Hidráulica
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2.2.2. Cilindros e motores hidráulicos
É preciso que se apresente a energia hidráulica realizando o trabalho mecânico.
O trabalho mecânico pode ser produzido de duas formas diferentes: a giratória, realizada pelos motores hidráulicos; e a linear, realizada pelos cilindros. É importante conhecer melhor cada uma delas. De modo geral, todas as bombas vistas anteriormente são, potencialmente, motores hidráulicos giratórios. Nas bombas, é imposta uma relação “torque X velocidade angular” (energia) para
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No caso dos motores, esses binômios são invertidos, forçando uma relação “pressão X vazão” e é obtido no eixo um binômio equivalente de “torque X velocidade angular”.
Os motores hidráulicos são muito utilizados em situações nas quais se requer potência para movimento ou nas situações em que motores a combustão ou elétricos não são viáveis (exemplo: motores submersos, ou que trabalham em ambientes explosivos) ou em locais onde a transmissão mecânica não é viável.
Os cilindros hidráulicos também são motores, porém, são motores lineares e possuem a característica de que seu movimento é limitado ao curso de um êmbolo. Normalmente, esses cilindros são utilizados mais para gerar força mecânica para a realização de um trabalho do que para gerar movimento, como no caso dos motores giratórios. Dessa forma, é dito que os cilindros hidráulicos têm por função realizar movimentos retilíneos e transmitir força.
Basicamente, o cilindro hidráulico se compõe de um cilindro e um êmbolo, a exemplo de uma seringa de injeção. Se fechado todo o êmbolo e soprado pelo bocal onde se fixa a agulha, vê-se o êmbolo se mover para fora da seringa.
A força máxima de um cilindro é função da área útil do êmbolo e da pressão máxima de trabalho admissível:
F = P
.
AA velocidade do êmbolo vai depender da vazão do fluido no cilindro. De qualquer forma, pode-se dizer que o binômio “força X velocidade
do êmbolo” (energia) é obtida a partir do binômio “pressão x vazão”
do fluido aplicado (energia). Conforme sua construção, os cilindros podem gerar forças de tração ou compressão.
Capítulo 2. Hidráulica
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a) Tipos de cilindros
Cilindro de ação simples
• : esse tipo de cilindro pode
transmitir força em apenas um sentido. O retorno depende de ação externa.
Cilindro com retorno por mola
• : nesse caso, o cilindro também
tem ação simples, mas o retorno não depende de ação externa, pois ocorre em função de mola. Esse tipo de cilindro é muito utilizado na Petrobras, como atuador de válvulas de segurança (SDV) devido a sua característica fail safe. Essa característica faz com que, em caso de falha hidráulica ou perda de comando, a válvula assuma uma posição segura, normalmente fechada.
Cilindro de ação dupla
• : nesse tipo de cilindro, deve-se manter
o pórtico B despressurizado e aberto e injetar fluido através do pórtico A para avançar o pistão. O retorno do pistão depende da inversão das pressões, ou seja, para retornar, é preciso despressurizar o pórtico A, mantê-lo aberto e injetar fluido pelo pórtico B. Entretanto, observe que a força aplicada depende da pressão e da área atuada.
A - Porta de admissão do fluido no cilindro
A - Porta de admissão do fluido no cilindro
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No caso desse cilindro, uma vez considerada a disposição de uma unidade de suprimento hidráulico com pressão constante, durante o processo de acionamento, a área envolvida corresponde ao círculo completo da superfície do êmbolo. Entretanto, no retorno, a área corresponde apenas a uma coroa circular da superfície do êmbolo, ao redor do eixo do pistão, que é menor do que a área. Dessa forma, a força aplicada durante o avanço é maior do que a força aplicada durante o retorno. Como o volume da câmara de retorno é menor e ela pode ser preenchida mais rapidamente do que a de avanço, a velocidade de retorno é maior que a velocidade de avanço.
Cilindro com haste dupla ou passante
• : esse tipo de cilindro
opera como um cilindro de dupla ação, mas como as áreas em ambas as câmaras são iguais, fica garantido que as forças e as velocidades se igualam em ambas as direções - de atuação e de retorno. B - Porta de admissão do fluido no cilindro A - Porta de admissão do fluido no cilindro Cilindro telescópico
• : com esse tipo de construção, consegue-
se grandes cursos utilizando reduzido espaço para montagem. A altura de montagem praticamente corresponde ao primeiro estágio do cilindro.
A - Porta de admissão
Capítulo 2. Hidráulica
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A B
Ação dupla
b) Cuidado com o dimensionamento de cilindros
Sendo um equipamento real, o cilindro de acionamento está sujeito a limitações físicas. Uma delas é a deformação por excesso de carga que pode ocorrer na haste do êmbolo. Essa deformação é chamada de flambagem. Essa deformação é chamada de flambagem e, via de regra, pode ser calculada através da fórmula de Euler, considerando que seu diâmetro, na maioria das vezes, é pequeno em relação ao seu comprimento. Carga de flambagem:
¶
2.
