Manual de Hidráulica Básica

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R121m Racine Hidráulica

Manual de hidráulica básica. Porto Alegre, 1981 - 3.' Edição.

323p, ilust.

1. Hidráulica. 1. Título.

CDU 532

Preparada pelas bibliotecárias: Esther Eunice Lindemayer e Paulete Golbert

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. MANUAL DE

HIDRÁULICA BÁSICA

Rexnord

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Racine Hidráulica Ltda.

1981

3.ª Edição

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NOTA /7 CAP.! CAP. II CAP.lll CAP. IV CAP. V CAP. VI CAP. VII INTRODUÇÃ0/9 1. Um pouco de história/9 2. Conceitos/10

3. Classificação dos sistemas hidráulicos/10 4. Esquema geral de um sistem·a hidráulico/11

5. Vantagens e desvantagens dos sistemas hidráulicos/11

CONHECIMENTOS FUNDAMENTAIS/13 1. Lei de Pascal/ 13

2. Princípio da conservação da energia/ 14

3. Força e pressão/15 4. Pressão hidrostática/15

5. Princípio de Bernoulli/17

6. Escoamento do fluido em tubulações/IS

7. Vazão em tubulações/19 ·

8. Perda ·de carga na linha de pressão de um sistema hidráulic0/20 9. Cálculos/21 10. Exemplos de cálculos/27 SIMBOLOGIA/33 1. Representação básica/33 2. Dutos/34 3. Reservatórios e acumuladores/35 4. Condicionadores de fluido/36 5. Atuadores lineares/37 6. Comandos e controles/38 7. Dispositivos rotativos/39 8. Instrumentos e acessórios/41 9. Válvulas de controle direcional/42 10. Válvulas de controle de pressão/43

11. Válvulas de controle de vazão/44 FLUIDOS HIDRÁULICOS/45

1. O Óleo mineral/45

2. Fluidos resistentes ao fogo/50 3. A hora da troca. Procedimentos/54 RESERVATÓRIOS E ACESSÓRIOS/55 1. As funções do reservatório/55 2. Construção do reservatório/55 3. Acessórios/61 4. Considerações finats/63 FILTROS/65

1. Princípio de filtragem mecânica/65 2. Exemplo de aplicação/69

3. Considerações finais/70 CILINDROS/73

1. Tipos de ctlindros/74 2. Vedações nos cilindros/78 3. Aplicações/82

4. Cálculos/84

CAP. Vlll CAP. IX CAP.X CAP. XI CAP. XII CAP. XIII CAP. XIV CAP.XV CAP. XVI CAP. XVII BOMBAS/127 1. Conceito/127 2. Tipos de bombas/128

3. Cuidados na instalação de bombas/141 4. Procedimentos no momento da troca/144

5. Considerações finais/145

VÂLVULAS REGULADORAS DE PRESSÃ0/149 - Considerações iniciais/149

1. Válvulas de alívio e segurança/150 2. Válvula de descarga/157

3. Válvula de contrabalanço/159 4. Válvula de seqüência/161 5. Válvula redutora de pressão/163 6. Válvula supressora de choque/164 7. Observações finais - sumário/165

- VÂLVULAS DE CONTROLE DIRECIONAL/167

1. Considerações iniciais/168 2. Tipos de válvulas direcionais/168

VÂLVULAS REGULADORAS DE VAZÃ0/189 1. Introdução/189

2. Princípio de funcionamento/189

3. Tipos de válvulas reguladoras de vazão/ 190

4. Tipos de aplicação de válvulas reguladoras de vazão/194 5. Observações fin~is/199

ATUADORES ROTATIVOS/203

!. Introdução/203

2. Os motores hidráulicos/203 3. Os osciladores hidráulicos/21 &

ACUMULADORES HIDRÂULICOS/223

1. Tipos de acumuladores - classificação construtiva/223 2. Considerações sobre que tipo de acumuladores empregar/229 3. Aplicações/229

4. Dimensionam·ento/237

5. Observações finais/244

INTENSIFICADORES DE PRESSÃO - "BOOSTERS"/247 1. Tipo de intensificadores de pressão/24 7

2. Exemplos de aplicação/251

3. Características dos intensificadores de ação contínua RACINE/253 4. Observações finais/254 TROCADORES DE CALOR/259 1. Resfriadores/259 2. Aquecedores/266 OUTROS EQUIPAMENTOS/267 1. Motor elétrico/267 2. Acoplamentos elásticos/ 3. O bloco ''manifold"/273 4. Manômetros/275 5. Termômetros/278 6. O pressostato/279 7. O limitador de curso/281 8. O relé de tempo/284 9. Observações finais/284

FORMULÂRIOS, TABELAS DE CONVERSÃO E UNIDADES DE MEDIDAS/287 1. Fórmulas mais utilizadas/287

2. Unidades de Medidas/291

3. Tabelas de conversão de unidades/298 4. Outras tabelas, diagramas e ábacos/303

Siglas/315 Alfanuméricos/321 Bibliografia/322 Recibo do Manual/323

A RACINE HIDRAULICA LTDA., empresa filiada ao grupo REXNORD, vem há

alguns anos, através de seu Departamento de Engenharia de Treinamento, ministrando cur-sos que visam dar melhor aprimoramento técnico hidráulico aos funcionários das empresas

que utilizam seus produtos.

Nesses cursos, procura-se desenvolver não só a parte prática do funcionamento do equipamento, mas, fambém, a teoria necessária para os cálculos analíticos e gráficos.

Dentre os diversos cursos ministrados, o primeiro deles intitula-se "HIDRAULICA BASICA". Dessa forma, surgiu a idéia de se fazer um manual que serviria de base para

o acompanhamento desse curso, e de esteio para os cursos subseqüentes.

Assim sendo, nós da RACINE, apresentamos este trabalho que, esperamos, consiga atingir os objetivos a que se propõe.

1 - INTRODUÇÃO

l. UM POUCO DE HISTÔRIA

Existem apenas três métodos conhecidos de transmissão de potência na esfera comercial:(1) a mecânica,(2) a elétrica e (3) a fluí dica.

N aturahnente, a transmissão mecânica é 3: mais velha delas, por conseguinte, a mais conhecida.

Começou com o "ilustre desconhecido" inventor da roda e utiliza hoje de muitos outros artifícios

mais apurados como engrenagens, carnes, correias, correntes, molas,.polias e outros.

A elétrica, que usa geradores, motores elétricos, condutores e uma gama muito grande de outros componentes, é um desenvolvimento dos tempos modernos. É o único meio de se transmitir energia a grandes distâncias.

A força fluida tem sua origem, por incrível que pareça, a milhares de anos antes de Cristo. O

marco inicial, de que se tem conhecimento, foi o uso da potência fluida em uma roda d'água, que emprega a energia potencial da água armazenada a uma certa altura, para a geração de energia. Os romanos por sua vez, tinham um sistema de armazenamento de água e transmissão, através de canais ou dutos para as casas de banho ou fontes ornamentais.

O uso do fluido sob pressão, como meio de transmissão de potência, já é mais recente, sendo que o seu desenvolvimento ocorreu, mais precisamente, após a primeira grande guerra.

Os fatos mais marcantes da história da energia fluida poderiam ser relacionados como os seguintes:

• Em 1795, um mecan1co inglês, Joseph Bramah, construiu ·a primeira prensa hidráulica, usando como meio transmissor, a água;

• Em 1850, Armstrong desenvolveu o primeiro guindaste hidráulico, e para fazê.Jo, desen· volveu, também, o primeiro acumulador hidráulico;

• Em 1900, a construção da primeira bomba de pistões axiais nos Estados Unidos, ocorrendo aqui, a substituição da água por óleo mineral, com muita vantagem.

Hoje, com o desenvolvimento de novos metais e fluidos obtidos sinteticamente, a versatilidade e a dependência do uso da transmissão de força fluida torna-se evidente, desde o seu uso para um simples sistema de frenagern em um automóvel até a -sua utilização para complexos sistemas das aeronaves modernas e até mísseis.

