ANTÓNIO FERREIRA DA SILVA ADRIANO ALMEIDA SANTOS
PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO
AUTOMAÇÃO
Autores
António Ferreira da Silva Adriano Almeida Santos
Título
Automação Óleo-hidráulica: Princípios de funcionamento
Editora
Publindústria, Edições Técnicas Praça da Corujeira n.o 38 . 4300-144 PORTO
www.publindustria.pt
Distribuidor
Engebook – Conteúdos de Engenharia e Gestão Tel. 220 104 872 . Fax 220 104 871
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Revisão
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Este livro encontra-se em conformidade com o novo Acordo Ortográfico de 1990, respeitando as suas indicações genéricas e assumindo algumas opções específicas.
Para uma maior coerência ortográfica, e nos casos em que esta situação se verifique, converteram-se todos os textos transcritos à nova ortografia, independentemente de a edição original ser ou não anterior à adoção do novo Acordo Ortográfico.
CDU
621 Engenharia Mecânica
ISBN
978-989-723-156-8 (Papel) 978-989-723-157-5 (E-book)
Engebook – Catalogação da publicação Família: Engenharia Mecânica Subfamília: Automação Industrial
ANTÓNIO FERREIRA DA SILVA ADRIANO ALMEIDA SANTOS
PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO
AUTOMAÇÃO
PRÓLOGO V
PRÓLOGO
A tecnologia dos acionamentos óleo-hidráulicos está presente numa variedade de aplicações do nosso quotidiano, desde acionamentos vulgares e simples, como o acionamento de monta-cargas ou maquinaria agrícola, até acionamentos diferenciados e complexos, como acionamentos de máquinas de injeção de plástico e prensas hidráulicas. O denominador comum é a transmissão de energia através de um fluido.
Hoje em dia, é raro encontrar uma indústria onde não se encontre instalada esta tecnologia. Por tradição as que mais a utilizam são a Indústria Siderúrgica/Extrusão, Naval, Agrícola, Mineira, Offshore, Civil, Automóvel, Papel e Energias Renováveis.
Os componentes e as soluções atualmente existentes são dominadas por alguns fabricantes estrangeiros que possuem centros de desenvolvimento e que fruto do seu trabalho disponibilizam informação técnica sobre este assunto. No entanto, apesar da larga gama de aplicações existe um défice de literatura em língua portuguesa sobre este tema. Esta obra é, assim, um contributo para o conhecimento e aprendizagem sobre os conceitos básicos e os princípios e funções dos componentes hidráulicos, na nossa língua.
A sua apresentação é sublime, com esclarecedoras ilustrações e será seguramente uma ferramenta académica e uma referência inestimável para o quotidiano dos profissionais.
Pedro Frutuoso
Engenheiro Mecânico Cudell Serviços & Engenharia, Lda.
PREFÁCIO VII
PREFÁCIO
A óleo-hidráulica é hoje em dia indispensável nos domínios das técnicas modernas de transmissão, comando e controlo de movimentos, através da realização de movimentos rotativos e lineares, quer desenvolvendo forças elevadas, quer assegurando rigor de movimentos e velocidades.
A informação apresentada neste livro surge, em grande parte, de anotações e de recolha prática, sintetizada com o objetivo de elaborar conteúdos didáticos e como tal, não poderíamos esquecer os fundamentos teóricos. Neste sentido, e atendendo ao carater didático desta obra, serão apresentadas as mais variadas indicações de utilização, os fundamentos físicos bem como a descrição construtiva e de funcionamento de componentes isolados e de sistemas hidráulicos completos. Este livro deve ser entendido pelos alunos da área da Automação Industrial e por todos os interessados nesta temática, como sendo a base para o estudo da óleo-hidráulica. Este estudo deverá contemplar uma parte teórica mas também e em complemento, uma parte prática que o leitor poderá e deverá adquirir quer com recurso a software de simulação, em laboratórios de automação, quer pela aplicação prática, em contexto de trabalho, destes mesmos conceitos.