E . J
K =
sK
2 Onde:sK2 = comprimento livre de flambagem em cm
E = módulo de elasticidade (Kp/cm2) = 2,1 x 106 para o aço
J = Movimento de inércia (cm4) para seção circular
Carga máxima de trabalho:
Força = K/S
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O comprimento a ser considerado livre de flambagem, pode ser determinado nas distintas formas de carregamento, de acordo com a fórmula de Euler. Para os cálculos, a rigidez adicional fornecida pelo tubo é desprezada. Isso assegura aos cilindros standard a necessária segurança para absorver as tensões de flexão adicionais.
F L F L F L F L F L L L L F F F L L F L L F Caso 1 Caso 2
(basico) Caso 3 Caso 4
Uma extremidade
livre, outra fixa Duas extremidadesarticuladas Uma extremidadearticulada e outra fixa Duas extremidadesfixas
Solicitações segundo carga de Euler
Representação esquemática
comprimento sem flambagem
Situação de montagem do cilindro hidráulico
Guiar a carga com cuidado, porque há possibilidade
Inadequando, provável ocorrência
Capítulo 2. Hidráulica
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c) Aplicação para cilindros hidráulicos
Há uma grande quantidade de aplicações possíveis no cotidiano para os cilindros hidráulicos. Bons exemplos são a utilização dos cilindros nas cadeiras dos dentistas (regulagem), nos caminhões de coleta de lixo (acionamento da caçamba), entre outras.
Nas plantas de processo, entretanto, a utilização mais significativa é como atuadores de válvulas.
2.2.3. Válvulas
Sabendo-se sobre a geração de potência hidráulica (bombas) e a transformação de energia hidráulica novamente em movimento ou trabalho mecânico (cilindros e motores), serão verificados, em seguida, como direcionar, regular, bloquear e liberar essa energia hidráulica, de forma que ela efetivamente realize aquilo que se deseja, no momento em que se deseja. Esse é o papel das válvulas no circuito hidráulico.
a) Tipos de válvulas
Existe, no mercado, uma infinidade de válvulas para atender aos requisitos dos circuitos. Muitas são desenvolvidas especificamente para as aplicações a que se destinam.
Válvulas
• fail safe (falha segura): são válvulas acionadas através
de comando hidráulico, que retornam à posição fechada por ação de mola. Isso garante que na falha de comando ou energia, assuma a posição segura. O tipo de montagem apresentada é comum para válvulas gaveta:
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Funcionamento interno
Vista externa da válvula
Válvulas de manobra
• : são válvulas utilizadas para alinhamento
de tanques. Em alguns casos - no carregamento de navios, por exemplo - podem possuir aberturas proporcionais às operações.
Capítulo 2. Hidráulica
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Nas ilustrações a seguir, verifica-se dois cilindros de ação simples, conectados a um mesmo eixo, cumprindo a função de cilindro de dupla ação. Uma cremalheira transforma o movimento linear do eixo em movimento rotativo para a válvula. Esse tipo de montagem é comum para válvulas do tipo esfera ou borboleta. Nesse tipo de válvula, quando há falta de energia, a válvula é mantida na última posição.
Válvula de manobra - vista externa
Válvula de manobra - funcionamento
Válvulas de bloqueio
• : constituem o tipo mais simples de
válvula e nada diferem das utilizadas em processo, por exemplo. As válvulas de bloqueio em circuitos hidráulicos, na maioria das vezes, são atuadas manualmente e têm por objetivo isolar determinadas partes do circuito, por razões operacionais ou de manutenção. A maioria das válvulas de bloqueio utilizadas em circuitos hidráulicos é do tipo esfera ou plug. Alguns também consideram a válvula de bloqueio como direcional. Sua simbologia em circuito hidráulico, na maioria das vezes, segue a simbologia usual de válvula:
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Simbologia usual:
Simbologia como válvula direcional:
A
P
Válvulas de retenção
• : também chamadas de check valves, em
circuitos hidráulicos têm a função de bloquear a passagem de fluido em um sentido e permitir passagem livre no outro. A ilustração a seguir mostra uma válvula de retenção simples, na qual o elemento de retenção é um assento móvel (plug) pressionado contra uma sede, por mola.
Assento móvel Mola
Funcionamento
Simbologia
Válvulas limitadoras de pressão diretamente operadas: •
são válvulas baseadas no equilíbrio de forças sobre um plug. Enquanto a força da mola for maior do que a força gerada pela pressão interna do sistema sobre a área do plug, a válvula permanece fechada e a pressão interna é mantida. A partir do momento em que a pressão interna gerar força superior à da mola, o plug é deslocado e a válvula abre, ocasionando alívio da pressão. Normalmente, como apresentado na ilustração a seguir, existe um ajuste na tensão da mola de forma a variar o
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P
T
SimbologiaT
A
P
1 2 3 1 - Plug 2 - Mola 3 - Passagem de alívio do fluido P - Pressão A - Atuação T - Tanque ou reservatório de retorno do fluido P A 6 2 1 5 4 3 1 - Corpo da válvula2 - Castelo da válvula(parte externa) 3 - Mola
4 - Parafuso de ajuste 5 - Plug
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As válvulas limitadoras de pressão são normalmente utilizadas como válvulas de segurança (PSV – Pressure Safety Valves), de forma a evitar que defeitos no sistema ou erros operacionais acabem por provocar ruptura de conexões, tubulações ou vasos, o que pode causar graves acidentes.