Nos dias atuais, sem a energia fluida, a tecnologia moderna seria impossível. Onde você poderia encontrar potência suficientemente grande para erguer um caminhão de grande tonelagem, ou suficientemente pequena para prender um ovo sem furar sua casca?

10 Manual de hidráulica básica

2. CONCEITOS

Daremos a seguir algumas definições que se aplicam ao nosso estudo: Fluido:

Qualquer substância capaz de escoar e assumir a forma do recipiente que o contém. Como

estamos tratando apenas de sistemas hidráulicos, o fluido que nos interessa é o óleo hidráulico. O Flui-do pode ser líquiFlui-do ou gasoso.

Hidráulica:

Ê a ciência que estuda líquidos em escoamento e sob pressão. No nosso estudo; tratamos apenas da óleo-hidráulica que é um ramo da hidráulica que utiliza o óleo como fluido.

Sistemas óleo-hidráulicos:

São sistemas transmissores de potência ou movimento, utilizando como elemento transmissor o

óleo que, sob pressão, é praticamente incompressível. Os sistemas óleo-hidráulicos podem ser

classificados de duas formas: estáticos e cinéticos. Sistemas óleo-hidráulicos estáticos:

São sistemas onde a energia utilizada é a potencial, com o fluido sob alta pressão e baixa

velocidade. Atualmente, tem-se conseguido atingir até 1000 bar (14507,43 psi) Sistemas óleo-hidráulicos cllléticos:

São sistemas onde a energia utilizada é a cinética, para a transmissão de potência. Em outras

palavras, é utilizado o fluido animado a altas velocidades, em tomo de 50m/seg (180km/h).

Nosso estudo se voltará mais aos sistemas óleo-hidráulicos estáticos aplicados, por exemplo, em prensas, guindastes, máquinas-ferramenta, ~jetoras de plásticos, etc.

Os sistemas óleo-hidráulicos estáticos são também denominados simplesmente óleo-hidráulicos.

3. CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS lilDRÁULICOS

Os sistemas hidráulicos podem ser classificados de diversas maneiras. 3.1. De acordo com a pressão:

Segundo a J.I.C. (Joint lndustry Conference), extinta em 1967 e a atual NFPA (National Fluid

Power Association), classificamos, quanto a pressão da seguinte forma:

O a 14 bar 14 a 35 bar 35 a 84 bar 84 a 210 bar Acima

de

210 bar (O a 203,10 psi) (203,10 a 507,76 psi) (507,76 a 1218,62 psi) (1218,62 a 3046,56 psi) (Acima de 3046,56 psi) 3.2. De acordo com a sua aplicação:

- Baixa pressão - Média pressão - Média-alta pressão - Alta pressão - Extra-alta pressão

São classificados em sistemas de pressão contínua ou em sistemas de pressão intermitentes.

3.3. De acordo com o tipo de bomba:

Clà.ssificamos em sistemas de vazão constante ou vazão variável.

1

Introdução 11

3.4. De acordo com o controle de direção:

Sistemas de uma via (controlado por válvulas) ou de duas vias (com bombas reversíveisJ.

4. ESQl.JEMA GERAL DE UM SISTEMA HIDRÁULICO

De acordo com o tipo de aplicação, existe uma grande infinidade de tipos de circuitos hidráulicos, porém, todos eles seguem sempre um mesmo esquema, que poderíamos dividir em três partes principais:

4.1. Sistema de geração

É constituído pelo reservatório, filtros, bombas, motores, acumuladores, intensificadores de

pressão e outros acessórios.

4.2. Sistema de distribuição e controle

Constituído por válvulas controladoras de vazão, pressão e direcionais.

43. Sistema de aplicação de energia

Aqui, encontramos os atuadores, que podem ser cilindr~s, motores hidráulicos e osciladores.

Simbolicamente, podemos exemplificar o que foi explanado acima, através da fig. I. l.

Sistema gerador Transmissão Sistema de controle Transmissão

Fig. 1.1 - Esquema de um sistema hidráulico.

5. VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS

Atuadores

O sistema hidráulico é ·empregado quando se tenta evitar ou é impossível empregar-se sistemas mecânicos ou elétricos.

Fazendo uma comparação entre estes três sistemas, analisamos as vantagens e desvantagens do emprego dos sistemas hidráulicos.

5.1.Vantagens

- Fácil instalação dos diversos elementos, oferecendo grande flexibilidade, inclusive em espaços

reduzidos. O equivalente em sistemas mecânicos já não apresenta essa flexibilidade;

- Devido a baixa inércia, os sistemas hidráulicos permitem uma rápida e suave inversão de

movimento, não ocorrendo o mesmo nos sistemas mAcânicos e elétricos;

- Possibilidade de variações micrométricas na velocidade. Já os sistemas mecânicos e elétricos

só as tem escalonadas e de modo custoso e difícil;

- São sistemas autolubrificados, não ocorrendo o mesmo com os mecânicos ou elétricos;

12 Manual de hidráulica básica

- Têm pequeno peso e tamanho com relação a potência consumida em comparação aos

sistemas elétricos e mecânicos;

- Possibilidade de comando por apalpa dores ( copiadores hidráulicos);

- São sistemas de fácil proteção em comparação aos mecânicos e elétricos;

- O óleo hidráulico é um excelente condutor de calor, o que inclusive é um fator importante no dimensionamento do reservatório que poderá servir ~orno trocador de calor, etc.

5.2. Desvantagens

- Seu custo é mais alto em comparação aos sistemas mecânicos e elétricos; - Baixo rendimento, que é devido a três fatores:

a) transformação de energia elétrica em mecânica e mecânica em hidráulica para,

poste-riormente, ser transformada novamente em mecânica; b) vazamentos internos em todos os componentes; e) atritos internos e externos;

- Perigo de incêndio pois o óleo, normalmente, é fuflamável. Atualmerite tem-se empregado em certos casos fluidos resistentes ao fogo que, na realidade, apenas evitam a propagação do fogo, como veremos mais adiante.

5.3. Comparações com sistemas pneumáticos

Os sistemas hidráulicos possuem um controle de força (pressão) e velocidade ( vazão) mais

apurado do que os sistemas pneumáticos, além de poderem trabalhar em pressões bem mais elevadas, possibilitando assim uma transmissão de potência maior. ferdem apenas no custo onde os sistemas pneumáticos apresentam um investimento menor.

Conhecimentos fundamentais ₁₃

II - CONHECIMENTOS FUNDAMENTAIS

Assim como qualquer outra ciência, a hidráulica necessita de conhecimentos básicos, a fim de que consigamos obter dela, aquilo que realmente necessitamos. De nada adiantaria, por exemplo,

tentarmos efetuar uma operação de multiplicação sem antes sabermos a tábua da soma. Dessa forma, este capítulo tratará desde os princípios fuodarnentais da hidráulica até os cálculos mais empregados na prática.

1. LEI DE PASCAL

Blaise Pascal enoociou vários princípios aplicados a hidráulica, entre eles, o que mais se destaca, é o "Princípio Fundamental da Hidráulica", que diz:

"Toda a pressão aplicada sobre um fluido confinado a um recipiente fechado, age igualmente em todas as direções dentro da massa fluida e perpendicularmente às paredes do recipiente."

Fig. 11.1 - Lei de Pascal.

A figura 11.1. ilustra esse princípio. Os movimentos e forças podem ser transmitidos através do

fluido que age de acordo com o princípio da Lei de Pascal. Se aplicarmos uma pressão no ponto "A", essa mesma oressão será re1üstrada no manômetro no nonto "B".

14 Manual de hidráulica básica

2. PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA

Não se consegue criar ou destruir energia. A energia provém da natureza Por exemplo, o calor de uma caldeira provém da queima do óleo que provém do petróleo; a energia elétrica pode ser obtida por hidrelétricas (água), usinas termelétricas (carvão), usinas termonncleares (urânio e derivados). Assim, como podemos ver, toda matéria-prima provém da natureza. Nós não criamos a energia, ela já está lá, sob outra forma. .

Podemos, também, fazer a transformação da energia. Por exemplo, em uma usina hidrelétrica transformamos a energia potencial - derivada do armazenamento de água - em energia elétrica.