Não podemos deixar de afirmar que os laboratórios didáticos constituem importantes instrumentos de ensino e, por isso, indispensáveis nas escolas de engenharia que pretendem formar engenheiros criativos e motivados para a procura de novas soluções e alternativas apropriadas para a solução de problemas práticos.
O aluno motivado e com habilidade para analisar os diferentes aspetos de um fenómeno, possuí condições para propor e analisar soluções. O desenvolvimento desta habilidade é uma característica que deve ser incentivada na formação de engenheiros que possuam iniciativa e uma boa dose de criatividade pelo que, a criação de disciplinas ministradas em laboratórios didáticos, deve ser uma das prioridades na formação de engenheiros. Não devemos esquecer que fazer é uma forma essencial de consolidação do conhecimento.
Porto, maio de 2016 Os Autores
AGRADECIMENTOS IX
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) do Instituto Superior de Engenharia dos Porto (ISEP), local onde exercemos a nossa atividade docente, a disponibilização de todos os meios necessários para o desenvolvimento deste livro.
Aos nossos alunos, com quem tivemos o prazer de trabalhar e que, com as suas críticas e sugestões, constituíram uma fonte de inspiração, bem como a todos aqueles que, direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste livro.
Um agradecimento muito especial, em primeiro lugar, à Cudell Serviços & Engenharia, Lda., Portugal, na pessoa do Engenheiro Pedro Frutuoso, por todo o apoio prestado ao longo deste projeto.
Gostaríamos de agradecer também a todos os fabricantes e distribuidores dos equipamentos que referimos ao longo deste livro e que naturalmente não poderão ser aqui enunciados para não corrermos o risco de omitir algum.
Por último, mas não menos importante, gostaríamos de agradecer também aos nossos colegas, amigos e familiares pelo apoio prestado ao longo deste novo desafio. A todos sem exceção o nosso muito obrigado.
Porto, setembro de 2016 Os Autores
ÍNDICE XI
ÍNDICE
1 INTRODUÇÃO À ÓLEO-HIDRÁULICA ... 1
1.1 INTRODUÇÃO ... 1
1.2 NOTA HISTÓRICA ... 2
1.3 VANTAGENS DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS ... 3
1.4 LIMITAÇÕES DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS ... 3
1.5 CAMPOS DE APLICAÇÃO ... 4
1.6 ESTRUTURA DE UM SISTEMA HIDRÁULICO ... 9
1.7 SIMBOLOGIA BÁSICA DE UM SISTEMA HIDRÁULICO ... 10
2 PRINCÍPIOS FÍSICOS E EXPRESSÕES MATEMÁTICAS ... 13
2.1 INTRODUÇÃO ... 13
2.2 LEIS FUNDAMENTAIS DA HIDROSTÁTICA ... 13
2.2.1 Pressão p (Lei de Pascal) ... 13
2.2.2 Aplicação a cilindros hidráulicos ... 14
2.2.3 Aplicação a bombas e motores ... 14
2.2.4 Gamas de pressão em hidráulica ... 15
2.2.5 Escalas de pressão ... 15
2.2.6 Prensas hidráulicas e multiplicadores de pressão ... 16
2.2.7 Medidas de pressão ... 17
2.3 CAUDAL VOLÚMICO (Q) ... 18
2.3.1 Aplicação a cilindros hidráulicos ... 19
2.3.2 Aplicação a bombas e motores hidráulicos ... 19
2.3.3 Aplicação ao cálculo de tubagens ... 19
2.3.4 Medidas de caudais volúmicos ... 20
