SISTEMAS HIDRÁULICOS

O que você entende por hidráulica? Pra que serve? Onde se aplica?

O termo Hidráulica derivou-se da raiz grega Hidro, que tem o significado de água, por essa razão entendem-se por Hidráulica todas as leis e comportamentos relativos à água ou outro fluido, ou seja, Hidráulica é o estudo das características e uso dos fluidos sob pressão.

Sistemas de transmissão de potência Sistemas elétricos Sistemas mecânicos Sistemas pneumáticos Sistemas hidráulicos

1. Introdução óleo-pneumática Hidráulica Hidráulica é uma palavra que vem do grego e é a união de hydro = água, e aulos = condução/aula/tubo é, portanto, uma parte da física que se dedica a estudar o comportamento dos líquidos em movimento e em repouso. É responsável pelo conhecimento das leis que regem o transporte, a conversão de energia, a regulagem e o controle do fluido agindo sobre suas variáveis (pressão, vazão, temperatura, viscosidade, etc). Especialização em Engenharia Mecatrônica UFRJ

1. Introdução óleo-pneumática A óleo-hidráulica A óleo-hidráulica se pode definir como o ramo da engenharia que estuda o uso de fluidos incompressíveis (neste caso o óleo), confinados e sob pressão, para transmitir potência.

Características Positivas dos Sistemas Hidráulicos Grandes forças em espaços reduzidos; O movimento pode ser iniciado mesmo em plena carga; Velocidade, momento de giro, força, aceleração fácilmente controláveis; Proteção símples contra sobrecarga; Utilizado para movimentos rápidos e movimentos lentos com alta precisão; Durabilidade do equipamento elevada.

Características Negativas dos Sistemas Hidráulicos Em altas pressões, existe perigo inerente; O rendimento se reduz considerávelmente no vazamento e atrito; O óleo hidráulico é combustível e derivado de petróleo.

Divisões da Hidráulica Estacionária Mobil

Esmerilhadora cilíndrica Hidráulica estacionária Esmerilhadora cilíndrica hidráulica Prensa hidráulica

Hidráulica Mobil

APLICAÇÕES Caminhão de lixo Dobradeira Manipulador Máquina de esmagar carros http://www.youtube.com/watch?v=Qz4rqvMq6sk&feature=related

Princípios da óleo-hidráulica Tipo de Fluxo: Laminar Re<2000 Turbulento Re>2400

Tipos de fluxo

Compressibilidade: Uma variação infinitesimal do volume por unidade de variação de pressão. A compressibilidade dos líquidos é quase nula. A aplicação de uma força um gás faz que seu volume se reduza. Pneumática < 10 bar Óleo-Hidráulica > 10 bar

Pressão Qual grandeza física está representada na figura? 1 Kg Baixa Pressão Alta Pressão

Relação entre as unidades de pressão Qual a definição de pressão? Pressão é a força exercida por unidade de superfície. Em hidráulica, a pressão é expressa em kgf/cm2, atm, bar ou psi. Qual a fórmula para o cálculo da pressão? Relação entre as unidades de pressão

Pressão hidrostática Em qual dos reservatórios, a pressão é maior no fundo?

Pressão manométrica ou relativa: A medição é realizada com a utilização de manômetro 90 20 30 40 50 60 70 10 80 100 Tubo de Bourdon Entrada de pressão

Fatores de conversão de unidades de pressão:   Atmosfera Pascal Bar milibar o hPa mm Hg m H2O kgf/cm² 1 1,01325×105 1,01325 1013,25    760,0 10,33 1,033 9,869×10-6 10-5 0,01 7,501×10-3 1,020×10-4 1,019×10-5 0,9869 100000 1000 750,1 10,20 1,020 milibar 9,869×10-4 100 0,001 0,7501 1,020×10-2 1,316×10-3 133,3 1,333×10-3 1,333 1,360×10-2 13,60 9,678×10-2 9807 9,807×10-2 98,06 73,56 0,100 0,968 9,810×104 0,9810 981,0 735,8 10,00

Transmissão Hidráulica de Força (Princípio de Pascal) Princípio de Pascal: A pressão aplicada a um fluido dentro de um recipiente fechado é transmitida, sem variação, a todas as partes do fluido, bem como às paredes do recipiente. Uma pequena força aplicada a uma pequena área de um pistão é transformada em uma grande força aplicada em uma grande área de outro pistão. P1 = P2 ,          logo F1/A1 = F2/A2 ,         e   F1/F2 = A1/A2        

Transmissão Hidráulica de Pressão Em um transmissor hidráulico de pressão, ocorre um aumento de pressão. Ao aplicar-se uma pressão P1 na superfície do êmbolo A1, uma força F atua sobre o êmbolo de menor diâmetro, agindo assim sobre a superfície A2. Com isso, a pressão P2 será maior que a pressão P1 .

Macaco hidráulico(Transmissão de força) Como: Logo:

Transmissão de deslocamento V2 V1

Transmissão de pressão (multiplicação de pressão) Como: Logo: Ou seja:

Aplicação Perdas de pressão (ou de carga) Fluído em repouso Fluído em movimento + obstruções Fluído em movimento Sem obstruções

Hidrodinâmica Estudo dos líquidos em movimento: a energia é cinética para a transmissão de potência, ou seja, é utilizado o fluído em altas velocidades (+/- 50 m/s).