Observando isso, podemos relembrar um princípio enunciado por Lavoisier: "Na natureza nada se cria e nada se perde, tudo se transforma". Ora, como a energia provém da natureza, podemos dizer, também, que não podemos nem criar ou destruir energia, porém, podemos transformá-la.

Assim, é comum vermos em sistemas hidráulicos a energia elétrica transformada em mecânica (motor elétrico acionando bomba) e esta última transformada em hidráulica (energia mecânica transferida ao óleo através da bomba).

Na figura II.2. vemos a transformação da energia (força) mecânica transformada em hidráulica e transformada novamente em mecânica.

2000kg IOOOkg

Pistão "A" _{Pistão "D"}

50cm2

Fig. 11.2 - Princípio da conservação da energia.

Na figura II.2. podemos observar que o peso de 2.000kg é movimentado em uma distância de I centímetro por um outro peso de l.OOOkg que se desloca 2 centímetros, em virtude de que a área do pistão "A" é duas vezes menor do que a do "B". Vimos que ccim um peque.no esforço e grande deslocamento, conseguimos um grande esforço com pequeno deslocamento representando trabalhos iguais (fo,ça x deslocamento).

Obsetve-se que a hidráulica obedece o "Princípio da Alavanca", isto é, vejamos a figura 113. Notamos que o peso de SOkg equilibra outro de !OOkg a partir de um apoio colocado a 2 metros do primeiro peso e a 1 metro do segundo. Se colocássemos o primeiro peso a 3 metros do apoio mantendo a mesma distância para o segundo, a barra penderia para a esquerda apesar de que SOkg é menor do que !OOkg.

Vemos, portanto, que o paralelo que se estabelece entre o princípio da alavanca e a hidráulica, é que nesta última, podemos equilibrar dois pesos distintos desde que, haja uma relação entre as áreas envolvidas, enquanto que na alavanca, o comprimento da barra é o fator importante. Saliente-se ainda que, utilizando-se desse princípio na hidráulica, consegue-se obter grandes forças a partir. de uma oeauena forca fornecida.

1

Conhecimentos fundamentais

50 kg 2m 3. FORÇA E PRESSÃO 50 kg lm IOOkg

Fig. 11.3 - Princípio da alavanca.

15

IOOkg

lm

Podemos definir força, com qualquer causa capaz de realizar trabalho. Por exemplo, se quizermos movimentar um corpo qualquer, deverp.os aplicar uma força sobre ele. O mesmo ocorre' quando quizermos pará-lo.

Se, por outro lado, aplicarmos uma força "F" sobre uma superfície "A", definimos como pressão "P", a razão entre a força "F" e a superfície "A", de forma que, saberemos dizer a força aplicada por unidade de área considerada. Por exemplo, se temos uma dada pressão igual a 30kg/cm2

distribuída em uma superfície de 30cm2, dizemos que a cada quadrado de lado igual a lcm da

superfície considerada, temos atuando uma força de 30kg e podemos dizer, ainda, que temos 900kg de força atuando sobre o corpo.

Portanto:

ou ainda,

onde, P = pressão F = força

A= área

Na óleo-hidráulica dizemos que existe pressão em determinada parte do circuito hidráulico, quando existe resistência ao fluxo de óleo gerado pela bomba. A bomba nunca gera pressão, gera somente vazão de óleo. As resistências encontradas pelo óleo na sua- trajetória são as responsáveis pela geração da pressão.

A pressão é, normalmente, expressa por kg/cm2, PSI (pounds per square inches - libras por polegadas quadradas), bárias ou atmosferas. Porém de acordo com o sistema internacional de medidas, a pressão deve ser expressa em bar.

4. PRESSÃO HIDROSTÃTICA

A terra encontra-se envolta por uma camada de ar que é composta de oxigênio, nitrogênio e gases raros. A essa camada, damos o nome de atmosfera. Essa camada de ar possui um peso

1

i'

16

Manual de hidráulica básica

determinado e, a partir disso, ao nível do mar (nível= zero),

ficou convencionado dizer-se que, a pressão exercida pela coluna de ar, é igual a 1 atmosfera (latm).

Suponhamos que temos um reservatório com líquido, como na figura 11.4,

ao nível do mar. O,OOm

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Fig. 11.4 - Pressão atmosférica.

A pressão aplicada ao fluido, que como vimos pelo princípio de Pascal,

é distribuída igualmente por toda a parede do reservatório, será igual a latm.

Devemos observar que, se o peso do ar tem influência, então, o

peso da coluna de fluido em um certo reservatório também terá no cálculo da pressão total. Portanto,

a pressão existente em qualquer ponto da massa fluida, será igual à soma da pressão atmosférica

com a pressão exercida pela coluna fluida sobre esse ponto. A essa pressão, damos o nome de, pressão

hidrostática. Vale demonstrarmos aqui, uma experiência que resolvemos

denominar de "experiência do manômetro".

Veja a fig. II. 5. Suponhamos que temos dois reservatórios, um com lcm de diâmetro e outro com 20cm. Em ambos colocamos água, (densidade da água= m/v

= lkg/dm3), a uma altura de 10

metros, correspondente às posições dos manômetros.

A pressão marcada por ambos os manômetros será de lkg/

cm2, pois, aos manômetros não

interessa os diâmetros dos reservatórios, já que eles estão calibrados para

ler a força aplicada por cm2 da área livre do líquido.

lcm

20cm

-f

r-f

1000cm

1-.·· . . . .

Fig. 11.5 - Experiência do manômetro.

Conhecimentos fu.ndamentais 17

No reservatório maior temos uma maior força aplicada sobre sua b~se em virtude de sua área exposta a pressão ser maior do que a área do reservatório pequeno.

Pode-se fazer uma verificação prática da variação da pressão corri ~· variação da coluna do líquido.

A fig. II.6., mostra um reseJ:Vatório com 3 furos laterais. No furo riiaiS próximo da base sai o jato mais forte, pois, quanto mais próximo da base estivermos, maior ser~.a'·pressão hidrostática e o

jato de líquido irá mais longe. .

Fig. 11.6 - Variação da pressão com a altura da coluna üqÇidl'!,.

S. PRINCIPIO DE BERNOULLI

Observemos a fig. II. 7 .. Temos duas cámaras "A" e "B" com um tubo de interligação de pequeno diâmetro "C". Suponhamos aplicado sobre o pistão da câmara

/'A"

uma força "F" que origine uma pressão de lOObar. O óleo tende a escoar pelo duto "C":' até a câmara "B", onde reproduz a mesma pressão de lOOatm Se colocarmos um manômetro no

h'.1.bO

"C" verificaremos que a leitura será menor do que 100 bar.

lOObar

A

...

·,

·,

1' •• ••• lOObar •

..

B

Bernoulli, então, enunciou o seguinte princípio; "A soma da pressão e energia cinética, nos vários pontos de um sistema, é constante, para uma vazão constante".

No nosso caso, a pressão em "C" será menor porque aí é maior a velocidade do fluido. Portanto, a pressão estática de um líquido em movimento varia em relação inversa a sua velocidade,

i.é, quanto mais aumentarmos a velocidade do fluido, mais diminuiremos sua pressão.

6. ESCOAMENTO DO FLUIDO EM TUBULAÇÕES

Os fluidos possuem uma característica inerente de sempre percorrer "o caminho mais fácil", i.é,

se o fluxo pode optar por 3 caminhos ( dutos) diferentes em um sistema hidráulico, é certo que ele optará pelo caminho mais fácil.

Suponhamos ter um duto em cuja extremidade exista uma ramificação para três outros dutos, "A",. "B" e "C". No duto "A" temos uma válvula de seqüência que, para ser aberta, exige uma pressão de 50 bar;· no duto "B" temos a sua extremidade ligada à tomada de um cilindro que necessitará de 20 ba.:r de pressão para efetuar um trabalho qualquer. No duto "C", uma válvula de alívio que abrirá quando for atingida a pressão de 70 bar. dirigindo o fluido para tanque.

