tipo mais conhecido é a bomba d'água, que desloca um determinado volume de água para um reservatório mais elevado.
Como não existe um contato direto entre rotor e carcaça, não existe uma boa vedação entre a sucção e a descarga, ocasionando uma grande quantidade -de vazamentos internos que concorrerá para uma baixa eficiência volumétrica (ver bombas de deslocamento positivo).
Em virtude disso, esse tipo de bomba pode operar com líquidos contaminados ou de baixa viscosidade (como a água), já que apenas a força centrífuga será responsável pela geração de vazão.
Aqui não existe a necessidade de proteção contra sobrecargas, já que essas bombas são projetadas para resistir, normalmente, a pressões máximas que giram em torno de 7 bar.

1.2. Bombas de deslocamento positivo.

As bombas de deslocamento positivo, também conhecidas como bombas hidrostáticas, operam através de um mecanismo de vedação mecânica que isola a entrada da saída.
O fluido é succionado em volumes discretos e transferido para o lado de saída, sendo então entregue ao sistema.
Esse processo de transferência de pequenos volumes resulta em uma vazão bastante uniforme, que permanece consistente mesmo com o aumento da pressão no sistema.
Dessa forma, uma quantidade positiva de fluido é transferida para o sistema por unidade de revolução ou curso.
A uniformidade da vazão pode variar dependendo das características construtivas da bomba.

Essas bombas são comumente empregadas em circuitos óleo-hidráulicos devido à sua capacidade de transmitir potência.

As especificações das bombas de deslocamento positivo geralmente incluem sua capacidade máxima de pressão e sua vazão nominal, que são determinadas a partir de uma rotação e potência fornecidas.
A vazão da bomba é diretamente proporcional à rotação fornecida.

As bombas podem ser classificadas como de deslocamento fixo ou deslocamento variável.
As bombas de deslocamento variável oferecem a capacidade de ajustar a vazão de um valor máximo até zero, podendo operar em sentido único ou com reversão de sentido.

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Rendimento Volumétrico em Bombas de Deslocamento Positivo

O rendimento volumétrico, também chamado de eficiência volumétrica, é calculado pela seguinte relação:
Por exemplo, se uma bomba tem uma vazão nominal de 38 L/min, mas efetivamente entrega 34 L/min ao sistema, o seu rendimento volumétrico será de 0,9 ou 90%.

O rendimento volumétrico de uma bomba é influenciado por diversos fatores relacionados à sua fabricação e uso.
O projeto da bomba, seu tipo e os cuidados durante a aplicação são elementos cruciais que afetam significativamente o valor do rendimento.
2. TIPOS DE BOMBAS
Como estudamos a hidráulica em sistemas óleo-hidráulicos, demonstramos a seguir alguns tipos
de bombas de deslocamento positivo mais aplicadas para esses sistemas.

- Tipos de bombas de vazão fixa

• a) manuais


• b) engrenagens


• c) parafusos


• d) palhetas


• e) pistões {radiais ou axiais}

- Tipos de bombas de vazão variável

• a) manuais


• b) palhetas


• c) pistões {radiais ou axiais}

2.1. Bombas Manuais

A bomba manual é acionada pela força muscular do operador.
A mais comum é a bomba de poço, amplamente usada onde a água é obtida de poços.
Seu funcionamento é simples, similar ao freio de um automóvel: ao pressionar o pedal, o cilindro mestre empurra o fluido, ativando os cilindros das rodas e acionando o freio.

2.2. Bombas de Engrenagens

As bombas de engrenagens geram vazão pelo constante engrenamento e desengrenamento de duas ou mais rodas dentadas.
O desengrenamento cria uma descompressão na câmara de sucção, puxando o fluido do reservatório.
Esse fluido é então conduzido perifericamente pelos vãos das rodas, que formam uma câmara fechada com a carcaça da bomba e vedações laterais.
O engrenamento contínuo expulsa o fluido para fora da bomba.
Para otimizar o rendimento volumétrico, as tolerâncias de ajuste devem ser mínimas, reduzindo vazamentos.
Esse tipo de bomba é geralmente usado para pressões de até 210 bar e vazões de até 660 L/min.
Sua principal vantagem é a robustez, pois possui apenas duas peças móveis.
No entanto, suas desvantagens incluem: ruído excessivo, vazão fixa e a necessidade de uma válvula de alívio.

2.3. Bombas de Parafusos

Nesse tipo de bomba, as engrenagens são substituídas por parafusos que agem como pares engrenados.
As bombas de parafusos são usadas em circuitos que exigem vazão uniforme sem pulsação, permitindo altas rotações (até 5000 rpm) e fornecendo tanto pequenas quanto grandes vazões.