Leis de Vazão O líquido tem uma energia mecânica determinada. Quando esse líquido se move, sua energia total permanece constante enquanto não houver troca de energia com o exterior. A energia total é composta por três energias parciais: Energia Cinética  (depende da velocidade do fluído) Energia estática  (depende da altura da coluna do fluído) Energia hidrostática  (depende da pressão do fluído)

Energia Total onde: v = velocidade p = pressão z = altura em relação à linha de referência γ = peso específico

Vazão Volumétrica

Velocidade x Vazão Área = A Comprimento = S

Relação entre velocidade de avanço e retorno em um atuador hidráulico Qbomba Qsaída Qbomba = Qsaída

Atrito e Escoamento Atrito A energia hidráulica ao ser transmitida pela tubulação acarreta perda de carga. Nas paredes do tubo e no líquido se produz atrito, havendo geração de calor. Perda de energia hidráulica significa perda de pressão do fluído.

Atrito e Escoamento Agentes influentes na perda de carga Velocidade do fluxo Tipo do fluxo (laminar ou turbulento) Diâmetro do tubo Viscosidade do líquido Rugosidade do tubo Volume de passagem Restrições (válvulas, acessórios, etc...)

Relação entre vazão e queda de pressão onde: Q = vazão (l / min)  = fator hidráulico (depende da viscosidade e da forma do estreitamento) A = área do estreitamento (m2) P = Queda de pressão (Pa)  = densidade (kg/m3)

Escoamento São dois tipos os escoamentos de fluídos: O laminar e O turbulento. Os líquidos se deslocam pelos tubos, até determinadas velocidades de forma LAMINAR (em camadas). A camada central do líquido é mais rápida. A camada externa está praticamente parada, presa às paredes do tubo. Aumentando-se a velocidade de circulação, ao se atingir a VELOCIDADE CRÍTICA, o fluxo se torna TURBULENTO.

Escoamento Um fluxo TURBULENTO gera o aumento de: resistência a circulação e de perdas A VELOCIDADE CRÍTICA: Tem valor fixo; Depende da viscosidade do fluído sob pressão e do diâmetro do tubo; Pode ser calculada.

Grupo de Acionamento O grupo de acionamento compreende Bomba hidráulica Acoplamento Motor Elétrico Reservatório Válvula limitadora de pressão Tubulação rígida e conexões

Bombas Hidráulicas Transformam a energia mecânica (motor de acionamento) em energia hidráulica (transmissão de pressão através do fluxo).

Classificação das bombas hidráulicas

Critério de seleção de bombas hidráulicas Para a escolha correta de uma bomba hidráulica, deve-se levar em consideração: Pressão máxima de operação, Vazão máxima, Nível de pulsação, Vazão fixa ou variável, tamanho e tipo construtivo, rendimento, Nível máximo de subpressão na entrada, Tipo de regulagem (bombas de vazão variável), Tipos de fluído a ser utilizado, nível de ruído.

Conversor H-E (Pressostato) Elemento eletro-hidráulico que converte um sinal de pressão variável em um sinal elétrico.

Reservatório Componentes Filtro de ar Conexão de retorno Tampa desmontável Parafuso de abertura Tubo de aspiração Parafuso de drenagem Visor de controle para nível máximo Visor de controle para nível mínimo Tubo de retorno Placa para evitar movimento do líquido Bomba

Filtro Existem diferentes tipos de filtragem: Filtragem por aspiração Filtragem por pressão Filtragem de retorno

Válvula de fechamento Tem por função fazer o bloqueio do fluxo de fluído em um sistema hidráulico. Mediante o giro de 90o da alavanca manual, a válvula se abre e fecha. O sentido de circulação do fluído é indiferente. Através de um fechamento parcial da válvula, consegue-se um estrangulamento do fluxo.

Válvula limitadora de pressão Estabelece uma resistência à passagem do fluxo, regulável mecanicamente. É utilizada para limitar a pressão de trabalho a um valor pré-determinado.Atua como válvula de segurança.

EXERCÍCIOS AVALIATIVOS

Exercício 1: Calcule a pressão hidrostática, que um fluido confinado em um reservatório aberto exerce contra o fundo dele. Considere os seguintes dados: Massa específica do fluido(μ = 881 kg/m3) Nível de fluido no tanque(H = 5m) Aceleração da gravidade(g = 9,81m/s2) Diâmetro do tanque(D = 3m)

Exercício 2 Em relação à questão anterior, calcule a velocidade e a vazão do fluido, sabendo que o mesmo leva 1,5h para esvaziar completamente, por um orifício de 0,2m de diâmetro.

Exercício 3 Para elevar um automóvel de 1000 kg através do bombeamento manual, é necessário um “macaco” hidráulico. Com os dados abaixo, calcular a força F1 necessária para elevar o automóvel e quantas vezes o operador deverá bombear para que este suba 15 cm F2 Dados F2 = 1000 kgf A1 = 5 cm2 A2 = 50 cm2 S1 = 10 cm S2 = ? (cm) F1 = ? (kgf) NS = ? Fórmulas p = F/A v = A . S A = .d2/4  = 3,14 A1 A2 F1 S2 S1

Exercício 4 Uma injetora utiliza um sistema hidráulico para elevar a pressão de entrada de 40 bar para uma pressão de trabalho na injeção p2. Conforme os dados relacionados abaixo, calcular a pressão de injeção p2. Dados p1 = 40 bar A1 = 15 cm2 A2 = 5 cm2 P2 = ? (bar) Fórmulas p = F/A v = A . S A = .d2/4  = 3,14

Exercício 5 Um cilindro hidráulico de dupla ação contém as seguintes características: Área de avanço A1 = 20 cm2 Área de retorno A2 = 10 cm2 Curso do atuador Sat = 200 mm Calcular a máxima força e velocidade que o atuador exerce no avanço e no retorno com uma pressão de trabalho (p) de 60 kgf/cm2 e vazão (Q) de 5000 cm3/min. Fórmulas p = F/A v = A . S Q = v . A A =  . d2/4  = 3,14