O comportamento do fluxo será de primeiro transpor o duto "B" acionando o cilindro, para depois transpor o duto "A" abrindo a válvula de seqüência, e efetuando outro trabalho qualquer, para, finalmente, transpor o duto "C", abrindo a válvula de alívio e dirigindo-se para o reservatório.

Existem dois tipos de escoamento a serem estudados; o escoamento laminar e o escoamento turbulento.

O tipo de escoamento depende de vários fatores, entre eles, a rugosidade interna e o diâmetro do tubo onde ocorre o escoamento, a velocidade e viscosidade do fluido, etc.

Para se saber quando o regime de escoamento é laminar ou turbulento devemos definir o número de Reynolds "R".

O número de Reynolds é dado pela razão do produto da velocidade do fluido com o diâmetro do duto pela viscosidade cinemática.

IR= v

~

D 1 (v para óleo a 220SSU e 38°C = 47,5 centistokes)

Quando em um determinado escoamento o número de Reynolds encontra-se na faixa de O a 2.000, dizemos que o escoamento é laminar. Se, porém, o número de Reynolds for maior .do que 3.000, dizemos que o escoamento é turbulento. Na faixa de 2.000 a 3.000 não podemos afirmar CQffi

certeza se o escoamento é laminar ou turbulento, podendo ocorrer qualquer um dos dois. V ale obser-varmos que, se no cálculo introduzirmos D effi cm,v em cm/seg e v em st, "R" resultará um número puro.

Fig. II.8 - Escoamento laminar.

, r 1 l 1 T l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l # , J

- -- - -

-Conhecimentos fundamentais

19

O ideal para circuitos óleo-hidráulicos, é que o regime de escoamento seja laminar, (R,,;; 2.000) pois, em escoamentos de regimes turbulentos, as perdas de pressão ( carga) são maiores. Sempre que possível, deve·se evitar o emprego de restrições ou curvas abruptas nos circuitos, pois, fora de dúvidas,

são um convite ao regime turbulento.

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Fig. 11.10 - Restriçõe s ou cunras abru p tas.

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Fig. 11.11 - Restrições ou curvas suaves.

7. VAZÃO EM TUBULAÇÕES

A vazão de um fluido pode ser determinada de duas formas distintas. Como ela é dada por 1/min ou g.p.m. (galões por minuto) ou m3 _{/seg., etc., podemos determiná-la pela razão do volume}

ldado do fluido por unidade de tempo ou ainda_ pelo produto da velocidade do fluido pela área à

d. o mesmo está escoando.

lo=TI (]) lo=v. Al(2) de (2) daí, lo=f -AI pois IV =fl

Porém: Generalizando: Onde, s. A=V Q=- (1)=(2) V t Q =v. A=

y_

ou v =

g_

ou A=

g_

ou V= Q . t ou t =

y_

t A V Q Q vazão v = velocidade t tempo A= área V=volume s = espaço ou curso

•

Deve-se sempre

observar

a velocidade recomendada para o escoamento do fluido. A RACINE recomenda aos seus clielltes as seguintes velocidades de escoamento para o óleo hidráulico:

- Para Sucção e Pfeenchimento: v = 60,96 a J 2! ,92cm/s (2 a 4 f t/s) · - Para Retorno:

v = 304,80 a 457,20cn{/s (10 a 15 ft/s)

- Para Retorno apó.~· haver passado por uma válvula reguladora de pressão do tipo alívio: v '= 457,20 a 76,2,20cm/s (15 a 25 f t/s)

- Para Pressão abàiio de 210 bar v

=

762,20 a 9l4;40cm/s (25 a 30 ft/s) - Para Pressão aci;,.,a de '210 bar:

v = 457,20 a 509,60cm/s (15 a 20 ft/s)

Observando-se est!].s ·.velocidades, estaremos contribuindo para que o sistema tenha escoamento laminar (menor perda d_e Ç3.rga), e o cálculo da tubulação invariavelmente resultará em um diâmetro

comercial.

8. PERDA DE CARGA NA LINHA DE PRESSÃO DE UM SISTEMA lllDRÁULICO Durante o escoarpeilto do fluido através do sistema hidráulico, pode ocorrer uma perda de pressão (mais comumeilte' denominada perda de carga), que é devida a vários fatores. Todos esses fatores entram no cálculo de perda de carga no sistema hidráulico que é feito da seguinte maneira:

L llP = f.

D.

v2:

.:Y

9,266 1 onde, 215915

l\P = perda:d~ carga do sistema em bar

f ;' fator dei fricção (número puro)

'

L U

+

Ls = comprimento total da tubulação em centímetros U = comprimento da tubulação retilínea em centímetros

Ls = compi;ililento equivalente das singularidades em centímetros D diâme.tro interno da tubulação em centímetro

v veloci~ade de escoamento do fluido em centímetros/segundo (cm/seg.)

y densidade do fluido em libras pé cúbico (kg/m3) (é igual a 881,1.para o óleo

SAE-10}.

215915x9266 = fator de::conversão para a uniformização das unidades. _,,

\ .

Esta é uma fórmula\simplificada

9. CÁLCULOS

9 .1. Determiuação do fator "f'

Esse fator "f' é devído a temperatura do fluido e rugosidade interna do duto, i.é, quanto mais rugoso for internamente.,o duto, maior dificuldade terá o óleo para escuar.

A figura a seguir J,dstra a parede interna de um duto de cobre e moléculas de óleo (polímeros)

aumentados microscopiÇari.'1.ente. Podemos notar os picos na parte interna e imaginamos a dificuldade

que os· polímeros teriaql para ultrapassá-los. Essa dificuldade gera um atrito que será o responsável pela perda de carga. ·

Conhecimentos fundamentais 21

f=~

R

Fig. II.12 - Rugosidade de um duto.

X= 64 para tubos rígidos e temperatura constante.

X= 75 para tubos rígidos e temperatura variável ou para tubos flexíveis e temperatura constante.

X= 90 para tubos flexíveis e temperatura variável.

R = número de Reynolds IR= v

~

DI, onde

v = velocidade do fluido em cm/seg. D= diâmetro interno da tubulação em cm.

v = viscosidade cinemática do ·fluido em stokes ( de 0,45 a 0,50 para o óleo

hidráu-lico).

O< R ~ 2000 escoamento laminar.

2000

<

R

<

3000 escoamento indeterminado.

R ~ 3000 escoamento turbulento.

9.2. Detenmnação de Ls, LI e L

Como salientamos anteriormente, restrições, curvas, bifurcaçõeS, etc., causam perda de carga e aquecimento do fluido. A esse tipo de perda de c~rga, damos o nome de perda de carga localizada.

A RACINE através dos seus catálogos, fornece a seus clientes, as perdas de carga que ocorrem em _cada tipo de válvula; por exemplo: a válvula de controle direcional 1/4", quando trabalhando a 200 bar e44~/mindevazão, (2902 psi) possui uma perda de carga localizada de3,Sbar (50,78 psi). Essa queda de pressão é normal em qualquer tipo d, válvula ej quanto maior for a resistência a passagem do óleo, maior será a perda de carga localizada.

Podemos observar, então, que as curvas de 90, 45.ou 30 graus, bifurcações, cotovelos, etc., também fornecem uma certà resistência ao fluxo de óleo, ocasionando, portanto, outra perda de carga localizada. Como é milito difícil se estabelecer uma queda de pressão para cada tipo de cotovelo ou

curva, etc., o que se costuma fazer é· transformar, em cálculos, esse cotovelo ou curva em um

"comprimento equivalente" de canalizaçêlo retilínea, e para tal, existem tabelas que nos auxiliam nestas transformações.

Saliente-se que estes cotovelos, curvas, registros, etc., são denominados de singularidades. A ·seguir, apresentamos uma tabela de transformação de singularidades em comprimentos equivalenÍes.

1

Fig. II.12A - COMPRIMENTOS EQUN ALENTES A PERDAS LOCALIZADAS (EM POLEGADAS DE CANALIZAÇÃO RJlTILÍNEA)

DIÂMETRO Cotovelo 90° Cotovelo 90° Cotovelo 90º Cotovelo 45º Curva 90º CUm 90°

C=•

45º Entrada normal Entrada de borda Registro de gaveta Registro de globo Registro de ângulo Tê de passagem direta Te"" _saída 1 lado Té de saída bi-lateral Saída de I Válv. de Canaliz. rei. tipo

leve R Longo R. Médio R. Curro R. L<:mgo R Curto

mm Pol

~

~ · ~

!)