2.4 PERDAS EM TUBAGENS E ESTRANGULAMENTOS ... 21
2.4.1 Equação do caudal ... 21 2.4.2 Regimes de escoamento ... 23 2.5 TRANSFORMAÇÃO DE POTÊNCIA ... 23 2.5.1 Potência de entrada ... 25 2.5.2 Potência hidráulica ... 25 2.5.3 Potência de saída ... 26
AUTOMAÇÃO ÓLEO-HIDRÁULICA
XII
2.5.4 Potência de acionamento de uma bomba hidráulica ... 26
2.5.5 Perdas de potência em estrangulamentos e válvulas manométricas ... 27
2.6 RENDIMENTOS ... 27
2.6.1 Rendimento volumétrico ... 28
2.6.2 Rendimento Mecânico ... 29
2.6.3 Rendimento Global ... 29
3 FLUIDOS HIDRÁULICOS, RESERVATÓRIOS E ACESSÓRIOS ... 33
3.1 INTRODUÇÃO ... 33
3.2 FUNÇÕES DE UM FLUIDO HIDRÁULICO ... 33
3.3 TIPOS DE FLUIDOS HIDRÁULICOS ... 34
3.3.1 Água e emulsões de óleo-em-água ... 34
3.3.2 Óleos minerais ... 34
3.3.3 Fluidos sintéticos ... 34
3.4 PROPRIEDADES DOS ÓLEOS ... 35
3.4.1 Viscosidade ... 35
3.4.1.1 Comportamento da viscosidade com a temperatura ... 37
3.4.2 Índice de viscosidade ... 38 3.4.2.1 Relação viscosidade-pressão ... 39 3.4.2.2 Compressibilidade ... 39 3.4.3 Ponto de solidificação ... 40 3.4.4 Cavitação ... 40 3.4.5 Poder lubrificante ... 42 3.4.6 Poder desgasificante ... 42 3.4.7 Resistência à oxidação ... 42
3.5 CLASSIFICAÇÃO DOS ÓLEOS ... 42
3.5.1 Óleos minerais ... 42
3.5.2 Fluidos dificilmente inflamáveis ... 43
3.6 RESERVATÓRIOS HIDRÁULICOS ... 44
3.6.1 Constituintes de um reservatório hidráulico ... 44
3.6.2 Funções dos reservatórios hidráulicos ... 44
3.6.2.1 Armazenamento do fluido hidráulico ... 45
3.6.2.2 Inspeção do fluido hidráulico ... 45
3.6.2.3 Separação dos contaminantes sólidos ... 46
3.6.2.4 Arrefecimento do fluido hidráulico ... 46
3.6.2.5 Remoção do ar do fluido hidráulico ... 46
3.6.2.6 Absorção da expansão térmica do fluido hidráulico ... 46
3.6.2.7 Montagem de componentes ... 47
3.6.3 Funcionamento ... 47
3.6.4 Tipos de reservatórios ... 47
3.6.5 Dimensões dos reservatórios ... 49
ÍNDICE XIII
3.6.6.1 Aquecimento ... 50
3.6.6.2 Arrefecimento ... 51
3.6.6.3 Permutadores de calor ar-óleo ... 51
3.6.6.4 Permutadores de calor água-óleo ... 52
3.6.6.5 Localização dos permutadores no circuito hidráulico ... 53
3.7 FILTROS HIDRÁULICOS ... 53
3.7.1 Limite de visibilidade ... 56
3.7.2 Classificação segundo o meio filtrante ... 56
3.7.2.1 Filtros de profundidade ... 56
3.7.2.2 Filtros de superfície... 58
3.7.3 Localização dos filtros ... 59
3.7.3.1 Filtros de retorno ... 59
3.7.3.2 Filtro de aspiração ... 59
3.7.3.3 Filtros de pressão ... 60
4 BOMBAS E MOTORES HIDRÁULICOS ... 61
4.1 INTRODUÇÃO ... 61 4.2 BOMBAS HIDRÁULICAS ... 63 4.3 SIMBOLOGIA ... 64 4.4 GRUPO GERADOR ... 65 4.5 GAMAS DE PRESSÕES ... 66 4.6 GRANDEZAS NOMINAIS ... 67 4.6.1 Cilindrada (C)... 68 4.6.2 Pressão de funcionamento ... 68
4.6.3 Subpressão em tubagens de aspiração ... 69
4.6.4 Velocidade de rotação ... 70
4.6.5 Rendimentos ... 70
4.6.5.1 Rendimento volumétrico (!") ... 70
4.6.5.2 Rendimento mecânico (!m) ... 71
4.6.5.3 Rendimento global (!g) ... 72
4.6.5.4 Rendimentos de bombas e motores de cilindrada variável ... 73