2.4. Bombas de Palhetas

As bombas de palhetas são compostas por uma carcaça que envolve um rotor com ranhuras (geralmente radiais ou levemente inclinadas) onde as palhetas estão localizadas.
Um eixo conectado a um motor aciona o conjunto, que gira dentro de um anel ou carcaça, formando uma câmara fechada com as placas laterais.
Seu princípio de funcionamento é simples: a alta rotação do rotor, transmitida pelo eixo, faz com que as palhetas se afastem do centro pela força centrífuga, mantendo-as em contato com o anel, que é excêntrico em relação ao eixo.
Devido a essa excentricidade, as câmaras formadas por duas palhetas variam de volume (de mínimo a máximo após 180° de rotação).
À medida que as câmaras aumentam, o fluido é succionado; ao diminuírem, o fluido é expelido.

2.5. Bombas de Pistões

2.5.1. Bombas de Pistões Radiais

As bombas de pistões radiais podem ser de dois tipos: de bloco estacionário e de bloco rotativo.
No tipo de bloco estacionário, um eixo excêntrico se move em torno do eixo da bomba, causando o movimento de vai-e-vem dos pistões.

2.5.2. Bombas de Pistões Axiais

O funcionamento das bombas de pistões axiais é similar às radiais, diferenciando-se pela posição de trabalho dos pistões, que são paralelos ao eixo.
O giro do eixo rotaciona o bloco, que por sua vez arrasta os pistões.
Esse movimento de rotação, via prato guia, transmite um movimento retilíneo recíproco aos pistões, succionando o fluido na subida e descarregando-o na descida.
A vazão pode ser variada controlando a inclinação do prato guia, o que altera o curso dos pistões.

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3. Cuidados na Instalação de Bombas

Equipamentos hidráulicos, especialmente as bombas, exigem cuidados na instalação e manutenção para prolongar sua vida útil, pois são componentes muito exigidos e propensos a falhas prematuras.

• 
  3.1. Alinhamento das bombas: Desalinhamentos axial e angular são corrigidos com acoplamentos flexíveis.
• 
  3.2. Sentido de rotação: Se uma bomba girar no sentido contrário, ela não succionará fluido e operará a seco, podendo causar soldagem de peças e quebra do eixo.
• 
  3.3. Cavitação: Ruídos como "pipocas estalando" indicam cavitação, causada pela formação e implosão de bolhas de gás que erodem o material interno. Verifique o filtro, viscosidade, vedações da linha de sucção e certifique-se de que a bomba foi escorvada.
• 
  3.4. Qualidade do fluido: O fluido deve estar livre de impurezas. Use boa filtragem no retorno (10µ) e na sucção (150µ).
• 
  3.5. Temperatura do fluido: Temperaturas elevadas fragilizam os elementos de vedação, que podem se partir em picos de pressão.
• 
  3.6. Sobrepressão: Elevações repentinas de pressão (choque hidráulico) podem trincar a carcaça da bomba. Utilize válvulas de segurança.

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4. Procedimentos no Momento da Troca da Bomba

Quando uma bomba quebra, siga estes passos:

• 
  a) Determine a causa da quebra;
• 
  b) Elimine a causa da quebra;
• 
  c) Recue todos os cilindros e drene o reservatório;
• 
  d) Limpe o reservatório com jato de óleo diesel e panos limpos (Não use estopa!);
• 
  e) Instale novos elementos filtrantes;
• 
  f) Instale a bomba nova;
• 
  g) Preencha o reservatório com fluido novo;
• 
  h) Desconecte as linhas dos atuadores;
• 
  i) Ligue o sistema, ativando cada parte do circuito para preenchimento com fluido novo;
• 
  j) Conecte os cilindros e motores;
• 
  l) Opere cada atuador sem carga por 30 minutos;
• 
  m) Troque o elemento filtrante do filtro de retorno e adicione mais fluido, se necessário.

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5. Considerações Finais

No projeto, a bomba é um dos últimos componentes a ser especificado, pois é preciso considerar as perdas de carga do sistema.

5.1. Bombas em Série

O circuito de bombas em série (conhecido como "supercharging") é usado quando a bomba principal tem baixo poder de sucção. Uma bomba auxiliar alimenta a bomba principal para garantir o fluxo.

5.2. Bombas em Paralelo

Utilizado em circuitos de "Alta e Baixa Pressão".
Uma bomba de alta vazão e baixa pressão é usada para avanços rápidos, e uma bomba de baixa vazão e alta pressão é empregada para a execução do trabalho que exige mais força.
Uma válvula de descarga desvia a vazão da bomba de alta vazão para o tanque quando a pressão de trabalho é atingida.

Aula 9: Válvulas de Pressão

Aula 10: Válvulas Direcionais

Aula 11: Válvulas de Vazão

Aula 12: Atuadores Rotativos