~

~

le>

J-l~IAl!l!

°V

· ~

~

Válv. de pé' clivo

e

4610

Válv. de rei. tipo pes;1da

Si

3,175 1 1/8 1 3,94 1 3,94 i 3,94 1 3,94 1 3,94 1 3.94 1 3.94 1 3,94 i 3.94 1 3,94 1 JLSO 1 27.Sú j 3,94 1 l!,81 1 11,81 1 35,43 1 3.94 1 lJ.81 ! 15.75 6,350 l/4 7.87 7,87 IL81 3,94 3,94 7.87 3.94 3.94 7.87 J.94 94.4'> 51.18 3,94 19.69 19,69 70,87 7,~7 19,69 31.50 95~5 3/8 7.87 11.81 15,75 7,87 7,87 7.87 7.87 7.87 1 l);l 3,94 145.67 7S.74 7.'67 31,SO 31.50 106JO 11.81 31.50 47.2-4 12,700 1/2 11.81 15,75 19,69 7.87 7.87 11.81 7,'67 7.87 15.75 3.'l--1- l'l2.<JI 102.36 ll,81 39,37 3937 141,73 15,75 4331 62.99 15.875 ~/8 11.81 19.69 23,62 7.87 7,87 11,81 7)37 7,87 IS.75 3.94 221'\.35 122.05 11,bl 47,24 47.24 181,10 15,75 55.12 7b,74 19,050 3/4 15,75 23,6~ 27,56 ll.81 ll.81 15.75 7.87 7.87 l<l_6'J 3,<J..\ 26J.7S 1--1-1.73 15.75 55.12 55,12 220,47 19,69 70,87 9--1-.48 22.225 7/8 15,75 23.62 27.56 11.81 11.81 !J75 7J!,7 7.87 23.62 3,'J4 2<Jl..l..\ lbl.42 15.75 59.06 59,06 251.97 l<J.69 74,80 110.24 I 25.400 1 19.69 27.56 31,50 15.75' 11.81 19.(19 7,87 11.:,;1 27.:i(, 7,l7 322.63 lt\l.10 19.69 61,,9,1 6b.'l3 287.40 19.69 82,68 125.98 28,575 1.1/8 23,63 31.50 39.37 19.6') 15,75 23.(,2 l l)ll 15.7:'i 31.51J 7.87 3X'i_8.l 220.--1-7 23.1'2 7X.7--I 71'.7--1- 3--1-2.52 27.56 94.45 141.73 31.750 1.1/4 D.56 35.43 4331 19.69 15.75 23.i,2 11.81 15.75 .15.--13 7,87

34.925 1.3/8 31.50 3<J,37 47.24 23.h2 l'J.6<J 27.'iU 11.81 15.7:'i J'J.37 1 Usl 1 38,100 1.1/2 35.43 43.31 SJ,18 23,62 I'),(,') 27.50 11.xl ltJ.llLJ 3'!.37 li.Ili 41.275 1..518 39.37 47.24 55_12 27,St, llJ.h'J 31.,o I L~l 23.i,2 -1-3.31 11.1'1 44.450 1.3/4 43.31 5\.18 59.06 47.625 [ L7/8 1 43.31 1 51.18 62,99 50,800 ] ] 43,31 55.12 66.')3 57,150 2.1/4 47.24 27.5(1 3 l.50 3 l.50 23.h2 ::.1.1,2 23.(,2 27 S1, 31.50 l .'i.7.'i 23.62 51. IS l .'i.7.'i 27.5(, 1 55.12 1 l'i.75 I S.75 35.-1-3 3'i.-+~_l_l~_75 1 27.Si, 5').06 15.75 3lJJ7 1<)_1,'J J ]._';IJ i,(,,<JJ 15.75 --1--1--1-,bH 220,47 27 .. 'i(, 90.55 'l)(),55 393,7() 35,43 106.30 157.--1-8 -1-:-;x.l'J 2b.l.7ô 31.50 IOc,.i,1 1or,.Jh 425.20 3<J,J7 118,11 173.23 527.:'il 26J_ 7S 35,--1-3 l lü.2-1- 1 110.2--1- 1 4'.-1,.(,[) 3<J.J7 125.98 188,98 ~()(,_<)3 1 21(.1_.\(1 3').37 l lci.l 1 1111.11 480.31 43,31 137,80 204,72 1 ~·N.21

1

~.37 L'5.')1' l25.CJ8 492:!8 iLl8 145.67 220.47

l

3 l ~ - 1 - 3 . J 1 l 2'l,92 l 2'l.'l2 511 81 'i:i 12 157.48 236,22 --1-3.31 137.so 1.n.t>o ~,~.18 5'l.06 165.35 2 5 1 ~ 47.2--1- l~J.5--1- 153.5-1- 610.2-1- • 66.'l.1 l!l5.04 287.40 ()()(>,JI) b-1-5.(, 7 1 M.:S.CJ--1- 1 33--1-.C>5 7).'.'10 1 J(,(,, 1,1 63,500 2.1/2 51.18 62.99 66.93 74.80

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êF

il

!,.. ~ ;,,-5:

;;:,

"

2

"'

!:

~·

Conhecimentos fundamentais ₂₃

À _{soma de todos os comprimentos equivalentes damos o nome de "Ls", que será acrescentada}

ao comprimento da tubulação retilínea "Ll", fornecendo assim o comprimento total da tubulação "L". Mais adiante, neste mesmo capítulo, veremos um exemplo de cálculo.

9 .3. Determinação de "D"

O diâmetro interno da tubulação é determinado à partir do cálculo da área da seção do duto "A" obtido através da vazão e velocidade do fluxo do fluido. Assim, temos que:

Q=v.A

:./A=~/

Como a perda de carga que nos interessa ocorre em linhas de pressão, adotamos a velocidade "v" recomendada de 1-Sft/sec ou 457,20cm/seg (ver Hem 7 deste capi'tulo).

Portanto,

A Q(em cuft/sec) · A= Q(em cm3 /seg)

15 ou, 457,20

Uma vez determinado "A", sabemos: que:

I

A = rr .4D'

I :.

D=R

ou ainda,

D= 1,128-y'A

9 .4. Determinação de v

A velocidade do fluido deverá ser aquela recomendada (15ft/sec ou 457,20cm/seg em linhas de pressão).

Existe um motivo para essa recomendação. Como vimos anteriormente, para que não ocorra uma grande perda de carga no sistema, o escoamento deverá ser laminar e o número de Reynolds deverá estar abaixo de 2.000. Experimentalmente verificou-se que para que essa condição seja observada, as velocidades deveriam ser aquelas recomendadas.

9.5. Detenninação der

Gama (y) é _{a densidade do fluido em quilograma/metro cúbico (Kg/m3) e é igual a 881,1}

para o óleo SAE-10.

9 .6. Procedimento de cálculo a) Detennine "f'.

b) Determine "Ls" e as perdas localizadas em válvulas especiais, através dos catálogos do fabricante. Adicione "Ls" a "Ll" para obter "L".

c) Determine AP e efetue a soma deste cálculo com as perdas de carga localizadas nas válvulas especiais para obter a perda de carga total no sistema.

d) Uma vez determinada a perda de carga total, verifique se a mesma não influirá no sistema. Por exemplo, se nosso sistema precisa de 190 bar para executar um determinado trabalho enquanto que fornecemos 210 bar e temos uma perda de carga de 30 bar a pressão útil disponível será P = 210 - 30 = 180 bar, _{insuficiente para o trabalho que o sistema} hidráulico se propõe a fazer, pois é menor do que a pressão necessária de 190 bar.

9. 7. O bsetvação final

O que podemos concluir fmalmente, é _{que o cálculo de perda de carga no sistema hidráulico é}

importantíssimo, pois a partir dele, saberemos se a pressão que fornecemos ao sistema é sufiCiente

1

'I

para aquilo que o sistema se propõe a fazer.