4.6.5.5 Influência da viscosidade " sobre os rendimentos ... 73
4.7 FORMAS CONSTRUTIVAS DAS BOMBAS ... 74
4.8 BOMBAS DE ENGRENAGEM ... 75
4.8.1 Bombas de engrenagens exteriores ... 75
4.8.1.1 Princípio de funcionamento ... 76
4.8.2 Bombas de engrenagens interiores... 78
4.9 BOMBAS DE PALHETAS ... 80
4.9.1 Bombas de palhetas de cilindrada constante ... 81
4.9.2 Bomba de palhetas de cilindrada variável ... 83
4.9.2.1 Dispositivos de comando ... 83
AUTOMAÇÃO ÓLEO-HIDRÁULICA
XIV
4.9.3.1 Bombas de êmbolos axiais... 85
4.9.3.2 Bombas de êmbolos radiais ... 86
4.10 MOTORES HIDRÁULICOS ... 87
5 ATUADORES HIDRÁULICOS ... 89
5.1 INTRODUÇÃO ... 89
5.2 CILINDROS ... 89
5.2.1 Construção e princípio de funcionamento, grandezas nominais ... 90
5.2.2 Vedantes ... 92
5.2.3 Choque hidráulico ... 93
5.2.4 Amortecimento de fim de curso ... 93
5.2.5 Tipos construtivos e simbologia ... 95
5.2.5.1 Cilindro de simples efeito de haste mergulhante ... 95
5.2.5.2 Cilindro de simples efeito com êmbolo e haste de retorno por mola ... 95
5.2.5.3 Cilindro de duplo efeito com haste simples ... 96
5.2.5.4 Cilindro de duplo efeito de haste dupla ... 96
5.2.5.5 Cilindro telescópico ... 96
5.2.5.6 Cilindro especial (triplo efeito) ... 98
5.2.5.7 Cilindro multiplicador de pressão ... 98
5.3 ATUADORES ROTATIVOS ... 99
5.3.1 Atuadores rotativos angulares de cremalheira ... 99
5.3.2 Atuadores rotativos angulares de palheta ...100
5.3.3 Atuadores rotativos – outros tipos construtivos ...101
6 VÁLVULAS HIDRÁULICAS ...103
6.1 INTRODUÇÃO ...103
6.2 VÁLVULAS DIRECIONAIS ...103
6.2.1 Distribuidores...103
6.2.2 Representação simbólica e designações ...104
6.2.2.1 Número de posições ...105
6.2.2.2 Número de vias ...105
6.2.2.3 Posição de não atuada ...107
6.2.2.4 Tipo de acionamento (comando) ...108
6.2.2.5 Tipo de retorno (para a posição de repouso) ...112
6.2.3 Formas construtivas ...112
6.2.3.1 Válvulas de assento axial ...113
6.2.3.2 Válvulas de gaveta ...113
6.2.4 Válvula direcional 2/2...117
6.2.5 Válvula direcional 3/2...117
6.2.6 Válvula direcional 4/3...118
6.2.6.1 Válvula de “centro-aberto” ...119
ÍNDICE XV
6.2.6.3 Válvula de “centro em Tandem” ...121
6.2.6.4 Válvula com ponto morto (centro em Y) ...122
6.2.6.5 Outras configurações de centro ...123
6.2.6.6 Centragem da gaveta ...124
6.3 VÁLVULAS REGULADORAS ...124
6.3.1 Válvulas manométricas ...125
6.3.1.1 Válvula limitadora de pressão ...126
6.3.1.2 Válvula de descarga ...131
6.3.1.3 Válvula de sequência ...133
6.3.1.4 Válvula de contrapressão ...134
6.3.1.5 Válvula redutora de pressão ...135
6.3.2 Válvulas fluxométricas ...139
6.3.2.1 Estranguladores (restritores) ...141
6.3.2.2 Estranguladores Unidirecionais ...143
6.3.3 Métodos de Controlo de Velocidade dos Atuadores ...143
6.3.3.1 Controlo na entrada (“meter-in”) ...143
6.3.3.2 Controlo na saída (“meter-out”) ...144
6.3.3.3 Controlo em desvio (“bleed-off”) ...145
6.3.3.4 Reguladores de caudal ...145
6.3.3.5 Válvula reguladora de caudal de 2 orifícios ...146
6.3.3.6 Válvula divisora de caudal ...148
6.4 VÁLVULAS DE RETENÇÃO ...148