Válvulas reguladoras de pressão diretamente operadas
• : apesar
de não serem muito usadas na maioria dos circuitos hidráulicos convencionais, são utilizadas principalmente dentro do E&P, em unidades hidráulicas para comando de poços e para sistemas de carregamento e lastro em plataformas offshore. Nesses casos, deseja-se pressão constante com vazões variáveis, para as quais as válvulas reguladoras de pressão são fundamentais. Essas válvulas são, em verdade, válvulas redutoras ou limitadoras de pressão. A diferença é que trabalham a maior parte do tempo abertas. Esse tipo de válvula necessita, em geral, de dreno para tanque, para alívio de pequenas câmaras internas da válvula, permitindo um funcionamento adequado.
As válvulas reguladoras só permitem vazão em um sentido. Caso se queira sentido inverso de vazão, deve-se associar uma válvula de retenção com sentido de fluxo inverso ao da válvula.
P A
Simbologia
Na maioria das vezes, essas válvulas são pilotadas para reduzir o tamanho da mola necessária para equilibrar a alta pressão de trabalho.
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Válvulas controladoras de vazão
• : são válvulas cuja função é
reduzir a vazão em determinados ramos do circuito hidráulico, de forma ajustável. São, em geral, válvulas do tipo agulha, e são bastante utilizadas quando se deseja regular o tempo de abertura de excursão de um cilindro, evitando “pancadas” nas extremidades. Essas válvulas atuam pelo ajuste do orifício de restrição que introduzem na linha.
Válvula controladora de vazão e simbologia
Válvulas direcionais hidráulicas
• : constituídas por um corpo
com passagens internas, que são conectadas ou desconectadas, conforme a posição de suas partes móveis. Possuem esse nome porque o seu objetivo é direcionar a vazão do fluido ou a pressão de acionamento para um ou mais caminhos.
Simbologia e identificação das válvulas direcionais hidráulicas:
as válvulas direcionais são identificadas nos circuitos hidráulicos por meio de símbolos gráficos, cujas características mais importantes a serem representadas são o número de posições, o número de vias, a posição normal da válvula e a forma de atuação.
Número de posições: as válvulas são representadas por
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02 Posições 03 Posições
Número de vias: corresponde ao número de conexões úteis
que uma válvula pode assumir:
02 Vias 03 Vias 04 Vias
As vias podem ser de passagem ou de bloqueio .
Assim, nos quadrados, encontram-se vias de passagem de bloqueio e suas combinações.
Passagem Bloqueio Ambas Ambas
É importante observar que o número de quadrados pode ser variável, mas o número de vias expostas em cada um deve ser o mesmo em cada válvula:
Posição normal da válvula: corresponde à posição dos
internos da válvula em situação de repouso ou não operada. Essa posição, normalmente, é garantida por força de mola. Em alguns casos, essa posição é indiferente e garantida por um travamento hidráulico. Na posição normal das válvulas
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2 vias / 2 posições
É o tipo mais simples de válvula, equivalente à uma válvula de bloqueio simples.
A
P
3 vias / 2 posições
É o tipo utilizado em acionamentos hidráulicos de válvulas com atuadores de retorno por mola (SDVs, BDVs, ADVs etc.). Na posição de repouso, o atuador (pórtico A) fica alinhado para tanque (pórtico T), enquanto o sistema de pressão (pórtico P) está bloqueado. Quando atuada, alinha o pórtico P com o A, enviando fluido pressurizado para o atuador. Nesse caso, o pórtico de retorno a tanque (T) fica bloqueado.
A
P T
4 vias / 2 posições
É o tipo utilizado em acionamentos hidráulicos de válvulas com atuadores de dupla ação (válvulas de alinhamento – XVs). Supondo que os pórticos A e B estejam conectados às câmaras de ambos os lados de um atuador, ela alterna os alinhamentos de pressão e retorno, abrindo ou fechando a válvula comandada.
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Alta Competência
4 vias / 3 posições
É utilizada no acionamento hidráulico de válvulas com atuadores de dupla ação (válvulas de alinhamento – XVs), em que se pretende manter a válvula acionada aberta em posições intermediárias (20%, 30%, 50% etc.). Funciona de forma parecida com a anterior. Entretanto, na posição central de repouso, bloqueia todos os pórticos, garantindo que a pressão fique “trapeada” e a válvula acionada permaneça na posição.
A B
P T
• Tipo de acionamento para válvulas direcionais
O tipo de acionamento define a função da válvula no circuito. Existem muitas formas de acionar uma válvula direcional. O acionamento pode ser manual, mecânico, pneumático, hidráulico ou elétrico (em geral por