Devemos lembrar sempre qqe as restrições (obstrução ao. fluxo de óleo) contribuem

sobre-maneira para a perda de·-carga do sistema e conseqüente aqu-eeirnento do óleo .

. (1)

(2)

"4?21:f!4iliiiliiiiiiiif

i

l"Z!ff@Z

100 bar 75 bar SObar

Fig. 11.13 - Perda de carga devido a restrições.

Polímeros

Fig. 11.14-Gotade óleo (1000 X)

Quando o fluxo de óleo encontra uma resistência, ocorre um atrito entre as moléculas, que

também são chamadas de polímeros. Quando falamos em atrito, logo lembramos da dificuldade de escorregamento ou escoamento. Assim sendo, obse~ando a fig. II.13. notamos que o óleo encontrará dificuldade de passar pela restrição (1). Teremos portanto que, à esquerda dessa restrição, a pressão

aumenta, para logo depois, à sua direita, diminuir, pois o óleo escoará mais livremente até chegar a

restrição (2), quando ocorrerá a repetição desse fenômeno.

Nos atritos causados pelos polímeros, devido às restrições, teremos o aquecimento do óleo, pois, os referidos polímeros terão um espaço menor para escoar. Esse fenômeno é fácil de ser explicado. Esfregue as mãos suavemente para logo a seguir esfregá·las mais fortemente. Você observará que as palmas das mãos ficarão mais quentes, devido ao atrito. Isto é o que acontece com os polímeros do óleo demonstrados na fig. 11.14.

Apenas como ilustração, pois estudaremos fluidos hidráulicos mais adiante, dizemos que, quando aquecido, o óleo torna~se menos viscoso (mais fino). Isso ocorre porque os polímeros s~ subdividem em outros polímeros menores.

Vale aqui salientarmos, que quando na oficina fizermos uma curva em um duto para a montagem do sistema hidráulico, devemos observar que esta curva tenha o raio igual a 2.1/2 a 3 vezes o diâmetro externo do duto, como está demonstrado na fig.11.15 para se evitar que no dobramento enrruguemrn o duto e· portanto originemos uma restrição na diminuição da área da secção.

Conhecimentos fundamentais 25

• R=2.I/2 a 3D

Fig. 11.15 - Regra do dobramento de dutos.

Um fator a ser levado em consideração na-perda de velocidade dos atuadores são os vazamentos. Todo o elemento de união mal dimensionado concorre com vazamentos que causarão perda de carga e prejuízo a empresa, pois na maioria das vezes, o óleo de vazamentos é perdido.

A seguir, mostramos alguns tipos de conexões mais usadas como elementos de união. Quando a

conexão é feita com flanges, geralmente utilizamos anéis "O" para vedação. Recomenda-se usar fitas

de teflon nas roscas das juntas para permitir um ajuste e fixação mais perfeitos.

Fig. 11.16 - Exemplo de elementos de união standards.

CONEXÃO ANTES DO APERTO CONEXÃO APOS O APERTO

Fig. II.17 - Conexão entre 2 dutos - A= elemento de vedação; B e C = arestas cortantes; D= parte lisa (serve de guia e mantém a união contra qual.quer vibração); E e F = sulcos anelares abertos pelas arestas cortantes onde se alojará um elemento de vedação de aço de alta elasticidade.

Fig. 11.18 - Conexão rosqueada para baixa presiillo: Fig. 11.19 - Conexão flangeada.

Fig. 11.20 - Alguns tipos,de elementos de união.

10. EXEMPLOS DE CÁLCULOS

10.1. Cálculo da área da seção de um duto.

I0.1.1. Calcular a área da seção de um duto de !Ocm de diâmetro. A= 11 • D2 = 3, 1416 . 102 4 · 4 3,1416. 100 4 314,16=7854 2 4 , cm

10.L2. Calcular a área da seção de um duto de 1.1/4" de diâmetro.

27

D = 1_!_ = 1 25 . . A= 11 • D2 = 3,1416. 1,252 3,1416. 1,5625

4m , rn.. 4 4 4 A= -4.9088

4

= l,2272sqin

10.2. Cálculo do diâmetro interno do duto à partir da área.

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

A = 1,267

10.3. Cálculo da área da seção e diâmetro interno do duto à partir da vazão.

i.0.3.l. Calcular a área da seção e diâmetro interno do duto na pres.sâo, sucção e retomo de um sistema hidráulico, que terá uma vazão máxima de 6 litros por minuto.

Q = .Vmin = 6000 cm3/min

a) Na pressão, velocidade do fluxo recomendada vp = 27432 cm/min

_ 6000 A pressao =

27432 = 0,219 cm2

0 =

~

_ /4.0,219 = ~ = 0,53 cm pr

-V

---t'----

-y-

3,1416

adotamos o duto comercial superior mais próximo Dpr

=

0,635 cm (1/4") b) Na sucção, velocidade do fluxo recomendada Vs = 7315,2 cm/min

_ 6000 ₇

A sucçao =

731502 = 0,82

cm--

-

~

/4.o,s2 '

r--D sucçao

=V~:.:

= V ~ ~

V

t,044

=

1,022 (

=-

3/8")

c) No retomo, velocidade do fluxo recomendado vr = 18288 cm/min

A retomo= 6000 _ 2

18288 - 0,328 cm

D retomo

=-V

4 '

~

ret.

=J

j

~~i~

0V0,418 = 0,646 cm("'- 1/4")

,

adotamos Dret = 0,635 cm (1/4")

10.3.2. Calcular a ãrea da secção e diâmetro interno de um duto na pressão, sucção e retomo de um sistema hidrãulico que terã uma vazão máxima de 60 litros por minuto.

Q

= 60Q/min = 60dm3 _{/min.= 60000cm}3

_/min

= 1000cm3 /seg

a) na pressão, velocidade do fluxo recomendada Vp = 457,20cm/sec

~

A __ 1000 _ 2 8 2 ~ _ pressao -457,20 - ,1 72cm 'D - -j4-Apres._j4,2,1872 pressao - " - ₃₀₁₄₁₆ Y2, 7848 = !,6688cm

=

16,688mm

adotamos o duto comercial superior mais próximo Dpr

=

19mm

b) Na sucção, velocidade do fluxo recomendado Vs = !21,92cm/sec

~ . d - 1.000 2

~ Area a sucçao

=

~

=

8,202lcm

_ _ J4 .

A sue. _ / 4 • 8,2021 _...; _ _

D sucçao - " -

'V

301416 -10,4432 - 3,2316cm- 32,316mm adotamos o duto comercial superior mais próximo Dsuc

=

35mm.

c) No retomo, velocidade do fluxo recomendada vr = 304,SOcm/seg

Q - 1.000 A

=

v

Area do retomo = 304,80 = 3,2808cm2 · 4 , A ret 4 . 3,2808 _

\!

.

1 •

y:;;;;

D retomo

=

11

V

301416 .. = 4,1773 = 2,0438cm

=

20,438mm adotamos o duto_ comercial superior mais próximo Dret = 21mm.

Conhecimentos fundamentais 29

10.4. Determinação do tipo de escoamento.

10.4.1. Determinar o tipo de escoamento que está ocorrendo em uma linha de pressão de lSmm de diâmetro interno.

I

R = v

~

D

I

velocidade recomendada na pressão= 457,20cm/seg; D= !Smm = !,Sem

v = 0,45 stokes ( adotado

J

R - 457,20. 1,5 - 1524 00

0,45 , '

Resposta: O escoamento é laminar pois o número de Reynolds está entre a faixa de O a 2.000.