6.4.1 Válvula seletora de circuito...151
6.4.2 Válvula de retenção pilotada ...151
6.4.2.1 Válvula de retenção geminada (dupla) ...153
7 ACUMULADORES HIDRÁULICOS ... 155
7.1 INTRODUÇÃO ...155
7.1.1 Símbolos utilizados ...156
7.1.2 Acumulador por peso ...156
7.1.3 Acumulador de mola ...156
7.1.4 Acumuladores de gás (hidropneumáticos) ...157
7.1.4.1 Acumulador de parede rígida – pistão ...158
7.1.4.2 Acumuladores de parede elástica (bexiga e diafragma) ...159
7.1.4.3 Acumuladores de bexiga ...160
7.1.4.4 Acumuladores de diafragma ...161
7.1.5 Aplicações dos acumuladores ...162
7.1.5.1 Reserva de energia ...163
7.1.5.2 Exemplos de utilização de acumuladores em circuitos hidráulicos ...164
8 ACESSÓRIOS HIDRÁULICOS ... 167
AUTOMAÇÃO ÓLEO-HIDRÁULICA
XVI
8.2 ACOPLAMENTOS MECÂNICOS ...167
8.2.1 Acoplamento fixo ...167
8.2.2 Acoplamentos elásticos ...168
8.2.3 Acoplamento de dentes arqueados ...169
9 CIRCUITOS HIDRÁULICOS ELEMENTARES ...171
9.1 INTRODUÇÃO ...171
9.2 LIMITAÇÃO DE PRESSÃO ...172
9.3 DESCARGA DA BOMBA...173
9.3.1 Circulação em vazio ...174
9.4 COMANDO DO MOVIMENTO COM VÁLVULAS DIRECIONAIS ...175
9.5 CONTROLO DA VELOCIDADE POR MEIO DE VÁLVULAS FLUXOMÉTRICAS ...177
9.5.1 Estranguladores uni e bidirecionais ...177
9.5.2 Comando primário (meter-in) e comando secundário (meter-out) ...178
PROBLEMAS RESOLVIDOS ...179
ANEXOS ...189
BIBLIOGRAFIA ...195
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO À ÓLEO-HIDRÁULICA 1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO À ÓLEO-HIDRÁULICA
1.1 INTRODUÇÃO
Sob a designação genérica de “HIDRÁULICA1”, entenderemos os movimentos, a transmissão e o controlo de forças em fluídos. Aparece, assim, a hidráulica como uma das múltiplas formas de transmissão de energia, nomeadamente mecânica, elétrica e pneumática. A estas, a hidráulica, encontra-se estritamente ligada, porque é mecânica a forma de energia final, porque não dispensa a colaboração das outras formas de energia, quer mecânica, elétrica ou pneumática, para funções de comando.
A transmissão hidráulica de energia é obtida pelo transporte de um fluido sob pressão. Consequentemente, como veremos em alguns dos capítulos subsequentes, a sua teoria decorre da “Mecânica de Fluidos”.
No seio de um fluido em movimento, a energia contida por unidade de massa assume duas funções especialmente relevantes: energia cinética a que corresponde a pressão dinâmica ou hidrodinâmica – resultante do estado de movimento do fluido – e a energia estática a que corresponde a pressão estática ou hidrostática – resultante da compressão. Estas grandezas de pressão interligam-se de acordo com a lei de Bernoulli generalizada que se pode exprimir através da seguinte equação:
%"2
2 + %&'(+ )(= const com:
% – massa especifica do fluido
v – velocidade média do fluido na tubagem g – aceleração da gravidade
' – altura em relação a um referêncial p – pressão
1 Ao longo deste livro, será usada indistintamente a designação “hidráulica” e a designação “óleo-hidráulica” para englobar todas as aplicações da “óleo-hidráulica”.