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

IR= v

~

DI= velocidade recomend. na pressão= 457 ,20cm/seg D= !Smm = !,Sem

v = 0,45 stokes (adotado)

R = 457,20 . 2,2 = 2 235 20 0,45 . '

Resposta: O escoamento é indeterminado pois o número de Reynolds está entre a faixa de 2.000 a 3.000. Poderemos ter uma perda de carga no sistema mais acentuada do que se o escoamento fosse laminar.·

10.4.3. Determinar o tipo de escoamento que está oconendo em uma linha de pressão de SSmm de diâmetro interno.

IR-_v.vDI velocida e recomeu . na pressão= 457,20cm seg d d /

D= 55mm = 5,Scm

v = 0,45stokes {adotado)

:. R = 457·~~~

_,

5•5 = 5.588,00

Resposta:O escoamento é turbulento pois o número de Reynolds está a,cima de 3.000. Teremos perda de carga elevada no sistema.

10.5. Cálculo de perda de carga de um sistema óleo-hidráulico.

10.5.1. Calcular a perda de carga de um sistema sabendo que: a) A vazão máxima é de 18,925 t/min (SGPM)

b) A velocidade do fluxo do fluido na linha de pressão recomendada é: v ~ 457,20cm/seg (15 ft/sec)

e) Os tubos são curvados e a temperatura do fluido é variável.

d) O comprimento da canalização retilínea é de 1346 centúnetros

e) São encontradas as seguintes sin~laridades no sistema:

e. l) 2 cotovelos de 90° raio longo e.2) 2 cotovelos de 90° raio curto e.3) 2 cotovelos de 45º·

e.4) 4 curvas de 90º raio longo e.5) 2 "tes" da saída bilateral e.6) 1 registro de globo

f) Válvulas RACINE usadas na linha de pressã_o.

f.I) 2 válvulas de controle direcional de l/4" f.2) 2 válvulas de seqüência de 3/8"

f.3) 1 válvula de controle de vazão (vazão máxima 30 t/min) f.4) I válvula de retenção pilotada de 3/4" montada em placa g) O fluido utilizado é o óleo SAE- 10.

Sabendo que o sistema deverá necessitar de uma pressão mín.ima de 160 bar ~ que a pressão máxima fornecida é de 210 bar, a que conclusão chegamos após o cálculo da perda de carga total do sistema?

Solução:

-Determinação do diâmetro de acordo com a vazão e velocidade do óleo. Q = 18,925 t/min = 18925 cm3/min v = 457,2 cm/seg = 27432 cm/min _ 18925 _ ₂ A -27432 - 0,690 cm 4, 0,690 3,1416 diâmetro adotado D = 0,9525cm (3/8") - Cálculo de "f' \ / 0,878 '= 0,937 cm

\ f =

~

\

_x

= 90 ( de acordo com os dados fornecidos no item

e

do problema)

a

v= 457,20cm/sec D= 0,952cm · v = 0,5stokes (adotado) R = 457,20. 0,952 = 870 966 0,5 '

está abaixo de 2.000, portanto, o escoamento é laminar e podemos continuar os cálculos sem modificar o diâmetro.

90

:. f = 870,966 O, 1033

Obs.: Adotamos v = 0,5 stokes a fim de obtermos o maior "f' possível, e por conseguinte, o

Conhecimentos fwulamentais

- Determinação de Ls.

De acordo com a tabela da figura II.12.A, obtemos os dados abaixo:

SINGULARIDADE

Cotovelo 909 iaio longo

Cotovelo 90º raio curto

Cotovelo 450 Curva 900 raio longo "te" de saída bilateral Registro de globo - Determinação de L L=LJ+Ls - Cálculo de llp

-

!e,

~

llp-f.D. 9266 COMPRIMENTO COMPRIMENTO QT. P/UNIDADE EQUIVALENTE

(em cm) TOTAL (em cm)

2 20 40 2 40 80 2 20 40 4 20 80 2 80 160 1 370 370 Ls

=

770 cm L1 = 1346 cm Ls = 770 cm . , · , L = 1346

+

770 = 2116 cm f = 0,1033 L = 2116 cm D = 0,9525 cm v = 457,2 cm/seg

y = 881,1 Kg/m3 (P/o óleo SAE 10)

2116 457,22x881,l

líp =

º'

1033 x O 9525 x 9266 x 215915

_,

=21,125bar

- Determinação da perda de carga localizada (dp) nas válvulas da linha de pressão . . Obs.: Esses dados foram obtidos através dos catálogos da RACINE.

31

VÁLVULA QT. PERDA DE CARGA PERDA DE TOTAL _{POR UNIDADE}

(bar) (bar) . Controle direcional de 1/4" 2 3,55 7,10 Seqüência de 3 / 8" 2 2,84 5,68 Controladora de vazão 1 3,55 3,55 (Q max. 8GPM) Retenção pilotada 3/4" _{1 0,71 0,71} montada em placa dp = 17,04 bar

32

- Detenninação da perda de carga total no sistema tiPt

I

tiPt = liP

+

dp \

- Conclusão final:

tiP = 21,125 bar dp

=

17,04 bar

tiPt

=

21,125

+

17,04

=

38,165 bar

Marwal de hidráulica básica

Sabendo que a pressão máxima fornecida ao sistema é de 210bat e que a perda de carga total é de 38,165bar, teremos a seguinte pressão disponível:

P disp = P max - tiPt = 210 - 38,165 = 171.835bar

Ora, verificando a pressão disponível (171.835bar ), a pressão exigida pelo sistema { 160 bar) e

supondo que não ocorra nenhum vazamento ocasionando perda de pressão nas jwições do circuito hidráulico, podemos dizer que o sistema funcionará satisfatoriamente.

Observemos que este cálculo foi feito baseando-se no sistema por inteiro. O que se costuma fazer na prática, é seguir esse procedimento dividindo-o em várias partes, tantas quantos forem os atuadores do sistema, obtendo-se _assim, a perda até cada atuador de fonna a se saber se a pressão que chega no mesmo é suficiente.

A título de ilustração, salientamos que a perda de carga total l>Pt, é a perda de potência do

sis-te:na calculada da seguinte maneira-.

H.P.perd. = tiPi(bar). _447,19 Q( l/min) _{H.P.J .

No problema:

H _{.P. per ·} d = 38 •165 x 18 •925 _447.19 = l 62H P _{' · ·} = 1036 53K al/h _{' e}

Essa potência perdida transforma-se em calor, e vemos portanto, que a partir do cálculo de .APt poderemos dimensionar o troca dor de calor ( esse assunto será tratado 110 capítulo XV).

33

III - SIMBOWGIA

A seguir, relacionaremos os símbolos mais usados na representação óleo-hidráulica, de acordo

com norma estabelecida pela J.I.C. (Joint Industry Conference) e adotada pela ANSI Y32.IO - 1967.

1. REPRESENTAÇÃO BÂSICA

1.1. Linhas

1.1.l. Cheia (eixos, dutos principais)

l.1.2. Traço longo (dutos piloto)

1.1.3. Traço curto ( dreno, exaustão)

---1.1.4. Traço longo - traço curto (invólucro)

-1.1.5. Cruzamento de dutos

-+

-t-+

x

1.1.6. Junção de dutos

1.2. Círculos (bombas, motores)

ººº

1.2 .1. Semicírculo (osciladores)

1.3. Triângulos (indicação de entrada ou saída

de fluido em bombas, motores, osciladores)

(

34

1.4. Seta ( direção de escoamento, ajuste regulável ou compensado)

Obs.:No ajuste a seta encontra-se sempre a45°.

/ !

1.4 .1. Exemplos de ajustes

1.4.2. Seta curta a 90º

( compensação de pressão)

)(

1.4.3. Seta recurvada (sentido da rotação)

1.5. Traço com ponto

(efeito ou causa de temperatura)

l

1

' '

Manual de hidráulica básica

1.6. Quadrados (dispositivos)

D

1. 7. Retângulos ( dispositivos)

D

2. DUTOS 2.1. Duto principal 2.2. Duto piloto

---2.3. Dreno ou exaustão

---2.4. Direção do fluxo

...

..

2.5. Saída (orifício com conector)

----~-~

2.6. Restrito, fixo no duto

2.7. Duto flexível

Simbologia 35

2.8. Entrada ou saída vedada 3. RESERVATÔRIOS E ACUMULADORES

X

3.1. Reservatório livre

___ _J

2.9. Engate rápido

3.2. Reservatório pressurizado

2.9 .1. Sem retenção, ligado

)1(

2.9 .2. Sem retenção, desligado 3.3. Com duto acima do nível do fluido

2.9.3. Com duas retenções, ligado

3.4. Com duto abaixo do nível do fluido

2.9 .4. Com duas retenções, desligado

2.9 .5. Com uma retenção, ligado 3.5. Coletor ou distribuidor ventado

2.9.6. Com uma retenção, desligado

)1

3.6. Acumulador (símbolo básico)

3. 7. Acumulador a gás 3.8. Acumulador a mola 3.9. Acumulador a peso 4. CONDICIONADORES DO FLUIDO 4.1. Símbolo básico 4.2. Aquecedor

4.2.1. O meio aquecedor é líquido

4.2.2. O meio aquecedor é gasoso

4 .3. Resfriador

4.3.1. O meio resfriador é líquido

Simbologia 37

4.4. Conservador de temperatura 4.5.l. Separador com dreno manual

4.4.1. O meio conservador é líquido ₁

4.5.2. Separador com dreno automático

1

4.4.2. O meio consenrador é gasoso

4.5.3. Filtro separador com dreno manual

4.5. Filtros

4,5.4. Filtro separador com dreno automático

5. ATUADORES LINEARES (CILINDROS)

5.1. Símbolo convencional

111---+-5.2. De ação simples ou simples efeito

111---1

5.3. De dupla ação ou duplo efeito

1

\1---+--I

5.4. Macaco hidráulico

S.S. Ação simples com retomo por mola

IV"""~

vvvv

5.6. De dupla haste

5.7. Com amortecimento fixo de fim de curso

lb

1 + +

-1

5.8. Com amorteci·mento regulável

em ambas as extremidades

1

~-1

1

6. COMANDOS E CONTROLES 6.1. Mola 6.2. Mauual 6.3. Botão 6.4. Alavauca 6.5. Pedal

6.6. Carne ou outro acionamento mecânico

6.7. Delel!le

6.8. Dispositivos el~tricos 6.8.1. Solenóide

Simbologia 6.8.2. Motor

M

6.8.3. Motor reversível

M

6.9. Piloto

6.9.1. Por controle remoto

---~ "'"I ...__

6.9 .2. ln temo

6.9.3. Comando por piloto e

centragem por mola

xtvl 1 1

Mx

6.10. Solenóide ou piloto

/

6.11. Solenóide e piloto 1

7

1 6.12. Comando térmico 6.12.1. Com sensorlocal

1

6.12.2. Com sensor remoto

1

1

1 1

6.13. Servo

Obs.: Os comandos poderão ser associados em sistemas OU, ou em sistemas E.

a) Exemplo OU - Solenóide

!

ou faz o acionamento piloto ou manual b) Exemplo E - Soleneóide

I

fazem o acionamento piloto 1

7

1

1

39

1

e) Exemplo E/OU Solenóide e pilotoI ou faz o acionamento manual

1

7

1 ~ '

-7. DISPOSITIVOS ROTATIVOS

7 .2. Bomba hidráulica

7.2.1. De deslocamento fixo \

7 .2.1.1. Unidirecional

7.2.1.2. Bidirecional

7.2.2. De deslocamento variável (com dreno)·

7.2.2.1. Unidirecional /

ÚJ

7 .2.2.2. Bidirecional /

úJ

7.2.2.3. Unidirecional com compensador

de pressão

/

L.Ú

7.2.2.4. Bidirecional com compensador de pressão

/

LÍ.J

7 .2.3. Exemplo: Conjunto motor-bomba com

motor elétrico reversível, bomba bidire- · cional de deslocamento variável

e compensador de pressão 7.3. Motor hidráulico 7.3.1. De deslocamento fixo 7.3.1.1. Unidirecional 7.3.1.2. Bidirecional 7.3 .2. De deslocamento variável 7.3.2.1. Unidirecional

Simbologia

7.3.2.2. Bidirecional

7.4. Conjunto moto-bomba

7.4.1. Operando em uma direção como bomba e na direção· oposta como motor

7.4.2. Operando em uma direção como bomba ou como motor

7.4.3. Operando em ambas direções como bomba ou motor 7.6. Motores 7.6.1. Elétrico 41 7.6.2. Térmico 8. INSTRUMENTOS E ACESSÓRIOS 8.1. Indicadores e Registros 8.1.1. Manômetro 8.1.2. Termômetro 8.1.3. Medidores de vazão 8.2. Sensores 8.2.1. Ventnri 8.2.2. Injetor

83. Acessórios 8.3.1. Pressostato

8.3 .2. Silenciador

8.3 .3. Limitador

9. VÂLVULAS DE CONTROLE DIRECIONAL

9 .1. Envelope para uma posição

D

9 .2. Envelope para duas posições

rn

9.3. Envelope para três posições

1

9.4. Entrada e saída para válvula de 4 vias

A B A B

p

P T p T

9.5. Entrada e saída bloqueadas

na posição indicada

A A B

[tIIJ

_~

p p T

9.6. Entrada e saída abertas na posição indicada

A B

~

P T

Obs.: Por convenção denominamos de "P" O

duto da bomba, de "T" o duto do

tanque e de "A~' e "B" os dutos

do( s) atuador( es).

9. 7. Válvula de controle direcional de duas vias 9.7.1. Abertura e fechamento manual

9.7.2. Com dispositivo de acionamento 9.7.2.1. Manual com retomo por mola

9.7 .2.2. Com solenóide com retomo por mola

A B

p

9.7.3. Válvula de retenção 9.7 .3.1. Retenção simples

Simbologia

9.7.3.2. Retenção pilotada para a abertura

~

₍

1 1

9.7.3.3. Retenção pilotada para o fechamento

---i@----1

9.7.3.4. Retenção dnpla com fluxo unidirecional

9.7.3.S. Retenção dupla com fluxo

em dois sentidos

9.7.3.6. Sistema de distribuição

cônt controle de' vazão

9.8. Válvula de controle direcional de três vias 9.8.1. De duas posições A B

~\rll/fN'

9.8.2. De três posições A P T p

9 .9. Válvula de controle direcional de 4 vias

9.9.1. De duas posições

P T 9.9.2. De três posições

A B

p T

9.10. Tipos de centros usados nas válvulas de

4 vias e 3 posições

(:] [8J [51

[8]

[E]

[8

[9]

D]

[S]

[HJ

[S

[PJ

[a [)

~

4.'!

1 O. VÁLVULAS DE CONTROLE DE PRESSÃO

10.1. Válvula de alívio

· - - 1

1 11

li

:1 'I

44

10.2. Válvula de seqüência

1

L _

_j ou

10.3. Vãlvula redutora de pressão

-3

1

L _

_j

10.4. Vâlvula de descarga

1 O .5. Válvula de contra balanço

ou

Manual de hidráulica básica

11. VÂLVULADE CONTROLE DE VAZÃO

11.1. Controle de vazão fixo

-

_-

-11.2. Controle de vazão variável

11.3. Vazão variável com compensadores de pressão e temperatura

1

t

11.4. Vazão variável com derivação

(sistema "'bypass")

,--'

1

l

l

'1 1 : 1

Fluidos hidráulicos 45

IV - FLUIDOS IHDRÁULICOS

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 fluído hidráulico a ser utilizado. Portanto, o fluido hidráulico deve satisfazer, principahnente, a duas finalidades básicas:

a) Transmitir com eficiência a potência que lhe é fornecida;

b) I.,ubrificar, satisfatoriamente, os componentes internos do sistema.

Quanto à trarismissão de potência, se o fluido hidráulico é líquido, teremos uma compressibili-dade que varia de 0,5 a 2% a cada 70bar (1015 psi), de acordo com o tipo de fluido uiilizado e

tem-peratura de trabalho. Podemos dizer. então, que o fluido é, praticamente, incompressível e que trans-mitirá, 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 hldrocarbonos; - água glicóis ou glicóis de água;

- água em óleo.

Estudaremos a seguir esses diversos tipos de fluidos.

l. O ÔLEO MINERAL

Quando nos referimos a "óleo-hidráulico", nonnahnente 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 refmamento, 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